Механизмы головного мозга, управляющие движением 15 страница
Внутри отдельных нейронов существуют свои транспортные проблемы, связанные с тем, что клетка частично состоит из длинных, тонких волокон. Длина аксона, проводящего нервный импульс от тела нейрона, может исчисляться в миллиметрах или сантиметрах. Нейроны в мозгу взрослого животного незаменяемы, сохраняются на протяжении всей жизни; поэтому должны существовать механизмы возобновления всех их компонентов. Для выполнения этого требования клетка должна синтезировать ферменты и другие сложные молекулы, а такой синтез возможен только в районе клеточного ядра, т. е. в теле нейрона. Поэтому для возобновления своих компонентов аксону необходимо средство транспортировки их внутри клетки на значительные расстояния. И действительно, от тела клетки по всей длине аксона непрерывно движутся белки и другие составные части.
Феномен аксонного транспорта был открыт более 30 лет назад П. Вейсом (P. Weiss) и его сотрудниками из Чикагского университета. До этого все считали, что аксоплазма - желеобразная жидкость внутри аксона - служит лишь неподвижной механической опорой для возбудимой мембраны, по которой распространяется нервный импульс. Но когда Вейс пережал аксон в определенной точке, он отметил, что через несколько дней волокно разбухло около места сжатия со стороны тела клетки и сузилось с противоположной стороны. Когда же он устранил сжатие, задержанная аксоплазма возобновила свое течение.
|
|
|
Аксонный транспорт обеспечивает передвижение компонентов клетки, таких, как пузырьки и ферменты, от места их образования в теле нейрона к окончанию аксона на расстояние в несколько миллиметров или сантиметров. В обратном направлении - от окончаний аксона к телу клетки-переносятся вещества, нужные для поддержания нормального состояния нейрона. Аксонный транспорт можно использовать, чтобы проследить ход проводящих путей, наблюдая за движением вдоль аксонов меченных изотопами молекул или таких ферментов, как пероксидаза хрена.
Известно, что аксоплазма служит артерией для оживленного движения молекул в обе стороны между телом нервной клетки и окончаниями ее аксона. В этом принимают участие несколько разных систем, в том числе система медленного транспорта, когда вещество течет от тела клетки со скоростью около одного миллиметра в сутки, и система быстрого транспорта, когда вещество движется в обе стороны со скоростью от 10 до 20 сантиметров в сутки. Система медленного транспорта - это течение основной массы аксоплазмы с переносом компонентов, играющих важную роль в росте и регенерации аксона; система быстрого транспорта охватывает движение более специализированных компонентов клетки, к которым относится ряд ферментов, участвующих в выработке медиаторов.
|
|
|
Пока еще не ясно, как достигаются эти разные скорости транспорта, но, по-видимому, и в медленном и в быстром механизмах участвуют многочисленные фибриллярные белки аксона, видимые на электронных микрофотографиях. Прослеживая транспорт белков с радиоактивной меткой вдоль аксона, удалось точно установить анатомические связи между нейронами в головном мозгу. При помощи фермента пероксидазы хрена, который обладает особым свойством быстро передвигаться по аксону в ретроградном направлении, можно составить карту связей между окончаниями нейрона в одном участке мозга и телом клетки — в другом.
Исследовать функциональный химизм головного мозга чрезвычайно трудно. Дело не только в том, что медиаторные вещества содержатся в нем в ничтожно малых количествах, но и в том, что ткань мозга структурно и химически очень сложна, и выделить для исследования определенную медиаторную систему не легко. Однако для преодоления этих устрашающих препятствий разработаны новые методики. Большой шаг вперед был сделан в начале 1960-х годов благодаря открытию В. Уиттейкера (V. Whittaker) из Кембриджского университета и Э. де Робертиса (Е. de Robertis) из Университета в Буэнос-Айресе. Оно заключается в том, что при осторожном разрушении ткани мозга путем 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 их можно очистить от других компонентов нейрона. Эта методика дала нейрохимикам возможность изучать механизмы синаптической передачи в пробирке.
|
|
|
Пожалуй, самым плодотворным методическим достижением явилась разработка приемов, позволяющих избирательно окрашивать нейроны, содержащие определенный медиатор. Один из подходов к этому состоит в том, что естественный медиатор преобразуется в его флуоресцирующее производное, которое светится в ультрафиолетовых лучах флуоресцентного микроскопа. Другой подход состоит в том, что в головной мозг подопытного животного вводят молекулы медиатора с радиоактивной меткой, которые избирательно захватываются нейронными окончаниями, выделяющими этот медиатор; такие содержащие метку окончания можно затем обнаружить, поместив тонкие срезы ткани на чувствительную пленку. Третий подход использует высокую специфичность антител. Фермент, участвующий в синтезе данного медиа-гора, выделяют из ткани мозга и вводят в организм животного, где он вызывает образование антител, способных специфически реагировать с данным ферментом. Затем антитела подвергают очистке, метят флуоресцирующим красителем или используют какую-либо другую метку и применяют для избирательного окрашивания нейронов, содержащих данный фермент.
|
|
|
Эти методики избирательного окрашивания позволили получить поток сведений о детальном анатомическом распределении отдельных медиаторов в сложных нейронных цепях головного мозга. Они показали, что медиаторы распределены не диффузно по всей ткани мозга, а в высшей степени локально в ограниченных центрах и путях. Из всех медиаторов наиболее полно составлены карты для моноаминов - норадреналина, дофамина и серотонина (названных так. потому что все они содержат по одной аминогруппе). Б. Фальк (В. Falck) из Лундского университета и Н. Хжлларп (N. Hillarp) из Каролинского института в Швеции впервые показали, что воздействуя формальдегидом или глиоксиловой кислотой, можно превратить эти медиаторы в их флуоресцирующие производные, и тогда нейроны, содержащие моноамины, дают зеленую или желтую флуоресценцию. Такие работы показали, что многие содержащие норадреналин клетки мозга 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 оказались причастными к поддержанию бодрствования, к системе поощрения (центр удовольствия), к сновидениям и к регуляции настроения.
Нейроны, содержащие моноамин дофамин, сосредоточены в областях среднего мозга, известных под названиями substantia nigra и вентральной покрышки. Многие содержащие дофамин нейроны посылают свои аксоны в передний мозг, где, как предполагают, участвуют в регуляции эмоциональных реакций. Другие дофаминовые волокна оканчиваются в головном мозгу, в области полосатого тела. Здесь дофамин, очевидно, играет решающую роль в регуляции сложных движений. Дегенерация приходящих в эту область дофаминовых волокон приводит к ригидности мышц и тремору, столь характерным для болезни Паркинсона.
Моноаминовый медиатор серотонин сосредоточен в области ствола мозга, где находятся так называемые «ядра шва». Нейроны этого центра проецируются в гипоталамус, таламус и многие другие области мозга. Как полагают, серотонин участвует в терморегуляции, сенсорном восприятии и засыпании.
Идентифицировано еще много других медиаторов, часть из них считаются «предполагаемыми», поскольку их причастность к синаптической передаче в мозгу еще не доказана. Так, например, некоторые аминокислоты - блоки, из которых построены белки, - по-видимому, действуют как медиаторы. Обычно содержащиеся в организме в большом количестве аминокислоты - глутаминовая и аспарагиновая - оказывают сильное возбуждающее действие на большинство нейронов, и весьма возможно, что они являются наиболее распространенными возбудительными медиаторами в синапсах головного мозга. Известно, что самая простая из всех аминокислот, глицин, служит тормозным медиатором в спинном мозгу.
Медиаторы представляют собой вещества, молекулы которых имеют небольшой размер и положительно заряженный атом азота. Каждое такое вещество оказывает характерное либо возбуждающее, либо тормозное действие на нейроны; правда, есть медиаторы, которые действуют как возбуждающие в одной области мозга и как тормозные в другой. Принадлежность гистамина и таурина к медиаторам точно не доказана. Согласно принципу Дэйла, на всех окончаниях одного аксона выделяется один и тот же медиатор. Однако недавно обнаружены исключения из этого правила.
Дофаминовые проводящие пути показаны на рисунке схематически. Тела нейронов, содержащих дофамин, образуют скопления в двух небольших участках среднего мозга - substantia nigra и покрышке. От этих нейронов отходят широко ветвящиеся волокна, которые оканчиваются в полосатом теле, регулирующем двигательную активность, и в лимбической системе переднего мозга, связанной с эмоциями. Небольшая группа дофаминовых нейронов в гипоталамусе регулирует также секрецию гормонов гипофизом. Дофамин связывают с двумя заболеваниями: дефицит медиатора в полосатом теле создает ригидность и тремор, характерные для болезни Паркинсона, а избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно, причастен к шизофрении.
К обычным тормозным медиаторам головного мозга относится гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), которая не входит в состав белков. ГАМК занимает среди кислот особое место — она вырабатывается почти исключительно в головном и спинном мозгу. Вычислено, что не менее трети синапсов головного мозга используют в качестве медиатора ГАМК. Содержащие ее нейроны можно идентифицировать двумя способами: пометив их либо радиоактивной ГАМК, либо с помощью антител, специфичных в отношении глутаматдекарбоксилазы - фермента, который катализирует синтез ГАМК. Интересно отметить, что глутаминовая кислота считается кандидатом в возбудительные медиаторы, тогда как ГАМК, которая отличается от нее лишь на одну химическую группу, служит тормозным медиатором. Ясно, что небольшие различия в молекулярном строении медиаторов могут давать совершенно разные физиологические эффекты.
Исследование механизмов действия ГАМК в головном мозгу было стимулировано в последние годы открытием, сделанным недавно Т. Перри (Т. Perry) из Университета Британской Колумбии. Оно состоит в том, что для хореи Гентингтона - наследственного неврологического синдрома — характерен специфический дефицит ГАМК в мозгу. Возникающие при этой болезни непроизвольные движения связаны с наступающим в среднем возрасте постепенным разрушением полосатого тела. Посмертные исследования показали, что поражение мозга состоит в гибели тормозных нейронов, которые в норме содержат ГАМК; можно предположить, что в основе болезни лежит дефицит этого медиатора. К сожалению, попытка лечить больных заменой недостающей ГАМК пока неосуществима, поскольку еще не созданы аналоги ГАМК, способные проходить сквозь гематоэныефалический барьер.
Недавно было высказано предположение, что на ГАМК направлено действие таких транквилизаторов, как диазепам и другие производные бензодиазепина. Из всех психотропных препаратов врачи предпочитают прописывать бензодиазепины, но механизм их действия до сих пор неизвестен. Имеющиеся данные позволяют думать, что эти препараты повышают эффективность ГАМК на уровне ее рецепторов в головном мозгу. Хотя в мозгу идентифицированы специфические центры связывания диазепама, явно отличные от рецепторов ГАМК, оба типа рецепторов, по-видимому, взаимодействуют друг с другом. Заманчиво предположить, что в головном мозгу содержится некое еще не открытое вещество, которое в норме действует на рецепторы диазепама; возможно, это естественное соединение, вызывающее или ослабляющее состояние тревоги.
Нейрохимики не только выяснили 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 через 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.
Первым этапом химической передачи является синтез молекул медиатора в нервных окончаниях. Каждый нейрон обычно обладает только таким биохимическим аппаратом, какой ему нужен для синтеза медиатора одного типа, который выделяется из всех окончаний его аксона. Молекулы медиатора не синтезируются de novo, а изготовляются путем переработки предшественника — обычно аминокислоты — в результате ряда ферментативных реакций.
Создание медиатора требует или одного этапа ферментативного катализа (как в случае ацетилхолина), или до трех этапов (как адреналина). При синтезе норадреналина исходным веществом служит аминокислота тирозин, которая поступает в нервное окончание из крови. Тирозин сначала превращается в промежуточное соединение L-ДОФА; затем второй фермент превращает L-ДОФА в дофамин («полноправный» медиатор); а третий фермент превращает дофамин в норадреналин.
После выработки молекул медиатора они хранятся в окончании аксона в маленьких связанных с мембраной мешочках, называемых синаптическими пузырьками. В одном окончании могут быть тысячи синаптических пузырьков, а каждый пузырек содержит от 10000 до 100000 молекул медиатора. Пузырьки защищают их от разрушения ферментами внутри окончания.
Приход нервного импульса в окончание аксона вызывает высвобождение множества молекул медиатора из окончания в синаптическую щель. Механизм такого выделения остается спорным: одни исследователи полагают, что синаптические пузырьки прямо сливаются с пресинаптической мембраной и выбрасывают свое 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 кальция, которые устремляются в него и активируют механизм высвобождения молекул.
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, погруженные в полужидкую матрицу клеточной мембраны: части их торчат над и под мембраной подобно айсбергам. Выходящий на поверхность участок рецепторного белка и молекула медиатора имеют одинаковые очертания; они соответствуют друг другу наподобие ключа и замка.
Взаимодействие медиатора с его рецептором меняет трехмерную форму рецепторного белка, инициируя этим определенную последовательность событий. Это взаимодействие может вызвать возбуждение или торможение нейрона, сокращение мышечной клетки, а также образование и выделение гормона клеткой железы. Во всех этих случаях рецептор переводит сообщение, закодированное в молекулярной структуре медиатора, в специфическую физиологическую реакцию. Одни реакции, например сокращение произвольной мышцы, происходят за долю секунды; другие, например секреция гормона, занимают минуты, а иногда часы.
Многие рецепторы медиаторов имеют два функциональных компонента: центр связывания молекулы медиатора и пору, пронизывающую мембрану, избирательно проницаемую для определенных ионов. Связываясь с рецептором, медиатор меняет его форму так, что пора открывается и ионы, находящиеся внутри и снаружи клеточной мембраны, перемещаются вдоль градиента концентрации, оказывая этим возбуждающий или тормозный эффект на частоту импульсации нейрона. Будет ли электрический потенциал, создаваемый медиатором, возбудительным или тормозным, зависит от того, какие именно ионы перемещаются, и от направления их движения. Ацетилхолин является возбуждающим медиатором в синапсе между нервом и мышцей, потому что он заставляет положительно заряженные ионы натрия входить в клетку и понижать ее отрицательный потенциал покоя. ГАМК, напротив, соответствует рецептор, у которого пора избирательно проницаема для отрицательно заряженных ионов хлора. Когда эти ионы входят через открытые поры в воспринимающую клетку, они повышают трансмембранный потенциал и на время инактивируют клетку.
Другие медиаторы, например дофамин и норадреналин, по-видимому, действуют посредством более тонкого механизма. В середине 50-х годов И. Сьюзерленд мл. (Е. Sutherland, Jr.) и его коллеги по Университету Кейса Западной резервной территории показали, что эти и другие медиаторы повышают или снижают концентрацию «второго посредника» в воспринимающих клетках. Затем второй посредник передает электрические или биохимические эффекты медиатора, или «первого посредника». Позднее в работе, которая в 1971 г. принесла Сьюзерленду Нобелевскую премию по физиологии и медицине, он установил, что второй посредник представляет собой небольшую молекулу циклического аденозинмонофосфата (цАМФ).
Согласно гипотезе Сьюзерленда, белковый рецептор норадреналина (и многих других медиаторов) соединяется в мембране клетки-мишени с ферментом аденилатциклазой, которая катализирует превращение в клетке богатой энергией молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ. Аденилатциклаза обычно неактивна, но, когда норадреналин связывается с постсинаптическим рецептором, фермент автоматически включается и внутри клетки начинается быстрое превращение АТФ в цАМФ. Затем цАМФ действует на биохимический аппарат клетки, вызывая физиологическую реакцию, характерную для данного медиатора.
Система второго посредника сходна поэтому с эстафетой, в которой медиатор передает свое сообщение циклическому АМФ в мембране клетки. Разумеется, сигнал передается не одной, а многим тысячам молекул цАМФ, которые генерируются активированной аденилатциклазой, связанной с каждым занятым рецептором. В результате очень слабый сигнал, создаваемый взаимодействием медиатора с рецептором, усиливается внутри клетки в несколько тысяч раз благодаря интенсивному образованию цАМФ.
Приложение теории Сьюзерленда о втором посреднике к функции головного мозга является одной из самых увлекательных областей современной биохимии. В 1971 г. Ф. Блум (F. Bloom) с сотрудниками в Национальных институтах здравоохранения показали, что цАМФ способен влиять на генерацию сигналов в нейронах. Позднее П. Грингард (P. Greengard) и его группа в Медицинской школе Йельского университета пришли к заключению, что цАМФ участвует в синаптическом действии нескольких медиаторов, в том числе норадреналина, дофамина, серотонина и гистамина. Грингард предложил обобщающую гипотезу, согласно которой цАМФ активирует специфические ферменты в постсинаптической клетке, именуемые белковыми киназами; затем эти ферменты катализируют внедрение фосфатных групп в специальные белки в мембране нейрона, изменяя проницаемость мембраны для ионов и тем самым изменяя уровень возбудимости клетки-мишени. Поскольку система второго посредника работает сравнительно медленно по шкале времени нейронных событий, она больше всего пригодна для участия в более длительных эффектах медиаторов мозга, таких, как медленные сдвиги мембранного потенциала и, возможно, образовании следов долговременной памяти. Как только цАМФ передал свое сообщение дальше, он инактивируется в клетке под действием фермента фосфодиэстеразы. Поэтому препараты, ингибирующие этот фермент, повышают уровень цАМФ в постсинаптических клетках и усиливают действие медиатора.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 66; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!