Механизм проведения нервного импульса

Нейромедиаторы – это вещества, которые характеризуются следующими признаками:

- накапливаются в пресинаптической мембране в достаточной концентрации;

- освобождаются при передаче импульса;

- вызывают после связывания с постсинаптической мембраной изменение скорости метаболических процессов и возникновение электрического импульса;

- имеют систему для инактивации или транспортную систему для удаления из синапса продуктов гидролиза.

Нейромедиаторы играют важную роль в функционировании нервной ткани, обеспечивая синаптическую передачу нервного импульса. Их синтез происходит в теле нейронов, а накопление в особых везикулах, которые постепенно перемещаются с участием систем нейрофиламентов и нейротрубочек к кончикам аксонов.

К нейромедиаторам относятся производные аминокислот: таурин, норадреналин, дофамин, ГАМК, глицин, ацетилхолин, гомоцистеин и некоторые другие (адреналин, серотонин, гистамин), а также нейропетиды.

Холинэргические синапсы

Ацетилхолин синтезируется из холина и ацетил-КоА. Для синтеза холина требуются аминокислоты серин и метионин. Но, как правило, из крови в нервную ткань поступает уже готовый холин. Ацетилхолин участвует в синаптической передаче нервного импульса. Он накапливается в синаптических пузырьках, образуя комплексы с отрицательно заряженным белком везикулином (рис. 22). Передача возбуждения с одной клетки на другую осуществляется с помощью специального синаптического механизма.

Рис. 22. Холинэргический синапс

Синапс – это функциональный контакт специализированных участков плазматических мембран двух возбудимых клеток. Синапс состоит из пресинаптической мембраны, синаптической щели и постсинаптической мембраны. Мембраны в месте контакта имеют утолщения в виде бляшек – нервных окончаний. Нервный импульс, достигший нервного окончания, не в состоянии преодолеть возникшее перед ним препятствие - синаптическую щель. После этого электрический сигнал преобразуется в химический.

Пресинаптическая мембрана содержит специальные канальные белки, подобные белкам, формирующим натриевый канал в мембране аксона. Они тоже реагируют на мембранный потенциал, изменяя свою конформацию, и формируют канал. В результате ионы Са²⁺ проходят через пресинаптическую мембрану по градиенту концентраций в нервное окончание. Градиент концентраций Са²⁺ создается работой Са²⁺-зависимой АТФазы. Повышение концентрации Са²⁺ внутри нервного окончания вызывает слияние имеющихся там везикул, заполненных ацетилхолином. Затем ацетилхолин секретируется в синаптическую щель путем экзоцитоза и присоединяется к рецепторным белкам, расположенным на поверхности постсинаптической мембраны.

Ацетилхолиновый рецептор представляет собой трансмембранный олигомерный гликопротеиновый комплекс, состоящий из 6 субъединиц. Плотность расположения белков-рецепторов в постсинаптической мембране очень велика – около 20000 молекул на 1 мкм². Пространственная структура рецептора строго соответствует конформации медиатора. При взаимодействии с ацетилхолином белок-рецептор так изменяет свою конформацию, что внутри него формируется натриевый канал. Катионная селективность канала обеспечивается тем, что ворота канала сформированы отрицательно заряженными аминокислотами. Т.о. повышается проницаемость постсинаптической мембраны для натрия и возникает импульс (или сокращение мышечного волокна). Деполяризация постсинаптической мембраны вызывает диссоциацию комплекса «ацетилхолин-белок-рецептор», и ацетилхолин освобождается в синаптическую щель. Как только ацетилхолин оказывается в синаптической щели, он за 40 мкс подвергается быстрому гидролизу под действием фермента ацетилхолинэстеразы на холин и ацетил-КоА.

Необратимое ингибирование ацетилхолинэстеразы вызывает смерть. Ингибиторами фермента являются фосфорорганические соединения. Смерть наступает в результате остановки дыхания. Обратимые ингибиторы ацетилхолинэстеразы используются как лечебные препараты, например, при лечении глаукомы и атонии кишечника.

Адренэргические синапсы (рис. 23)встречаются в постганглионарных волокнах, в волокнах симпатической нервной системы, в различных отделах головного мозга. Медиаторами в них служат катехоламины: норадреналин и дофамин. Катехоламины в нервной ткани синтезируются по общему механизму из тирозина. Ключевой фермент синтеза – тирозингидроксилаза, ингибируемая конечными продуктами.

Рис. 23. Адренэргический синапс

 

Норадреналин – медиатор в постганглионарных волокнах симпатической системы и в различных отделах ЦНС.

Дофамин – медиатор проводящих путей, тела нейронов которого расположены в отделе мозга. Дофамин отвечает за контроль произвольных движений. Поэтому при нарушении дофаминергической передачи возникает заболевание паркинсонизм.

Катехоламины, как и ацетилхолин, накапливаются в синаптических пузырьках и тоже выделяются в синаптическую щель при поступлении нервного импульса. Но регуляция в адренергическом рецепторе происходит иначе. В пресинаптической мембране имеется специальный регуляторный белок – ахромогранин, который в ответ на повышение концентрации медиатора в синаптической щели связывает уже выделившийся медиатор и прекращает его дальнейший экзоцитоз. Фермента, разрушающего медиатор, в адренергических синапсах нет. После передачи импульса молекулы медиатора перекачиваются специальной транспортной системой путем активного транспорта с участием АТФ обратно в пресинаптическую мембрану и включаются вновь в везикулы. В пресинаптическом нервном окончании излишек медиатора может быть инактивирован моноаминооксидазой (МАО), а также катехоламин-О-метилтрансферазой (КОМТ) путем метилирования по оксигруппе.

Передача сигнала в адренергических синапсах протекает с участием аденилатциклазной системы. Связывание медиатора с постсинаптическим рецептором почти мгновенно вызывает повышение концентрации цАМФ, что приводит к быстрому фосфорилированию белков постсинаптической мембраны. В результате тормозится генерация нервных импульсов постсинаптической мембраны. В некоторых случаях непосредственной причиной этого является повышение проницаемости постсинаптической мембраны для калия, либо снижение проводимости для натрия (такое состояние приводит к гиперполяризации).

Таурин образуется из аминокислоты цистеина. Сначала происходит окисление серы в HS-группе (процесс идет в несколько стадий), затем происходит декарбоксилирование. Таурин – это необычная кислота, в которой нет карбоксильной группы, а имеется остаток серной кислоты. Таурин принимает участие в проведении нервного импульса в процессе зрительного восприятия.

ГАМК – тормозной медиатор (около 40% нейронов). ГАМК повышает проницаемость постсинаптических мембран для ионов калия. Это ведет к изменению мембранного потенциала. ГАМК тормозит запрет на проведение «ненужной» информации: внимание, двигательный контроль.

Глицин – вспомогательный тормозной медиатор (менее 1% нейронов). По вызываемым эффектам подобен ГАМК. Его функция - торможение мотонейронов.

Глутаминовая кислота - главный возбуждающий медиатор (около 40% нейронов). Основная функция: проведение основных потоков информации в ЦНС (сенсорные сигналы, двигательные команды, память).

Нормальная деятельность ЦНС обеспечивается тонким балансом глутаминовой кислоты и ГАМК. Нарушение этого баланса (как правило, в сторону уменьшения торможения) негативно влияет на многие нервные процессы. При нарушении баланса развивается синдром дефицита внимания и гиперактивности детей (СДВГ), повышается нервозность и тревожность взрослых, нарушение сна, бессонница, эпилепсия.

Нейропептиды имеют в своем составе от трех до нескольких десятков аминокислотных остатков. Функционируют только в высших отделах нервной системы. Эти пептиды выполняют функцию не только нейромедиаторов, но и гормонов. Они передают информацию от клетки к клетке по системе циркуляции. К ним относятся:

- нейрогипофизарные гормоны (вазопрессин, либерины, статины) – они одновременно являются и гормонами и медиторами;

- гастроинтестинальные пептиды (гастрин, холецистокинин). Гастрин вызывает чувство голода, холецистокинин вызывает чувство насыщения, а также стимулирует сокращение желчного пузыря и функцию поджелудочной железы;

- опиатоподобные пептиды (или пептиды обезболивания). Образуются путём реакций ограниченного протеолиза белка-предшественника проопиокортина. Взаимодействует с теми же рецепторами, что и опиаты (например, морфин), тем самым имитируют их действие. Общее название - эндорфины. Они легко разрушаются протеиназами, поэтому их фармакологический эффект незначителен;

- пептиды сна. Их молекулярная природа не установлена. Они вызывают сон;

- пептиды памяти (скотофобин). Накапливается при тренировке на избегание темноты;

- пептиды-компоненты ренин-ангиотензиновой системы. Стимулируют центр жажды и секрецию антидиуретического гормона.

Образование пептидов происходит в результате реакций ограниченного протеолиза, разрушаются они под действием протеиназ.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте химический состав мозга.

2. В чем состоят особенности метаболизма в нервной ткани?

3. Перечислите функции глутамата в нервной ткани.

4. Какова роль медиаторов в передаче нервного импульса? Перечислите основные тормозные и возбуждающие медиаторы.

5. В чем состоят отличия в функционировании адренэргических и холинэргических синапсов?

6. Приведите примеры соединений, влияющих на синаптическую передачу нервных импульсов.

7. Какие биохимические изменения могут наблюдаться в нервной ткани при психических заболеваниях?

8. Каковы особенности действия нейропептидов?

 

Биохимия мышечной ткани

Мышцы составляют 40-50% массы тела человека.

Различают три типа мышц:

- поперечнополосатые скелетные мышцы (сокращаются произвольно);

- поперечнополосатая сердечная мышца (сокращается непроизвольно);

- гладкие мышцы (сосуды, кишечник, матка) (сокращаются непроизвольно).

Поперечнополосатая мышца состоит из многочисленных удлиненных волокон.

Мышечное волокно - многоядерная клетка, покрытая эластичной оболочной - сарколеммой. В мышечное волокно входят двигательные нервы, передающие ему нервный импульс, вызывающий сокращение. По длине волокна в полужидкой саркоплазме расположены нитевидные образования - миофибриллы. Саркомер - повторяющийся элемент миофибриллы, ограниченный Z-линией (рис. 24). В середине саркомера находится А-диск, темный в фазово-контрастном микроскопе, в центре которого расположена М-линия, видная при электронной микроскопии. Н-зона занимает среднюю часть
А-диска. I-диски светлые в фазово-контрастном микроскопе, и каждый из них делится на равные половины Z-линией. В А-дисках находятся толстые миозиновые и тонкие актиновые нити. Тонкие нити начинаются у Z-линии, проходят через I-диск и прерываются в области Н-зоны. Электронная микроскопия показала, что толстые нити уложены в форме шестиугольника и проходят через весь А-диск. Между толстыми нитями расположены тонкие. При сокращении мышцы I-диски практически исчезают, а область перекрывания между тонкими и толстыми нитями увеличивается.

Рис. 24. Строение мышечного волокна

Саркоплазматический ретикулум - внутриклеточная мембранная система взаимосвязанных уплощенных пузырьков и канальцев, которая окружает саркомеры миофибрилл. На внутренней его мембране расположены белки, способные связывать ионы кальция.