Нейрон. Строение
|
Для вхождения в проблему активности нейрона в ЦНС (центральная нервная система) необходимо кратко остановиться на его морфологии. Мембрана нейрона. Нейроны обладают высоким уровнем морфологической и функциональной специализации, и первый уровень специализации проявляется в структуре и динамике его мембраны. Как показывают результаты электронной микроскопии, плазматическая мембрана нейронов имеет такое же строение, что и у соматических клеток: она построена из липи¬дов и протеинов (цепочек аминокислот). Основная структура мембраны двухслойная и представляет собой «сэндвич» из фосфолипидов, которые расположены таким образом, что полярные (заряженные) части прилежат к наружной части мембраны, а незаряженные части направлены вовнутрь клетки. Такая организация максимизирует число гидрофобных и гидрофильных соединений, которые могут формировать и делать относительно прочной и очень тонкой оболочку, непроницаемую для большинства полярных молекул или ионов. Мембрана является динамичной, и часто ее описывают как «жидко-мозаичную» структуру (Singer, Nicolson, 1972). Липиды свободно диффундируют с одного участка на другой, обеспечивая тем самым мембране свойства жидкости. Два жидких липидных слоя мембраны (наружный и внутренний) позволяют свободно плавать в ней специализированным бел¬кам и выполнять им свои функции.  Белки могут проникать через оба слоя, образуя каналы для транспорта через них ионов и небольших молекул. Такие «интегральные белки» часто формируют межмембранные структуры. Другие, «периферические белки», локализованы только в наружной или внутренней мембранах, они подвижны и выполняют определенные функции. В жидкой мембране белки часто рассматриваются как частицы мембраны, произвольно плавающие в море липидов. Следует отметить, что белки, проникающие через оба слоя мембраны, находясь одним концом снаружи, а другим внутри клетки, превращают участки мембраны в функциональные единицы, обеспечивающие определенные потребности нейрона.  Схема строения мембраны нейрона Мембрана нейрона неоднородна, некоторые авторы выделяют в ней такие специфические участки, как дендритную зону с большим количеством синаптических контактов и пресинаптическую зону аксона. Кроме того, мембрана нейрона является асимметричной. На ее наружной части (как и на мембране соматических клеток) находится большое количество карбогидратов сиаловой кислоты, которые обеспечивает отрицательный заряд наружной поверхности мембраны. Белки мембраны. По своей функции делятся на насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы обеспечивают перемещение ионов и молекул против концентрационных градиентов и поддержание их необходимых концентраций в клетке. Поскольку заряженные молекулы не могут пройти через двойной липидный слой, в мембранах есть набор специфических белковых канальцев, по которым вовнутрь клетки проходят определенные ионы. Клеточные мембраны с помощью рецепторных белков узнают и прикрепляют к себе разные молекулы. Ферменты размещаются внутри мембраны или на ней и облегчают протекание химических реакций у поверхности мембраны, например АТФаза, которая расщепляет АТФ — универсальную единицу топлива — для обеспечения теплом локальных химических процессов. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры. Не у всех мембранных белков функция жестко фиксирована. Некоторые белки могут выполнять одновременно функции рецептора, фермента и насоса. Кроме ионных насосов и канальцев, для выполнения основных функций нейронам требуются и другие белки. Одним из таких белков является фермент аденилатциклаза, который регулирует внутриклеточную концентрацию циклического аденозинмонофосфата (циклического АМФ — цАМФ). Циклические нуклеотиды, такие, как цАМФ, называют «вторичными мессенджерами». Внутри клетки цАМФ «собирает» информацию от первичных мессенджеров (нейромедиаторов) и подготавливает цитоплазму к возможным изменениям ее метаболизма. Основная гипотеза заключается в том, что повышение концентрации цАМФ в ответ на поступление на постсинаптические рецепторы таких нейромедиаторов, как норадреналин и дофамин, ведет к повышению активности протеинкиназы, которая (1) фосфорилирует определенные белки мембраны и изменяет проницаемость мембраны, (2) изменяет метаболические процессы в клетке за счет активации и индукции некоторых ферментов и белков. Общее заключение: цАМФ каким-то образом устанавливает уровень возбудимости нейрона (Cotman, McGaugh, 1980) Понимание функций мембранных белков — один из этапов на пути к пониманию функций нейрона. Подобно всем другим клеткам организма, в нейроне поддерживается постоянство внутренней среды, которая существенно отличается от окружающей нейрон межклеточной жидкости. Особенно выражены различия в концентрациях ионов натрия и калия (Na*, Ka*). Наружная среда приблизительно в 10 раз богаче Na*, чем внутренняя, а внутренняя среда в 10 раз богаче Ka*, чем межклеточная жидкость. Данное различие в концентрации ионов натрия и калия лежит в основе поддержки и развития электрических потенциалов на мембране нервных клеток. 2. Ядро. В каждой нервной клетке есть ядро, в котором хранится генети¬ческий материал в виде хромосом. Хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, которые вместе образуют гены. Во время эмбрионального развития гены контролируют синтез белка и через белки обеспечивают дифференцировку клетки, ее ко¬нечную форму и синаптические связи с другими клетками. В зрелом состоянии нейрона гены через контроль над синтезом белка контролируют активность нейрона. Ядро отделено от цитоплазмы двумя мембранами, которые в некоторых местах сходятся и образуют поры, через которые осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и содержимым ядра. 3. Митохондрии. Нейрон для выполнения своих функций нуждается в большом количестве энергии. Макроэргическая молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) является основным источником энергии. Подвижные и пластичные митохондрии представляют собой окруженные двойной мембраной органеллы, в которых осуществляется синтез АТФ. Обычно митохондрии представляют собой мелкие (длиной 0,5-3 мкм) внутри¬клеточные образования, которые за счет своей подвижности располагаются в тех местах, где необходима энергия для поддержания химических процессов. Для обеспечения внутриклеточных химических процессов теплом происходит расщепление (гидролиз) АТФ: от нее отделяется ион фосфора и энергия, которая удерживала этот ион с ионом АДФ (аденозиндифосфорная кислота). Энергия идет на поддержание химических процессов в нейроне, а АДФ-3 и Р*3 поступают в митохондрии, в которых выделяющаяся от окисления глюкозы энергия идет на соединение этих ионов и образование АТФ.  Внутреннее содержимое тела клетки:
4. Строительные белки-рибосомы, шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат ГольджиЯ— ядро, П — полисомы, Т— микротрубочки, М — митохондрии, МФ — микрофиламенты, Ш-ЭР — шероховатый эндоплазматический ретикулум. 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) «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 эндоплазматического 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. Они проходят через весь нейрон, соединяя все его части. Эта сеть является каркасом нейрона, поддерживая определенную его форму. 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 встречаются только в нейронах. Показано, что в крупных аксонах их значительно 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 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 ко¬торых находятся в основном аксодендритные синапсы. Например, на дендритах пирамидных нейронов в среднем локализовано около 4000 шипиков, что составляет примерно 43% от всей синаптических контактов этих нейронов (Р (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 плазматической 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. Синапс. Нервно-мышечное соединение. Все синапсы имеют одинаковую структуру. Пресинаптическая и постсинаптическая мембраны являются высокоспециализированными в месте контакта и образуют синаптическое соединение. Пресинаптическая бляшка, или терминаль аксона, содержит пузырьки диаметром около 20-65 нм, которые наполнены веществом — нейромедиатором. Наличие пузырьков и синаптического соединения является показате¬лем 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.  Нервно-мышечное соединение:
Непосредственно перед нейромускулярным соединением миелиновая оболочка на аксоне исчезает, и далее аксон, окруженный только тонким слоем цитоплазмы Швановских клеток, разделяется на веточки (коллатерали). 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. В месте синаптического контакта коллатерали аксона с мышечной клеткой мембрана последней образует множе¬ство складок — соединительные складки. Пространство между пресинаптической и постинаптической частями синапса получило название синаптической щели. Синаптическая щель в нейромускулярном соединении шире, чем между нейронами ЦНС. В синаптических окончаниях аксонов имеется несколько митохондрий, сеть фиброзного 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. 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. 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 нервномышечном 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. 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 аксо- дендритными, формируются на шипиках дендрита и никогда не формируются на теле нейрона. Уплотненные проекции пресинаптической мембраны представляют собой серии пирамид, организованных в гексагональные структуры . Активные зоны синапсов находятся в промежутках между этими структурами. В активных зонах находятся синаптические пузырьки, а также множество внутримембранных включений. Постсинаптические уплотнения 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 синаптической 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 отличие 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. |
| Автор: - - |
| Показать все статьи |
