«ХИМИЯ» МОЗГА · 2016-03-11 · «ХИМИЯ» МОЗГА: это должен...
Post on 15-Jul-2020
13 Views
Preview:
TRANSCRIPT
«ХИМИЯ» МОЗГА:
это должен знать каждый…
(уровни организации нервной
системы)
Лектор: проф. Дубынин Вячеслав Альбертович
МФК МГУ, 17.02.2016, лекц. 1
«Химия» мозга: от нейромедиаторов до
психоделиков, биологический факультет
Caenorhabditis elegans, 1000 / 300 клеток
Коннектом С. elegans
н
е
й
р
о
с
е
т
и
Улитка: 20 тыс. нейронов
Др
озо
фи
ла: б
ол
ее 1
00 т
ыс. н
ей
ро
но
в
3
Данио рерио: более 1 млн. нейронов
Др
озо
фи
ла: б
ол
ее 1
00 т
ыс. н
ей
ро
но
в
4
Данио рерио: около 1 млн. нейронов
Мышь: около 70 млн. нейронов
Кошка: около 1 млрд. нейронов
Ч/о обезъяны: 7-10 млрд. нейронов
Человек: около 100 млрд. нейронов
(85-90 млрд.)
Слон:
250 млрд., но в
коре б. п/ш –
лишь 5 млрд.
(больш-во
остальных в
мозжечке).
У человека в
мозжечке
около 50%
нейронов.
Как же изучать настолько
сложные системы?
Немного спасает ситуацию
общность принципов работы
мозга – на молекулярном,
клеточном и сетевом уровнях.
Мышь: около 70 млн. нейронов
Кошка: около 1 млрд. нейронов
Ч/о обезъяны: 7-10 млрд. нейронов
Человек: около 100 млрд. нейронов
(85-90 млрд.)
Слон:
250 млрд., но в
коре б. п/ш –
лишь 5 млрд.
(больш-во
остальных в
мозжечке).
У человека в
мозжечке
около 50%
нейронов.
Как же изучать настолько
сложные системы?
Немного спасает ситуацию
общность принципов работы
мозга – на молекулярном,
клеточном и сетевом уровнях.
Электрические и химические
принципы работы нервных
систем весьма похожи.
Это позволяет, в числе прочего,
предварительно испытывать
лекарства на животных…
Пример:
дофамин
в мозге
человека и в
мозге рыбы,
зараженной
паразитом…
Пример:
дофамин
в мозге
человека и в
мозге рыбы,
зараженной
паразитом…
9
Н Е Й Р О Н Ы :
аксон
дендриты
сома
10
1
2
3
4
1 – сома (тело) нейрона: размер 5-100 мкм, разнообра- зие форм (пирамидная, звездча-тая, грушевидная и др.); функция – обработка информации.
2 – дендриты нейрона: их обычно несколько, относит. короткие (неск. мм), сильно ветвятся, становятся тоньше по мере удаления от сомы; воспринимают и проводят сигналы к соме.
3 – аксон: всегда один, относит. длинный (неск. см), слабо ветвится, имеет стабильный диаметр; проводит сигналы от сомы к другим клеткам.
4 – коллатераль: отросток аксона, также стабильн. диаметр.
11
Рассмотрим небольшую сеть нейронов:
1 – сенсорный н.: воспринимает стиму-лы из внешней среды (либо из внутренней среды организма).
2 – поперечнополо-сатая клетка скелет-ной мышцы.
3 – двигательный н. (мотонейрон): передает сигнал на клетки скелетных мышц, запуская их сокращение.
4 – вегетативный нейрон: передает сигнал на клетки внутренних органов (гладко- мышечные либо железистые). 5 – клетка внутреннего органа (сердце, стенка сосуда, бронха, мочеточника, железы ЖКТ и др.)
6 – интернейроны: связывают остальные типы нервных клеток, передавая, обрабатывая и сохраняя информацию.
1 6 6
2 4 3
5
стимул
12
Сигнал по нейрону (вернее – по его мембране) передается в виде коротких электрических импульсов – потенциалов действия (длительность 1-2 мс, амплитуда около 100 мВ).
Сигнал от нейрона к следующей клетке передается за счет выде-ления из окончания аксона особого вещества («медиатора»), которое воздействует на активность клетки-мишени.
1 6 6
2 4
3
5
стимул Передача сигнала к
следующей клетке
происходит в особых
структурах – синапсах
(центральных, нервно-
мышечных, вегетативных; на схеме их 7 ).
13
Основные части синапса:
* окончание отростка
нейрона
* синаптические
пузырьки (везикулы)
с медиатором
* пресинаптическая
мембрана
* синаптическая щель
* постсинаптическая
мембрана
Основные этапы передачи сигнала в синапсе:
1. ПД запускает движение везикул и выброс медиатора в щель
2. Медиатор воздействует на постсинаптические белки-рецепторы
3. Рецепторы вызывают возбуждение либо торможение следующей
клетки (возбуждение может вести к генерации ПД; торможение мешает
возникновению ПД, затрудняет либо блокирует проведение сигнала)
13
Возбуждающие медиаторы: их взаимодействие с рецеп- торами вызывает волну деполяризации, которая способна запустить ПД.
глутаминовая кислота: проведение основных потоков информации в ЦНС
Тормозные медиаторы: вызывают волну гиперпо-ляризации, мешающую запуску ПД.
гамма-аминомасляная кис-лота: тормозный блок информа- ционных потоков (внимание, двигательн. контроль и др.).
Дофамин, норадреналин, эндорфины – «медиаторы потребностей и эмоций».
Нейрон – «микроЭВМ», суммирующая возбуждающие и тормозные сигналы, передаваемые тысячами синапсов.
(например, болевой стимул)
(например, двига- тельный контроль)
ВПСП – волна
деполяризации
ТПСП – волна
гиперполяризации
14
15
Таламус
Гипоталамус
Ножки мозга
Четверохолмие
Мост
Продолговатый мозг
Мозжечок
Эпифиз Основные отделы головного мозга:
1) ствол 2) мозжечок 3) большие полушария
3
2 1
Основные отделы головного мозга:
1) ствол 2) мозжечок 3) большие полушария
Эволюционное сходство
строения; нарастание
массы в ходе эволюции;
важна не только масса, но
и плотность синаптич.
контактов (количество на
единицу объема мозга;
выше у обезьян).
16
Ствол включает продолговатый мозг и мост, средний мозг, промежуточный мозг.
Конечный мозг
Третий желудочек
Мозговой водопровод
Четвертый желудочек
Мозжечок
Промежуточ- ный мозг
Средний мозг Мост
Продолгова- тый мозг
Итого: 6 отделов головного мозга Продолговатый мозг и мост
Мозжечок
Средний мозг
Промежуточный мозг
Конечный мозг (большие полу- шария)
17
18 18
Н2О – вода: 65-70% массы тела человека, «универсальный растворитель»
Минеральные соли: при растворении в воде образуют ионы
(переносчики зарядов в биоэлектрических процессах):
NaCl Na+ + Cl-
Na+ и Са2+ – активирующее действие на нервную систему
К + и Cl
- – участвуют в торможении нервных клеток
19 19
Моносахариды:
глюкоза
(С6Н12О6) (энергетическая функция; 0.1% в плазме крови)
фруктоза
рибоза
Полисахариды:
крахмал
гликоген (запасающая
функция)
УГЛЕВОДЫ:
гликоген: несколько тысяч молекул глюкозы
мономер: глюкоза
20 20
Липиды: глицерин
+ три остатка-«угле-
водородных хвоста»
жирных кислот
Глицерин: СН2ОН-СНОН-СН2ОН Жирная кислота:
СООН-СН2-СН2-…-СН2-СН3
21 21
Фосфолипиды: глицерин
+ два углеводо-родных хвоста
+ фосфорная к-та
В водном растворе липиды и
фосфолипиды образуют капли и
двуслойные пленки. Такие пленки –
основа всех биологических
мембран (строительная
функция + энерге- тическая и
запасающая).
22
Белки: состоят из мономеров – аминокислот (а/к). Каждая а/к имеет аминогруппу (-NH2), кислот- ную группу (-COOH), радикал (R). Всего в состав белков входят 20 типов а/к; они различаются лишь хим. структурой R.
R
NH2 CH COOH
R1 R2 R3 R4
1-ая а/к 2-я а/к 3-я а/к и т.д.
Полимеризация а/к с образованием белка происходит за счет связывания СООН- предыдущей а/к с NH2- сле-дующей а/к (пептидная связь).
Итоговая цепь а/к – первичная структура белка. Радикалы не принимают участия в ее формировании. Средняя длина белков. молекулы – 300-700 а/к. У каждого белка – своя уникальная первичная структура.
23 23
R1 R2 R3 R4
1-ая а/к 2-я а/к 3-я а/к и т.д.
Следующий этап: образование вторичной структуры белка.
Она формируется за счет присутствия на аминогруппах довольно большого положительного заряда, на кислотных группах – отрицательного заряда.
Взаимное притяжение таких (+) и (–) ведет к укладке белковой цепи в спи-раль (на каждом витке примерно 3 а/к; радикалы в этом вновь не участвуют).
24 24
Третичная структура белка – белковый клубок, формируется
за счет взаимодействия радикалов (и, следовательно,
зависит от первичной структуры). Взаимодействие радикалов может
происходить благодаря:
образованию ковалентной химической связи
притяжению неравномерно заряженных областей
контакту углеводородных участков (как в случае «хвостов» липидных
молекул) и др.
25 25
Третичная структура (белковый клубок),
как правило, имеет
ямку («активный центр»).
Здесь происходит захват
молекулы-мишени
(«лиганда») по принципу
«ключ-замок».
После этого белок
способен выполнить с
лигандом те или иные
операции.
белки-ферменты;
транспортные белки
(белки крови,
каналы, насосы);
белки-рецепторы;
двигательные белки;
защитные (антитела),
строительные и др.
Тип операции с
лигандом = тип белка.
лиганд
26 26
1 2
3
Белок-фермент, управляющий распадом вещества-лиганда (пример: пищеварит. ферменты)
1
2
3
Белок-фермент, управляющий синтезом нового вещества из двух лигандов
1 2
Транспортный белок крови (например, гемоглобин, переносящий кислород)
27 27
3
Постоянно открытый
белок-канал: похож на цилиндр
с отверстием; встроен в
мембрану клетки; через него
может идти диффузия (как
правило, строго определенных
мелких частиц – молекул Н2О,
ионов К+, Na+ и др.).
Диффузия – движение частиц среды из области с высокой концентрацией в
область с низкой концентрацией;
чем больше разность концентраций, тем
интенсивнее диффузия.
28 28
Белок-канал со створкой: также встроен
в мембрану клетки; его отверстие перекрыто петлей-створкой,
(«канал закрыт»). Створка при определенных условиях может
открываться, «разрешая» диффузию (условия открытия: появление определенных химических веществ,
электрические воздействия и др.).
канал закрыт канал открыт
29 29
Белок-насос:
1. «Чаша» белка встроена в мемб-
рану клетки и открыта, напри-мер, в сторону
внешней среды; происходит при-
соединение лиганда.
2. Изменение простран-ственной конфигурации белка-насоса (как пра-вило, требует затрат
энергии АТФ; перенос лиганда не зависит от
разности концентраций).
3. Белок-насос открывается в
сторону цитоплаз-мы, высвобождая лиганд; затем – возвращение
белка-насоса в исходную
конфигурацию.
30 30
Белки-рецепторы:
Встроены в мембрану клетки и выполняют информационную функцию. Лиганд в этом случае – сигнал об определенном событии во внешней (межклеточной) среде.
После присоединения лиганда рецептор запускает реакцию клетки, влияя на ферменты, насосы, ионные каналы и т.п.
Пример: действие гормонов и медиаторов. Так, инсулин, выде-ляемый поджелу-дочной железой, активирует работу насосов, транспор-тирующих внутрь клетки глюкозу.
глюкоза
инсулин
31 31
Другие типы белков: защитные белки (белки-антитела; захватывают лиганды-антигены – вредные чужеродные вещества) двигательные белки (актин и миозин; за счет их взаимодействия происходит сокращение мышечных клеток) строительные белки (коллаген – белок межклеточного вещества соединительной ткани; кератин – волосы и ногти) запасающие белки (казеины молока, глютены пшеницы и др.)
антиген
анти- тело
сеть молекул коллагена
32
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
ДНК несет генетическую информацию и передает ее потомству.
Передача потомству = репликация ДНК (размножение на молекулярном уровне).
Генетическая информация = информация о первичной структуре белков.
Ген – фрагмент молекулы ДНК, несущий информацию о структуре определенного белка. Всего ДНК человека (23 молекулы) содержит около 20 тыс. генов. Каждая молекула ДНК (хромосома) в обычных клетках присутствует в двух экземплярах: отцовском и материнском.
РНК выполняет вспомогательную функцию, обеспечивая превращение генетической инфор-мации в конкретные белки (и-РНК – связующее звено между ДНК и рибосомами).
Ген
белка Z
Ген
белка У
Ген
белка Х
Каждая молекула ДНК содержит боль- шое число генов
33 33
34 34
Внутреннее строе-ние клеток.
1. Клеточная мембрана: два слоя липидов + встроенные белки (каналы, насосы, фер- менты, рецепторы и др.)
Белок-насос 2. Ядро: место хранения и репликации ДНК, образования РНК. и-РНК (копия того или иного гена), выходя из ядра, вступает в контакт с рибосомами, управляя сборкой соответствующ. белка.
3. Рибосомы: комплекс РНК и белков-ферментов; здесь идет синтез белка по «инструкции» и-РНК; в нейронах очень много рибосом (признак чрезвычайно активного обмена веществ).
4. Эндоплазматическая сеть (ретикулум): ЭПС – система тонких разветвленных мембранных каналов, пронизывающая всю цитоплазму; транспортная функция.
35 35
движение пузырьков-везикул к клеточной мембране (для экзоцитоза)
Транспорт веществ к комплексу
Гольджи по цитоплазме и каналам
ЭПС
5. Комплекс Гольджи: система плоских мемб-ранных цистерн; здесь происходит накопление веществ и их упаковка в пузырьки-везикулы («почкование» везикул).
везикула
Далее везикулы направля-ются к клеточной мембра-не и сливаются с нею. В результате происходит выброс (экзоцитоз) содержимого пузырьков в межклеточную среду.
Таким путем осуществля-ется выделение пищева-рительных ферментов, гормонов, медиаторов.
36 36
6. Митохондрии (м/х): «электро-станции» клетки (в нейронах – боль-
шое кол-во м/х); здесь завершается окисление органических веществ (прежде всего, глюкозы); при этом расходуется О2, выделяется СО2 и из АДФ образуется АТФ.
наружная мембрана
внутренняя мембрана
криста
АТФ – аденозинтрифосфорная к-та АДФ – аденозиндифосфорная к-та АДФ + фосфорная к-та АТФ (реакция запасания энергии; ею управляют особые дыхательные фер-менты, расположенные на складках-кристах внутренней мембраны м/х) АТФ АДФ + фосфорная к-та (реакция выделения энергии; идет в любой части клетки, где необходимо «привести в действие» белки-насосы, ферменты и т.п.)
АТФ АДФ АМФ аденозин
утомление,
кофеин
37 37
Нейрон – клетка, имеющая вполне
типичное внутреннее строение.
top related