Биохимия нервной ткани

План лекции
Введение
Функции нервной системы и нейрона
Особенности нейрона как высокоспециализированного типа клетки
Молекулярные основы генерации и передачи нервного импульса
Миелиновая оболочка
Молекулярные процессы в синапсе
Особенности энергетического обмена в нейрона
Особенности обмена углеводов, белков, аминокислот и липидов в нервной ткани
Рост нейронов и его регуляция на молекулярном уровне
Особенности функционирования клеток нейроглии
© 2008, В.Г.Зайцев

Нервная система обеспечивает
структурно-функциональную взаимосвязь в организме
регуляторную взаимосвязь между органами и тканями
адекватную реакцию организма на внешние стимулы
Т.о., НЕРВНАЯ СИСТЕМА выполняет
КОММУНИКАТИВНУЮ, ИНТЕГРИРУЮЩУЮ и АДАПТИВНУЮ роль
© 2008, В.Г.Зайцев

О чём эта лекция?
Эту лекцию следует рассматривать как краткое изложение основных аспектов, существенных для понимания молекулярных основ функционирования нервной системы
Но необходимо помнить, что «Биохимическими методами можно изучать механизм переноса информации, но не саму информацию» (Фердинанд Хухо, «Нейрохимия», 1986)
© 2008, В.Г.Зайцев

НЕЙРОН
© 2008, В.Г.Зайцев
Считается, что единичный нейрон является функциональной (но не структурной!) единицей нервной системы
Характерным свойством нейрона является ВОЗБУДИМОСТЬ – способность к формированию (генерации) потенциала действия при восприятии клеткой определенного вида стимула

Нейрон перерабатывает информацию
Восприятие внешнего сигнала (стимула) – одиночного или множества стимулов
Обработка сигнала (сигналов) по определенному алгоритму (интеграция действующих стимулов)
Генерация интегрального специфического ответа в форме нервного импульса
Проведение и передача нервного импульса к эффекторам
© 2008, В.Г.Зайцев

Морфология нейрона
Адекватная окраска нейронов разработана в 1873-1885 гг. Камилло Гольджи:
фиксация дихроматом калия и импрегнация серебром
Для нейрона характерно наличие особых волокнообразных или нитевидных выростов – отростков
Аксон всегда один, но может ветвиться
Дендритов может быть много
© 2008, В.Г.Зайцев
Нейрон с восходящим аксоном из третьего слоя зрительной коры кролика. Окраска по Гольджи

Клеточная архитектура мозга
© 2008, В.Г.Зайцев
Сантьяго Рамон-и-Кахал, 1888-1891 гг.

Структурно-функциональное строение
© 2008, В.Г.Зайцев

Полярен ли нейрон?
Рамон-и-Кахал и Ван Гегухтен сформулировали «закон динамической поляризации» нейрона
По этому закону дендриты отвечали только за восприятие стимула, аксоны – за передачу сигнала
Сегодня мы знаем, что
Дендриты могут секретировать нейромедиаторы
Аксоны и тело нейрона способны воспринимать стимулы
© 2008, В.Г.Зайцев

Ионные транспортные системы, вовлеченные в формирование мембранного потенциала
© 2008, В.Г.Зайцев
Ионный транспорт
Активный транспорт
Ионные каналы
Na,K-АТФаза
Хемо-зависимые
Потенциал-завис.

Нервный импульс
Нервный импульс
волна возбуждения, распространяющаяся по нервному волокну
Мембранный потенциал
разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны, возникающая вследствие неравномерного распределения ионов
Потенциал покоя
мембранный потенциал, существующий до (или существенно позже) момента стимуляции нервной клетки
Потенциал действия
временное изменение мембранного потенциала в период стимуляции клетки; распространяется от точки возникновения в обоих направлениях. Возникает по принципу «всё или ничего»
© 2008, В.Г.Зайцев

Физиологический мембранный потенциал
© 2008, В.Г.Зайцев
В возбудимых клетках называется потенциалом покоя.
Содержание ионов

Стадии формирования импульса
Активация хемозависимых Na-каналов нейромедиатором
Открытие потенциал-зависимых Na-каналов в момент достижения порогового потенциала
Активация К-каналов вблизи максимума потенциала действия
Инактивация Na-каналов
Реполяризация и гиперполяризация
Восстановление потенциала покоя за счет Na-каналов
© 2008, В.Г.Зайцев

Модуляция чувствительности к стимулу
© 2008, В.Г.Зайцев

Нейроны и кальций
© 2008, В.Г.Зайцев
Потенциал-зависимые кальциевые каналы активируются деполяризацией мембраны
Хемозависимые кальциевые каналы активируются цАМФ
Повышения содержания кальция в цитозоле актививрует фосфодиэстеразу и снижает концентрацию цАМФ и цГМФ (отрицательная обратная связь)
Кальций стимулирует кальций-зависимые калиевые каналы
Кальций уменьшает проводимость электрических синапсов
Кальций стимулирует экзоцитоз
Повышение содержания кальция вне клетки стабилизирует и уменьшает возбудимость

Нейротоксины
© 2008, В.Г.Зайцев
Тетродотоксин (рыба фугу, калифорнийский тритон и др.)
Сакситоксин (моллюски в водах Аляски)
Блокируют Na+-каналы
Батрахотоксин
Алкалоиды аконитин, вератридин
Вызывают устойчивую активацию Na+-каналов
Токсины морских анемон
Усиливает устойчивую активацию Na+-каналов
Токсины скорпионов
Подавляют Na+ проводимость и активируют K+ проводимость
Местные анестетики
Ослабляют Na+ проводимость

Нейротоксины
© 2008, В.Г.Зайцев

Проведение нервного импульса
© 2008, В.Г.Зайцев
Электротоническое (непрерывное)
Немиелинизированные аксоны
Медленное (не более 3 м/с)
На короткие расстояния
Сигнал быстро затухает
Сальтаторное (скачкообразное)
Дендриты и миелинизированные аксоны
Быстрое (до 120 м/с)
Сигнал длительно не затухает
Известная длина аксонов до 2 м
Существенно экономит энергию АТФ
Снижает ёмкость оболочки нервного волокна
Существенно повышает компактность построения нервной системы

Электротоническое проведение
© 2008, В.Г.Зайцев

Сальтаторное проведение
© 2008, В.Г.Зайцев

Миелиновые волокна
© 2008, В.Г.Зайцев

Химические особенности миелина
© 2008, В.Г.Зайцев
Липиды
Очень высокое содержание (до 75-85% от массы мембраны)
Уникальное содержание кардиолипина
Сниженное сожержание глицерофосфолипидов и ганглиозидов
Высокое содержание цереброзидов (особенно, сульфатированных)
При патологическом снижении уровня цереброзидов наблюдаются синдромы «дрожания» и «подпрыгивания»
Белки
Очень низкое содержание
Очень слабое разнообразие
Высокогидрофобные протеолипиды (50% массы белков)
Основный белок А1 (30%) – содержит много Arg и Lys, термостабилен
Кислые белки Вольфграма
В периферических нервах отсутствует протеолипид, а белок А1 заменён на белок P0

Белок А1 миелиновой оболочки
© 2008, В.Г.Зайцев

Нарушения миелинизации нейронов
© 2008, В.Г.Зайцев
Рассеянный склероз
Периферическая демиелинизирующая нейропатия (синдром Ландри – Гуиллян – Барре)
Токсическое нарушение созревание миелиновых оболочек фенилпируватом при фенилкетонурии
Токсическая демиелинизация (дифтерийный токсин, свинец, хлороорганические соединения, в т.ч., гексахлорофен)
Нарушение миелинизации аксонов в результате голодания в первый год жизни
Во многих случаях вирусные инфекции и нейропатии вызывают нарушение структуры миелдиновых оболочек

Рассеянный склероз (Multiple Sclerosis)
© 2008, В.Г.Зайцев
Хроническое заболевание головного и спинного мозга
Наиболее распространенное демиелинизирующее заболевание. Распространенность до 1:2000
У женщин встречается в 2 раза чаще
Первая манифестация обычно в возрасте 20-40 лет
Волнообразно медленно (обычно) прогрессирующее течение
Характеризуется развитие множественных «рассеянных» во времени и пространстве очагов демиелинизации
Парестезии (одна или несколько конечностей, одна сторона туловища, шеи или лица)
Зрительные нарушения (неврит зрительного нерва)
Психические нарушения
Скандированная речь

Рассеянный склероз
© 2008, В.Г.Зайцев
Основная причина – демиелинизация с последующим нарушением функций
В экспериментах установлено, что белок А1 (но не миелин целиком!) вызывает экспериментальный аллергический энцефаломиелит и экспериментальный аллергический неврит
Белок А1 вызывает сенсибилизацию Т-клеточной системы иммунного ответа (но не стимулирует выработку антител!)
Считается, что роль спускового механизма могут играть вирусные инфекции

*** Другие дефекты миелиновой оболочки
© 2008, В.Г.Зайцев

Передача сигнала от клетки к клетке
© 2008, В.Г.Зайцев
«…окончания ветвей древовидного образования одного нейрона не переходят непрерывно в вещество дендрита или тело другого, а лишь контактируют с ними. Такое особое соединение одной непрерывной клетки с другой можно назвать синапсом»
Шеррингтон (1897 г.)

Синапсы
© 2008, В.Г.Зайцев
Электрические и химические
Простые и специализированные
Возбуждающие и тормозные
С непосредственными и дистантными взаимодействиями

Электрические синапсы
© 2008, В.Г.Зайцев
Встречаются редко
Роль в ЦНС у млекопитающих неясна
Обладают однонаправленным действием
Имеют низкое сопротивление (низкоомные щелевые контакты)
Образуются как димеры компонентов мембран соседних клеток
Ингибируются кальцием

Синапсы между аксоном (А) и дендритом (Д)
© 2008, В.Г.Зайцев

Синапсы между аксонами и дендритами
© 2008, В.Г.Зайцев

Локализация синапсов разного типа
© 2008, В.Г.Зайцев

Последовательность событий в синапсе
© 2008, В.Г.Зайцев
Синтез нейромедиатора (в теле нейрона или в окончании аксона)
Запасание нейромедиатора в везикулах
Если нейромедиатор синтезировался в теле нейрона – транспорт его в окончание аксона
Выброс нейромедиатора в синаптическую щель посредством экзоцитоза
Диффузия нейромедиатора к постсинаптической мембране
Рецепция нейромедиатора на постсинаптической мембране
Формирование потенциала действия или изменение величины потенциала покоя постсинаптической мембраны
Инактивация нейромедиатора в синаптической щели посредством обратного захвата или разрушения

Последовательность событий в синапсе
© 2008, В.Г.Зайцев

Аксональный транспорт
© 2008, В.Г.Зайцев

Аксональный транспорт
© 2008, В.Г.Зайцев

Жизненный цикл синаптических пузырьков
© 2008, В.Г.Зайцев

Постсинаптические рецепторы
© 2008, В.Г.Зайцев
Ионотропные
быстрые
единый комплекс с ионным каналом
работают на открытие каналов
никотиновые холинорецепторы, рецепторы ГАМК и глицина, часть рецепторов возбуждающих аминокислот
Метаботропные
медленные
активизация ферментных каскадов
впоследствии могут открывать или закрывать (опосредованно) каналы
мускариновые холинорецепторы, рецепторы большинства нейропептидов, большинство рецепторов катехоламинов и серотонина

Постсинаптические рецепторы
© 2008, В.Г.Зайцев

Непептидные нейромедиаторы
© 2008, В.Г.Зайцев

Инактивация катехоламинов
© 2008, В.Г.Зайцев

Инактивация норадреналина
© 2008, В.Г.Зайцев

Инактивация дофамина в регуляции синаптической активности
© 2008, В.Г.Зайцев

Связь генотипа с поведением
© 2008, В.Г.Зайцев

Связь генотипа с поведением
© 2008, В.Г.Зайцев

Связь генотипа с поведением
© 2008, В.Г.Зайцев

Латеральное торможение
© 2008, В.Г.Зайцев

NO и долговременная потенциация
© 2008, В.Г.Зайцев

Ретротранспорт ГАМК
© 2008, В.Г.Зайцев

Действие лекарственных препаратов
© 2008, В.Г.Зайцев

Энергетический обмен
© 2008, В.Г.Зайцев
Источник АТФ
Только (!) аэробный распад глюкозы
Аэробная продукция АТФ может быть активирована лишь в очень небольшой степени, поскольку активность изоцитатратдегидрогеназы в базальных условиях близка к максимуму
Жирные кислоты не проникают через гематоэнцефалический барьер
Анаэробный гликолиз практически не способен к активации
Несовершенный глюконеогенез
Даже непродолжительная гипоксия вызывает необратимые нарушения в нейронах

Углеводный обмен
© 2008, В.Г.Зайцев
Потребление глюкозы
Гексокиназа имеет очень низкое значение Km и оченьы высокое – Vmax.
Резерв углеводов
Содержание гликогена около 0,1% от массы сухого вещества
Гормональная регуляция обмена углеводов
В ЦНС не регулируется инсулином, потому что инсулин не проникает через гематоэнцефалический барьер
Все глюкозные транспортеры в клетках ЦНС – инсулин-независимые
Инсулин может непосредственно влиять на обмен веществ в периферических нервах

Обмен белков
© 2008, В.Г.Зайцев
Сильнокислый белок S-100 (изоформа мозга)
преимущественно в клетках глии
снижение содержания или функциональной активности белка S-100 в клетках нейроглии (например, в эксперименте – обработкой антителами) нарушает структуру нейронов и проведение нервного импульса
Сильнокислый белок 14-3-2
обнаружен в сером веществе
может перемещаться по аксону из тела нейрона системой медленного аксонального транспорта (подобно везикулам!)
Скорость обмена
Очень высокая (кроме миелина)

Обмен аминокислот и пептидов
© 2008, В.Г.Зайцев
Общее содержание
До 30-100 мМ, что в несколько (до 10) раз выше, чем в любой другой ткани
Состав
До 75% массы аминокислот могут быть представлены пятью из них – Asp, Glu, Gln, N-ацетил-Asp, ГАМК
Довольно много цистатионина, таурина и глутатиона
Преобладающая аминокислота – Glu (С>10 мМ). Содержание Asp – порядка 3 мМ.
Глутамин
быстро синтезируется в глиальных клетках и очень медленно в нейронах
нейроны могут захватывать глутамин, секретированный глиальными клетками

Шунт ГАМК
© 2008, В.Г.Зайцев

Метаболизм ГАМК
© 2008, В.Г.Зайцев

Регуляция глутаматдекарбоксилазы
© 2008, В.Г.Зайцев

Обмен глутамата в нейронах
© 2008, В.Г.Зайцев

Особенности обмена пептидных нейромедиаторов
© 2008, В.Г.Зайцев

Обмен липидов
© 2008, В.Г.Зайцев
Обмен
Скорость обновления очень низкая! – особенно в миелиновой мембране
Особенно медленно протекает метаболизм цереброзидов, фосфатидилэтаноламина, сфингомиелинов, холестерина
Быстрее обменивается фосфатидилхолин
Наиболее высокая скорость обмена - фосфатидилиэтаноламин
Холестерин
Скорость синтеза с возрастом падает в связи с падением активности ГМГ-СоА-редуктазы
Основная масса холестерина неэстерифицирована
Наибольшее содержание эфиров холестерина – в участках активной миелинизации
Синтез липидов
Глицерин для синтеза липидов образуется исключительно из глюкозы

Метаболизм ацетилхолина
© 2008, В.Г.Зайцев

Обмен нуклеотидов
© 2008, В.Г.Зайцев
Скорость обмена
Очень высокая скорость обмена РНК и очень низкая ДНК (особенно в нейронах)
Пурины
Возможны два пути синтеза: полностью из исходных предшественников (de novo) или из экзогенных пуринов (из крови)
Дезаминирование пуриновых нуклеотидов – один из главных источников продукции NH3 в нейронах
Пиримидины
Карбамоилфосфатсинтаза II отсутствует
Синтез возможен только из экзогенного УМФ

Регуляция роста нейронов
© 2008, В.Г.Зайцев

Фактор роста нервов
© 2008, В.Г.Зайцев

Регуляция роста нейронов
© 2008, В.Г.Зайцев

Нейроны и формирование условных рефлексов
© 2008, В.Г.Зайцев

Астроциты и олигодендроциты
© 2008, В.Г.Зайцев

Глия и функции нервной ткани
© 2008, В.Г.Зайцев

Активация макрофагов клетками головного мозга
© 2008, В.Г.Зайцев

Вовлеченность иммунных механизмов в повреждение нервной ткани
© 2008, В.Г.Зайцев
Ly – лимфоциты; Mac – макрофаги; Compl – компоненты системы
комплемента; Ab – антитела; N – нейрон; O – олигодендроциты;
S – шванновские клетки.