Chemická synapse je zvláštní typ mezibuněčného kontaktu mezi neuronem a cílovou buňkou. V tomto typu synapse plní roli mediátora (mediátoru) chemická látka.
Skládá se ze tří hlavních částí: nervové zakončení s presynaptickou membránou , postsynaptickou membránou cílové buňky a synaptickou mezerou mezi nimi.
Naprostá většina synapsí v nervovém systému živočišné říše jsou chemické synapse. Vyznačují se přítomností několika společných rysů, i když se velikost a tvar presynaptických a postsynaptických složek velmi liší. Synapse v mozkové kůře savců mají preterminální axony o tloušťce asi 100 nanometrů a presynaptické pupeny o středním průměru asi 1 mikrometr.
Chemická synapse se skládá ze dvou částí: presynaptické tvořené kyjovitým prodloužením konce axonu vysílající buňky a postsynaptické reprezentované kontaktní plochou plazmatické membrány přijímací buňky. Mezi oběma částmi je synaptická mezera - mezera široká 10-50 nm mezi postsynaptickou a presynaptickou membránou, jejíž okraje jsou vyztuženy mezibuněčnými kontakty.
Část axolema kyjovitého prodloužení přiléhající k synaptické štěrbině se nazývá presynaptická membrána . Úsek cytolematu vnímající buňky, který omezuje synaptickou štěrbinu na opačné straně, se nazývá postsynaptická membrána , v chemických synapsích je reliéfní a obsahuje četné receptory .
V synaptické expanzi jsou malé váčky , tzv. presynaptické nebo synaptické váčky , obsahující buď mediátor (mediátor při přenosu vzruchu) nebo enzym , který tento mediátor ničí. Na postsynaptických a často i na presynaptických membránách jsou receptory pro ten či onen mediátor.
Stejná velikost presynaptických vezikul ve všech studovaných synapsích (40-50 nanometrů) byla nejprve považována za důkaz, že každá vezikula je minimálním shlukem, jehož uvolnění je nutné k vytvoření synaptického signálu. Vezikuly jsou umístěny naproti presynaptické membráně, což je dáno jejich funkčním účelem pro uvolnění mediátoru do synaptické štěrbiny. V blízkosti presynaptického vezikula je také velké množství mitochondrií (produkujících adenosintrifosfát ) a uspořádaných struktur proteinových vláken.
Synaptická štěrbina je 20 až 30 nanometrů široký prostor mezi presynaptickou membránou a postsynaptickou membránou, který obsahuje pre- a postsynapse vazebné struktury postavené z proteoglykanu . Šířka synaptické štěrbiny je v každém jednotlivém případě dána tím, že mediátor extrahovaný z presynapse musí přejít do postsynapse za čas, který je výrazně menší než frekvence nervových signálů charakteristických pro neurony tvořící synapsi (doba, za kterou přechod mediátoru z presynaptické membrány na postsynaptickou membránu trvá řádově několik mikrosekund).
Postsynaptická membrána patří k buňce, která přijímá nervové vzruchy. Mechanismem translace chemického signálu mediátoru do elektrického akčního potenciálu na této buňce jsou receptory - proteinové makromolekuly uložené v postsynaptické membráně.
Pomocí speciálních ultramikroskopických technik bylo v posledních letech získáno poměrně velké množství informací o podrobné struktuře synapsí.
Takže na presynaptické membráně byla objevena uspořádaná struktura kráterovitých prohlubní o průměru 10 nanometrů, vtlačených dovnitř. Nejprve se nazývaly synaptopory, ale nyní se tyto struktury nazývají místa připojení vezikul (VSP). Nádoby jsou uspořádány v uspořádaných skupinách šesti samostatných vybrání kolem takzvaných zhutněných výstupků. Zhuštěné výběžky tedy tvoří pravidelné trojúhelníkové struktury na vnitřní straně presynaptické membrány a SSV jsou hexagonální a jsou to místa, kde se váčky otevírají a vysouvají neurotransmiter do synaptické štěrbiny.
Příchod elektrického impulsu do presynaptické membrány spouští proces synaptického přenosu, jehož první fází je vstup Ca 2+ iontů do presynapse přes membránu přes specializované vápníkové kanály umístěné v blízkosti synaptické štěrbiny. Ionty Ca2 + zcela neznámým mechanismem aktivují vezikuly natěsnané v místech jejich připojení a uvolňují neurotransmiter do synaptické štěrbiny. Ionty Ca2 +, které vstoupily do neuronu , jsou po aktivaci váčků mediátorem deaktivovány v řádu několika mikrosekund v důsledku ukládání v mitochondriích a presynapsích váčků.
Molekuly mediátoru uvolněné z presynapse se vážou na receptory na postsynaptické membráně, v důsledku čehož se v makromolekulách receptoru otevřou iontové kanály (u kanálových receptorů, což je nejběžnější typ, když fungují jiné typy receptorů, mechanismus přenosu signálu je jiný). Ionty, které začnou vstupovat do postsynaptické buňky otevřenými kanály, mění náboj její membrány, což je částečná polarizace (v případě inhibiční synapse) nebo depolarizace (v případě excitační synapse) této membrány a jako vede k inhibici nebo provokaci generování postsynaptickým buněčným akčním potenciálem.
Donedávna populární jako vysvětlení mechanismu uvolňování neurotransmiteru z presynapse, hypotéza kvantové vezikulární exocytózy (QVE) předpokládá, že „balíček“ neboli kvantum mediátoru je obsaženo v jednom vezikule a uvolňuje se během exocytózy (v v tomto případě membrána vezikuly splyne s buněčnou presynaptickou membránou ). Tato teorie je dlouhodobě převažující hypotézou – a to i přesto, že neexistuje žádná korelace mezi úrovní uvolňování neurotransmiterů (resp. postsynaptických potenciálů) a počtem vezikul v presynapsi [1] . Hypotéza CBE má navíc další významné nedostatky.
Fyziologickým základem přesně kvantovaného uvolňování mediátoru by mělo být stejné množství tohoto mediátoru v každé vezikule. Hypotéza TBE ve své klasické podobě není vhodná pro popis účinků různě velkých kvant (nebo různého množství mediátoru), která se mohou uvolnit během jednoho aktu exocytózy. V tomto případě je třeba vzít v úvahu, že ve stejném presynaptickém pupenu lze pozorovat vezikuly různých velikostí; kromě toho nebyl nalezen žádný vztah mezi velikostí vezikuly a množstvím mediátoru v něm (to znamená, že jeho koncentrace ve váčcích může být také různá). Navíc v denervované neuromuskulární synapsi generují Schwannovy buňky větší počet miniaturních postsynaptických potenciálů, než je pozorováno v synapsi před denervací, navzdory úplné absenci presynaptických váčků lokalizovaných v oblasti presynaptického tlačítka v těchto buňkách [2] .
Existují významné experimentální důkazy, že neurotransmiter je vylučován do synaptické štěrbiny v důsledku synchronní aktivace hexagonálních skupin MPV (viz výše) a váčků na ně navázaných [ 3] , což se stalo základem pro formulaci hypotézy porocytózy . Tato hypotéza je založena na pozorování, že vezikuly připojené k MPV se po přijetí akčního potenciálu synchronně stahují a současně pokaždé vylučují stejné množství mediátoru do synaptické štěrbiny, přičemž uvolňují pouze část obsahu každý ze šesti vezikul. Samotný termín porocytóza pochází z řeckých slov poro (což znamená póry) a cytóza (které popisuje transport chemických látek přes plazmatickou membránu buňky).
Většina experimentálních dat o fungování monosynaptických intercelulárních spojení byla získána ze studií izolovaných neuromuskulárních spojení. Stejně jako v interneuronálních synapsích se v neuromuskulárních synapsích MPV tvoří uspořádané hexagonální struktury [4] . Každou z těchto šestiúhelníkových struktur lze definovat jako „synaptomer“ – tedy strukturu, která je základní jednotkou v procesu sekrece neurotransmiterů. Synaptomer obsahuje kromě vlastních pórových vybrání proteinové filamentózní struktury obsahující lineárně uspořádané vezikuly; existence podobných struktur byla prokázána i pro synapse v centrálním nervovém systému (CNS).
Jak bylo zmíněno výše, porocytický mechanismus generuje kvantum neurotransmiteru , ale bez toho, aby se membrána jednotlivého vezikula zcela sloučila s presynaptickou membránou. Malý variační koeficient (méně než 3 %) pro hodnoty postsynaptických potenciálů je indikátorem toho, že v jedné synapsi není více než 200 synaptomerů [5] , z nichž každý vylučuje jedno kvantum vysílače v reakci na jednu akci. potenciál [6] . 200 míst uvolnění (tj. synaptomerů uvolňujících neurotransmiter) nalezených na malém svalovém vláknu umožňuje výpočet maximální kvantové hranice jednoho místa uvolnění na mikrometr délky synaptického spojení [7] , toto pozorování vylučuje možnost existence kvanta neurotransmiterů, která zajišťují přenos nervového signálu v objemu jednoho váčku.
Srovnání nedávno přijaté hypotézy TBE s hypotézou porocytózy lze provést porovnáním teoretického variačního koeficientu s experimentálním koeficientem vypočteným pro amplitudy postsynaptických elektrických potenciálů generovaných v reakci na každé jednotlivé uvolnění neurotransmiteru z presynapse. Za předpokladu, že proces exocytózy probíhá v malé synapsi obsahující asi 5 000 vezikul (50 na každý mikron délky synapse), postsynaptické potenciály by měly být generovány 50 náhodně vybranými vezikuly, což dává teoretický variační koeficient 14 %. Tato hodnota je přibližně 5krát větší než variační koeficient postsynaptických potenciálů získaný v experimentech, lze tedy tvrdit, že proces exocytózy v synapsi není náhodný (neshoduje se s Poissonovou distribucí ) - což je nemožné, pokud vysvětleno z hlediska hypotézy TBE, ale je v souladu s hypotézou porocytózy. Faktem je, že hypotéza porocytózy předpokládá, že všechny vezikuly spojené s presynaptickou membránou vysunou mediátor současně; současně konstantní množství mediátoru vyvrženého do synaptické štěrbiny v reakci na každý akční potenciál (udržitelnost dokládá nízký variační koeficient postsynaptických odpovědí) lze dobře vysvětlit uvolněním malého objemu mediátoru velký počet vezikul - navíc čím více vezikul se do procesu zapojí, tím se korelační , i když to z hlediska matematické statistiky vypadá poněkud paradoxně .
V synapsi přitom nevzniká vždy jen jeden mediátor. Obvykle je hlavní mediátor vysunut spolu s dalším, který hraje roli modulátoru.
Pokud první přispívají ke vzniku excitace v postsynaptické buňce, pak druhé naopak její výskyt zastaví nebo zabrání. Obvykle inhibiční jsou glycinergní (mediátor - glycin) a GABAergní synapse (mediátor - kyselina gama-aminomáselná).
Některé synapse mají postsynaptickou hustotu, elektronově hustou zónu tvořenou proteiny. Podle jeho přítomnosti či nepřítomnosti se rozlišují asymetrické a symetrické synapse. Je známo, že všechny glutamátergní synapse jsou asymetrické, zatímco GABAergické synapse jsou symetrické.
V případech, kdy se několik synaptických extenzí dostane do kontaktu s postsynaptickou membránou, vzniká více synapsí.
Zvláštní formou synapsí jsou trnové aparáty, ve kterých jsou krátké jednotlivé nebo vícenásobné výběžky postsynaptické membrány dendritu v kontaktu se synaptickou expanzí. Ostnatý aparát výrazně zvyšuje počet synaptických kontaktů na neuronu a tím i množství zpracovávaných informací. „Nešpicaté“ synapse se nazývají „přisedlé“. Například všechny GABAergické synapse jsou přisedlé.