Биохимические процессы нервной ткани

1.

2.

3.

Структура нервных клеток
Нервная клетка состоит из:
тела клетки (сомы)
отростков (аксонов и дендритов)
концевых пластинок
С помощью дендритов нейроны воспринимают, а посредством аксонов
передают возбуждение. На периферии аксоны покрыты шванновскими
клетками, образующими миелиновую оболочку с высокими изолирующими
свойствами.

4.

5.

6.

7.

Функции нервной ткани
Генерация электрического сигнала (нервного
импульса)
Проведение нервного импульса
Запоминание и хранение информации
Формирование эмоций и поведения
Мышление

8.

9.

На долю головного мозга приходится
2% от массы тела. 25% составляет
потребление O2 мозгом в покое от
общего потребления его всем
организмом. Особенно интенсивно
расходуют кислород клетки коры
мозга и мозжечка.
При прекращении доступа O2 мозг может «просуществовать»
немногим более 6 минут за счёт резерва лабильных фосфатов.
АТФ, креатинфосфат, характеризуются значительным
постоянством в головном мозге. Интенсивность обновления
фосфорных соединений в головном мозге велика.

10.

Серое вещество головного мозга тела нейронов.
Белое вещество – аксоны.
В сером веществе 84% H2O, в
белом 70%. Белки составляют ½
объёма плотного вещества в сером
веществе, в белом 1/3. Липиды
составляют больше ½ от сухого
остатка в белом веществе и 1/3 в
сером.
Верхний ряд - серое
вещество в мозге
мужчины и женщины
Нижний ряд - белое
вещество.

11.

12.

40% сухой массы мозга приходится на белки. Более 100 белков
выявлено в ткани мозга.
Простые белки
Нейроальбумины (на них 90% от всех белков), нейроглобулины,
нейросклеропротеины (в беловом веществе), нейроколлаген,
нейроэластины, нейростромины.
Сложные белки
Нуклеопротеины, липопротеины, протеолипиды (липидный
компонент преобладает над белковым, сосредоточены в миелине)
фосфопротеины, гликопротеины.
В мозговой ткани содержатся в значительном количестве ещё
более сложные надмолекулярные образования, такие как
липонуклеопротеины, липогликопротеины,
липогликонуклеопротеиновые комплексы

13.

Ферменты
выделенные из ЦНС в кристаллическом виде
ацетилхолинэстераза и креатинфосфокиназа. В ткани мозга
присутствуют ЛДГ, альдолаза, ГК, МДТ, ГЛДГ, КФ, МАО и др.
До 75% АМК мозга представлены глу, асп и их
производными ( N-ацетиласпарогиновая, глутамин, глутатион,
ГАМК).Много таурина и цистатианина в ткани мозга

14.

Образование глутамина – основной путь обезвреживания NH3 в ткани
мозга.
Белки серого вещества скорее обновляются. Особенность – в ткани
мозга мало полирибосом.
Действие глутамата на синаптосомы мозга характеризуется
увеличением входа 45Ca, повышением активности NO-синтазы,
усилением образования активных форм кислорода, окислением
тиолов, ингибированием Na, K – АТФазы и выходом из синаптосом
ЛДГ, что может быть причиной повреждающего (нейротоксического)
эффекта глутамата.

15.

Регуляторные пептиды
Схема образования
регуляторных пептидов
из неактивного белкапредшественника проопиомеланокортина
(ПОМК).
образуют функциональную непрерывность
содержат до 50 аминокислотных остатков.
переносят информацию в синапсе, в других зонах
непосредственного межклеточного контакта
осуществляют дистантную регуляцию.

16.

Свойства регуляторных пептидов.
1) Дистантные регуляторы.
2) Сложные функции.
3) В плазме регуляторных пептидов
связаны с белками-переносчиками.
4) Наличие рецепторы для регуляторных пептидов.
5) Ничтожная концентрация регуляторных пептидов вызывает
мощный эффект 10-12 – 10-14 Брадикинин 10-16 М.
Эндотелин приводит к спазму коронарных сосудов.
6) Наличие высокой и специфической активности у продуктов
неполного протеолиза регуляторных пептидов.
7) Сроки полураспада регуляторных пептидов от минут до
часов.
8) Регуляторные пептиды образуются из пептидовпредшественников протеазами.
9) Любой пептид биологически активен и вмешивается в
регуляцию

17.

Центральное действие нейропептидов
заключается в их способности выступать
в качестве как нейромедиаторов, так и
нейромодуляторов, изменяющих
функциональнуюактивность нейрона.
Нейропептиды карнозин и гомокарнозин выполняют в ткани
мозга функцию гидрофильных антиоксидантов. Карнозин
поддерживает гомеостаз организма при экстремальных
воздействиях.
Гипоталамические либерины и статины.
Соматолиберин индуцирует СТГ.
Люлиберин активирует половое
поведение и секрецию
гонадотропонина и ЛГ.

18.

Опиоидные регуляторные пептиды.
-эндорфин – стимулятор эмоционального поведения и
двигательной активности. Опиоидная активность мало выражена.
-эндорфин – опиоид, анальгезия, ретроградная амнезия.
-эндорфин – нейролептик, опиоидные свойства мало выражены.
К нейропептидам относятся: вазопрессин, окситоцин,
панкреатические пептиды,(глюкагон), нейротензины, кинины,
ангиотензины, кальцитонин.
Энкефалины – эндогенные антистрессовые биорегуляторы
обладают отчётливым противошоковым эффектом.

19.

Белки миелиновой оболочки
Основной белок (30% от общего белка миелина). Если
блокировать этот белок то воспалительный процесс в мозге,
демиелинизация и паралич конечностей.
Протеолипидная белковая фракция.
Кислый протеолипид. В миелине обнаруживается цАМФзависимая киназа, которая фосфорилирует белок миелина, и
фосфодиэстераза, гидролизующая цАМФ. Период полужизни
миелина – 1 месяц.
1 - ядро; 2 – тело клетки;
3 - дендрит; 4 – перехваты Ранвье;
5 - аксон; 6 – миелиновая оболочка;
7 – нерв с сотнями аксонов;

20.

Циклические нуклеотиды
участвуют в синаптической передаче нервного импульса. Много
цАМФ и цГМФ в головном мозге.
Минеральные вещества
Фосфора в белом веществе больше, чем в сером. В ткани мозга
дефицит анионов. Он покрывается за счёт липидов. Участие
липидов в ионном балансе одна из их функций в деятельности
головного мозга.

21.

Нуклеиновые кислоты
•ДНК не синтезируется
•Содержание и скорость синтеза РНК большая
•Пиримидиновые нуклеотиды поступают из крови через
гематоэнцефалический барьер
•Пуриновые нуклеотиды синтезируются в нервной ткани
•Циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ) содержатся в
нервной ткани в большом количестве

22.

Углеводы
Ткань мозга бедна углеводами (гликоген, глюкоза) 100-120 гр.
глюкозы в сутки используется в ткани мозга. 90% глюкозы в ткани
мозга окисляется до CO2, H2O, E. Есть пентозный цикл и гликолиз.
Распад гликогена идёт путём фосфоролиза с участием цАМФ.
Кетоновые тела используются мозгом лишь при голодании и
длительной работе. Метаболизм мозга за счёт резерва углеводов
долго продержаться не может, так как содержание гликогена здесь
невелико (0,1%). С этим связано развитие комы при избыточном
введении инсулина. В ткани мозга активны ГК, ФФК.

23.

Липиды
Находятся в клеточных и субклеточных мембранах
нейронов и в миелиновых оболочках. На фосфоглицериды
приходится 60% от всех липидов в сером веществе и 40% в
белом веществе. В белом веществе холистерина,
сфингомиелинов, цереброзидов больше, чем в сером
веществе.
В мозговой ткани обнаружены ганглиозиды и немного
нейрального жира. В миелиновой оболочке 70-80% липидов
и 20-30% белков. Миелин – изолятор, обеспечивает в 6-ть
раз более быстрый перенос нервного импульса, чем в
немиелинизированных волокнах. В миелиновой оболочке
отношение холестерин : фосфоглицериды : галактолипиды
составляет 4 : 3 : 2. Основной фосфоглицерид фосфатидилэтаноламины. Основной галактолипид –
цереброзиды. Содержание сфингомиелинов невелико в
головном мозге и выше в миелине периферических нервов.
Скорость обновления липидов низкое, медленно протекает
механизм холистерина, цереброзидов,
фосфатидилэтаноламинов, сфингомиелинов.

24.

25 г холестерина в головном мозге взрослого, 2 г у новорождённого.
Холестерин синтезируется в период роста, скорость процесса с возрастом
падает. Основная масса холестерина у взрослых неэстерифицирована, эфиры
обнаруживаются лишь в участках активной миелинизации. Быстро
обновляются фосфатидилхолин и фосфатидилинозитиды. Они
синтезируются в мозге из жирных кислот и глюкозы. Синтез цереброзидов и
сульфатидов протекает в развивающемся мозге наиболее интенсивно в
период миелинизации. До 90% цереброзидов находится в миелиновых
оболочках, ганглиозиды – компоненты нейронов. В нейронах много
фосфоглицеридов в миелиновых оболочках сфингомиелина. Отсутствие
тимусных гормонов приводит к значительным сдвигам количества и спектра
липидов головного мозга, при этом повышается ПОЛ.

25.

Энергетический обмен головного мозга
Головной мозг хорошо снабжается кровью и имеет интенсивный энергетический
обмен. Хотя головной мозг составляет около 2% массы тела, при спокойном
состоянии организма он утилизирует около 20% поглощенного кислорода и 60%
глюкозы, которая полностью окисляется до СО2 и Н2О в цитратном цикле и
путем гликолиза.
В клетках головного мозга практически единственным источником энергии,
который должен поступать постоянно, является глюкоза. Только при
продолжительном голодании клетки начинают использовать дополнительный
источник энергии — кетоновые тела.

26.

Запасы гликогена в клетках головного мозга незначительны.
Жирные кислоты, которые в плазме крови транспортируются в виде
комплекса с альбумином, не достигают клеток головного мозга из-за
гематоэнцефалического барьера.
Аминокислоты не могут служить источником энергии для синтеза АТФ
(АТР), поскольку в нейронах отсутствует глюконеогенез.
Зависимость головного мозга от глюкозы означает, что резкое падение
уровня глюкозы в крови, например, в случае передозировки инсулина у
диабетиков, может стать опасным для жизни.
глиальные клетки способны реагировать на обмен сигналами между нейронами.

27.

28.

29.

Потенциал покоя
Мембраны, в том чикле плазматические, в принципе непроницаемы
для заряженных частиц. Правда, в мембране имеется Na+/K+-АТФаза (Nа+/К+-АТР-аза), осуществляющая активный перенос ионов Na+
из клетки в обмен на ионы К+. Этот транспорт энергозависим и
сопряжен с гидролизом АТФ (АТР). За счет работы «Nа+,К+-насоса»
поддерживается неравновесное распределение ионов Na+ и К+ между
клеткой и окружающей средой. Поскольку расщепление одной
молекулы АТФ обеспечивает перенос трех ионов Na+ (из клетки) и
двух ионов К+ (в клетку), этот транспорт электрогенен, т. е.
цитоплазма клетки заряжена отрицательно по отношению к
внеклеточному пространству.

30.

31.

32.

Потенциал действия
Возбуждение нервной клетки под действием химического сигнала (реже
электрического импульса) приводит к возникновению потенциала действия. Это
означает, что потенциал покоя -60 мВ скачком изменяется на +30 мВ и спустя 1 мс
принимает исходное значение. Процесс начинается с открывания Nа+-канала (1).
Ионы Na+ устремляются в клетку (по градиенту концентрации), что вызывает
локальное обращение знака мембранного потенциала (2). При этом Na+-каналы
тотчас закрываются, т. е. поток ионов Na+ в клетку длится очень короткое время
(3). В связи с изменением мембранного потенциала открываются (на несколько
мс) потенциал-управляемые К+-каналы (2) и ионы К+ устремляются в обратном
направлении, из клетки. В результате мембранный потенциал принимает
первоначальное значение (3), и даже превышает на короткое время потенциал
покоя (4). После этого нервная клетка вновь становится возбудимой.
За один импульс через мембрану проходит небольшая часть ионов Na+ и К+, и
концентрационные градиенты обоих ионов сохраняются (в клетке выше уровень
К+, а вне клетки выше уровень Na+). Поэтому по мере получения клеткой новых
импульсов процесс локального обращения знака мембранного потенциала может
повторяться многократно. Распространение потенциала действия по поверхности
нервной клетки основано на том, что локальное обращение мембранного
потенциала стимулирует открывание соседних потенциал-управляемых ионных
каналов, в результате чего возбуждение распространяется в виде
деполяризационной волны на всю клетку.

33.

34.

35.

Нейромедиаторы и нейрогормоны
Нервные клетки управляют функциями организма с помощью химических
сигнальных веществ, нейромедиаторов и нейрогормонов.
Нейромедиаторы — короткоживущие вещества локального действия;
они выделяются в синаптическую щель и передают сигнал соседним
клеткам.
Нейрогормоны — долгоживущие вещества дальнего действия,
поступающие в кровь. Однако граница между двумя группами достаточно
условная, поскольку большинство медиаторов одновременно действует как
гормоны.

36.

Критерии, по которым вещество может быть
отнесено к медиаторам.
В нервных волокнах есть ферменты, необходимые для синтеза
медиатора
При раздражении нерва вещество должно выделяться и реагировать
со специальным рецептором и вызывать биологическую реакцию.
Должны существовать механизмы, прекращающие действие
медиатора.

37.

38.

Химическое строение
По химическим свойствам нейромедиаторы подразделяются на несколько
групп. В таблице на схеме приведены наиболее важные представители
нейромедиаторов — более чем 50 соединений.
Наиболее известным и часто встречающимся нейромедиатором является
ацетилхолин, сложный эфир холина и уксусной кислоты. К
нейромедиаторам относятся некоторые аминокислоты, а также
биогенные амины, образующиеся при декарбоксилировании
аминокислот. Известные нейромедиаторы пуринового ряда —
производные аденина. Самую большую группу образуют пептиды и
белки. Небольшие пептиды часто несут на N-конце остаток глутаминовой
кислоты в виде циклического пироглутамата (5-оксопролин;
однобуквенный код: <G). На С-конце у небольших пептидов часто вместо
карбоксильной группы стоит амидная группа (-NH2). За счет такой
модификации нейропептиды лучше защищены от неспецифического
расщепления пептидазами. Эта группа включает также крупные
нейробелки.

39.

Ацетилхолин – сложный эфир уксусной кислоты и холина.
Деполяризация мембраны синаптических окончаний вызывает быстрый
ток ионов кальция в клетку. Для выброса содержимого одного пузыря
надо 4 иона Ca2+. Ацетилхолин взаимодействует с белкомхеморецептором постсинаптической мембраны.
Изменяется проницаемость мембраны – увеличивается её пропускная
способность для ионов натрия.
Инактивация ацетилхолина в холинэргических синапсах:
ацетилхолин
1) ацетилхолин
эстераза
холин + уксусная кислота
2) Активный транспорт ацетилхолина в нейрон, где он накапливается
для последующего повторного использования.

40.

41.

Норадреналин действует на адренэргические рецепторы.
Повышение цАМФ приводит
фосфорилированию
белков постсинаптической мембраны
Ферменты синтеза катехоламинов образуются в теле
нейронов и с аксоплазматическим током транспортируются
в окончания нервов.
Инактивация
1. МАО инактивирует норадреналин, дофамин, серотонин в
пресинаптической мембране.
2. Норадреналин вторично поглощается симпатическими
нервами

42.

Дофамин, серотонин, ГАМК.
Депрессия связана с недостатком катехоламинов. Нарушение
обмена серотонина может быть причиной возникновения
психических заболеваний. Острый стресс приводит к
снижению серотонина в синаптической щели. При болезни
Паркинсона в полосатом теле мозга снижено содержание
дофамина.
ГАМК – медиатор торможения. При недостатке ГАМК у
детей после рождения возникают судороги.
Резерпин ингибирует депонирование катехоламинов в
синаптических пузырьках. Применяется для снижения
артериального давления, при лечении шизофрении.
Аминазин и галоперидол блокируют дофаминовые
рецепторы. При шизофрении усилена дофаминэргическая
импульсация и эти лекарства целесообразны.

43.

Глицин – медиатор торможения, подобный ГАМК.
Функционирует в синапсах спинного мозга. Стрихнин, апамин
(компонент пчелиного яда) связываются с глициновыми
рецепторами, вытесняя глицин. При передозировке стрихнина
судороги.
НАД нейротропен, применяется при лечении психозов. НАД
специфически взаимодействует с ГАМК – бензодиазепиновым
рецепторным комплексом синаптических мембран.
Нейротрубочки и нейрофиламенты – основные
цитоплазматические органеллы аксона. Нейротрубочки состоят
из глобулярного гликопротеида тубулина. ГТФ инициирует
активацию белка. Микрофиламенты – тонкие
цитоплазматические белковые нити. Особенность химического
состава и мозга – присутствие в нём 2-х сильнокислых белков: S100 содержится в глие изменение его свойств нарушает
структуру нейронов и проведение нервных импульсов. Белок 143-2 в сером веществе содержится, перемещается из тела клетки
системой медленного транспорта.

44.

45.

46.

47.

В сетчатке глаза позвоночных содержатся два
типа фоторецепторных клеток: палочки и
колбочки. Палочки чувствительны к свету, а
колбочки отвечают за восприятие цвета.

48.

49.

Фоторецептор
На рисунке схематически изображена одна из фоторецепторных клеток, палочка.
Клетка состоит из двух основных частей, наружного и внутреннего сегментов. В
дисках наружного сегмента (специализированных замкнутых мембранах)
локализован родопсин, интегральный мембранный белок, включающий 7
трансмембранных тяжей. Такое строение характерно для большой группы
сигналпереносящих рецепторных белков. Родопсин является
светочувствительным хромопротеином. Помимо белковой части, опсина,
молекула родопсина включает остаток 11-цис-ретиналя, связанный ковалентно с
ε-аминогруппой остатка лизина. Родопсин обладает характерным спектром
поглощения света с максимумом при 500 нм.
Поглощение молекулой родопсина кванта света индуцирует изомеризацию 11цис-ретиналя в полностью транс-форму. В результате этой фотохимической
реакции изменяется геометрия ретиналя, а спустя 10 мс происходит
аллостерический переход родопсина в его активную форму (родопсин*).
Стимуляция родопсином* G-белка запускает каскад передачи сигнала, который
побуждает зрительную клетку уменьшить выброс нейромедиатора (глутамата),
вследствие чего биполярные нейроны, связанные со зрительными клетками,
посылают измененный импульс, что воспринимается как зрительное
возбуждение.

50.

51.

Сигнальный каскад
G-белок палочек носит название трансдуцин.
Связывание активированного светом родопсина* (метародопсина II) с ГДФтрансдуцином катализирует обмен ГДФ (GDP) на ГТФ (GTP). Активная форма
трансдуцина (ГТФ-трансдуцин) диссоциирует на комплекс β, γ-субъединиц и
ГТФ-α*-субъединицу, которая активирует цГМФ-фосфодиэстеразу (сGΜΡ фосфодиэстеразу). связывая ингибиторную субъединицу фермента.
В отсутствие света концентрация цГМФ (cGMP) в колбочках поддерживается
на сравнительно высоком уровне (70 мкм). Этот вторичный мессенджер
постоянно синтезируется гуанилатциклазой и гидролизуется цГМФфосфодиэстеразой. Активация фосфодиэстеразы (при освещении родопсина)
вызывает быстрое (в течение нескольких мс) падение уровня цГМФ.
Спустя короткое время α-субьединица трансдуцина инактивируется за счет
медленного гидролиза связанного ГТФ и ассоциирует с комплексом β, γсубъединиц. Родопсин* распадается на опсин и полностью транс-ретиналь,
который изомеризуется в цис-ретиналь под действием изомеразы. После сборки
родопсина молекула возвращается в исходное состояние.

52.

В темноте (на схеме слева внизу) высокий уровень цГМФ в
палочках поддерживается благодаря активности гуанилатциклазы.
Поэтому цГМФ-зависимые катионные каналы плазматической
мембраны остаются открытыми и катионы Na+ и Ca2+
беспрепятственно поступают в клетку. При этом зрительная клетка
постоянно выбрасывает нейромедиатор глутамат в синаптическую
щель.
При освещении (на схеме справа внизу) уровень цГМФ резко
падает за счет активации фосфодиэстеразы*, что приводит к
перекрыванию ионных каналов. Так как ионы Na+ и Ca2+ постоянно
выкачиваются из клетки, концентрация их быстро падает. Это
приводит к гиперполяризации клетки и останавливает выброс
нейромедиатора. Снижение концентрации ионов Ca2+ инициирует
активацию гуанилатциклазы, что влечет за собой быстрый подъем
уровня цГМФ настолько, что ионные каналы открываются вновь.

53. Спасибо за внимание!