Dołącz do czytelników
Brak wyników

Neurobiologia

26 czerwca 2018

NR 26 (Marzec 2018)

Synapsy elektryczne – zaniedbane połączenie

0 261

Jakiś czas temu uczestniczyłem w wykładzie na temat przewodnictwa neuronalnego.

Jednym z zagadnień tam poruszanych były typy synaps z uwzględnieniem ich rozróżnienia na chemiczne i elektryczne. Oczywiście różnice pomiędzy nimi w sposobie działania i budowie są ewidentne, co przedstawiono na schemacie (ryc. 1). W synapsach elektrycznych błony obu neuronów położne są bardzo blisko siebie (ok. 5 nm) w porównaniu do synapsy chemicznej (20 nm). W synapsie chemicznej przesył informacji odbywa się poprzez uwolnienie neurotransmitera z pęcherzyków do przestrzeni synaptycznej, by połączyć się z receptorami na błonie drugiego neuronu, w przeciwieństwie do synapsy elektrycznej, gdzie komórki są ze sobą połączone, a przesył informacji odbywa się poprzez przejście jonów z komórki do komórki. Synapsy chemiczne zostały przedstawione jako podstawowy kanał komunikacji pomiędzy neuronami (głównie synapsy glutaminergiczne). Podobnie jak w podręcznikach, tak i na wykładzie informacje na temat synaps elektrycznych nie były obszerne i w trakcie wykładu zagadnienie to nie zostało więcej poruszone. 

Skromne zasoby informacyjne dotyczące synaps elektrycznych nakłoniły mnie do zastanowienia się, gdzie dokładnie występują i co wiemy na ich temat. Dotychczas pamiętałem jedynie, że tego typu połączenia występują w komórkach mięśnia sercowego i ogólnie w mózgu. W podręcznikach cała uwaga skupia się na synapsach chemicznych, ich budowie, działaniu i oczywiście różnych rodzajach neurotransmiterów, które są w nich wykorzystywane. Brak tam natomiast dokładniejszych informacji co do występowania i funkcji synaps elektrycznych. Informacje dotyczące tych połączeń zamykają się zwykle w jednym zdaniu, tj. określa się je jako szybsze od chemicznych, gdyż działają poprzez przepływ jonów i opierają się na ścisłym połączeniu komórek. Stąd pojawiła się myśl, by przyjrzeć się dokładniej synapsom elektrycznym (SE), ich roli i występowaniu w układzie nerwowym.

Ryc. 1. Porównanie budowy i działania synapsy elektrycznej i chemicznej. (A) schematyczna budowa synapsy elektrycznej. (B) wybrany obszar synapsy elektrycznej w powiększeniu, widoczne połączenia szczelinowe, przez które przepływają jony pomiędzy połączonymi komórkami. (C) schematyczna budowa synapsy chemicznej. (D) wybrany obszar synapsy chemicznej w powiększeniu, widoczne są pęcherzyki zlewające się z błoną presynaptyczną uwalniające neurotransmiter, oddziałuje on na kanały jonowe, wywołując napływ jonów do komórki (za Purves, 2004)

Ryc. 2. Schemat budowy synapsy elektrycznej z uwzględnieniem kolejnych poziomów złożoności. Widoczne są komórki spojone połączeniami szczelinowymi (A), następnie: obszar błony z połączeniami szczelinowymi (B), heksamer koneksonu (C), koneksynę (D) w błonie – cztery transmembranowe domeny, końce C i N po stronie cytoplazmatycznej (E)

Na początek warto pokrótce przyjrzeć się historii badań nad strukturą i działaniem mózgu. Na przełomie XIX i XX w. Cajal i Golgi zażarcie spierali się co do natury tego tajemniczego narządu. Ostatecznie ustalono, że mózg ma budowę komórkową, tworzą go neurony i komórki neurogleju. Wiadome też było, dzięki obserwacjom mikroskopowym, że komórki tworzą sieć i są połączone między sobą bardzo wyjątkowymi strukturami – synapsami. Od czasów Volty znane były zjawiska elektryczne występujące w ciele, w tym również w układzie nerwowym. Nie było natomiast jasne, na jakiej zasadzie zachodzi komunikacja pomiędzy neuronami, ma ona naturę chemiczną czy elektryczną? Było to o tyle problematyczne, że istniały dowody przemawiające za obydwiema hipotezami. Ostatecznie dominującym modelem stał się model neurotransmisji chemicznej, jednak dowody za sygnalizacją elektryczną nie okazały się wcale fałszywe, a jedynie potwierdziły współistnienie obu rodzajów komunikacji w zwierzęcych układach nerwowych. W 1957 r. potwierdzono występowanie synaps elektrycznych u krewetki Astacus

Uważa się, że głównym zadaniem synaps elektrycznych w układzie nerwowym jest umożliwienie pasywnego przepływu informacji w postaci zmiany napięcia z jednego neuronu do kolejnego.

fluviatilis. Łączą one neurony w sieciach odpowiedzialnych za reakcje ucieczki. Skraca to czas reakcji do minimum i sprawia, że są to jedne z najszybszych reakcji w świecie zwierząt. W kolejnych latach zlokalizowano synapsy elektryczne u ssaków, jednak ze względu na kluczową rolę neurotransmiterów w regulacji stanów mózgu i większe możliwości ich poznawania, badania nad komunikacją elektryczną pomiędzy neuronami były zmarginalizowane.

Pomimo tej marginalizacji, wiem dziś, że synapsy elektryczne znajdziemy we wszystkich układach nerwowych, również w ludzkim mózgu. W ich wypadku błony dwóch komunikujących się neuronów położone są szczególnie blisko siebie, a dokładnie są ze sobą połączone przez strukturę międzykomórkową zwaną neksusem lub połączeniem szczelinowym (ang. gap junction). Połączenia te zbudowane są ze sparowanych kanałów w błonach sąsiadujących komórek (ryc. 2). Budują je białka zwane koneksynami. Znanych jest obecnie ok. 40 ortologów tego białka, wśród nich najlepiej poznaną jest koneksyna Cx36. Uznaje się ją za najpowszechniej występującą, a tym samym funkcjonalnie dominującą koneksynę w mózgach ssaków. Jest ona specyficzna dla połączeń neuron-neuron (dla połączeń neuronów z neuroglejem lub pomiędzy samymi komórkami neurogleju odpowiedzialne są inne koneksyny). 

Pojedyncza koneksyna posiada cztery domeny transbłonowe, a oba końce białka zlokalizowane są w cytoplazmie. Sześć jednostek białkowych koneksyny buduje kanał, co oznacza, że jest on heksamerem i taką strukturę nazwano koneksonem. Pory połączeń szczelinowych są znacznie większe niż te w kanałach jonowych bramkowanych napięciem w błonie aksonu. W rezultacie wiele różnych substancji większych niż jony, takich jak ATP, cAMP czy IP3 (i inne wtórne przekaźniki), może przez nie swobodnie dyfundować pomiędzy neuronami. Niezwykłe jest to, że koneksony mogą być sparowane heteromerycznie lub homomerycznie, tzn. mogą się łączyć z koneksonem w błonie drugiego neuronu o bliźniaczej budowie (homomerycznie) lub innego typu (heteromerycznie). Daje to ogromną liczbę możliwości interakcji pomiędzy koneksonami, tworząc tym samym niezwykłą plastyczność i dynamikę systemu, a także zróżnicowanie reakcji SE na pojawiające się czynniki w połączonych komórkach (w przypadku układów heteromerycznych na ten sam bodziec inaczej może reagować każdy z pary koneksonów). Badania wskazują, że głównym mechanizmem aktywacji SE jest ich fosforylacja. Jednak jest szereg innych czynników regulujących łączenie i rozłączanie koneksonów, należą do nich wapń, pH, zmiana napięcia, neurotransmitery, leki czy anestetyki. Wyniki badań sugerują, że działanie połączeń szczelinowych opiera się nie tyle na zasadzie otwarty/zamknięty, ale raczej na zasadzie połączony/niepołączony z koneksonem w błonie drugiej komórki, wtedy możliwy jest przepływ jonów i cząsteczek. Ten dynamizm powstawania i znikania połączeń jeszcze bardziej utrudnia ich badanie, gdyż nie zawsze da się jednoznacznie stwierdzić istnienie połączenia.

Badania ewolucyjne pokazują, że synapsy chemiczne jako odmiana chemorecepcji są starszym i prostszym rozwiązaniem od synaps elektrycznych. Najwyraźniej mimo swej pozornej prostoty takie rozwiązanie mogło pojawić sie później, dopiero w wielokomorowych strukturach, gdzie komórki są stabilnie położone blisko siebie i tworzą funkcjonalną sieć. Co niezwykłe, badania pokazują, że białka tworzące synapsy elektryczne pojawiły się parokrotnie niezależnie w historii życia. Porównanie pomiędzy różnymi grupami bezkręgowców i kręgowcami wskazuje, że wytworzyły one praktycznie identyczne funkcjonalnie struktury z odmiennych układów genetycznych (ineksyny i paneksyny).

Uważa się, że głównym zadaniem synaps elektrycznych w układzie nerwowym jest umożliwienie pasywnego przepływu informacji w postaci zmiany napięcia z jednego neuronu do kolejnego. Ze względu na swoje właściwości synapsy elektryczne skuteczniej przenoszą wolne zmiany potencjału błonowego niż szybkie (jak np. potencjał czynnościowy), stając się tym samym tzw. filtrem dolnoprzepustowym umożliwiającym de­-
tekcje zdarzeń o niskiej częstotliwości w układzie nerwowym. Cecha ta prowadzi do trzeciej funkcji, tj. synchronizatora aktywności komórek, gdyż informacja o zmianie potencjału...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy