ЛЕКЦИЯ № 28 Тема: Биохимия нервной ткани
ЛЕКЦИЯ № 28
Тема: Биохимия нервной ткани
Нервная система: определение понятия
Функции нервной системы:
1. Воспринимает информацию из внешней и внутренней среды;
2. Перерабатывает полученную информацию;
3. Хранит полученную информацию;
4. Генерирует сигналы, обеспечивающие ответные реакции, адекватные действующим раздражителям;
Благодаря этому, нервная система координирует взаимодействие организма с внешней средой, координирует функции различных органов и тканей и осуществляет интеграцию частей организма в единое целое, является центральным органом поддержания гомеостаза.
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Анатомически нервную систему условно подразделяют на:
1. центральную нервную систему (ЦНС), которая включает головной и спинной мозг;
2. периферическую нервную систему (ПНС), к которой относят периферические нервные узлы, нервы и нервные окончания.
Физиологически, в зависимости от характера иннервации органов и тканей, нервную систему разделяют на:
1. соматическую (анимальную) нервную систему, которая регулирует преимущественно функции произвольного движения.
2. автономную (вегетативную) нервную систему, которая регулирует деятельность внутренних органов, сосудов и желез. Она осуществляет адаптационно-трофическую функцию.
а). симпатическая нервная система (СНС);
б). парасимпатическая нервная система (ПСНС).
СНС и ПСНС различаются по локализации центров в мозге и периферических узлов, а также характером влияния на внутренние органы.
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Функциональной тканью нервной системы является нервная.
Нервная ткань – это высокоспециализированная ткань, обладающая возбудимостью и проводимостью, она состоит из нейронов и нейроглии (макро- и микроглия).
По клеточному составу нервную ткань делят на серое и белое вещество;
Серое веществообразованоскоплением нейронов, тонких немиелинизированных нервных волокон и нейроглии (астроциты, олигодендроциты), которое в ЦНС называется ядром, а в ПНС – ганглием (узлом).
Белое вещество представлено совокупностью аксонов, покрытых миелиновой оболочкой и глиальных клеток (астроцитов). Такие пучки нервных волокон в ЦНС носят название трактов, в ПНС они образуют нервы. Для каждого тракта, характерно преобладание волокон, образованных однотипными нейронами.
КЛЕТКИ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Нейрон
Нейрон - это функциональная единица нервной системы, он состоит из тела (сомы), многочисленных ветвящихся коротких отростков – дендритов и одного длинного отростка – аксона, длина которого может достигать несколько десятков сантиметров. Аксоны и дендриты оканчиваются синаптическими образованиями. Дендриты, проводят нервный импульс по направлению к телу клетки, а аксон, проводит его от сомы. Таким образом, дендриты и аксоны отвечают соответственно за получение и передачу сигнала. Тело нейрона является трофическим центром, нарушение целостности которого ведет клетку к гибели.
Тело нейрона окружено плазматической мембраной – плазмалеммой. Плазмалемма выполняет структурную функцию, служит барьером для поддержания внутриклеточного состава (клеточные органеллы, везикулы нейромедиаторов, метаболиты), играет активную (ионные насосы, ферменты) и пассивную (ионные каналы, высвобождение нейромедиатора) роли в создании мембранного потенциала, транспорте веществ через мембрану и передаче нервного импульса.
Внутри нейрон заполнен нейроплазмой (цитоплазмой). Объем нейроплазмы аксона и дендритов, может в несколько раз превышать объем нейроплазмы в теле нейрона. Нейроплазма содержит все основные органеллы клетки.
В теле нейрона и проксимальных отрезках дендритов под плазмалеммой находится так называемая подповерхностная мембранная структура. Это - цистерны, которые расположены параллельно поверхности плазмалеммы и отделены от нее очень узкой светлой зоной. Предполагают, что цистерны играют важную роль в метаболизме нейрона.
ЭПС нейрона хорошо развита. Мембраны ЭПС связаны с плазмалеммой и оболочкой ядра нейрона.
В комплексе Гольджи сосредоточены главным образом липидные компоненты клетки. Митохондрии нейронов содержат меньше ферментов, участвующих в процессах окисления ЖК и АК, чем митохондрии других тканей. Лизосомы в нейроне обнаруживаются постоянно.
В нейроплазме содержатся специальные органоиды – нейрофибриллы и вещество Ниссля (тигроид). Тигроид представляет собой глыбки базофильного вещества, состоящего из РНК и белков, располагающиеся вокруг ядра и заходящие в основания дендритов. Нейрофибриллы – тонкие нити, расположенные в разных направлениях и формирующие густую сеть; они состоят из очень тонких (70 – 200 А) протофибрилл. Нейрофибриллы служат поддерживающим остовом нейрона.
Аксоплазматический транспорт
Транспорт нейроплазмы идет с затратой АТФ с помощью микротрубочек, состоящих из тубулина. Ассоциацию тубулина в микротрубочки контролируют белки… Различают анте- и ретроградный аксональный транспорт, в первом случает… Ретроградный транспорт удаляет продукты деградации синапсов, переносит ферменты, а также субстраты, поглощенные…Глиальные клетки
В ЦНС выделяют 2 вида глии: 1. Макроглия · Астроцитарная глия обеспечивает микроокружение нейронов, выполняет опорную и трофическую функции в сером и белов…ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕРВНОЙ ТКАНИ
В связи с различием строения, серое и белое вещество нервной ткани отличаются по химическому составу.
Химический состав серого и белого вещества головного мозга человека
| Компонент | Серое вещество, % | Белое вещество,% |
| Вода | 84,0 | 70,0 |
| Сухой остаток | 16,0 | 30,0 |
| Белки | 8,0 | 9,0 |
| Липиды | 5,0 | 17,0 |
| Минеральные вещества | 1,0 | 2,0 |
· В сером веществе воды больше, чем в белом.
· В сером веществе белки составляют половину плотных веществ, а в белом веществе – одну треть.
· В белом веществе на липиды приходится более половины сухого остатка, а в сером – лишь около 30%.
Белки нервной ткани
В головном мозге на белки приходиться 40% сухой массы. В настоящее время выделено более 100 белковых фракций нервной ткани (методами хроматографии, электрофореза и экстракции буферными растворами).
В нервной ткани содержатся простые и сложные белки.
Простые белки
· Нейроальбумины –основные растворимые белки (89-90%) нервной ткани, являются белковым компонентом фосфопротеинов, в свободном состоянии встречаются редко. Легко соединяются с липидами, нуклеиновыми кислотами, углеводами и другими небелковыми компонентами.
· Нейроглобулины,содержатся в небольшом количестве (в среднем 5%).
· Катионные белки- основные белки (рН 10,5 – 12,0), например, гистоновые. При электрофорезе они движутся к катоду.
· Нейросклеропротеины (опорные белки).Например,нейроколлагены, нейроэлластины, нейростромины и др. Они составляют 8-10% от всех простых белков нервной ткани, локализованы в основном в белом веществе головного мозга и ПНС, выполняют структурно-опорную функцию.
Сложные белки
Сложные белки нервной ткани представлены: нуклеопротеинами, липопротеинами, протеолипидами, фосфопротеинами, гликопротеинами и т.д.
· Гликопротеины –содержат олигосахаридные цепи, которые придают специфические отличия клеточным мембранам. Нейроспецифические гликопротеины участвуют в формировании миелина, в процессах клеточной адгезии, нерорецепции и взаимном узнавании нейронов в онтогенезе и при регенерации.
· Протеолипиды –в наибольших количествах содержатся в миелине и в небольших количествах - в синаптических мембранах и синаптических пузырьках.
Нейроспецифические белки
· Белок S-100 (или кислый белок), содержит много глутаминовой и аспарагиновой кислот, гомологичен мышечному тропонину С, находиться в цитоплазме… · Белок 14-3-2 -кислый белок, который преимущественно локализован в нейронах… · Белок Р-400находится в мозжечке мышей, где, возможно, отвечает за двигательный контроль.Ферменты нервной ткани
В мозговой ткани содержится большое количество ферментов, катализирующих обмен белков, жиров и углеводов. Также цитоплазма нейронов содержит ферменты метаболизма посредников и медиаторов.
Мозговая ткань характеризуется высокой активностью: ЛДГ (ЛДГ1,ЛДГ2), АСТ, альдолазы, креатинкиназы (ВВ), гексокиназы, малатдегидрогеназы, глутаматдегидрогеназы, холинэстеразы, кислой фосфатазы, моноаминоксидазы. В глиальных клетках преобладает ЛДГ5, а в нейронах - ЛДГ1.
Для мозга характерна так же высокая активность ферментов метаболизма циклических нуклеотидов, которые принимают участие в синаптической передаче нервного импульса.
Аминокислоты нервной ткани
Высокая концентрация АК в нервной ткани достигается путем их многоступенчатого активного и пассивного транспорта из плазмы крови. Сначала АК… Более 50% α-аминоазота головного мозга приходится на долю глутаминовой… В нервной ткани аминокислоты распределяются неравномерно, в основном это касается аминокислот, выполняющих функцию…Липиды нервной ткани
В сером веществе фосфоглицериды составляют более 60% от всех липидов, а в белом – около 40%. В белом веществе содержится больше холестерина,… · Холестерин составляет около 25% от общего содержания липидов. При этом в… · Свободных жирных кислот в мозге мало, а этерефицированных жирных кислот в мозге очень много, в основном это…Углеводы нервной ткани
По сравнению с другими тканями ткань мозга содержит мало глюкозы и гликогена. У новорожденных концентрация гликогена в мозге выше, чем у взрослых.
Олигосахариды составляют 2-10% массы плазматической мембраны, большая их часть связана с белками и меньшая с - гликолипидами. Практически все они локализованы на внешней поверхности плазматической мембраны и придают ей индивидуальность и специфичность.
Нуклеотиды нервной ткани
Большинство нейронов ЦНС диплоидны, а небольшая их часть в некоторых отделах ЦНС (клетки Пуркинье мозжечка) может содержать избыточное количество ДНК.
Особенностями хроматина нейронов являются необычно короткие нуклеосомные единицы, наличие редких вариантов гистонов, большое разнообразие негистоновых белков и высокая матричная активность.
Содержание РНК в нейронах велико, что связано с активным синтезом белка. Среднее отношение РНК/ДНК может достигать 50 и редко бывает ниже 3. В печени, поджелудочной железы, почках оно составляет 2-4,5.
Содержание цАМФ и цГМФ в головном мозге значительно выше, чем во многих других тканях. Уровень цАМФ в мозге составляет в среднем 1-2, а цГМФ – до 0,2 нмоль на 1г ткани.
Макроэргические соединения нервной ткани
Количество макроэргических соединений в нервной ткани невелико, их распределение примерно одинаково во всех отделах мозга. Макроэргические соединения представлены в основном креатинфосфатом и АТФ, на долю ГТФ, ЦТФ, УТФ приходиться менее 10% всех макроэргов. Содержание креатина и креатинфосфата более, чем в 2 раза превышает количество адениновых нуклеотидов. Количество АТФ в нервной ткани примерно такое же, как и в печени, зато АДФ и АМФ в мозге значительно ниже. Пиримидиновые основания не синтезируются в мозге, а поступают из печени.
Минеральные вещества нервной ткани
Na+, K+, Cu2+, Fe2+, Ca2+, Mg2+ и Mn2+ распределены в головном мозге относительно равномерно между серым и белым веществом. Содержание фосфора в белом веществе выше, чем в сером. В мозговой ткани существует дефицит анионов, который покрывается за счет белков и липидов (у липидов нервной ткани важная роль в ионном балансе).
Белковый и липидный состав миелина, белого и серого вещества человека
Строение нервного волокна. Миелиновая оболочка
Из аксонов нейронов образуются нервные волокна. Каждое волокно состоит из осевого цилиндра (аксона), внутри которого находится аксоплазма с нейрофибриллами, митохондриями и синаптическими пузырьками.
В зависимости от строения оболочек, окутывающих аксоны, нервные волокна делят на: безмиелиновые (безмякотные) и миелиновые (мякотные).
Безмиелиновое волокно
Безмиелиновое волокно состоит из 7-12 тонких аксонов, которые проходят внутри тяжа, образованного цепочкой нейроглиальных клеток.
Безмиелиновые волокна имеют постганглионарные нервные волокна, входящие в состав вегетативной нервной системы.
Миелиновое волокно
Миелиновая оболочка образована плазматической мембраной Шванновской или олигодендроглиальной клетки, которая сложена вдвое и многократно обернута… Миелиновое волокно более совершенно, чем безмиелиновое, т.к. оно обладает… Миелиновые волокна имеют проводниковая система соматической нервной системы, преганглионарные волокна вегетативной…Химический состав миелина
Белковый состав миелина периферической и центральной нервной системы различен. Миелин ЦНС содержит три белка: 1. Протеолипид, составляет 35 – 50% от общего содержания белка в миелине,… 2. Основной белок А1, составляет 30% от общего содержания белка в миелине, имеет молекулярную массу 18кДа, растворим…ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В НЕРВНОЙ ТКАНИ
Энергетический обмен нервной ткани
Максимальный энергетический обмен в мозге наблюдается к периоду окончания миелинизации и завершения процессов дифференцировки у детей в возрасте 4… Максимальная скорость дыхания обнаружена в коре больших полушарий, минимальная… В отличие от других органов, головной мозг практически не располагает запасами кислорода. Резервный кислород мозга…Обмен углеводов нервной ткани
Нервная ткань характеризуется высоким углеводным обменом, в котором преобладает катаболизм глюкозы. Так как нервная ткань инсулиннезависима, с высокой активностью гексокиназы (имеет низкую константу Михаэлиса Ментона) и низкой концентрацией глюкозы, глюкоза поступает из крови в нервную ткань постоянно, даже если в крови мало глюкозы и отсутствует инсулин.
Активность ПФШ нервной ткани невелика. НАДФН2 используется при синтезе нейромедиаторов, аминокислот, липидов, гликолипидов, компонентов нуклеиновых кислот и для работы антиоксидантной системы.
Высокая активность ПФШ наблюдается у детей в период миелинизации и при травмах головного мозга.
Обмен белков и аминокислот нервной ткани
Скорость синтеза и распада белков в разных отделах головного мозга неодинакова. Белки серого вещества больших полушарий и белки мозжечка отличаются… Аминокислоты в нервной ткани используется как:Серосодержащие аминокислоты
Метионин является источником метильных групп и на 80% используется для синтеза белка.
Цистатионин важен для синтеза сульфитидов и сульфатилрованных мукополисахаридов.
Обмен азота нервной ткани
Непосредственным источником аммиака в головном мозге служит непрямое дезаминирование аминокислот с участием глутаматдегидрогеназы, а так же дезаминирование с участием АМФ–ИМФ цикла.
Обезвреживание токсичного аммиака в нервной ткани происходит с участием α-кетоглутарата и глутамата.
Липидный обмен нервной ткани
В нейронах серого вещества из фосфоглицеридов наиболее интенсивно обновляются фосфотидилхолины и особенно фосфотидилинозитол, который является… Обмен липидов в миелиновых оболочках протекает медленно, очень медленно… СПИНОМОЗГОВАЯ ЖИДКОСТЬ – КАК ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ПОКАЗАТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИХимический состав спинномозговой жидкости
· вода составляет 99%, сухой остаток - около 1%. · почти нет белка и мало аминокислот. Некоторые аминокислоты, например… · меньше содержится глюкозы, холестерина и практически отсутствуют ТГ и фосфолипиды.БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Механизмы передачи нервного импульса по нервному волокну
Na+, K+–АТФаза за счет энергии АТФ постоянно перекачивает Na+ наружу и К+ внутрь, создавая трансмембранный градиент концентраций этих ионов.… Натриевые и калиевые каналы могут пропускать Na+ и К+ по градиентам их… Работа Na+,K+–АТФазы, натриевых и калиевых каналов может создавать на мембране потенциал покоя и потенциал действия. …Нервный импульс
В миелинизированном нервном волокне натриевые и калиевые ионные каналы расположены в немиелинизированных участках перехватов Ранвье, где мембрана… Синапс: виды, строение и функцииКлассификация синапсов
1. По локализации: центральные (ЦНС) и периферические (нервно-мышечные, нейросекреторные синапсы вегетативной НС).
2. По развитию в онтогенезе: стабильные (безусловный рефлекс) и динамические (условный рефлекс) синапсы.
3. По конечному эффекту: тормозные и возбуждающие.
4. По механизму передачи сигнала: электрические, химические и смешанные.
Химические синапсы делят:
а). по форме контакта: терминальные (колбообразное соединение) и переходящие (варикозное расширение аксона).
б). по природе медиатора: холинергические (медиатор ацетилхолин), адренергические (норадреналин), дофаминергические (дофамин), ГАМК-ергические (ГАМК), глициергические (глицин), глутаматергические (глутамат), аспартатергические (аспартат), пептидергические (пептиды), пуринергические (АТФ).
Электрические синапсы осуществляют передачу сигнала путем прямого прохождения потенциалов действия. Электрические синапсы сравнительно редки, их роль в ЦНС пока неясна. Передача сигнала между нейронами идет через щелевые контакты (щель около 2нм) с ионными мостиками-каналами. В противоположность химическому синапсу, сигнал через электрический синапс передается быстро и сразу в два направления.
Химический синапс осуществляет передачу сигнала с помощью специальных молекул – нейромедиаторов.
Нейромедиатор- это соединение, которое синтезируется и запасается в нейроне, высвобождается при проведении нервного импульса и специфически связывается постсинаптической мембраной, где оно активирует или ингибирует постсинаптическую клетку посредством деполяризации и гиперполяризации.
Химический синапс состоит 1). из пресинаптического элемента, который ограничен пресинаптической мембраной. Пресинаптический элемент содержит митохондрии и особые пузырьки – синаптические везикулы, в которых хранится медиатор; 2). постсинаптического элемента, который ограничен постсинаптической мембраной. Постсинаптическая мембрана содержит рецепторы к медиатору; 3). внесинаптической области; 4). синаптической щели (толщина 50 нм), заполненной базальной мембраной.
Свойства химического синапса
Среди рецепторов постсинаптической мембраны выделяют: 1). Рецепторы, связанные с ионными каналами (рецептор ГАМК); 3). Рецепторы, активирующие инозитолтрифосфатную систему;Стадии химической синаптической передачи
2. Загрузка нейромедиатора в везикулу. В случае, когда 1 и 2 стадии протекают в теле нервной клетки, происходит аксоплазматический транспорт… 3. Нервный импульс, приходящий от тела нейрона, вызывает деполяризацию… 4. Кальций поступает в цитоплазму пресинаптического элемента и активирует цитоскелет, что вызывает слияние 100-200…Адренэргнические синапсы
Катехоламины синтезируются в синапсе из тирозина, который образуется из фенилаланина, либо поступает с пищей. Синтезируемые катехоламины запасаются в везикулах. Кроме катехоламинов,… Под действием нервного импульса везикулы сливаются с пресинаптической мембраной, а катехоламины высвобождаются в…Болезнь Паркинсона
Это заболевание связано с дегенеративным изменением в отделе ЦНС, ответственного за двигательный контроль. Обычно оно наступает во второй половине… Заболевание поражает главным образом черное вещество и полосатое тело мозга –… В качестве терапии таким больным назначают оральное применение ДОФА предшественника дофамина. Только небольшая доза…Холинэргические синапсы
Ацетилхолин - важный медиатор вегетативной нервной системы, он присутствует во всех ганглиях СНС и ПСНС, в постганглионарных нервных волокнах всех… Синапсы преганглионарного типа стимулируются никотином и ацетилхолином,…Никотиновый холинэргический синапс
1. Ацетил-СоА образуется в митохондриях из ПВК под действием пируватдегидрогеназы; 2. Холин образуется главным образом в печени из фосфатидилхолина (не… 3. Холин активно транспортируется в нервные клетки.Серотонинэргические синапсы
Серотонин образуется из триптофана путем гидроксилирования в 5 положении и последующего декарбоксилирования. Затем серотонин упаковывается в секреторные гранулы, и под действием… Рецепторы серотонина бывают 2 типов М и Д, которые имеют не менее 15 подтипов.Аминокислотные медиаторы
Аминокислотные медиаторы подразделяются на две группы:
· возбуждающие кислые (глутамат и аспартат)
· ингибиторные нейтральные (ГАМК, глицин, β-аланин и таурин).
ГАМК
ГАМК ингибиторный медиатор. Он содержится в сером веществе головного мозга, в клетках Пуркинье мозжечка, многих ингибиторных промежуточных нейронов, например, полосатого тела, спинного мозга и коры.
ГАМК образуется и разрушается в ГАМК-шунте ЦТК.
Ингибирование заключается в том, что он открывает хлорные каналы, вызывает гиперполяризацию и тормозит возбудимость постсинаптической мембраны эффекторной клетки.
Если ингибирующее действие ГАМК-эргических нейронов снимается, то это приводит к неконтролируемой активности связанных с этим медиатором нервных связей. Антагонисты ГАМК, например пикротоксин и бикукуллин, являются, следовательно, мощными конвульсантами.
Вещества, усиливающие ингибиторный эффект ГАМК, являются релаксантами и транквилизаторами.
На работу ГАМК-реактивных синапсов влияют различные вещества:
· Производные гидразина ингибируют синтез ГАМК.
· Антогонисты ГАМК: бициклофосфаты, норборнан.
· Пресинапсические блокаторы высвобождения ГАМК: тетанотоксин.
Глицин
Глицин - основной ингибиторный медиатор спинного мозга и ствола головного мозга. Он открывает хлорные каналы, вызывает гиперполяризацию и тормозит возбудимость постсинаптической мембраны.
Глутамат
Выделено пять рецепторов глутамата. NMDA, АМРА и каинатные рецепторы связаны с Са2+-каналами. Под действием… ACPD – рецепторы активируют инозитолтрифосфатную систему. Под действием глутамата они выпускают Са2+ из ЭПС в в…Энкефалины и другие нейропептиды
Среди энкефалинов выделены Met- и Leu-энкефалин. Были найдены три предшественника: проопиомеланокортин, проэнкефалин и… Проопиомеланокортин содержит по 1 копии АКТГ, β-липотропина, β-эндорфина, Met-энкефалина. β-липотропин,…Вещество Р
Вещество Р – нейромедиатор пресинаптических окончаний С-волокон первичных сенсорных нейронов, образующих синапсы на сенсорных нейронов второго порядка в задних рогах спинного мозга. Он участвует в восприятии болевых сигналов.
ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БОЛИ
В основе любой боли лежит раздражение болевых или полимодальных рецепторов, т.е. боль - прежде всего ощущение.
Но, поскольку это ощущение влечет за собой стимуляцию различных отделов нервной и эндокринной системы, боль как явление у человека включает эмоциональный, вегетативный, двигательный и поведенческий компоненты, а значит, представляет собой основанное на болевом ощущении психофизиологическое состояние организма. В шестидесятые годы нашего столетия было обнаружено, что два вида болевой чувствительности имеют различный проводниково-рецепторный аппарат и центральные адреса [9].