«Химия» мозга: уровни организации нервной системы

1.

МФК МГУ, 19.02.2025, лекция 1
«Химия» мозга: нейромедиаторы
и психотропные препараты
«ХИМИЯ» МОЗГА:
уровни организации нервной системы
Лектор: профессор Дубынин Вячеслав
Альбертович, биологический факультет МГУ
МФК «Химия» мозга
https://t.me/mfk_chem_brain

2.

Caenorhabditis elegans, 1000 / 300 клеток
н
е
й
р
о
с
е
т
и
Коннектом С. elegans

3.

Дрозофила: более 100 тыс. нейронов
3
Улитка: 20 тыс. нейронов

4.

Дрозофила: более 100 тыс. нейронов
Данио рерио: более 1 млн. нейронов
4

5.

Мышь: около 70 млн. нейронов
Кошка: около 1 млрд. нейронов
Ч/о обезъяны: 7-10 млрд. нейронов
Человек: около 90 млрд. нейронов
Слон:
250 млрд.,
но в коре б. п/ш –
лишь 5 млрд.
(больш-во
остальных в
мозжечке).
У человека в
мозжечке около
70% нейронов.
(65+5+20)
Данио рерио: около 1 млн. нейронов

6.

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 90 млрд. нейронов
Слон:
250 млрд.,
но в коре б. п/ш –
лишь 5 млрд.
(больш-во
остальных в
мозжечке).
У человека в
мозжечке около
70% нейронов.
(65+5+20)

7.

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…

8.

Пример:
дофамин в
мозге человека
и в мозге рыбы,
зараженной
паразитом…

9.

дендриты
сома
аксон
НЕЙРОНЫ:
9

10.

1 – сома (тело) нейрона:
размер 5-100 мкм, разнообразие
форм (пирамидная, звездчатая,
грушевидная и др.); функция –
обработка информации.
2
2 – дендриты нейрона: их обычно
несколько, относит. короткие
(несколько мм), сильно ветвятся,
становятся тоньше по мере удаления
от сомы; воспринимают и проводят
сигналы к соме.
1
3
4
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 стабильный диаметр.
10

11.

стимул
1
Рассмотрим небольшую
сеть нейронов:
6
6
5
4
3
4 – вегетативный нейрон: передает
сигнал на клетки внутренних
органов (гладкомышечные либо
железистые).
5 – клетка внутреннего органа
(сердце, стенка сосуда, бронха,
мочеточника, железы ЖКТ и др.)
2
1 – сенсорный нейрон:
воспринимает стимулы из
внешней среды (либо из
внутренней среды
организма).
2 – поперечнополосатая
клетка скелетной мышцы.
3 – двигательный н.
(мотонейрон): передает
сигнал на клетки
скелетных мышц,
запуская их сокращение.
6 – интернейроны: связывают
остальные типы нервных клеток,
передавая, обрабатывая и сохраняя
11
информацию.

12.

Передача
сигнала к
следующей
клетке
происходит
в особых
структурах –
синапсах:
центральных,
нервномышечных,
вегетативных;
(на схеме их 7 ).
стимул
1
6
6
5
4
3
2
Сигнал по нейрону (вернее – по его мембране) передается в
виде коротких электрических импульсов – потенциалов действия
(ПД) (длительность 1-2 мс, амплитуда около 100 мВ). Сигнал от
нейрона к следующей клетке передается за счет выделения из
окончания аксона особого вещества («нейромедиатора»), которое
воздействует на активность клетки-мишени.
12

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. Потенциал действия (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

14.

Возбуждающие нейромедиаторы:
их взаимодействие с рецепторами
вызывает волну деполяризации,
которая способна запустить ПД.
глутаминовая кислота: проведение
ВПСП – волна
деполяризации
ТПСП – волна
гиперполяризации
основных потоков информации в ЦНС
Тормозные нейромедиаторы:
вызывают волну гиперполяризации, мешающую запуску ПД.
гамма-аминомасляная кислота:
(например,
двигательный
контроль)
(например,
болевой
стимул)
тормозный блок информационных
потоков (внимание, двигательный
контроль и др.).
Дофамин, норадреналин,
эндорфины – «медиаторы
потребностей и эмоций».
Нейрон – «микроЭВМ», суммирующая
возбуждающие и тормозные сигналы,
передаваемые тысячами синапсов.
14

15.

Таламус
Эпифиз
Основные
отделы
головного
мозга:
Гипоталамус
Ножки мозга
Четверохолмие
Мозжечок
Мост
Продолговатый мозг
1) ствол
2) мозжечок
3) большие полушария
3
1 2
15

16.

Эволюционное сходство
строения; нарастание массы в
ходе эволюции; важна не
только масса, но и плотность
синаптических контактов
(количество на единицу объема
мозга; выше у обезьян).
1) ствол
2) мозжечок
3) большие полушария
Основные
отделы
головного
мозга:
16

17.

Ствол включает продолговатый мозг и мост, средний мозг,
промежуточный мозг.
Третий
желудочек
Мозговой
водопровод
Конечный
мозг
Итого: 6 отделов
головного мозга
Четвертый
желудочек
Продолговатый
мозг и мост
Мозжечок
Средний мозг
Промежуточный мозг
Промежуточный мозг
Средний
мозг
Конечный мозг
(большие полушария)
Мост
Продолговатый мозг
Мозжечок
17

18.

КОРТИКО-СПИНАЛЬНЫЙ ТРАКТ
ВЫБОР ПРОГРАММ
(лобн.кора, поясн.и.)
ГИППОКАМП,
МАМ. ТЕЛА
ПАМЯТЬ,
ЭМОЦИИ:
Ant., VA
ДВИЖЕНИЯ: VL
ЧУВСТ-ТЬ
ТЕЛА: VPL
БОЛЬ
БАЗАЛЬН.
ГАНГЛИИ
ДВИГАТ.
ГИПОТАЛАМУС
БАЗАЛЬНЫЕ
ГАНГЛИИ
ЭМОЦИИ,
ПОТРЕБН-ТИ
ЖАЖДА,
ГОЛОД
ЛИБИДО,
ДЕТИ, СТРАХ,
АГРЕССИЯ
СУБТАЛАМУС
ВКУСОВАЯ
КОРА
ВНУТРЕННЯЯ СРЕДА
СЛУХОВАЯ
КОРА
ЗРЕНИЕ
(ЛКТ)
S. nigra
ДЫХАТЕЛЬН.
ЦЕНТР
РЕТИКУЛОСПИН. ТРАКТ
РЕФЛЕКСЫ
СП. МОЗГА
ядра
VII, IX, X
ядра
VIII
ВЕСТ.
НИЖНИЕ
ХОЛМИКИ
Ч-ТЬ ТЕЛА:
ЯДРА V н.,
СП. МОЗГ
ВКУС:
ЭМОЦИИ
МОЗЖЕЧОК
СТАРАЯ
ЧАСТЬ
МОЗЖЕЧОК
ДРЕВН.
ЧАСТЬ
ядра
III, IV, VI
ГЛАЗА
ядра
VIII
СЛУХ
ДВИГАТ.
КОРА
СОСУДОДВИГАТ.
ЦЕНТР
ВКУС:
мед.
ВЕРХНИЕ
ХОЛМИКИ
СОН И
БОДРСТВ-Е
ЦСВ, РФ
ГОЛУБОЕ
ПЯТНО
ВЕСТ:
мед.
СЛУХ
(МКТ)
ОРГАН
ЗРЕНИЯ
МОЗЖЕЧОК
НОВ. ЧАСТЬ
СТРЕСС
ГОРМОНЫ
СИМП. И
ПАРАСИМП.
СИСТ.
ДВИГАТ. ЯДРА
V, VII, IX-XII
ВЕСТИБУЛЯРН. КОРА
ПРОИЗВ.ДВИЖ.
(двиг.кора)
ОБОНЯТ.
КОРА
ОРГАН
ОБОНЯНИЯ
В
Н
С
ЗРИТЕЛЬНАЯ
КОРА
МЫШЛЕНИЕ,
РЕЧЬ (темен.к.)
ОБОНЯТ.
ЛУКОВИЦА
VTA
КОРА: ЧУВСТВИТ.
ТЕЛА
ВЕСТИБУЛОСПИН. ТРАКТ
N. ruber
РУБРОСПИН.
ТРАКТ
18

19.

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

20.

УГЛЕВОДЫ:
Моносахариды:
глюкоза
(С6Н12О6)
(энергетическая
функция; 0.1% в
плазме крови)
фруктоза
рибоза
Полисахариды:
крахмал
гликоген
мономер:
глюкоза
(запасающая
функция)
гликоген, крахмал:
несколько тысяч молекул глюкозы
20

21.

Липиды:
глицерин
+
три остатка - «углеводородных хвоста»
жирных кислот
Глицерин: СН2ОН-СНОН-СН2ОН
Жирная кислота:
СООН-СН2-СН2-…-СН2-СН3
21

22.

Фосфолипиды:
глицерин
+ два углеводородных
хвоста
+ фосфорная кислота
В водном растворе
липиды и фосфолипиды
образуют капли и
двуслойные пленки.
Такие пленки – основа всех
биологических
мембран (строительная
функция + энергетическая и
запасающая).
22

23.

Белки: состоят из мономеров – аминокислот (а/к). Каждая а/к имеет
аминогруппу (-NH2), кислотную группу (-COOH),
радикал (R). Всего в состав белков входят 20
типов а/к, различающихся структурой R.
Полимеризация а/к с образованием белка
происходит за счет связывания СООН- предыдущей а/к с NH2- следующей а/к (пептидная связь).
R
Итоговая цепь а/к – первичная структура белка.
Радикалы не участвуют в ее формировании.
Средняя длина белковой молекулы – 500-900 а/к.
У каждого белка – уникальная первичная структура.
R1
1-ая а/к
R2
2-я а/к
NH2 CH COOH
R3
3-я а/к
R4
и т.д.
23

24.

R1
1-ая а/к
R2
2-я а/к
R3
3-я а/к
R4
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 альфа-спираль (на
каждом витке примерно 3.5 а/к; радикалы в
этом вновь не участвуют) или в бета-складки.
24

25.

Внутри молекулы конкретного белка
альфа- и бета-типы
вторичной структуры обычно
сосуществуют.
25

26.

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.
26

27.

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.
Тип операции с лигандом =
тип белка.
лиганд
белки-ферменты;
транспортные белки
(белки крови,
каналы, насосы);
белки-рецепторы;
двигательные белки;
защитные (антитела),
строительные и др.
27

28.

Белок-фермент, управляющий
распадом вещества-лиганда (пример:
2
1
пищеварительные ферменты)
3
2
1
3
Белок-фермент, управляющий
синтезом нового вещества из двух
лигандов («субстратов»)
28

29.

1
2
Транспортный белок
крови (например,
гемоглобин,
переносящий кислород)
29

30.

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.
30

31.

канал закрыт
канал
открыт
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.).
31

32.

Белок-насос:
1. «Чаша» белка
встроена в мембрану клетки и
открыта, например,
в сторону внешней
среды;
происходит присоединение лиганда.
2. Изменение пространственной конфигурации
белка-насоса (как правило,
требует затрат энергии АТФ;
перенос лиганда не зависит
от разности концентраций).
3. Белок-насос
открывается в
сторону цитоплазмы, высвобождая
лиганд; затем –
возвращение белканасоса в исходную
конфигурацию.
32

33.

инсулин
глюкоза
Пример:
действие гормонов и
нейромедиаторов.
Так, инсулин, выделяемый поджелудочной железой,
активирует работу
насосов, транспортирующих внутрь
клетки глюкозу.
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.
33

34.

Другие типы белков:
антиген
защитные белки (белки-антитела; захватывают
лиганды-антигены – вредные чужеродные вещества)
двигательные белки (актин и миозин; за счет их
взаимодействия происходит сокращение мышечных
клеток)
антитело
строительные белки (коллаген – белок
межклеточного вещества соединительной ткани;
кератин – волосы и ногти)
запасающие белки (казеины молока, глютены
пшеницы и др.)
сеть молекул
коллагена
34

35.

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.
Каждая молекула
ДНК содержит большое число генов
Ген – фрагмент молекулы ДНК, несущий информацию
о структуре определенного белка. Всего ДНК человека
(23 молекулы) содержит около 22 тыс. генов. Каждая молекула
ДНК (хромосома) в обычных клетках присутствует в двух
экземплярах: отцовском и материнском.
РНК выполняет вспомогательную функцию, обеспечивая
превращение генетической информации в конкретные
белки (и-РНК – связующее звено между ДНК и рибосомами).
Ген
белка Х
Ген
белка У
Ген
белка Z
35

36.

36

37.

Внутреннее строение клеток.
1. Клеточная мембрана: два слоя липидов
+ встроенные белки (каналы, насосы,
ферменты, рецепторы и др.)
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 соответствующего белка.
3. Рибосомы: комплекс РНК и белковферментов; 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.
Белок-насос
37

38.

Транспорт веществ к комплексу
Гольджи по цитоплазме и
каналам ЭПС
5. Комплекс Гольджи:
система плоских мембранных цистерн; здесь
происходит накопление
веществ и их упаковка в
пузырьки-везикулы
(«почкование» везикул).
Далее везикулы направляются к клеточной мембране и
сливаются с нею. В результате
происходит выброс
(экзоцитоз) содержимого
пузырьков в межклеточную
среду.
везикула
движение пузырьков-везикул
к клеточной мембране (для экзоцитоза)
Таким путем осуществляется
выделение пищеварительных
ферментов, гормонов,
медиаторов.
38

39.

наружная
Мембрана
внутренняя
мембрана
криста
6. Митохондрии (м/х): «электростанции»
клетки (в нейронах – большое кол-во м/х);
здесь завершается окисление органических веществ (прежде всего, глюкозы);
при этом расходуется О2, выделяется СО2
и из АДФ образуется АТФ.
АТФ – аденозинтрифосфорная к-та
АДФ – аденозиндифосфорная к-та
АДФ + фосфорная к-та АТФ
АТФ
АДФ
АМФ
аденозин
утомление,
кофеин
(реакция запасания энергии; ею управляют
особые дыхательные ферменты,
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.)
39

40.

Нейрон – клетка,
имеющая вполне
типичное
внутреннее
строение.
40

41.

Телеграм-канал
МФК «Химия» мозга
Следующие лекции (весна 2025):
Дата:
2. «Электричество» мозга
19.02
3. Синапс
26.02
4. Ацетилхолин, никотин и др.
05.03
5. Норадреналин, азарт, стресс
12.03
6. Баланс ГАМК и глутамата
19.03
7. Дофамин, амфетамины и др.
26.03
8. Серотонин, антидепрессанты
02.04
9. Глицин, кофеин и проч.
09.04
10. Пептиды, опиоиды и др.
16.04
11. Мозг и алкоголь, ФРН
23.04
12. Мозг, гормоны, цитокины
30.04
Выберите 3 самые интересные для Вас
темы из списка будущих лекций.
Укажите дату, ФИО, факультет, курс