Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

Ðèñ. 1.4. Внутреннее содержимое тела клетки: Я— ядро, П — полисомы, Т— микротрубочки, М — митохондрии, МФ — микрофиламенты, Ш-ЭР — шероховатый эндоплазматический ретикулум.

4. Строительные белки-рибосомы, шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи (Ðèñ. 1.4)

Эти структуры обеспечивают синтез белка в нейроне и его встраивание в структуры мембраны. Белки нейронов, как и других клеток, нуждаются в постоянном обновлении. Без обновления белков нейрон может прожить несколько дней. В цитоплазме тела нейрона находится большое количество кластеров рибосом. Рибосомы имеют размер около 4 нм в диаметре и сформированы из белков и рибонуклеиновой кислоты. Кластеры рибосом, называемых полисомами, осуществляют в цитоплазме синтез растворимых белков, в том числе ферментов. Отдельные рибосомы в полисомах связаны с информационной РНК (иРНК). иРНК является длинной цепочкой нуклеиновых кислот, представленных четырьмя нуклеотидами: аденином, гуанином, цитозином и урацилом. Последовательность этой нуклеотидной цепочки кодирует последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Специальная транспортная РНК (тРНК)

20

«распознает» определенную тринуклеотидную цепочку на матричной РНК (мРНК) и связывает с ней определенную аминокислоту. По мере синтеза белка мРНК продвигается через рибосому и к ее тринуклеотидным цепочкам тРНК последовательно присоединяют разные аминокислоты до тех пор, пока мРНК не закончится. Затем цепочка аминокислот выходит в цитоплазму (Ленинджер, 1982)

Синтез мембранных белков и их включение в мембраны осуществляется с помощью шероховатого поверхностного эндоплазматического ретикулума (шероховатого ЭР), гладкого эндоплазмати- ческого ретикулума (гладкого ЭР) и аппарата Гольджи. Шероховатый ЭР представляет собой лабиринтную систему мембранных трубок, пузырьков и цистерн, чья выступающая вовнутрь нейрона поверхность усыпана рибосомами, связанными друг с другом с помощью мРНК. Отсюда и термин «шероховатая поверхность». Мембранные белки внедряются в шероховатый ЭР. Гладкий ЭР является продолжением шероховатого ЭР и лишен рибосом. Гладкий ЭР вовлечен в распределение белка по нейрону: а именно по нему вновь синтезированные белки доставляются в дендриты. Из гладкого ЭР белки транспортируются в аппарат Гольджи, где они могут быть модифицированы, например если этот белок относится к гликопротеинам, то к нему добавляется карбогидрат. Белки в аппарате Гольджи концентрируются и затем «упаковываются» в мембранных пузырьках и изолируются для последующей поставки его в другие участки клетки. По соседству с аппаратом Гольджи лежат «облачки» мелких пузырьков, которые, возможно, транспортируют синтезированные белки в разные участки нейрона.

Лизосомы.

Лизосомы относятся к внутриклеточной пищеварительной системе. Эта структура, как и ретикулум, заключена в мембрану. Лизосомы не имеют определенной формы или размера. Они содержат разнообразные гидролитические ферменты, которые расщепляют и переваривают множество соединений, появляющихся как внутри, так и вне клетки. Перевариваемые вещества могут быть внутриклеточными, и такое переваривание называют аутофагией. Переваривание лизосомами внеклеточных веществ получило название гетерофагия.

Цитоскелетная сеть.

В теле и отростках нейрона имеется обширная цитоскелетная сеть, состоящая из микротрубочек, нейрофиламентов и микрофиламентов (Рис. 1.4). Они проходят через весь нейрон, соединяя все его части. Эта сеть является каркасом нейрона, поддерживая определенную его фор-

21

му. С другой стороны, цитоскелетная сеть выполняет транспортную функцию. В теле клетки микротрубочки и более мелкие трубочки, нейрофиламенты и микрофиламенты, занимают большую ее часть, не занятую другими органеллами, и из тела нейрона все эти трубочки проникают в дендриты и аксоны.

Микротрубочки состоят из длинных неразветвленных трубочек разной длины. Стенки их построены из субъединиц специфического белка — тубулина (от лат. tubula — трубочка). Нейрофиламенты тоньше микротрубочек. Они тоже имеют трубчатое строение и встре- чаются только в нейронах. Показано, что в крупных аксонах их значи- тельно больше, чем микротрубочек, тогда как в мелких аксонах и дендритах их соотношение противоположное. Нейрофиламенты и их соотношение с микротрубочками меняются при старении. При болезни Альцгеймера они превращаются в клубочки и бляшки. Предполагается, что микротрубочки и нейрофиламенты в аксонах и дендритах выполняют транспортную функцию между телом и отростками нейрона в обоих направлениях: от тела к отросткам — антероградный транспорт, от отростков к телу — ретроградный транспорт.

Данная гипотеза была подтверждена экспериментально. После инъекции меченых аминокислот вблизи тела клетки методом радиографии было показано, что эти аминокислоты поглощаются телами нейронов и включаются в белок, который затем переносится по аксону и его коллатералям. В этих экспериментах были выявлены два типа аксонного транспорта: медленный транспорт, идущий со скоростью 1 мм в сутки, и быстрый, идущий со скоростью несколько сотен миллиметров в сутки. Многие переносимые вещества связаны с функциями синаптической передачи.

Микрофиламенты присутствуют в большом количестве в нервных отростках. Их много в нейроглии, и они участвуют в некоторых связях между нейронами (Шеперд, 1997).

Дендриты.

Дендриты при всем их разнообразии среди нейронов содержат те же органеллы, кроме ядра, что и тело. В большей части дендритов параллельно проходит большое количество микротрубочек. С другой стороны, в дендритах находится лишь небольшое количество нейрофиламентов. Митохондрии ориентированы вдоль дендрита и достигают по длине 9 мкм. Шероховатый ЭР хорошо выражен лишь в начале дендрита; по мере удаления его от тела ЭР исчезает. Гладкий ЭР распространен по всей длине дендритов. Он проходит параллельно

22

микротрубочкам и микрофиламентам, образуя по своему курсу небольшие выпячивания. Считается, что гладкий ЭР распространен по всему дендриту и транспортирует разные химически вещества. Основная часть белка синтезируется в теле клетки, но некоторые белки синтезируются в проксимальных участках дендритов, где локализована большая масса гладкого ЭР. Эти белки транспортируются в дистальные отделы дендритов с помощью цистерночек и гладкого ЭР вдоль поверхности системы микротрубочек. Белки, которые синтезируются в теле клетки, транспортируются в дендриты также с помощью гладкого ЭР.

На дендритах располагается большое количество шипиков, на которых находятся в основном аксо-дендритные синапсы. Например, на дендритах пирамидных нейронов в среднем локализовано около 4000 шипиков, что составляет примерно 43% от всей синаптических контактов этих нейронов (Рис. 1.2) (Cotman, McGaugh, 1980).

Каждый шипик представляет собой выпячивание на дендрите длиной около 2 мкм, которое состоит из тонкой шейки, заканчивающейся яйцеобразным выпячиванием. Цитоплазма шипиков заполнена тонкими филаментами и очень небольшим количеством микротрубочек. Как было сказано выше, шипики включены в синаптические структуры.

Аксон.

В отличие от дендритов аксон является обычно одиночным отростком. В нем нет шероховатого ЭР, рибосом, но он содержит митохондрии, большое количество нейрофиламентов, микротрубочки, гладкий ЭР и небольшое количество лизосом. Часть гладкого ЭР, цистерны разной формы, соединены друг с другом тонкими трубочками, и эта система идет вдоль всего аксона. Внутри аксон заполнен желеобразной аксоплазмой, которая удерживает его цитоскелетную сеть. У основного большинства крупных нейронов аксоны на всем протяжении покрыты оболочкой, называемой миелином. Миелин никогда не покрывает дендриты. Известно, что миелин производится из плазмати- ческой мембраны глиальных клеток, которые обматывают аксон. В периферической нервной системе аксоны обматывают особые глиальные, или Шванновские клетки. Оголенные участки аксона между Шванновскими клетками называются перехватами Ранвье. В ЦНС миелиновые оболочки формируются олигодендроцитами. По миелинизированным аксонам потенциалы действия проходят быстро за счет сальтаторного (прыжкообразного) перемещения от одного перехвата Ранвье к другому.

23

Синапс.

Нервно-мышечное соединение.

Все синапсы имеют одинаковую структуру. Пресинаптическая и постсинаптическая мембраны являются высокоспециализированными в месте контакта и образуют синаптическое соединение. Пресинапти- ческая бляшка, или терминаль аксона, содержит пузырьки диаметром около 20–65 нм, которые наполнены веществом — нейромедиатором. Наличие пузырьков и синаптического соединения является показателем химического синапса. Общие детали строения едины для всех синапсов, но тонкая структура синапсов зависит от особенностей пре- и постсинаптического нейронов, эта структура существенно различна в нервно-мышечном и межнейронных синапсах.

Ðèñ. 1.5. Нервно-мышечное соединение: А — аксон, Б — синаптические окончания аксона в виде бляшек, М — мышца, мт — митохондрии, сп — синаптические пузырьки, а — активная зона, Щ — синаптическая щель, сс — соединительные складки мембраны мышечной клетки.

Непосредственно перед нейромускулярным соединением миелиновая оболочка на аксоне исчезает, и далее аксон, окруженный только тонким слоем цитоплазмы Швановских клеток, разделяется на веточки (коллатерали). В месте синаптического контакта коллатерали аксона с мышечной клеткой мембрана последней образует множество складок — соединительные складки. Пространство между пресинаптической и постинаптической частями синапса получило название синаптической щели (Рис. 1.5). Синаптическая щель в нейромускулярном соединении шире, чем между нейронами ЦНС. В синаптических окончаниях аксонов имеется несколько митохондрий, сеть фиб-

24

розного белка, и множество синаптических пузырьков, содержащих нейромедиатор, а именно до 10000 молекул ацетилхолина, который вызывает возбуждающее действие на мембране мышечной клетки. Некоторые пузырьки распределены в случайном порядке по аксонной ветви, в то время как другие находятся вдоль пресинаптического участка — активной зоны, из которой они выделяются в синаптическую щель. Внутри двухслойной плазматической мембраны в активной зоне находятся внутримембранные частицы с участками, к которым крепятся пузырьки. При прохождении по аксону потенциала действия пузырьки подплывают к этим участкам и сливаются с ними (Рис. 1.6). Напротив активной зоны пресинаптической мембраны находятся функциональные складки мембраны мышечной клетки. Внутри мембраны, в основном в гребнях складок, имеется большое количе- ство внутримембранных включений, с которыми, по-видимому, соединяется нейромедиатор.

Ðèñ. 1.6. Схема выделения нейромедиатора в синаптическую щель

Синапсы ЦНС.

Каждый синапс в ЦНС сформирован двумя нейронами — пре- и постсинаптическим. Как и в нейромускулярном соединении, в этих синапсах есть пре- и постсинаптическая мембраны, между которыми имеется синаптическая щель шириной порядка 20-50 нм. В пресинапсе находятся пузырьки с нейромедиатором, митохондрии, мембранные цистерночки, случайные микротрубочки и множество волокон. В ЦНС выделяют два типа синапсов. Синапсы ЦНС отличаются от синапсов нервно-мышечного соединения в нескольких аспектах. Если в нервно-

25

мышечном соединении ацетилхолин оказывает возбуждающее действие на мембрану мышечной клетки, то в ЦНС в одних межнейронных синапсах ацетилхолин оказывает возбуждающее действие на мембрану нейрона, в других синапсах — тормозное действие. Если в нервномышечных соединениях существует только один нейромедиатор, то в синапсах ЦНС насчитывается более 100 различных нейромедиаторов.

Первый тип синапсов имеет довольно типичную форму (см. рис. 1.7). Пресинаптическая мембрана аксона имеет множество уплотненных проекций на ее цитоплазматическую часть, а постсинаптическая мембрана дендрита также имеет уплотнения, но непрерывные, на цитоплазматической поверхности — постсинаптическое уплотнение. Типичная длина такого синаптического контакта примерно 5 мк. Синапсы 1-го типа являются самыми многочисленными; они всегда являются аксодендритными, формируются на шипиках дендрита и никогда не формируются на теле нейрона.

Ðèñ. 1.7. Структура синапса 1-го типа: СП — синаптические пузырьки, М — митоходрии.

Уплотненные проекции пресинаптической мембраны представляют собой серии пирамид, организованных в гексагональные структуры (рис. 1.8). Активные зоны синапсов находятся в промежутках между этими структурами. В активных зонах находятся синаптические пузырьки, а также множество внутримембранных включений.

26

Ðèñ. 1.8. Фрагмент, вынесенный из рис. 1.7 и увеличенный: СП — синапти- ческие пузырьки, УППМ — уплотненные проекции пресинаптической мембраны, ВПП — выпячивающая постсинаптическая плотность.

Постсинаптические уплотнения (ВПП на рис. 1.8) представляют собой фиброзную ткань, напоминающую грубо сотканный ковер. Эта ткань лежит напротив постсинаптической мембраны. В этих уплотнениях срастаются тонкие волокна, к которым прикасаются микротрубочки, содержащие включения небольшого размера. Наружная поверхность постсинаптической мембраны, перекрывающая данное уплотнение, является чувствительной к определенному нейромедиатору; множество щетинок и волокон ориентированы в направлении синапти- ческой щели, и некоторые из них соединяются с пресинаптической мембраной.

Второй тип синапсов никогда не формируется на шипиках. Они обычно локализованы на телах нейронов. Предполагается, что в отли- чие от синапсов 1-го типа синапсы 2-го типа являются тормозными синапсами. Основной признак 2-го типа синапсов — это отсутствие выпячивающей постсинаптической плотности; область плазматической мембраны в синапсе очень тонкая.

27

1.4. Мембранные потенциалы

Уникальным свойством нервных и мышечных клеток является нали- чие электрических потенциалов на их мембранах. Мы не будем подробно рассматривать биофизические основы этих потенциалов. Они подробно описаны в специальных пособиях (Шеперд, 1987, т. 1). Отметим, что в основе потенциалов на мембранах клеток лежит разница ионов натрия и калия со стороны наружной и внутренней поверхностей мембраны. Во внешней среде ионов натрия примерно в 10 раз больше, чем ионов калия. Внутри нейронов соотношение количества этих ионов противоположное. Поскольку эти ионы способны легко проходить через канальцы мембраны, то существуют химические процессы, которые обеспечивают выкачивание ионов натрия из внутренней среды в обмен на ионы калия. Такая химическая реакция получила название натрийкалиевый насос, и она осуществляется внутренними мембранными белками (интегральные белки). У большинства нейронов имеется до 200 таких насосов на квадратный микрон мембраны. Насос может транспортировать около 200 ионов натрия наружу мембраны и 130 ионов калия вовнутрь нейрона в секунду, в результате чего наружная часть мембраны имеет положительный заряд относительно внутренней ее части. Этот электрический потенциал на мембране нервной и мышечной клетки получил название потенциал покоя (ПП). Величина ПП достигает 80 мв. Каждый натрий-калиевый насос использует для своей работы энергию, получаемую от расщепления АТФ. Если учесть, что в нервной системе находится 1010 нейронов, то правомерен вопрос, для чего необходим ПП, если на его поддержание расходуется такое огромное количе- ство энергии?

ПП как устойчивый электрический потенциал лежит в основе формирования потенциала действия (ПД). В результате химического, механического или электрического раздражения локального участка мембраны насос как бы поворачивается на 180° и закачивает вовнутрь ионы натрия. Проникшие в клетку ионы натрия приводят к тому, что внутренняя поверхность локального участка мембраны становится положительно зараженной относительно наружного участка. Изменение знака заряда (деполяризация) мембраны является неустойчивым состоянием: оно приводит к закрыванию натриевых каналов и открыванию калиевых каналов. Поток ионов калия наружу через 1,5–2 мс восстанавливает ПП на данном участке мембраны (реполяризация). Но этот участок мембраны в течение нескольких миллисекунд остается нечувствительным к различным воздействиям (период рефрактер-

28

ности). Деполяризация и реполяризация локального участка мембраны проявились в виде электрического импульса, который стал адекватным электрическим раздражением смежного участка мембраны, содержащий насос. В результате последовательного раздражения локальных участков мембраны аксона ПД доходит до синапса.

1.5. Синаптическая передача

Потенциал действия в окончании аксона приводит к открыванию химически управляемых кальциевых каналов и притоку кальция вовнутрь окончания, однако специальный механизм быстро устраняет свободный кальций из окончания аксона. Такой кратковременный подъем концентрации кальция в окончании аксона приводит к слиянию заполненных нейромедиатором пузырьков с пресинаптической мембраной и высвобождением нейромедиатора в синаптическую щель. Такой процесс выделения нейромедиатора в синаптическую щель получил название экзоцитоз (Рис. 1.6). Освободившись от нейромедиатора, слившийся с мембраной пузырек отделяется от нее и вновь наполняется нейромедиатором.

Есть и другая точка зрения, согласно которой молекулы нейромедиатора выходят в синаптическую щель через специальные канальцы. Но в любом случае известно, что потенциал действия, дошедший по аксону до пресинапса, повышает его проницаемость для ионов кальция, которые устремляются в него и активируют выход нейромедиатора в синаптическую щель.

В противоположность активируемым ацетилхолином каналам нервномышечного синапса, всегда открывающимся на 1 мс, в некоторых типах мозговых синапсов имеются каналы, открывающиеся на доли миллисекунд, а другие могут оставаться открытыми сотни миллисекунд. Это различие объясняется тем, что в области нервно-мышечного соединения, например, у лягушки, аксон образует сотни синаптических контактов с мышечной клеткой, а в мозгу аксоны устанавливают только один-два синаптических контакта с данным нейроном.

Вышедшие в синаптическую щель молекулы нейромедиатора быстро проходят через наполненную жидкостью синаптическую щель и взаимодействуют с рецепторами постсинаптической мембраны. Рецепторы представляют собой крупные белковые молекулы, погруженные в полужидкую матрицу клеточной мембраны (см. рис. 1.3). Выходящий на поверхность участок рецепторного белка и молекула нейромедиатора имеют химическое сродство наподобие ключа и замка. Взаимодей-

29