«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.