37. Биохимия нервной системы. Химические механизмы памяти.

От всех перечисленных выше явлений, имеющих конкретную физико-химическую природу и образующих в итоге нервную систему организма, зависит способность мозга управлять поведением и осуществлять пси­хическую деятельность, т. е. способность живого существа воспринимать окружающую его действительность и адаптироваться к ней, для того чтобы воспроизвести потомство, поддержать существование рода и т. д. В результате этого можно заключить, что молекулярные явления, лежащие в основе психической деятельности живых существ, составляют фундаментальную и неотъемлемую часть эволюционного процесса.

Память не сосредоточена в одном, строго локализованном участке мозга, подобном центрам зрения или слуха. Субстратом памяти являются нейроны. Познание как процесс отражается на химизме мозговых нейронов и проявляется, например, в изменении содержания уридина в РНК, степени метилирования ДНК, фосфорилирования сложных белков ядер клеток, синтезе новых белков, нейромедиаторов, РНК и других биологически активных молекул. Принято выделять три формы биологической памяти: генетическая (ее носитель — ДНК), иммунологическая (включает генетическую, но имеет более высокий уровень) и нейрологическая. Последняя форма памяти наиболее сложная, в ней условно разделяют кратковременную и долговременную формы. В основе кратковременной памяти лежит циркуляция импульсов информации по замкнутым цепям нейронов. Включение белков долговременной памяти обеспечивается примерно через 10 мин после прихода информации в клетку и заключается в целенаправленном синтезе РНК, специфических белков и установлении новых синаптических связей; именно синтезированные в результате этого процесса биологически активные молекулы являются хранилищем информации в организме.

37. Биохимия нервной системы. Химия ощущений. Ощущение вкуса.

В основе всех ощущений лежат химические явления, определяющие активность нейронов центральной нервной системы.

Ощущение вкуса. Ощущение вкуса может служить примером хеморецепции. Язык взрослого человека содержит около 9000 вкусовых сосочков, каждый из которых состоит из 50 — 100 специализированных клеток- посредников, соединенных с нейронами и отвечающих за восприятие четырех основных вкусовых ощущений (сладкий, соленый, кислый и горький вкус), вызываемых различными веществами.

Необходимыми условиями проявления веществом какого-либо вкуса являются: достаточно хорошая растворимость в воде и наличие определенного пространственного расположения в молекуле атомов, обладающих выраженными донорно-акцепторными свойствами.

Ответственные за сладкий вкус фрагменты молекул называются глюкофорами. Предполагается, что структура глюкофора соответствует структуре белка-рецептора клетки-посредника. Когда «сладкая» молекула взаимодействует (в основном за счет водородных связей) с соответствующими радикалами белка, происходит изменение его надмолекулярной структуры. Возникший в результате этого сигнал передается с клетки-посредника на сопряженный с ней нейрон и далее через систему нейронов — в мозг. В настоящее время предложено несколько моделей структурно-функциональной организации глюкофоров.

Наилучшим образом удовлетворяет этим требованиям циклическая форма молекулы фруктозы, вкус кото­рой ощущается как наиболее сладкий из сахаров. Сахароза в 1,5 раза слаще глюкозы, что, вероятно, связано с наличием в ее молекуле двух глюкофоров, ориентация которых предпочтительна для взаимодействия сразу с двумя рецепторами. Крахмал, хотя и содержит множество глюкофоров, не дает сладкого вкуса, так как большие размеры его полимерной молекулярной цепи не позволяют отдельным остаткам глюкозы приблизиться к рецепторам и сформировать нужную структуру. Сладкий вкус вызывают молекулы многоатомных спиртов (этиленгликоль, глицерин, сорбит), ряда α-аминокислот.

Кислый вкус обусловлен присутствием ионов водорода, образующихся при диссоциации различных кислот (например, уксусной, угольной или фосфорной), добавляемых к напиткам типа колы для улучшения вкусо­вых качеств. Предполагают, что вкусовые рецепторы, расположенные на боковой части языка, содержат большое количество ионизированных при pH ротовой полости карбоксильных групп (—СОО~). В кислой среде кислотно-основное равновесие смещается в сторону образования протони- рованной формы белка (—СООН). В результате изменяются суммарный заряд на поверхности белка и его надмолекулярная структура. Изменение формы белковых молекул инициирует соответствующий сигнал, поступающий через нейронные цепи в мозг.

Горький вкус часто обусловлен присутствием азотсодержащих органических веществ — алкалоидов, которые, как правило, ядовиты, и способность обнаруживать их по вкусу выработалась у человека, вероятно, в процессе эволюции. Для проявления веществом горького вкуса необходимы следующие условия: растворимость в воде, наличие в молекуле нескольких амино- или нитрогрупп, ориентированных в определенном порядке. Это яркий пример того, как небольшие изменения в структуре молекул могут вызвать резкие изменения их вкусовых свойств.

Добавление к аперитивам горьких веществ стимулирует выделение слюны, что способствует перевариванию поступающих продуктов (в первобытные времена выделение слюны было защитной реакцией организма на яд, имеющий, как правило, горький вкус). Примером таких веществ может служить хинин, добавляемый в напитки типа тоник.

Жгучий, пряный и холодный вкус являются вариантами химического моделирования боли. Многие специи стимулируют во рту окончания болевых нейронов, которые по системе сигналов, передаваемых через тон­кие («быстрая» боль) и толстые («медленная» боль) нервные волокна, доставляют информацию в головной мозг. В ответ на такие сигналы клетки мозга синтезируют нейромедиаторы — анальгетики пептидной природы: эндорфины и энкефалины.

Жгучий вкус вызывают многие алкалоиды — такие, как пиперин (действующее начало белого и черного перца), капсаицин (содержится в красном и зеленом перце):

Приятное ощущение, испытываемое после приема сдобренной жгучими специями пищи, приписывается способности этих соединений стимулировать образование в клетках мозга успокаивающих эндорфинов.

Ощущение холода во рту, вызываемое такими соединениями, как ментол, обусловлено тем, что молекулы этих веществ являются «ключом» к тем же белковым рецепторам, которые за счет изменения своей конфор­мации реагируют на понижение температуры. Взаимодействуя с молекулами ментола, такие рецепторы активизируются при более высокой температуре, инициируя сигнал в соответствующих нейронах мозга. В результате в присутствии ментола теплые предметы, находящиеся в полости рта, ЦНС организма человека воспринимает как холодные.

Последние исследования японских ученых показали наличие специального рецептора «умами», ответственного за вкус мясной пищи. Он состоит из двух белковых молекул, одна из которых реагирует также на горь­кое и сладкое. Человеческий рецептор «умами» наиболее чувствителен к глутаминовой кислоте, натриевая соль которой издавна применяется в качестве приправы.