«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук Н.В. Сониной, ...»

Однако для дальней связи такого пассивного распространения недостаточно. Поэтому нейроны с более длинными отростками используй активный сигнальный механизм, составляющий одно из самых удивительных и характерных свойств нейрона. Электрический стимул, сила которого превышает определенную пороговую величину, вызывает «вспышку» электрической активности, распространяющейся с большой скоростью вдоль плазматической мембраны нейрона и поддерживаемо с помощью автоматического усиления на протяжении всего пути. Эта бегущая волна электрического возбуждения, называемая потенций» действия или нервным импульсом, способна передавать информацию без затухания от одного конца нейрона к другому со скоростью до 100 м/с и более.

19.1.3. Связь между нейронами осуществляется в синапсах с помощью химических сигналов [4] | Сигналы, проводимые нейронами, передаются от одной клетки к другой в особых местах контакта, называемых синапсами. Обычно передача осуществляется, как это ни странно на первый взгляд, непрямым путем. Клетки электрически изолированы друг от друга:

пресинаптическая клетка отделена от постсинаптической промежутком - синаптической щелью. Изменение электрического потенциала в пресинаптической клетке приводит к высвобождению вещества, называемого нейромедиатором, которое хранится в ограниченных мембраной синаптических пузырьках и высвобождается путем экзоцитоза. Нейромедиатор диффундирует через синаптическую щель и вызывает изменение электрофизиологического состояния постсинаптической клетки (рис. 19-4). Kaк Рис. 19-4. Схема типичного синапса. Электрический сигнал, приходящий в окончание аксона клетки А, приводит к высвобождению в синаптическую щель химического посредника (нейромедиатора), который вызывает электрическое изменение в мембране дендрита клетки В.

мы увидим позже, механизм передачи сигнала через такие химические синапсы более гибок и доступен для адаптации, чем прямая электрическая связь, осуществляемая через щелевые контакты (разд. 14.1.7), которая тоже используется, но гораздо реже.

Химический синапс - это место интенсивной биохимической активности, включающей распад, обновление и секрецию белков и других молекул. Однако биохимическим центром нейрона служит тело клетки, где заложены основные «инструкции» по синтезу белка. Поэтому нейрону необходима эффективная внутриклеточная система транспорта молекул из тела клетки к самым отдаленным участкам аксона и дендритов. Как же организована эта транспортная система и какие молекулы переносятся в действительности?

19.1.4. Вновь синтезируемые материалы переносятся из тела нервной клетки в аксоны и дендриты с помощью механизмов медленного и быстрого транспорта [5] С помощью электронной микроскопии установлено, что тело типичного крупного нейрона содержит огромное количество рибосом, часть которых находится в цитозоле, а часть прикреплена к мембранам гранулярного эндоплазматического ретикулума (рис. 19-5, А). Хотя дендриты часто содержат небольшое количество рибосом, в аксоне их нет, и поэтому белки аксона должны синтезироваться на рибосомах тела клетки (рис.

19-5, Б). Потребности аксона значительны: например, толщина большого мотонейрона человека может достигать 15 мкм при длине Рис. 19-5. Строение цитоплазмы типичного крупного нейрона (мотонейрона из спинного мозга). А. Схематическое изображение тела клетки при небольшом увеличении; видно, что участки цитоплазмы, богатые рибосомами, расположены между пучками нейрофиламентов и других белков цитоскелета. Б. Электронная микрофотография одного из таких богатых рибосомами участков; которые рибосомы прикреплены к гранулярному эндоплазматическому ретикулуму, другие ни с чем к связаны. В. Электронная микрофотография части поперечного среза аксона; можно видеть большое число микрофиламентов и микротрубочек, но рибосомы отсутсвуют. Мембранные пузырьки передвигаются, вероятно, вдоль ближайших микротрубочек с помощью механизма быстрого аксонного транспорта. (С любезного разрешения Jennifer La Vail (Б) и John Hopkins (В).) Рис. 19-6. Нейрон как секреторная клетка, у которой место секреции (окончание аксона) расположено на большом расстоянии от места синтеза макромолекул (тела клетки). При такой организации необходим механизм быстрого аксонного транспорта. Из приведенной схемы не следует заключать, что все синаптические пузырьки транспортируются из тела нейрона: в большинстве нейронов они образуются в основном путем 1 м, что соответствует объему примерно 0,2 мм3, а это почти в 10000 раз больше объема печеночной клетки. Поскольку в таком нейроне только одно ядро, соотношение цитоплазмы к ДНК в нейроне намного выше, чем в любой другой клетке человеческого организма.

В аксоне в наибольших количествах содержатся белки, образующие микротрубочки, нейрофиламенты (класс промежуточных филаментов) и актиновые филаменты (рис. 19-5, В). Белки цитоскелета доставляются из тела клетки и движутся по аксону со скоростью от 1 до мм в сутки. Это медленный аксонный транспорт (подобный вид транспорта имеется и в дендритах, содержащих несколько иной набор белков, связанных с микротрубочками - см. разд. 11.4.7). Другие белки цитозоля, включая многие ферменты, тоже переносятся с помощью медленного аксонного транспорта, механизм которого не ясен.

Нецитозольные материалы, необходимые в синапсе, такие как секретируемые белки и мембраносвязанные молекулы, перемещаются от тела клетки с помощью гораздо более быстрой разновидности аксонного транспорта. Эти белки и липиды переносятся от мест их синтеза в эндоплазматическом ретикулуме к аппарату Гольджи, расположенному вблизи ядра (часто у основания аксона). Отсюда эти молекулы, «упакованные» в мембранные пузырьки, переносятся путем быстрого аксонного транспорта со скоростью до 400 мм в сутки вдоль путей, образуемых в аксоне и дендритах микротрубочками (разд. 11.4.8). Таким же образом транспортируются митохондрии. Так как этим способом в аксонах и в дендритах перемещаются разные виды белков, полагают, что транспортируемые молекулы распределяются в теле клетки по различным транспортным пузырькам определенных типов (разд. 8.9.4).

К белкам, быстро переносимым по аксону, относятся и белки, предназначенные для высвобождения в синапсе, такие как нейропептиды, выделяемые многими нейронами в качестве нейромедиаторов, часто в сочетании с небелковыми медиаторами. С точки зрения внутренней организации нейроны можно представить как секреторные клетки, в которых место выделения секрета находится на громадном расстоянии от места образования белков и мембран (рис. 19-6).

19.1.5. Благодаря ретроградному транспорту поддерживается обратная химическая связь между окончаниями и телом нервной клетки [5, 6] Быстрый аксонный транспорт необходим во время развития клетки для роста аксонов и дендритов, которые удлиняются путем добавления новой мембраны на их концах. Быстрый аксонный транспорт имеется и в нейроне, закончившем рост, у которого количество мембранного материала в кончиках отростков не увеличивается. В этом случае быстрый транспорт мембран от тела клетки, называемый антероградным, должен быть точно сбалансирован с быстрым ретроградным Рис. 19-7. Использование быстрого аксонного транспорта для идентификации и определения локализации отдаленных нервных клеток, аксоны которых оканчиваются в исследуемом участке. В качестве маркера наиболее широко используется фермент пероксидаза хрена (ПХ), так как его молекулы могут быть обнаружены в очень малых количествах по окрашенным продуктам реакции, катализируемой этим ферментом.

транспортом мембран в обратном направлении - от концов клеточных отростков. Механизмы двух встречных направлений быстрого транспорта сходны, но не идентичны. Быстрый ретроградный транспорт, скорость которого в два раза меньше скорости быстрого антероградного транспорта, осуществляется с помощью иных двигательных белков (разд. 10.4.9) и используется для переноса пузырьков несколько большей величины.

Структуры, возвращающиеся в тело клетки, состоят частично из стареющих цитоплазматических органелл, например митохондрий, а частично из пузырьков, образующихся при интенсивном эндоцитозе, необходимом для восстановления мембраны в окончании аксона после высвобождения нейромедиатора (см. рис. 19-20). Молекулы, находящиеся во внеклеточной среде вокруг окончания аксона, могут захватываться этими эндоцитируемыми пузырьками и вместе с ними переноситься к телу клетки. Таким образом, биосинтетический аппарат, находящийся в теле клетки, способен «узнавать» об изменениях обстановки у окончания аксона и, как мы увидим позже, соответственно реагировать на них (разд. 19.7.10).

Ретроградный транспорт позволяет тем, кто изучает анатомию нервной системы, легко прослеживать нервные связи с помощью несложной методики, показанной на рис. 19-7.

19.1.6. Нейроны окружены глиальными клетками различного типа [7] Вся нервная ткань, как периферическая, так и центральная, состоит из клеток двух основных классов. Главная роль принадлежит нейронам, но глиальные клетки, поддерживающие нейроны, превосходят их по численности: в мозгу млекопитающих их примерно в 10 раз больше, чем нейронов. Глиальные клетки окружают нейроны (как их тела, так и отростки) и заполняют пространство между ними. Наиболее изучены шванновские клетки из периферических нервов позвоночных и олигодендроциты из центральной нервной системы позвоночных. Эти клетки обвиваются вокруг аксонов, образуя изоляционный слой в виде миелиновой оболочки (разд. 19.2.4). Три других типа глиальных клеток цетральной нервной системы - это микроглия, эпендимные клетки и астроциты (рис. 19-8). Микроглия относится к несколько обособленному классу: эти клетки функционально близки к макрофагам (разд. 17.5.1) и, подобно им, происходят из кроветворной ткани. Все остальные глиальные клетки имеют общее эмбриональное происхождение с теми нейронами, с которыми они связаны, однако в отличие от большинства нейронов глия, как правило, не способна к электрическому возбуждению. Кроме того, в то время как нейроны после дифференцировки уже не могут делиться, большая часть глиальных клеток сохраняет эту способность на протяжении всей жизни.

Рис. 19-8. Три основных класса глиальных клеток из центральной нервной системы позвоночных. Глиальные клетки выделены цветом. Астроциты, которые наиболее многочисленны, имеют множество радиально отходящих отростков. Некоторые из этих отростков оканчиваются на поверхности нейронов, а другие, с расширенными концами, образуют наружный поверхностный слой ЦНС, который окружает ее кровеносные сосуды и совместно с эндотелиальными клетками капилляров создает гематоэнцефалический барьер. Эпендимные клетки образуют ресничный эпителий, выстилающий центральные полости ЦНС, и отростки этих клеток, так же как и отростки астроцитов, часто оканчиваются на кровеносных сосудах.

Олигодендроциты образуют вокруг аксонов ЦНС изолирующую миелиновую оболочку. Микроглиальные клетки по своим функциям и происхождению близки к макрофагам; они участвуют в реакции ткани на повреждение и инфекцию. Эти клетки обычно находятся вблизи Эпендимные клетки выстилают внутренние полости головного и спинного мозга (рис. 19-8), а их эпителиальная организация напоминает нам о происхождении центральной нервной системы из эпителиальной трубки (разд. 19.7.1).