Билет 1

1) Эмбриогенез нервной системы человека. Нейрональная индукция, образование нейроэпителиальных полипотентных стволовых клеток, многократное деление нейроэпителиальных клеток, образование из них нервной трубки.

Нервная система образуется в результате нейрональной индукции.

Зародыш состоит из 3 зародышевых листков: эктодерма, мезодерма, энтодерма.

Зачаток нервной системы образуется из эктодермы – наружного зародышевого листка. Часть клеток эктодермы дорзальной стороны подвергается паракринному влиянию клеток мезодермы: из них выделяется фактор роста нейронов, под влиянием которого включаются новые гены в клетках эктодермы и они становятся мультипотентными. Этот процесс называется нейрональная индукция. Клетки, исключенные из процесса нейрональной индукции, становятся эпителиальными. Нейроэпителиальными клетками (стволовыми). Делятся со скоростью 250 тыс./мин. Дают начало другим эпителиальным клеткам. Затем некоторые из них теряют способность к делению. Это и есть нейробласты (впоследствии нейроны). А остальные клетки превращаются в глиобласты. Из глиобластов образуются: 1) астроглиобласты -> астроциты, 2) олигоглиобласты -> олигодендроциты, 3) микроглиобласты -> микроглия, 4) эпендимная глия.

В клетках мезодермы вырабатывается фактор роста нейронов, а действует он на клетки эктодермы, и эти клетки превращаются в нервную пластинку. У зародыша в 2,5 недели (1,5 мм) появляются нервный желобок и нервные валики. На 3-4-ой неделе (5 мм зародыш) появляется нервная трубка, она обособляется от эктодермы и погружается внутрь зародыша. Из нервной пластинки образуется нервная трубка (клетки эктодермы -> нервная пластинка -> нервный валик и нервный желобок -> нервная трубка).

Если срезать часть зародыша, который подвергается нейрональной индукции, то зародыш погибнет, так как у него не сформируется нервная система. В 1921 году аспирантка знаменитого эмбриолога Шпеемана Мангольд пересадила зачаток нервной системы дополнительно другому зародышу личинки аксолотля и начала развиваться особь с двумя нервными трубками.

21) Строение и функции ионных каналов. Блокатора ионных каналов. Роль натрий-калиевого насоса клетки в поддержании ПП, Na⁺K⁺АТФ-аза.

Некоторые белки насквозь пронизывают мембрану – билипидный слой, они называются ТРАНСМЕМБРАННЫЕ и именно они образуют ИОННЫЕ КАНАЛЫ. Основные ионы, участвующие в генерации электрических сигналов –K+, Na+, Ca++, Cl- - движутся через соответствующие каналы. Для каждого иона есть свой канал, и они имеют разное строение. Ионы могут проходить через канал ПАССИВНО по градиенту концентрации (от большей к меньшей) и по ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ПОТЕНЦИАЛУ НА МЕМБРАНЕ КАНАЛА.

Трансмембранные, или интегративные, белки асимметрично распределены в бислое и многократно его пересекают. ПО строению – это ЗИГЗАГООБРАЗНЫЕ БЕЛКИ, которые образуют ДОМЕНЫ. Например, в натриевом канале 4 домена (РИС.). Каждый домен имеет 6 трансмембранных участков –S1-S6. Между участками S5-S6 располагается пора для входа натрия. В самом начале канала находится широкое устье, которое сужается до размеров иона селективным фильтром. Далее идет водная пора и система «ворот», которые могут открывать и закрывать канал. Кроме селективного фильтра имеется сенсоры напряжения с определенным зарядом. Следовательно натриевые каналы потенциалзависимые, т.е. вход натрия регулируется зарядом на мембране.

Количество каналов на единицу площади мембраны, и изменение состояния мембраны при прекращении работы того или иного канала изучалось с применением различных ядов. Например, если обработать нервное волокно тетраэтиламмонием, перестают работать калиевые каналы, а при действии тетродотоксина ( из рыбы фугу), перестают работать натриевые каналы и можно подсчитать их число на мембране.

Еще один тип трансмембранных белков – НАСОСЫ – переносчики веществ через мембрану против концентрационного градиента. Эти белки-насосы необходимы для переноса метаболитов – глюкозы, аминокислот и ионов для поддержания исходной разности их концентраций в клетке и окружающей среде.

Таким образом, натриевые каналы могут быть в трех состояниях: закрыты, но их можно открыть раздражением мембраны (электрическим, механическим, температурным):открыты; инактивированы, когда срабатывают инактивационные ворота и каналы невозможно открыть никаким раздражением. В этот момент клетка или волокно находятся в состоянии абсолютной рефрактерности (невозбудимости). Удлинение рефрактерного периода приводит к снижению частоты, которую может воспроизводить данное возбудимое образование. Самый длительный рефрактерный период в волокнах сердечной мышцы, что препятствует возникновению экстрасистолии при появлении патологического очага возбуждения в сердце.

Вход натрия в клетку и активно и пассивно и выход калия из клетки постепенно нарушает исходную разность концентраций. Это активирует фермент натрий-калиевую АТФ-азу, и она обеспечивает работу натрий-калиевого насоса, которые выводит из клетки 3 иона натрия против концентрационного градиента и 2 иона калия «заталкивает» в клетку также против концентрационного градиента. Таким образом, возникновение ПП и ПД не требует затраты энергии. Движущая сила заложена для этого процесса в разности концентраций и законам осмоса. Но для поддержания исходной концентрации ионов необходима энергия.

Билет 2

2) Дифференциация нейроэпителиальных клеток на предшественников нервных и глиальных клеток.

Формируются нейроэпителиальные клетки. Они все одинаковые. Делятся со скоростью 250 тыс./мин. Они полипотентные. Дают начало другим эпителиальным клеткам. Затем некоторые из них теряют способность к делению. Это и есть нейробласты (впоследствии нейроны). А остальные клетки превращаются в глиобласты. Из глиобластов образуются: 1) астроглиобласты -> астроциты, 2) олигоглиобласты -> олигодендроциты, 3) микроглиобласты -> микроглия, 4) эпендимная глия.

Глиобласт:

Глиальные клетки:

1) астроциты. Они (клетки радиальной глии) формируются первыми. У них длинные отростки, и по этим отросткам происходит миграция нервных клеток к местам, где они выполняют свои функции.

Нервная система очень зависит от уровня глюкозы в крови, так как нервные клетки (кроме астроцитов) не могут запасать глюкозу в виде гликогена. И астроциты могут компенсировать недостаток глюкозы. Сама нервная клетка не может захватывать глюкозу. Она получает ее только благодаря глиальной клетке (вместе с глиальной клеткой в нервную клетку попадает глюкоза). Поэтому глиальные клетки (астроциты) выполняют питательную функцию. А также регенерирующую функцию и метаболическую, так как при нарушении отростков нервных клеток восстанавливают их. После дегенерации отсеченных отростков нервных клеток, обеспечивая подрастание к той же клетке, с какой отросток контактировал до повреждения.

Рисунок.

Глиальные клетки создают границу, которая называется гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Каждый капилляр в мозге окружен глиальными клетками, и они не позволяют проходить токсичным соединениям (только высокомолекулярным).

2) олигодендроциты — это клетки, которые образуют миелиновую оболочку. Миелинезация обеспечивает: а) изолированное проведение по отросткам, б) в несколько раз ускоряет распространение возбуждения.

Микроглия обладает свойством фагоцитоза, удаляя из мозга погибшие, поврежденные нейроны, эритроциты, попавшие в мозг из поврежденных капилляров, другие чужеродные частицы.

Эпендимная глия выстилает мозговые желудочки и спиномозговой канал эпендимными клетками. Эти клетки имеют отростки с обеих сторон и обеспечивают взаимодействие между ликвором и окружающей тканью мозга.

Нейробласт прекращает делится и превращается в нейрон. Он имеет грушевидную форму и, как амеба, начинает мигрировать. Отростки глиальных клеток указывают ему, куда нужно мигрировать. Рисунок.

Нейроны дифференцируются по химическому составу и наличию специальных поверхностных лигандов.

19) Формирования потенциал покоя и потенциала действия. Критический уровень деполяризации. Рефрактерный период.

Как же принимает участие мембрана в возникновении биоэлектрических потенциалов, какую роль играют каналы и насосы?

В основе всего лежит разность концентраций ионов Na⁺, K⁺, Cl^-, Ca⁺⁺ в клетке и окружающей среде:

ИОН	Микромоль на	литр
	цитоплазма	кровь	Морская вода
Калий	360	10.0	10.0
Натрий	69	425	460
Хлор	157	500	560
Кальций	0.4	10.0	10.0

Обращает на себя внимание сходство концентраций ионов в крови и морской воде. Может быть, выходя из воды миллионы лет назад первые животные захватили с собой частичку океана «колыбели жизни».

Вторая причина возникновения биоэлектрических потенциалов в клетках связана с различной проницаемостью мембраны для ионов в состоянии покоя, при возбуждении и при торможении.

Мембрана в состоянии покоя ПОЛЯРИЗОВАНА. Это значит, что есть разность потенциала между внутренней и наружной поверхностями мембраны. Первая причина поляризации мембраны –это выход КАЛИЯ из клетки в состоянии покоя по концентрационному градиенту: калия в клетке в 10-20 раз больше, чем в окружающей среде. Среда в клетке остается суммарно нейтральной, так как положительный заряд калия компенсируется отрицательными зарядами таких аминокислот, как аспарагиновая, пировиноградная, уксусная.

Вторая причина – свободная проницаемость каналов для калия в состоянии покоя.

Для изучения механизмов формирования потенциала покоя и потенциала действия широко использовали крупные нервные клетки ганглиев пиявок, виноградной улитки, гигантские аксоны кальмара. Для выполнения экспериментальной работы необходим микроэлектрод, который вводят в клетку через мембрану. При этом мембрана плотно охватывает кончик микроэлектрода, и нет утечки калия из клетки. Необходим также измерительный прибор.

Если два электрода прикасаются к поверхностной части мембраны, между ними нет разности потенциалов – на экране прибора регистрируется 0. Как только кончик одного микроэлектрода входит в клетку, касаясь внутренней поверхности мембраны, происходит на экране скачок и регистрируется разность потенциалов – т.е. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ. (РИС,) Его величина различна у разных объектов.

Гигантский аксон кальмара	50-70 мВ
Мышечное волокно сердца лягушки	61-82 мВ
Водоросль нителла	100-125 мВ

Исходя из концентрации ионов калия в клетке и окружающей среде по формуле НЕРНСТА можно рассчитать величину потенциала покоя для каждого объекта. НО – мембрана незначительно проницаема в покое и для ионов натрия и хлора. Эти потоки меняют величину мембранного потенциала и он рассчитывается по формуле ГОЛЬДМАНА.

Но по концентрационному градиенту калий выходит до момента формирования равновесного потенциала по калию Ек. Происходит уравновешивание двух процессов – выхода калия из клетки под воздействием сил диффузии и электростатической силы, которая возникает в результате скопления на наружной поверхности мембраны ионов калия .Это и есть потенциал покоя.

При раздражении мембраны, резко снижается проницаемость для ионов калия и возрастает для ионов натрия. Если раздражающий стимул достигает порога – (или критического уровня деполяризации) – натрий лавинообразно входит в клетку и происходит перезарядка мембраны – ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ. До критического уровня деполяризации каналы для натрия открываются, но только их малая часть, поэтому ПД не возникает. Если потенциал на мембране достиг критического уровня деполяризации (КУД), возникает ПД и теперь мембрана изнутри заряжена положительно, а снаружи - отрицательно. Таким образом – возникновение деполяризации, т.е. возбуждения или потенциала действия (ПД), определяется потоком ионов натрия внутрь клетки по ионным каналам. На пике ПД натриевые каналы инактивируются, открываются калиевые каналы и наступает реполяризация, т.е. восстановление исходной поляризации мембраны– потенциала покоя. Этот процесс обеспечивается потоком ионов калия внутрь волокна.

Таким образом, натриевые каналы могут быть в трех состояниях: закрыты, но их можно открыть раздражением мембраны (электрическим, механическим, температурным):открыты; инактивированы, когда срабатывают инактивационные ворота и каналы невозможно открыть никаким раздражением. В этот момент клетка или волокно находятся в состоянии абсолютной рефрактерности (невозбудимости). Удлинение рефрактерного периода приводит к снижению частоты, которую может воспроизводить данное возбудимое образование. Самый длительный рефрактерный период в волокнах сердечной мышцы, что препятствует возникновению экстрасистолии при появлении патологического очага возбуждения в сердце.

Вход натрия в клетку и активно и пассивно и выход калия из клетки постепенно нарушает исходную разность концентраций. Это активирует фермент натрий-калиевую АТФ-азу, и она обеспечивает работу натрий-калиевого насоса, которые выводит из клетки 3 иона натрия против концентрационного градиента и 2 иона калия «заталкивает» в клетку также против концентрационного градиента. Таким образом, возникновение ПП и ПД не требует затраты энергии. Движущая сила заложена для этого процесса в разности концентраций и законам осмоса. Но для поддержания исходной концентрации ионов необходима энергия.

Если сила раздражения достигла порога, то и нервное волокно, и мышечное волокно отвечает максимальным ответом.

Каждое отдельное волокно работает по принципу "всё или ничего". По амплитуде потенцалы не меняются.

Если сила раздражения маленькая, то включаются только самые возбудимые структуры.

Избыток положительно заряженных ионами калия внутри мембраны компенсируется отрицательно заряженными аминокислотами: аспарагиновая, пировиноградня и уксусная.

В состоянии покоя каналы для калия открыты и по концентрационному градиенту калий выходит из клетки выносит с собой положительный заряд и внутри мембраны накапливается отрицательный заряд.

Возникает динамическое равновесие между двумя силами: сила диффузии, которая выталкивает калий из клетки, электростатическая сила, которая не выпускает калий из клетки. Эта сила создается положительно заряженными ионами которые выходят из клетки.

Возникает равновесный потенциал по калию (-70мВ).

Формула Нернста: измерялась концентрация внутри и снаружи, и нужно было высчитать мембранный потенциал.

Гольдман создал формулу с учетом ионов натрия, калия и хлора.

В состоянии покоя мембрана поляризованна. При нанесении стимула происходит процесс деполяризации. Снова открываются каналы для калия и восстанавливается состояние покоя.

Критический уровень деполяризации — это и есть, по существу, порог. Если деполяризация достигает кртитического уровня, возникает потенцальная возбудимость. На пике каналы для натрия инактивированы и возникает абсолютная репротентность. Чем длиннее репронтерный период, тем большую частоту оно может воспроизводить.

Билет 3

3) Миграция глиальных клеток и по их отросткам – нейронов. Агрегация сходных нейронов и фасцикуляция их длинных отростков. Ориентация нейронов и их отростков в отделах ЦНС. Роль поверхностных лигандов. Формирование синапсов.

Нервные клетки узнают друг друга с помощью поверхностных лигандов посредством сигнальных молекул (гликокаликс).

Запрограммировано, куда будут расти отростки. Фасцикуляция — объединение нервных волокон в нерв за счет поверхностных лигандов. Объединение сходных нервных клеток — это агрегация (их взаимодействие и образование структуры).

Достигнув своего «места», нейроны агрегируют – слипаются с аналогичными нейронами. Если в культуру клеток поместить нейроны из разных отделов, диспергировать их, то есть механически разделить, а затем объединить, однотипные клетки соберутся вместе. Такое узнавание обеспечивается высоко специфичными для каждого типа клеток поверхностными лигандами, фиксированными на гликокаликсе мембран нейронов.

Помимо агрегации, нейроны, достигнув «своего места», приобретают предпочтительную ориентацию: в неокортексе пирамидные нейроны имеют аксоны, отрастающие вниз и дендриты, направленные вверх, в гиппокампе сходные пирамидные нейроны направляют аксоны вверх, а дендриты — вниз.

Затем начинается формирование, созревание нейронов. Дендриты разрастаются, разветвляются и становятся многочисленными. На них образуются шипики. Начинает отрастать аксон, находя с помощью поверхностных лигандов нужное направление. Расти приходится в ряде случаев через многие структуры мозга на расстояние до метра. Аксоны растут не диффузно, а объединяются в нервы, т.е. происходит их фасцикуляция. Нервы подрастают к мышцам, внутренним органам, железистым клеткам. Узнавание аксона и иннервируемой клетки друг друга также происходит с помощью поверхностных лигандов. Если аксон подрастает не к «своей» клетке, то нейрон погибает. Таким образом, возникает запрограммированная гибель нейронов, или апоптоз. Нервная клетка распадается на апоптатические глыбки, которые поглощаются макрофагами.