Функции

ВВЕДЕНИЕ

Проблема передачи информации в организме, в частности в нервной системе, является одним из ключевых вопросов нейробиологии и медицины. Эта тема актуальна на рубеже двух тысячелетий, поэтому не случайно Нобелевская Премия в области медицины за 2000 год досталась ученым, которые внесли большой вклад в исследование данной области.

Передача импульса в нервной системе происходит в несколько этапов:

• проведение по нервному волокну электрического импульса;

• процесс химической передачи в синапсе с помощью нейромедиатора (либо процесс в электрическом синапсе);

• проведение электрического импульса по следующему нервному волокну, либо реакция мышечной (сокращение миоцита) или железистой ткани (экзоцитоз секрета).

С физиологической и биохимической точки зрения второй этап является наиболее сложным. Он представляет собой цепь процессов, суть которых сводится к преобразованию электрического сигнала в химический, а затем – химического в электрический.

ИСТОРИЯ И МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ

Изучение химической передачи в ЦНС началось в начале ХХ века. Данные о периферической нервной системе получить было достаточно легко. Любой орган можно изолировать, стимулировать его нервный аппарат, собирать и анализировать венозную кровь или перфузат. В ЦНС совсем другое положение: масса волокон и нейронов, "упакованных" глиальными клетками, кровоснабжение которых точно установить невозможно, а также "центры", имеющие много различных входов и локализуемые различно разными физиологами и анатомами.

Обычными методами, ставшими почти классическими, было показано, что в ЦНС имеются ацетилхолин, катехоламины и холинэстеразы. Эта трудоёмкая работа дала возможность нарисовать своего рода химическую карту головного мозга. Ацетилхолин обнаруживается почти везде, но в особенно значительных количествах он содержится в коре головного мозга; с помощью высокоспецифичных и чувствительных тестов обнаружили присутствие ацетилхолинэстеразы в некоторых синапсах, но показали также, что её очень мало в других. Во многих центрах был обнаружен норадреналин, но его непосредственный предшественник – дофамин был найден в значительных количествах только в определённых областях. В различных центрах был идентифицирован также серотонин.

Нейронная теория, разработанная Рамон-и-Кахалом, знаменитым испанским гистологом, подтверждена биохимически. Нейрон, его аксон и окончания синтезируют медиатор, который хранится в особых пузырьках, видимых с помощью электронного микроскопа. Эти пузырьки, под воздействием нервного импульса, приходящего в нервное окончание, разрываются и изливают своё содержимое в синаптическую щель. Пузырьки образуются в теле нейрона, заполняются молекулами медиатора и транспортируются вдоль аксона к нервному окончанию.

Химическими посредниками в процессе передачи нервного импульса являются биологически активные вещества, выделяемые нервными окончаниями. Эти вещества называются нейромедиаторы (синоним – нейротрансмиттер). Для краткости можно употреблять термин медиаторы.

Медиаторы были открыты австрийским ученым Лёви в результате достаточно простого опыта. В физиологический раствор он поместил два изолированных сердца лягушек и соединил их между собой тонкой трубочкой. Раствор Рингера, перфузируемый в одно сердце, переходил во второе. При раздражении симпатического нерва первого сердца, второе также начинало сокращаться. Возникла гипотеза о том, что раздражение нервов влечёт появление в перфузате некоторых веществ, которые оказывают действие на другое сердце, подобное эффекту раздражения симпатического нерва.

Сначала были открыты адреналин и ацетилхолин. В настоящее время открыто более 30 медиаторов, среди которых норадреналин, серотонин, мелатонин, гистамин, дофамин, октопамин, АТФ, ГАМК, глицин, глутамат, аспартат, эндорфины, энкефалины, вазопрессин, окситоцин, вещество P. По химическому составу и механизму действия медиаторы сходны с гормонами. Подробнее медиаторы будут рассмотрены ниже.

Нейроны имеют биохимический аппарат, общий со всеми остальными живыми клетками, в том числе способность генерировать химическую энергию путём окисления пищеварительных веществ, а также восстанавливать и сохранять свою целостность. Нейроны обладают кроме того специфическими свойствами, которых лишены другие клетки и которые связаны с особой функцией нейронов как передатчиков нервных импульсов: необходимость в поддержании ионных градиентов, что требует большой затраты энергии, и свойства, связанные со способностью нейронов производить и выделять набор химических передатчиков – нейромедиаторов. В синапсах – микроскопических участках где тесно соприкасаются окончание одного нейрона и воспринимающая поверхность другого, приход импульса вызывает внезапное выделение молекул медиатора из окончания. Затем эти молекулы диффундируют через заполненную жидкостью щель между двумя клетками и воздействуют на специфическиерецепторы постсинаптической мембраны, изменяя при этом электрическую активность воспринимающего нейрона.

За последние годы достигнуты значительные успехи в познании различных медиаторных веществ, в составлении карт, их распределении по мозгу и в выяснении молекулярных процессов синаптической передачи. Такими исследованиями установлено, что действие многих лекарственных веществ и нейротоксинов на поведение основано на их способности прерывать или модифицировать химическую передачу от нейрона к нейрону. В них есть также указания на то, что причинами психических болезней, возможно, окажутся в конечном счёте нарушения функции специфических медиаторных систем мозга.

Методика исследования функционального химизма мозга очень сложна, так как медиаторы содержатся в ничтожно малых количествах, ткань мозга структурно и химически очень сложна и выделить для исследования определённую медиаторную структуру нелегко. Одну из методик разработали В. Уиттейкер (V. Whittaker) и Э. де Робертис (E. de Robertis). При осторожном разрушении ткани мозга путём гомогенизации в растворе сахарозы многие нервные окончания отрываются от своих аксонов и образуют особые замкнутые частицы, названные "синаптосомами". Синаптосомы содержат механизмы синтеза, хранения, высвобождения и инактивации медиатора, связанные с нервным окончанием; центрифугированием можно очистить от других компонентов нейрона. Эта методика дала нейрохимикам возможность изучать механизмы синаптической передачи в пробирке.

Эти методики показали, что медиаторы, расположены не диффузно по всей ткани мозга, а в высшей степени локально в ограниченных центрах и путях – составлены карты для многих медиаторов. Например, многие клетки мозга, содержащие норадреналин сосредоточены в стволе и образуют скопление, известное как locus coeruleus. Аксоны этих нейронов сильно ветвятся и проецируются в различные области – гипоталамус, мозжечок и передний мозг. Норадреналиновые нейроны причастны к поддержанию бодрствования, к системе поощрения (центр удовольствия), к сновидениям и к регуляции настроения. Нейроны, содержащие моноамин дофамин сосредоточены в substantia nigra и в вентральной покрышку. Нейроны, содержащие дофамин посылают свои аксоны в передний мозг (эмоции) и в область полосатого тела (регуляция сложных движений). Деградация дофаминовых волокон в данной части мозга приводит к ригидности мышц и тремору, симптомам, характерным для болезни Паркинсона. Избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно причастен к шизофрении.

ПРОЦЕСС ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ

Нейрохимики изучили не только молекулярную структуру и анатомическое распределение разных медиаторов, но и достигли больших успехов в понимании точной последовательности биохимических явлений, участвующих в синаптической передаче. Процесс химической передачи проходит ряд этапов: синтез медиатора, его накопление, высвобождение, взаимодействие с рецептором и прекращение действия медиатора. Каждый из этих этапов детально охарактеризован, и найдены препараты, которые избирательно усиливают или блокируют конкретный этап. Эти исследования позволили проникнуть в механизм действия психотропных лекарственных средств, а также выявить связь некоторых нервных и психических болезней со специфическими нарушениями синаптических механизмов:

1. Синтез молекул медиатора в нервных окончаниях.Каждый нейрон обычно обладает только таким биохимическим "аппаратом", какой ему нужен для синтеза медиаторов, которые выделяются из всех окончаний его аксона. Молекулы медиатора синтезируются путём соединения предшественников или их изменений в результате ряда ферментативных реакций. Может быть один этап ферментативного катализа (ацетилхолин) или до трёх этапов (адреналин). Аминокислоты синтезируются из глюкозы. Многие этапы синтеза можно блокировать фармакологическими агентами, что лежит в основе действия многих лекарств, влияющих на нервную систему.

2. После выработки молекул медиатора они накапливаются и хранятся в окончании аксона в маленьких мешочках, связанных с мембраной. В одном окончании могут быть тысячи синаптических пузырьков, каждый из которых содержит от 10 тыс. до 100 тыс. молекул медиатора.

3. ВысвобождениеПриход нервного импульса в окончание аксона вызывает высвобождение множества молекул медиатора из окончания в синаптическую щель. Механизм такого выделения остаётся (?????) спорным: одни исследователи полагают, что синаптические пузырьки прямо сливаются с синаптической мембраной и выбрасывают своё содержимое в синаптическую щель; другие утверждают, что подвижное скопление молекул медиатора выходит через специальные каналы. Но в любом случае известно, что нервный импульс запускает выход медиатора, повышая проницаемость нервного окончания для ионов Ca2+, которые устремляются в него и активируют механизм высвобождения молекул.

4. Взаимодействие с рецептором.Вышедшие молекулы медиатора быстро проходят через наполненную жидкостью щель между окончанием аксона и мембраной воспринимающего нейрона. Здесь они взаимодействуют со специфическими рецепторами постсинаптической мембраны. Рецепторы фактически представляют собой крупные белковые молекулы, погружённые в полужидкую матрицу клеточной мембраны: части их торчат над и под мембраной подобно айсбергам. Выходящий на поверхность участок рецепторного блока и молекула медиатора имеют одинаковые очертания, они соответствуют друг другу как ключ и замок. Существует 2 основных типа медиаторных рецепторов: быстро действующие – осуществляют передачу, регулируя проницаемость ионной поры, и медленно действующие, которые вызывают образование второго посредника, который в свою очередь опосредует эффекты, производимые медиатором в постсинаптическом нейроне.

5. Окончательное действиеВзаимодействие медиатора с его рецептором меняет трёхмерную форму рецепторного белка, инициируя этим определённую последовательность событий. Это взаимодействие может вызвать возбуждение или торможение нейрона, сокращение миоцита, а также образование и выделение гормона клеткой железы. Во всех этих случаях рецептор "переводит сообщение, закодированное в молекулярной структуре медиатора, в специфическую физиологическую реакцию. Как только молекула медиатора свяжется со своим рецептором, она должна быть инактивированна во избежание слишком длительного её действия и нарушения точного контроля передачи.

Существуют разнообразные механизмы рецепции на молекулярном уровне.

1. Ацетилхолин взаимодействует с рецепторным белком в постсинаптической мембране. АХ является лигандом, когда имеют ввиду, что он связывается с определенным участком белка. И это вызывает изменение проницаемости мембраны. Реакция мембраны может быть либо быстрая либо медленная. Действие АХ обрывается гидролизом, наступающем под действием фермента ацетилхолинэстеразы, с обратным захватом холина (80%) в пресинаптическое окончание.

2. ГАМК может связываться с 2 типами мембранных рецепторов – с высоким и низким сродством. Эти рецепторы в свою очередь контролируют ионофор (канал проводимости) для ионов Cl-, которые движутся во время ГАМК-эргических ТПСП. Бензодиазепиновые препараты вызывают угнетение ГАМК-эргических синапсов и, благодаря этому, используются для лечения тревожных состояний и страха. ГАМК удаляется из щели путем захвата пресинаптическим окончанием, а также клетками глии. Глия играет важную роль как в захвате так и в метаболизме ГАМК.

3. Молекула медиатора связывается с мембранным белком, при этом имеется механизм очищения щели и для обратного захвата (50%). Однако последующая реакция в постсинаптическом окончании более сложна.

Рецепторный белок аденилатциклаза активирует внутренний рецептор – протеинкиназу, что приводит к фосфорилированию белка. Завершается этот процесс изменением ионной проводимости мембраны.

Этот механизм участвует в опосредовании реакций на такие разные вещества как, например, биогенные амины.

СИНАПСЫ

Термин "синапс" из греческого языка, где он означает соединение.

Любое взаимодействие между 2 нервными клетками имеет 3 составляющие. Одна из них – клетка или её отросток, которые посылают сигналы, – пресинаптический компонент. Другая – клетка или ее отросток, которая принимает – постсинаптический компонент. И третья – посредник между первыми.

Типы синапсов.

Синапсы на типичном нейроне в головном мозгу являются либо возбуждающими либо тормозными, в зависимости от типа выделяющегося в них медиатора. Они различаются морфологически под электронным микроскопом: для возбуждающих синапсов характерны сферические пузырьки и сплошное утолщение постсинаптической мембраны (1-ый тип), а для тормозных – уплощённые пузырьки и несплошное утолщение мембраны (2-й тип). Синапсы можно также классифицировать по их расположению на поверхности воспринимающего нейрона – на теле клетки, на стволе или "шипике" дендрита, или на аксоне. Понятие синапс было введено в конце XIX века Ч. Шеррингтоном, который под этим термином понимал структуру, которая опосредует передачу сигнала от окончания аксона нервной клетки к эффектору – нейрону, мышечному волокну, секреторной клетке.

В зависимости от способа передачи выделяют химические, электрические и смешанные синапсы.

В электрических синапсах ПД пресинаптических окончаний обеспечивает деполяризацию постсинаптической мембраны. Морфологическую основу электрической передачи составляет высокопроводящий ("низкоомный") щелевой контакт, для которого характерны тесное соприкосновение пре- и постсинаптической мембран (ширина синаптической щели 2-4 нм), большая площадь контакта этих мембран, наличие ультраструктур, снижающих электрическое сопротивление в области контакта.

Для электрической синаптической передачи характерны:

• отсутствие синаптической задержки;

• проведение сигнала в обоих направлениях;

• независимость передачи сигнала от потенциала пресинаптической мембраны;

• устойчивость к изменениям концентраций концентрации Ca2+ и Mg2+, низкой температуре, некоторым фармакологическим воздействиям.

Наиболее распространены электрические синапсы у беспозвоночных и низших позвоночных. Электрические синапсы находятся между нервными клетками, однотипными по структуре и функциям.

В химическом синапсе нервный импульс вызывает освобождение из пресинаптических окончаний химического посредника – нейромедиатора, который диффундирует через синаптическую щель (шириной в 10-50 нм) и вступает во взаимодействие с белками-рецепторами постсинаптической мембраны, в результате чего генерируется постсинаптический потенциал. Химические синапсы являются преобладающими у млекопитающих.

Для химической передачи характерны:

• одностороннее проведение сигнала;

• усиление сигнала;

• конвергенция многих сигналов на одной постсинаптической клетке;

• пластичность передачи сигналов (обучение, память и т. д.).

Классификация: тормозные и возбуждающие; аксо-соматические, аксо-дендритные…; холинергические, адренергические, пуринергические, пептидергические и т. д.

Существует 2 типа химических синапсов:

1. Тип I. Синаптическая щель шириной около 30 нм, сравнительно большая зона контакта (1-2 мкм в поперечнике), заметное накопление плотного матрикса под постсинаптической мембраной. Характерны большие везикулы (диаметр 30-60 нм).

2. Тип II. Синаптическая щель шириной около 20 нм, сравнительно небольшая зона контакта (менее 1 мкм), уплотнения мембран выражены умеренно и симметричны. Характерны небольшие везикулы (диаметр 10-30 нм).

Синаптические пузырьки. Высвобождение медиатора.

Исследования на нервно-мышечном соединении позволили нобелевскому лауреату Б. Катцу в 50-х годах XX столетия создать квантовую теорию синаптической передачи, согласно которой процесс освобождения нейромедиатора складывается из отдельных элементарных реакций, каждая из которых представляет собой выход одной порции ("кванта") нейромедиатора.

Нейромедиатор хранится в синаптических пузырьках, окруженных мембраной толщиной 4-5 нм. Объем пузырьков примерно одинаков, их диаметр колеблется от 40 до 200 нм. В аксоплазме пузырьки распределены неравномерно и сосредоточены у выступающих в аксоплазму утолщений пресинаптической мембраны. Эти утолщения являются активными зонами, в них происходит слияние пузырьков с пресинаптической мембраной и высвобождение в синаптическую щель.

Высвобождение медиаторов вызывается деполяризацией пресинаптической мембраны с последующим открытием кальциевых каналов…

Синаптические пузырьки выполняют две важные функции – хранение медиатора и его высвобождение. Их жизненный цикл можно разделить на 4 стадии: биогенез, созревание, экзоцитоз-эндоцитоз и деградация.

Биогенез состоит из 2 этапов – образования в соме нейрона пустых синаптических пузырьков и аксонного транспорта этих мембранных образований в пресинаптическое окончание. Интегральные мембранные белки образуются в ЭР и далее поступают в аппарат Гольджи. Мембранные образования направляются в пресинаптическое окончание посредством системы быстрого аксонного транспорта, с участием белков микротрубочек – кинезинов.

Созревание синаптических пузырьков происходит в пресинаптическом окончании и включает 2 процесса: заполнение пузырька медиатором и прикрепление его к цитоскелету. В заполнении пузырька участвуют: электрогенный протонный насос, создающий градиент, ионные каналы (для Na+, K+ и Cl-), переносчики электронов и специфические белки-переносчики медиаторов. Также для созревания синаптических пузырьков необходимо их прикрепление к актиновым нитям цитоскелета и друг к другу, что осуществляет синапсин I, белок, соединенный с поверхностью пузырька.

Экзоцитоз обеспечивается тремя последовательными реакциями:

1. образованием контакта между мембраной пузырька и пресинаптической мембраной;

2. сцеплением, во время которого белки, участвующие в экзоциотозе, выстраиваются в определенном порядке и активируются;

3. слиянием двух мембран, т. е. образованием трансмембранной гидрофильной поры.

В процессе экзоцитоза задействованы белки мембраны синаптического пузырька: синаптобревин (VAMP), синаптотагмин (p65), поверхностный белок rab3, регулирующий стыковку и сцепление и обладающий свойствами ГТФ-азы, синаптофизин, образующий трансмембранную пору (вероятно). Также участвуют в экзоцитозе и белки пресинаптической мембраны. Это синтаксины (HPC-1) 1 A и 1В, способные взаимодействовать с синаптотагмином пузырьков, белок GAP-3 (нейромодулин) – регулятор секреции и SNAP-25, определяющий специфичность перемещений пузырька.

В процессе экзоцитоза, вероятно, сначала образуется комплекс вышеуказанных белков, а затем происходят конформационные изменения белков, способствующие слиянию мембран. Образуется пора, через которую содержимое пузырька поступает в синаптическую щель.

За экзоцитозом следует эндоцитоз синаптических пузырьков. Предполагается, что оно происходит путем встраивания мембраны пузырька в пресинаптическую мембрану с последующим отпочковыванием мембранного материала в цитоплазму и образованием так называемых окаймленных (покрытых клатрином) пузырьков.

После некоторого (пока неизвестного) количества циклов экзоцитоза-эндоцитоза мембранные компоненты синаптических пузырьков подвергаются деградации. Интегральные белки сначала возвращаются в тело нейрона в результате ретроградного аксонного транспорта, а поверхностные белки (синапсин I) метаболизируются в нервном окончании.

Выяснение этапов синаптической передачи пролило свет на способ действия психотропных препаратов. Некоторые из них действуют, либо усиливая, либо ослабляя высвобождение данного медиатора из аксонных окончаний. Например, под действием сильного стимулятора амфетамина в мозге из нервного окончания выделяется дофамин – медиатор, связанный с системами бодрствования и удовольствия. Чрезмерное применение амфетамина приводит к расстройствам мышления, галлюцинации и мании преследования, т.е. к симптомам, сходными с теми, какие наблюдаются при некоторых формах шизофрении. Следовательно, существует предположение о том, что в основе симптомов шизофрении, возможно лежит повышенная активность дофаминовых систем мозга.

Многие психотропные препараты действуют на уровне постсинаптических рецепторов, имитируя естественные медиаторы. Например, многие галлюциногены сходны по своей структуре с истинными медиаторами: мескалин похож на норадреналин и дофамин (бензольное кольцо), а ЛСД и псилоцибин сходны с серотонином (индольное кольцо). Источник:http://scorcher.ru/neuro/science/memory/mem0.php