Ионы какого вещества играют главную роль в возбуждении нервной клетки

Возбуждение нейрона

Нейрон в отличие от других клеток способен возбуждаться. Под возбуждением нейрона понимают генерацию нейроном потенциала действия. Основная роль в возбуждении принадлежит другому типу ионных каналов, при открытии которых ионы натрия устремляются в клетку. Напомним, что благодаря постоянной работе насосных каналов концентрация натриевых ионов вне клетки примерно в 50 раз больше, чем в клетке, поэтому при открытии натриевых каналов ионы натрия устремляются в клетку, а ионы калия через открытые калиевые каналы начинают выходить из клетки. Для каждого типа ионов – натрия и калия – имеется свой собственный тип ионного канала. Движение ионов по этим каналам происходит по концентрационным градиентам, т.е. из места высокой концентрации в место с более низкой концентрацией.

Таким образом, выражением возбуждения нейрона является генерация на мембране нейрона потенциала действия. Его длительность в нервных клетках составляет величину около 1/1000 с (1 мс). Описанная последовательность событий приведена на рис. 2.7.

Подобные потенциалы действия могут возникать и в других клетках, назначение которых – возбуждаться и передавать это возбуждение другим клеткам. Например, сердечная мышца имеет в своем составе специальные мышечные волокна, обеспечивающие бесперебойную работу сердца в автоматическом режиме. В этих клетках также генерируются потенциалы действия (рис. 2.8). Однако они имеют затянутую, почти плоскую вершину, и длительность такого потенциала действия может затянуться до нескольких сот миллисекунд (сравните с 1 мс у нейрона). Такой характер потенциала действия мышечной клетки сердца физиологически оправдан, так как возбуждение сердечной мышцы должно быть длительным, чтобы кровь успела покинуть желудочек. С чем же связан такой затянутый потенциал действия у этого типа клетки? Оказалось, в мембране этих клеток натриевые ионные каналы не так быстро закрываются, как в нейронах, т.е. натриевая инактивация затянута.

Описанный выше механизм возбуждения клетки (конечно, далеко не все клетки нашего организма способны возбуждаться) в основных чертах одинаков не только в нейронах и мышечных клетках человека, но и в аналогичных клетках других организмов. Например, в нейронах моллюсков, червей, крыс и обезьян при возбуждении происходят описанные выше последовательности событий. Более того, конструкция мембран, включая каналы, также примерно одинакова у всех организмов Земли.

Нейрон способен к возбуждению, которое состоит в том, что мембрана нейрона в состоянии покоя имеет потенциал порядка –70 мВ (отрицательность в цитоплазме), а в состоянии возбуждения приобретает потенциал +55 мВ. Таким образом, абсолютная величина потенциала действия – около 125 мВ. Длительность потенциала действия нейрона составляет всего около 1 мс (1/1000 с).

Далее это возбуждение (потенциал действия) должно передаться другому нейрону или какой‑то другой клетке, например мышечной, железистой и др.

Электрические явления, происходящие при возбуждении нейрона, были изучены в основном на крупных мотонейронах передних рогов спинного мозга, поэтому события, изложенные в следующих разделах, имеют отношение главным образом к этим нейронам. За исключением количественных различий, то же самое происходит и в других нейронах.

Мембранный потенциал покоя сомы нейрона. На рисунке изображена сома спинального мотонейрона, мембранный потенциал покоя которой равен примерно -65 мВ. Этот потенциал меньше, чем -90 мВ, характерный для крупных волокон периферических нервов и волокон скелетных мышц. Более низкий уровень потенциала покоя важен, поскольку позволяет регулировать возбудимость нейрона путем сдвига мембранного потенциала как в сторону более положительных, так и более отрицательных значений. Так, уменьшение покоя, т.е. сдвиг его в направлении менее отрицательных значений, повышает возбудимость мембраны нейрона, тогда как сдвиг мембранного потенциала в область более отрицательных значений ведет к снижению возбудимости нейрона. Это обусловливает два возможных функциональных состояния нейрона: возбуждение или торможение, что подробно объясняется в следующих статьях.

Разности концентраций ионов по обе стороны мембраны сомы нейрона. На рисунке указаны разности концентраций для трех ионов (натрия, калия и хлора), наиболее важных для функции нейрона. Видна высокая концентрация ионов Na во внеклеточном пространстве (142 мэкв/л), но низкая — внутри нейрона (14 мэкв/л). Этот градиент концентрации ионов Na+ связан с наличием мощного натриевого насоса, который постоянно выкачивает ионы Na+ из нейрона.

На рисунке видна также высокая концентрация ионов К+ внутри сомы нейрона (120 мэкв/л), но низкая — во внеклеточной жидкости (4,5 мэкв/л). Видно, что есть калиевый насос, который закачивает калий внутрь.

Согласно рисунке, концентрация ионов Сl- во внеклеточной жидкости высокая, но низкая — внутри нейрона. Показано также, что мембрана достаточно проницаема для ионов Сl- и что, возможно, существует слабый хлорный насос. До сих пор основной причиной низкой концентрации ионов СГ внутри нейрона считается отрицательный заряд (-65 мВ) в нейроне. Этот отрицательный заряд отталкивает отрицательно заряженные ионы Сl-, заставляя их выходить через поры клетки до тех пор, пока концентрация этих ионов не станет внутри гораздо ниже, чем снаружи.

Трансмембранный потенциал может противостоять движению иона через мембрану, если потенциал имеет соответствующую полярность и величину. Потенциал, который полностью уравновешивает движение иона по разности концентраций, называют потенциалом Нернста для этого иона; уравнение для его вычисления следующее:

ЭДС (мВ) = ± 61 х log (Концентрация внутри/Концентрация снаружи), где ЭДС — потенциал Нернста на внутренней стороне мембраны. Потенциал будет отрицательным (-) для положительных ионов и положительным (+) для отрицательных ионов.
Теперь рассчитаем потенциал Нернста для каждого из трех ионов: натрия, калия и хлора.

Для разности концентраций ионов Na+, показанной на рис. 45-8 (142 мэкв/л снаружи и 14 мэкв/л внутри), мембранный потенциал, прекращающий направленное движение этих ионов через натриевые каналы, должен быть равен +61 мВ. Однако истинный мембранный потенциал равен -65 мВ, а не +61 мВ. Следовательно, те ионы Na+, которые просачиваются внутрь клетки, немедленно выкачиваются натриевым насосом назад, т.е. наружу, благодаря чему внутри нейрона поддерживается отрицательный потенциал, равный -65 мВ.

Для ионов К+ градиент концентрации составляет 120 мэкв/л внутри нейрона и 4,5 мэкв/л снаружи. Согласно расчету, потенциал Нерста в этом случае равен -86 мВ внутри нейрона, т.е. он более отрицательный, чем реальный мембранный потенциал, равный -65 мВ. Следовательно, в связи с высокой внутриклеточной концентрацией калия существует общая тенденция к диффузии ионов К+ из нейрона наружу, но этому противостоит непрерывное обратное закачивание ионов К+ назад внутрь клетки.

Наконец, градиент концентрации ионов Сl-(107 мэкв/л снаружи и 8 мэкв/л внутри) дает потенциал Нернста, равный -70 мВ внутри нейрона, который лишь немного отрицательнее, чем истинное измеренное значение мембранного потенциала -65 мВ. Следовательно, существует очень небольшая тенденция движения ионов Сl- внутрь нейрона, но те немногие ионы Сl-, которые действительно просачиваются внутрь, выходят наружу, вероятно, с помощью активного транспорта, т.е. хлорного насоса.

Запомните эти три потенциала Нернста и направление, в котором разные ионы стремятся диффундировать, поскольку эта информация важна для понимания процессов возбуждения и торможения нейрона при синаптической активации или инактивации ионных каналов.

Однородное распределение электрического потенциала внутри сомы. Сома (тело) нейрона содержит внутриклеточную жидкость, представляющую собой раствор электролитов с высокой проводимостью. Кроме того, сома нейрона имеет большой диаметр (10-80 мкм), благодаря чему практически отсутствует сопротивление при проведении электрического тока от одной внутренней части сомы к другой. Следовательно, любое изменение потенциала в каком-либо участке внутри сомы нейрона сразу вызывает почти такое же изменение потенциала во всех других его частях. Эта важная особенность играет главную роль в суммации сигналов, приходящих к нейрону от множества источников.

Нейрон

Нейрон является главной клеткой центральной нервной системы. Формы нейронов чрезвычайно многообразны, но основные части неизменны у всех типов нейронов. Нейрон состоит из следующих частей: сомы (тела) и многочисленных разветвленных отростков. У каждого нейрона есть два типа отростков: аксон, по которому возбуждение передается от нейрона к другому нейрону, и многочисленные дендриты (от греч. дерево), на которых заканчиваются синапсами (от греч. контакт) аксоны от других нейронов. Нейрон проводит возбуждение только от дендрита к аксону.

Основным свойством нейрона является способность возбуждаться (генерировать электрический импульс) и передавать (проводить) это возбуждение к другим нейронам, мышечным, железистым и другим клеткам.

На рис. 2.3 показана схема нейрона, на которой легко прослеживаются его основные части.

Нейрон в отличие от других клеток способен возбуждаться. Под возбуждением нейрона понимают генерацию нейроном потенциала действия. Основная роль в возбуждении принадлежит другому типу ионных каналов, при открытии которых ионы натрия устремляются в клетку. Напомним, что благодаря постоянной работе насосных каналов концентрация натриевых ионов вне клетки примерно в 50 раз больше, чем в клетке, поэтому при открытии натриевых каналов ионы натрия устремляются в клетку, а ионы калия через открытые калиевые каналы начинают выходить из клетки. Для каждого типа ионов - натрия и калия - имеется свой собственный тип ионного канала. Движение ионов по этим каналам происходит по концентрационным градиентам, т.е. из места высокой концентрации в место с более низкой концентрацией.

Таким образом, выражением возбуждения нейрона является генерация на мембране нейрона потенциала действия. Его длительность в нервных клетках составляет величину около 1 /1000_с(1 мс). Описанная последовательность событий приведена на рис. 2.7.

Подобные потенциалы действия могут возникать и в других клетках, назначение которых -возбуждаться и передавать это возбуждение другим клеткам. Например, сердечная мышца имеет в своем составе специальные мышечные волокна, обеспечивающие бесперебойную работу сердца в автоматическом режиме. В этих клетках также генерируются потенциалы действия (рис. 2.8). Однако они имеют затянутую, почти плоскую вершину, и длительность такого потенциала действия может затянуться до нескольких сот миллисекунд (сравните с 1 мс у нейрона). Такой характер потенциала действия мышечной клетки сердца физиологически оправдан, так как возбуждение сердечной мышцы должно быть длительным, чтобы кровь успела покинуть желудочек. С чем же связан такой затянутый потенциал действия у этого типа клетки? Оказалось, в мембране этих клеток натриевые ионные каналы не так быстро закрываются, как в нейронах, т. е. натриевая инактивация затянута.

Нейрон способен к возбуждению, которое состоит в том, что мембрана нейрона в состоянии покоя имеет потенциал порядка - 70 мВ (отрицательность в цитоплазме), а в состоянии возбуждения приобретает потенциал +55 мВ. Таким образом, абсолютная величина потенциала действия - около 125 мВ. Длительность потенциала действия нейрона составляет всего около 1 мс (1/1000 с) .

Далее это возбуждение (потенциал действия) должно передаться другому нейрону или какой-то другой клетке, например мышечной, железистой и др.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Всякая реакция организма, любое поведение человека возможны лишь тогда, когда в нервной системе возникает возбуждение, распространяющееся от рецепторов через центральную нервную систему к эффекторам. Повсеместно возбуждение в ней выражается в двух формах:

• как волновое — электрическая активность в нервных структурах;
• как тоническое — изменение возбудимости и функциональной подвижности самих нервных клеток и структур.

Нервные клетки, а также разные отделы нервной системы, участки больших полушарий, имеют три уровня функциональной активности (состояния):

1) состояние относительного физиологического покоя, которое характеризуется отсутствием выраженных проявлений какой-то активности, например движения, секреции (выделения какого-то вещества специальным органом) или изменения привычного спокойного состояния нейрона, но это не полностью бездеятельное состояние, в условиях относительного физиологического покоя протекают процессы обмена веществ на уровне, необходимом для поддержания жизнедеятельности и готовности реагировать в нужный момент;
2) состояние возбуждения(возбуждение) — процесс повышенной функциональной активности, возникающий в результате воздействия на нейрон либо на то или иное нервное образование каких-то факторов; оно сопряжено с нарушением состояния его покоя, вызванным каким-то раздражающим воздействием на него, проявлением биохимический и электрической активности нейрона, образования и определенной функции в деятельности нервной системы;
3) состояние торможения(торможение) — активный процесс, проявляющийся в ослаблении или прекращении функциональных отправлений нервной ткани, возвращения ее в состояние покоя или сдерживания проявлений возбужденности под влиянием угнетения другим возбуждением; оно так же протекает с затратой и выделением энергии, но они меньше, чем при возбуждении. Возбуждение и торможение, таким образом, тесно взаимосвязаны.

Все состояния связаны с определенными физико-химическими процессами в нейроне, важнейшими из которых для всей нервной деятельности являются электрические. Современные представления о природе этих состояний выражает мембранная теория. В норме, в состоянии относительного физиологического покоя, внеклеточная среда богата содержанием положительно заряженных ионов натрия, а цитоплазма клетки — отрицательно заряженных ионов калия (рис. 2.8 А). Один из механизмов жизнедеятельности клетки поддерживает эту неравномерность за счет избирательной проницаемости мембраны. В норме он выводит положительно заряженные ионы наружу, а отрицательно заряженные вводит внутрь. Этот механизм назвали калиево-натриевой помпой (насосом). В результате такого вида обмена на наружной поверхности мембраны образуется избыток положительно заряженных ионов, а на внутренней — отрицательно заряженных. Между поверхностями, естественно, возникает разность потенциалов, равная примерно 70—90 мВ, что характеризует мембранный потенциал покоя. Чем больше поляризована мембрана, тем выше этот потенциал.

Рис. 2.8. Ионный механизм возникновения мембранного потенциала действия и восстановления потенциала покоя в нервной ткани (по Ю.А. Ходжкину):

А — статическая поляризация в состоянии физиологического покоя;

Б — движение ионов при возникновении потенциала действия (деполяризация и инверсия); В — движение ионов при восстановлении потенциала покоя

Рис. 2.9. Изменение мембранного потенциала в зависимости от силы наносимого раздражения длительностью 2 м/с (по Б. Катцу и Е.К. Жукову):

1—5 — изменения мембранного потенциала; внизу показана относительная сила наносимого раздражения (электрический ток); горизонтальные линии: сплошная — критический уровень потенциала покоя; штрих-пунктирная — критический уровень местного потенциала, т.е. момент возникновения потенциала действия; штриховая — уровень перехода деполяризации в инверсию знака потенциала действия

Рис. 2.10. Тоническое возбуждение и изменение возбудимости нейрона

А — нормальная возбудимость; Б — повышенная возбудимость (исходная деполяризация мембраны и уменьшение пороговой величины возбуждения);

В — пониженная возбудимость (исходная гиперполяризация мембраны и увеличение пороговой величины возбуждения); Г — длительное возбуждение нейрона, возникновение не одного, а серии потенциалов действия — пачки импульсов; Исх. — исходный уровень поляризации мембраны;

Кр. — критический уровень; МП — мембранный потенциал

В 1884 г. Н.Е. Введенский (1852—1922) определил, что нерв, мышца и нервный центр имеют свою особую ритмику. В отличие от других элементов организма нерв является практически неутомимым и может несколько часов подряд выполнять свои функции — раздражаться и проводить возбуждение. Если нерв передает в мышцу поток часто следующих друг за другом возбуждений, она отвечает на это сплошным сокращением (тетанусом) [1] . При достаточно сильном и частом ритмичном раздражении мышца сначала отвечает обычным тетанусом, который вскоре сменяется прекращением реагирования. Такое состояние ученый назвал парабиозом. В своем развитии оно проходит три стадии: уравнительную, парадоксальную и тормозную, размеры которых зависят от природы раздражителя.

Всей нервной системе и коре больших полушарий свойственны электрические явления, которые играют важнейшую роль в их функционировании. Возможность их регистрации была раскрыта в 1925 г. (В. Павлич-Неминский) и воплощена в виде фиксируемой на бумажной ленте электроэнцефалограммы (рис. 2.11) при использовании специального прибора — электроэнцефалографа. Электрические потенциалы снимаются при этом с разных участков больших полушарий с помощью специальных датчиков, крепящихся на поверхности головы. Стало возможно объективно изучать активность коры головного мозга и ее полей в экспериментальных ситуациях при выполнении испытуемыми самого разного рода заданий.

Таков механизм трансформации раздражения в физиологическое явление возбуждения в нервной ткани.

Рис. 2.11. Типичные появления электрической активности коры мозга при разных ее состояниях:

I — возбуждение; II — покой; III — дремотное состояние; IV — засыпание;

V — глубокий сон; VI — кома

1. Строение и функции элементов нервной клетки……………. ……..… 4

2. Обмен веществ в нейроне……………………. ………………………… 6

4. Основные функции нервной клетки……………………………….……. 8

4.1. Воспринимающая функция нейрона …………………………………. 8

4.2. Интегративная функция нейрона …………………………………….. 11

4.3. Эффекторная функция нейрона ………………………………. ……. 13

Основным структурным элементом нервной системы являются нервные клетки, или нейроны. Через нейроны осуществляется передача информации от одного участка нервной системы к другому, обмен информацией между нервной системой и различными участками тела. В нейронах происходят сложнейшие процессы обработки информации. С их помощью формируются ответные реакции организма (рефлексы) на внешние и внутренние раздражения. Нейроны разделяются на три основных типа: афферентные, эфферентные, промежуточные нейроны.

Афферентные нейроны (чувствительные, или центростремительные) передают информацию от рецепторов в центральную нервную систему. Тела этих нейронов расположены вне центральной нервной системы - в спинномозговых ганглиях и в ганглиях черепно-мозговых нервов.

Эфферентные нейроны (центробежные) связаны с передачей нисходящих влияний от вышележащих этажей нервной системы к нижележащим или из центральной нервной системы к рабочим органам. Для эфферентных нейронов характерна разветвленная сеть дендритов и один длинный отросток - аксон.

Промежуточные нейроны (интернейроны, или вставочные) - это, как правило, более мелкие клетки, осуществляющие связь между различными (в частности, афферентными и эфферентными) нейронами. Благодаря многочисленным разветвлениям аксона промежуточные нейроны могут одновременно возбуждать большое число других нейронов.

1. Строение и функции элементов нервной клетки

Различные структурные элементы нейрона имеют свои функциональные особенности и разное физиологическое значение. Нервная клетка состоит из тела, или сомы, и различных отростков. Многочисленные древовидно разветвленные отростки дендриты (от греч. dendron - дерево) служат входами нейрона, через которые сигналы поступают в нервную клетку. Выходом нейрона является отходящий от тела клетки отросток аксон (от греч. axis - ось), который передает нервные импульсы дальше - другой нервной клетке или рабочему органу (мышце, железе).

Форма нервной клетки, длина и расположение отростков чрезвычайно разнообразны и зависят от функционального назначения нейрона.

Среди нейронов встречаются самые крупные клеточные элементы организма. Размеры их поперечника колеблются от 6-7 мк (мелкие зернистые клетки мозжечка) до 70 мк (моторные нейроны головного и спинного мозга). Плотность их расположения в некоторых отделах центральной нервной системы очень велика. Например, в коре больших полушарий человека на 1мм 3 приходится почти 40 тыс. нейронов. Тела и дендриты нейронов коры занимают в целом примерно половину объема коры.

Внутренняя часть клетки заполнена цитоплазмой, в которой расположены ядро и различные органоиды. Цитоплазма очень богата ферментными системами (в частности, обеспечивающими гликолиз) и белком. Ее пронизывает сеть трубочек и пузырьков - эндоплазматический ретикулум. В цитоплазме имеются также отдельные зернышки - рибосомы и скопления этих зернышек - тельца Ниссля, представляющие собой белковые образования, содержащие до 50% РНК. Это белковые депо нейронов, где также происходит синтез белков и РНК.

В специальных аппаратах нервных клеток - митохондриях совершаются окислительные процессы с образованием богатых энергией соединений (макроэргических связей АТФ). Это энергетические станции нейрона. В них происходит трансформация энергии химических связей в такую форму, которая может быть использована нервной клеткой. Митохондрии концентрируются в наиболее активных частях клетки.

2. Обмен веществ в нейроне

Основной особенностью обмена веществ в нейроне является высокая скорость обмена и преобладание аэробных процессов. Потребность мозга в кислороде очень велика. Хотя вес мозга по отношению к весу тела составляет всего 2%, потребление кислорода мозгом достигает в состоянии покоя у взрослых людей 25% от общего его потребления организмом, а у маленьких детей - 50%. Даже кратковременное нарушение доставки кислорода кровью может вызвать необратимые изменения в деятельности нервных клеток: в спинном мозгу - через 20 - 30 мин., в стволе головного мозга - через 15 - 20 мин., а в коре больших полушарий - уже через 5 - 6 мин.

Энергетические траты мозга составляют 1 /₆ - 1 /₈ суточных затрат организма человека. Основным источником энергии для мозговой ткани является глюкоза. Мозг человека требует для обмена около 115г. глюкозы в сутки. Содержание ее в клетках мозга очень мало, и она постоянно черпается из крови.

Деятельное состояние нейронов сопровождается трофическими процессами - усилением в них синтеза белков. При различных воздействиях, вызывающих возбуждение нервных клеток, в том числе при мышечной тренировке, в их ткани значительно возрастает количество белка и РНК, при тормозных же состояниях и утомлении нейронов содержание этих веществ уменьшается. В процессе восстановления оно возвращается к исходному уровню или превышает его.

3. Глиальные клетки

В процессах питания нервных клеток и их обмене веществ участвуют также окружающие нейрон клетки глии (глиальные клетки, или нейроглия). Эти клетки заполняют в мозгу все пространство между нейронами. В коре больших полушарий их примерно в 5 раз больше, чем нервных клеток. Тела нейронов, как и их аксоны, окружены глиальными клетками. Глиальные клетки выполняют несколько функций: опорную, защитную, изолирующую, обменную (снабжение нейронов питательными веществами). Показано, что при длительном возбуждении в нейроне высокое содержание белка и нуклеиновых кислот поддерживается за счет клеток глии, в которых их количество соответственно уменьшается. В процессе восстановления после работы запасы белка и нуклеиновых кислот сначала нарастают в клетках глии, а затем и в цитоплазме нейрона.

Глиальные клетки обладают способностью перемещаться в пространстве по направлению к наиболее активным нейронам. Это наблюдается при различных афферентных раздражениях и при мышечной нагрузке. Например, уже через 20 мин. плавания у крыс было обнаружено увеличение числа глиальных клеток вокруг мотонейронов переднего рога спинного мозга.

Возможно, клетки глии участвуют в условно-рефлекторной деятельности мозга и в процессах памяти.

4. Основные функции нервной клетки

Основными функциями нервной клетки являются восприятие внешних раздражений (рецепторная функция), их переработка (интегративная функция) и передача нервных влияний на другие нейроны или различные рабочие органы (эффекторная функция).

Особенности осуществления этих функций позволяют разделить все нейроны центральной нервной системы на 2 большие группы:

1) клетки, передающие информацию на большие расстояния (из одного отдела центральной нервной системы в другой, от периферии к центру, от центров к исполнительному органу). Это крупные, афферентные и эфферентные нейроны, имеющие на своем теле и отростках большое количество синапсов, как возбуждающих, так и тормозящих, и способные к сложным процессам переработки поступающих через них влиянии;

2) клетки, обеспечивающие межнейроальные связи в пределах ограниченных нервных структур (промежуточные нейроны спинного мозга, коры больших полушарий и др.). Это мелкие клетки, воспринимающие нервные влияния только через возбуждающие синапсы. Эти клетки не способны к сложным процессам интеграции локальных синаптических влияний потенциалов, они служат передатчиками возбуждающих или тормозящих влияний на другие нервные клетки.

4.1. Воспринимающая функция нейрона

Все раздражения, поступающие в нервную систему, передаются на нейрон через определенные участки его мембраны, находящиеся в области синаптических контактов. В большинстве нервных клеток эта передача осуществляется химическим путем с помощью медиаторов. Ответом нейронов на внешнее раздражение является изменение величины, мембранного потенциала.

11 сентября 2015

7615
6,2
0
12

Виктор Лебедев

Медицина
Нейробиология
Нейромедиаторы

Шестая (и последняя) статья цикла о нейромедиаторах будет посвящена глутамату. Это вещество больше знакомо нам как усилитель вкуса в продуктах, но оно играет важную роль в нашей нервной системе. Глутамат — это самый распространенный возбуждающий нейротрансмиттер в нервной системе млекопитающих вообще и человека в частности.

Молекулы и связи

Глутамат (глутаминовая кислота) является одной из 20 основных аминокислот. Кроме участия в синтезе белков он может выполнять функцию нейромедиатора — вещества, которое передает сигнал от одной нервной клетки к другой в синаптической щели. При этом нужно учитывать, что глутамат, который есть в пище, не проникает через гематоэнцефалический барьер, то есть не оказывает прямого влияния на мозг. Глутамат образуется в клетках нашего тела из α-кетоглутарата путем трансаминирования. Аминогруппа переносится с аланина или аспартата, заменяя кетоновый радикал α-кетоглутарата (рис. 1). В итоге мы получаем глутамат и пируват или щавелевоуксусную кислоту (в зависимости от донора аминогруппы). Два последних вещества участвуют во многих важных процессах: щавелевоуксусная кислота, например, — это один из метаболитов в великом и ужасном цикле Кребса. Разрушение глутамата происходит при помощи фермента глутаматдегидрогеназы, и в ходе реакции образуются уже знакомый нам α-кетоглутарат и аммиак.

Рисунок 1. Синтез глутамата. Глутамат образуется из α-кетоглутарата путем замены кетогруппы на аминогруппу. При проведении реакции в клетках тратится никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ, NADP). Рисунок с сайта lecturer.ukdw.ac.id.

Рисунок 2. Коннектом нематоды Caenorhabditis elegans Каждый нейрон червя имеет свое название, а все связи между нейронами учтены и нанесены на схему. В итоге схема выходит запутаннее, чем карта токийского метро. Рисунок с сайта connectomethebook.com.

Перегрузка сети

В нормально работающем мозге сигналы от нейронов равномерно распределены по всем другим клеткам. Нейромедиаторы выделяются в необходимом количестве, и нет поврежденных клеток. Однако после инсульта (острое поражение) или при деменции (длительно текущий процесс) из нейронов в окружающее пространство начинает выделяться глутамат. Он стимулирует NMDA-рецепторы других нейронов, и в эти нейроны поступает кальций. Приток кальция запускает ряд патологических механизмов, что в итоге приводит к гибели нейрона. Процесс повреждения клеток за счет выделения большого количества эндогенного токсина (в данном случае — глутамата) называется эксайтотоксичностью.

Рисунок 4. Действие мемантина при альцгеймеровской деменции. Мемантин снижает интенсивность возбуждающих сигналов, которые приходят от корковых нейронов на ядро Мейнерта. Ацетилхолиновые нейроны, составляющие эту структуру, регулируют внимание и ряд других когнитивных функций. Уменьшение избыточной активации ядра Мейнерта приводит к уменьшению симптомов деменции. Рисунок из [6].

Деменция — это растянутое по времени поражение головного мозга, при котором гибель нейронов происходит медленно. А бывают заболевания, приводящие к быстрому и большому по объему поражению нервной ткани. Эксайтотоксичность — важный компонент повреждения нервных клеток при инсульте. По этой причине при нарушениях мозгового кровообращения применение мемантина может быть оправданно, однако исследования на эту тему только начинаются. В настоящее время есть работы, проведенные на мышах, где показано, что назначение мемантина в дозе 0,2 мг/кг в день уменьшает объем поражения мозга и улучшает прогноз инсульта [7]. Возможно, дальнейшие работы на эту тему позволят усовершенствовать терапию инсультов у людей.

Голоса в голове

Шизофрения — это еще одно заболевание, при котором воздействие на глутаматную систему мозга является новым и перспективным направлением терапии. В настоящее время главной причиной развития шизофрении считают нарушение дофаминовой передачи в мозге. Избыток дофамина в одних частях нервной системы приводит к бреду и галлюцинациям, а недостаток в других — к апатии, подавленности и отсутствию побуждений. Нейролептики — лекарства, блокирующие дофаминовые рецепторы — хорошо справляются с галлюцинациями и бредом, но с другой группой симптомов возникают проблемы. Ограниченность клинического эффекта нейролептиков указывает на то, что в развитие шизофрении могут быть вовлечены другие нейромедиаторные системы.

На этом наше путешествие в мир нейромедиаторов закончено. Мы познакомились с мотивирующим дофамином, успокаивающей γ-аминомасляной кислотой и еще четырьмя героями нашего мозга. Интересуйтесь своим мозгом — потому что, как гласит название книги Дика Свааба, мы — это наш мозг.

Читайте также: