Биохимические особенности и взаимодействие нейронов и нейроглии

Биохимические особенности и взаимодействие нейронов и нейроглии Биохимические особенности и взаимодействие нейронов и нейроглии Введение Одной из морфологических особенностей нервной ткани, отличающей ее от большинства других тканей, является крайне выраженная гетерогенность ее клеточного состава. Нейроны, осуществляющие специфические функции в ЦНС, составляют лишь небольшую часть клеточного фонда последней; глиальные клетки значительно преобладают над нервными и занимают весь объем между сосудами и нейронами. Ярко выраженная гетерогенность нервной ткани заключается не только в том, что в ней присутствуют различные по морфологическим и функциональным свойствам крупные клеточные популяции, но и в том, что каждая клеточная популяция содержит клетки, резко различающиеся и по форме, и по функциям. Это характерно как для нейронов, так и для нейроглии. Нейроны по форме делятся на пирамидные, веретенообразные и звездчатые. Каждой группе нейронов присущи свои метаболические и функциональные особенности. Нейроглия состоит в основном из двух типов глиальных клеток: макро- и микроглии. Макроглия подразделяется на астроглию и олигодендроглию. Отличительной морфологической особенностью нейроглиальных клеток по сравнению с нейронами является отсутствие аксонов. Большинство центральных нейронов окружено клетками нейроглии – астроцитами и олиго-дендроцитами. что нередко отделить чисто нейрональную фракцию от нейроглиальной чрезвычайно трудно. Нейроглиальные клетки являются основным звеном на пути продвижения веществ от кровеносных сосудов к нейронам. Мембраны нейронов непосредственно не контактируют с капиллярами, а отделены от них клетками нейроглии. Именно поэтому долгое время нейроглии приписывалась исключительно трофическая функция. Однако установлено, что глия не является лишь трофическим клеточным компонентом нервной системы, а наоборот, принимает активное участие в специфическом функционировании нервной ткани. Глия вносит значительный вклад в электрогенез мозга. Так, исследование с применением антиглиальных сывороток позволило заключить, что в норме способность нейронов к гиперактивности может блокироваться благодаря тормозному влиянию со стороны глиальных клеток. Одной из давно замеченных особенностей глии является то, что она содержит относительно высокие концентрации ионов калия, и глиальная мембрана менее проницаема для других ионов. При прохождении нервного импульса происходит освобождение из нейронов в межклеточную щель значительных количеств К+ , который, однако, не накапливается вокруг нейронов. Глия выполняет роль буфера, способного защитить нейроны от чрезмерных влияний друг на друга, связанных с освобождением калия. Кроме того, вызываемая ионами К+ на нужном уровне во время его активности или нормального протекания последующего восстановительного периода. Способность глии аккумулировать ионы калия связана с ее другой не менее важной функцией – способностью вовлекаться в процесс удаления медиаторов и других сильно действующих агентов, выделяющихся в течение нейрональной активности. В особенности это важно в отношении такого медиатора, как глу-таминовая кислота: превышение определенного уровня ее концентрации может вызывать необратимые повреждения нейронов. Глиальные клетки участвуют в механизме химической трансмиссии в ЦНС, особенно в активном поглощении, и в метаболизме возбуждающих и тормозных трансмиттеров. Клетки нейроглии участвуют в синтезе предшественников некоторых регуляторов, передаваемых затем нейронам. Примером является синтез ряда нейротрофинов, а также особого глиального ростового фактора, участвующего в трофике и репарации мотонейронов. Наконец, в последние годы установлена способность астро-цитов к своеобразной форме передачи сигнала. Процессы возбуждения нейронов сопровождаются изменениями концентрации Са+ в ближнем окружении. Астроциты, отростки которых тесно переплетены с дендритами и охватывают терминали, реагируют на эти изменения реципрокными изменениями внутриклеточной концентрации Са+ . Далее следует «волна» миграций Са+ между астроцитами, тесно контактирующими друг с другом. В результате в определенных зонах мозга возникает осцилляция концентраций Са+ , которая в свою очередь может модулировать состояние многих нейронов. 1. Состав и метаболизм нуклеиновых кислот полиплоидии и невысоком содержании митохондрий в олигодендроглиальных клетках. Большое значение для сравнения метаболических превращений и роли ДНК в глии и нейронах имеет исследование путей ее синтеза и деградации. К сожалению, таких сравнительных работ еще недостаточно, чтобы сделать окончательные выводы. Однако установлены некоторые различия в каталитических свойствах ДНК-полимераз, выделенных из нейронов и нейроглии. Эти различия касаются предпочтительного использования матриц, субстратной специфичности и отношения к ингибиторам и отражают способность глиальных клеток к интенсивному размножению. Качественный состав РНК в основном сходен в нейронах и нейроглии, хотя количество отдельных фракций РНК различается. Так, в глии обнаружено больше 4S РНК, Кроме того, РНК нейронов и нейроглии отличаются по общему нуклеотидному составу. Наибольшие различия касаются таких оснований, как аденин и цитозин. Исследование метаболизма РНК в нейронах и нейроглии проводится с использованием различных меченых предшественников. Установлено, что включение Н-аденина и Н-цитозина в нуклеотиды нейроглии происходит более интенсивно по сравнению с нейронами. Удалось установить цикличность биосинтеза РНК нейроглии, что дает основание предполагать существование в глиальных клетках двух пулов РНК, обладающих различной метаболической активностью. 2. Состав и метаболизм аминокислот и белков Впервые сравнительное исследование аминокислотного состава нейронов и нейроглии было проведено Г. Роузом. Полученные экспериментальные данные позволили сделать заключение о том, что содержание свободных аминокислот в нейронах выше по сравнению с нейроглией. Исключение отмечено лишь для глутаминовой кислоты, содержание которой несколько выше в клетках нейроглии. Одновременно с изучением распределения свободных аминокислот был исследован их метаболизм. Оказалось, что при использовании в качестве предшественника биосинтеза аминокислот иС-глюкозы или иС-пирувата нейроглиальные аминокислоты включают радиоактивный углерод в среднем в три раза интенсивнее. Несмотря на то, что эти исследования, выполненные в опытах invitro, естественно, не могут в полной мере охарактеризовать свойства нейронов и нейроглии, все-таки можно предположить, что одной из характерных особенностей нейроглиальных клеток является более высокий метаболизм свободных аминокислот. Особое положение занимает вопрос о взаимопревращениях глутамата и глутамина в клетках нейроглии и нейрона. В экспериментах с интрацеребральным введением С-глутамата через 15–30 мин удельная радиоактивность глутамина в нейронах была ниже, чем глутамата. Напротив, в нейроглии уровень радиоактивности глутамина превышал средний уровень радиоактивности глутамата. Это были первые указания на существование нескольких метаболических компартментов для глутамата и на своеобразное «разделение труда» между нейронами и глией в отношении синтеза, распада и перемещений двух нейромедиа-торов – глутамата и гамма-аминомасляной кислоты. Особенностью внешней мембраны нейрона явилась низкая проницаемость для глутамата и высокая для глутамина. Пока трудно дать хорошо обоснованное объяснение этому факту. Можно лишь полагать, что это связано с двойственной ролью глутамата в ЦНС: обычной – в качестве компонента синтезируемых белков, и специальной – как нейромедиатора и как предшественника другого нейромедиатора – ГАМК. В результате глута-мат из внеклеточной среды поглощается глией, превращающей его в форму, способную войти в нейроны, – глутамин. Последний, выйдя из глии и войдя в глутаматергические нейроны, дезаминируется, образуя вновь глутамат. Далее он включается в синаптические Лузырьки – хранители медиатора. При прохождении импульса они опорожняются в синаптическую щель, глутамат опять поступает в глию и таким образом цикл замыкается- В нейронах другого типа – ГАМКергических – поступивший глутамин не только вновь превращается в глутамат, но и декарбоксилируется, превращаясь в ГАМК. Последняя, опять-таки при прохождении импульса, выходит в синап-тическую щель, и часть ее поступает в глию, где участвует в процессах ресинтеза глутамина. Понятны и важны в этом плане данные о способности нейроглиальных клеток очень активно поглощать аминокислоты из инкубационной среди против градиента концентрации на фоне очень слабой аккумуляции аминокислот нейронами. Наиболее активно глиальные клетки поглощают ГАМК и глутамат. Отношение содержания ГАМК в клетках нейроглии к ее содержанию в инкубационной среде достигает 100, в то время как для нейронов эта величина колеблется в пределах 10. Процесс поглощения ГАМК глиальными клетками зависит от таких факторов, как температура инкубационной среды и наличие ионов К+ , Na+ и Mg^+ . Ионы К+ стимулируют высвобождение ГАМК из нейронов. Пикротоксин и стрихнин не влияют на захват ГАМК нейронами, тогда как в глии наблюдается усиление поступления ГАМК при действии этих фармакологических веществ; аминазин, напротив, неконкурентно ингибирует процесс поглощенная ГАМК глией. в среднем в 40 раз выше, чем в нейронах, при практически одинаковой активности глутаматдекарбоксилазы в нейронах и нейроглии. Чтобы еше яснее оценить особую роль глии в отношении обмена глутамата и ГАМК, укажем, что по способности аккумулировать другие нейромедиаторы, такие как норадреналин, серотонин, дофамин, нейрональные и нейроглиальные клетки различаются незначительно. Кроме того, активность ацетилхо-линэстеразы, фермента, участвующего в инактивации ацетилхолина в нейронах и нейроглии, практически одинакова. в частности аминазин и имипрамин, оказывают тормозящее влияние на поглощение триптофана. Аккумуляция ряда медиаторов глией осуществляется при посредстве расположенных на поверхности клеток так называемых белков-транспортеров. Они имеют много общего по структуре с метаботропными рецепторами. Накоплено немало данных о наличии, на астропитах не только белков-транспортеров, но и типичных рецепторов глутамата, ГАМК и норадреналина. Роль их неясна, хотя следует иметь их ввиду, учитывая гипотезу о движении сигналов через сеть астроцитов, рассмотренную выше в связи с осцилляцией концентраций ионов Са*. Исследование особенностей количественного состава и метаболизма свободных аминокислот тесно связано с изучением белкового состава нейронов и нейроглии, которые в значительной степени определяют морфологическую и функциональную специфику этих клеточных популяций в ЦНС. Анализ общего содержания белка в обогащенных нейронами и нейроглией фракциях свидетельствуют о том, что в глиальных клетках содержание белка несколько выше по сравнению с нейронами. Очевидны принципиальные различия, обусловленные отсутствием в глии аксональных транспортных систем, терминалей, органелл, накапливающих и выбрасывающих в синаптическую щель медиаторы, сложных систем межнейронального узнавания и адгезии и т. п. Большое значение для понимания роли белков в системе ней-рон-нейроглия имеют исследования их метаболизма. Эти исследования позволяют изучить не только динамическое состояние нейрональных и нейроглиальных белков, но и их взаимоотношения. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез нейрональных белков протекает в 2–3 раза интенсивнее по сравнению с нейроглиальными белками. Метаболизм белков различен не только в зависимости от клеточной популяции, но и внутри самой популяции. Так, установлено, что метаболизм белков крупных нейронов имеет более высокий уровень по сравнению с мелкими нейронами, а белки астроцитов метаболиру-ют интенсивнее белков олигодендроглии. Эта закономерность прослеживается как у взрослых, так и у растущих животных. Исследование метаболизма белков нейронов и нейроглии проводится invitroи invivo, причем следует подчеркнуть, что в опытах invivoтакже прослеживается отличие в их биосинтезе на уровне нейронов и нейроглии. Включение различных аминокислот в белки имеет некоторую избирательность. При инкубации срезов коры головного мозга кроликов с мечеными аминокислотами с последующим выделением обогащенных фракций оказалось, что лейцин включается в нейрональные белки в 5–6 раз, а глицин, глутамат и фенил ал анин – в 2,5 раза интенсивнее, чем в белки нейроглии. В отличие от аминокислот: включение иС-глюкозы в белки нейронов и нейроглии практически одинаково, а в некоторых опытах даже выше в глиальной фракции. Несомненный интерес представляют длительные по времени наблюдения белкового метаболизма в субклеточных фракциях нейронов и нейроглии. Установлено, что в зависимости от времени радиоактивной экспозиции наблюдается перераспределение радиоактивной метки между субклеточными фракциями нейронов и нейроглии. Так, через 10 мин после введения С-фенилаланина наибольшая радиоактивность обнаруживается в микросомах, через 20 мин – в митохондриях, а через 45 мин – в ядерной фракции. При исследовании водорастворимой фракции максимальная радиоактивность регистрируется через 15 мин, а затем она снижается и остается на постоянном уровне, что связано с миграцией цитоплазматиче-ских белков в аксон. Уровень метаболизма белков нейронов и нейроглии при исследовании в опытах invitroв значительной степени зависит от условий инкубации клеточных фракций. Так, например, включение Н-лейцина в нейрональные белки значительно увеличивается по мере нарастания парциального давления 02 , тогда как в клетках нейроглии практически не наблюдается каких-либо изменений. Особый интерес для понимания механизмов, лежащих в основе работы системы нейрон-нейроглия, представляют исследования, в которых проводится изучение процессов метаболизма белков при изменении функционального состояния ЦНС. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изменение функционального состояния влечет за собой неодинаковые изменения в процессах метаболизма белков в нейронах и нейроглии. Так, например, при 3-часовой гипоксии включение Н-лейцина увеличивалось в белки нейронов и уменьшалось в белки нейроглии. В этот период различия в уровне метаболизма в нейронах и нейроглии были не очень значительными. Однако на фоне 16-часовой гипоксии наблюдалось резкое увеличение включения изотопа в белки нейронов. При локальном у-облучении коры головного мозга кролика через 2 дня происходит уменьшение включения Н-лейцина в белки как нейронов, так и нейроглии. В течение последующих 2 недель наблюдалось усиление включения метки в белки нейронов на фоне уменьшения включения в белки нейроглии. Такие воздействия, как алкогольная интоксикация и аноксия, вызывают снижение синтеза белков в нейроглии, в то время как в нейронах практически не происходит изменений. В то же время прямые ингибиторы белкового синтеза пуромицин и циклогексимид значительно снижают скорость включения аминокислот в ней-рональные белки. не вызывают снижения метаболической активности белков, а даже наоборот, при облучении и гипоксии наблюдается усиление их обмена, что, по-видимому, обеспечивает «нормальную» работу нейронов при увеличении функциональной нагрузки. В то же время действие прямых ингибиторов белкового синтеза вызывает более значительное угнетение белкового метаболизма в нейронах, что связано с большей чувствительностью белоксинтезируюших систем нейронов по сравнению с нейроглией. Таким образом, на примере метаболизма белков и аминокислот подтверждается вывод о существовании единой, но строго комиартментализованной метаболической системы нейрон-нейроглия, в которой процессы синтеза и распада белков и аминокислот теснейшим образом связаны и взаимообусловлены. 3. Ферментативные системы нейронов и нейроглии работы по исследованию активности ферментов в обогащенных фракциях нейронов и нейроглии показали, что активность таких дыхательных ферментов, как цитохромоксидаза, НДЦ-Н2 -дегидроге-наза, сукцинатдегидрогеназа и малат-дегадрогеназа значительно выше в глиальных, по сравнению с нейро-нальными, клетках. Позднее эти выводы получили подтверждение при изучении митохондриальных ферментов нейронов и нейроглии. Имеющиеся данные свидетельствуют не только о различии в активностях дыхательных ферментных систем нейронов и нейроглии, но и о глубоких различиях путей использования источников энергии в нейронах и глии. Уровень дыхания нейрональных клеток в несколько раз превышает уровень дыхания нейрог-лиальных клеток. В отличие от дыхательных ферментов активность гликолитических ферментов выше в глиальных клетках. Ферментные системы нейронов и нейроглии различаются по своим кинетическим параметрам и изоферментному составу. Таблица 1. и нейроглии Название фермента Нейроглия Малатдегидрогеназа 2 изофермента 3 изофермента Лактатдегидрогеназа Н-форма В-форма А-форма и В-форма Енолаза уу- и, возможно, ау-формы аа-форма подтвердили ранее высказанное предположение о существовании Н-формы лактат-дегидрогеназы в нейрональных клетках, а М-формьг – в глиальных. Активность лактагдегид-рогеназы в олигодендроцитах на порядок выше, чем в астроцитах. Моноаминооксидаза нейронов представлена В-формой, которая преимущественно катализирует окислительное дезамини-рование бензиламина и фенилэтиламина. В. тлиальных клетках этот фермент представлен А-формой, катализирующей обмен норадреналина и серотонина, а также В-формой. Иммунохи-мическое исследование показало существование двух форм ено-лазы, которые структурно различаются в зависимости от локализации в той или иной клеточной популяции ЦНС, Однако позднее было установлено присутствие в нервной ткани 3 изо-энзимов енолазы: act, ay и уу, количество которых меняется под действием пре- и постганглионарной стимуляции или при добавлении ацетилхолина и высоких концентраций ионов К+ . В нейронах локализован у-димер енолазы, а в нейроглиальных клетках – aa, хотя ряд авторов полагает, что в нейронах обнаруживаются и ay-формы енолазьг Выше уже отмечалось, что характерной особенностью обоих типов клеток ЦНС является способность аккумулировать одновалентные ионы, в частности ионы К+ нейрональными и нейроглиальными клетками ионов К+ от их концентрации во внеклеточном пространстве. При физиологических значениях внеклеточной концентрации ионов К++ нейрональными и нейроглиальными клетками, причем степень поглощения в глиальных клетках в среднем в 2 раза выше, чем в нейро-нальных. Ферментом, с помощью которого осуществляется активный транспорт ионов К+ , является Na+ , К+ -АТФаза. Установлено, что обшая АТФазная активность нейроглии превышает последнюю в нейронах, и наиболее отчетливо это проявляется для Na++ -АТФазы. При физиологических значениях концентрации внеклеточного К* активность Na*, – АТФ-азы в клетках нейроглии превышает активность нейрональной Na++ -АТФазы в среднем в 4 раза. + на поглощение их нейрональными и нейроглиальными клетками + , мМ К вн /кк нейроны нейроглия 5 2,25±0,2 4,80±0,6 10 2,] 0±0,2 4,50±0,3 25 1,60+0,3 3,0±0,5 50 1,20±0Д5 1,45±0,15 100 1,00±0,1 . Активность Na + , К+ -АТФазы плазматических мембран нейронов и нейроглии. Влияние концентрации ионов К+ + + , К+ -АТФазы нейроны нейроглия 5 1,00±0,50 2, G±0,5 10 2,25±0,55 29 1,50±0,75 Более высокий уровень активности Na+ , К+ -АТФазы в нейроглии по сравнению с нейронами характерен для всех стадий онтогенеза. Так, у крыс уже к 10-му дню постнатального развития активность Na++ роль в регуляции внеклеточной концентрации ионов К+ . По-видимому, повышение концентрации ионов К+ во внеклеточном пространстве вследствие нейронного разряда является сигналом нейрона для нейроглии активизировать реакции, которые осуществляют контроль за движением и накоплением ионов К+ . Такой механизм позволяет клеткам нейроглии удалять избыток К+ , накапливающийся во внеклеточном пространстве при возбуждении нейрона. Не менее важное место принадлежит нейроглии и в регуляции транспорта ионов Са+ , которые неразрывно связаны с процессами высвобождения медиаторов, генерации и проведения нервного импульса, т. е. процессами, определяющими функциональную деятельность нервной ткани. + с одинаковой скоростью, но в то же время имеются значительные различия в Са-потоках в этих клеточных популяциях. Для нейроглии характерна более высокая чувствительность транспорта Са+ к изменению внеклеточной концентрации одновалентных ионов по сравнению с нейронами. Повышение внеклеточной концентрации ионов К+ способствует выходу Са+ из глии во внеклеточное пространство и включению его в механизм высвобождения медиаторов. Таким образом, на примере анализа ферментных систем и ионных потоков видно, что нейроны и нейроглия и в этом отношении образуют единую, но частично компартментализован-ную систему, которая во многом определяет специфичность протекания метаболических процессов в нервной ткани. 4. Фосфолипиды нейронов и нейроглии Биохимические процессы, отвечающие за метаболическое единство системы нейрон-нейроглия, протекают на уровне их плазматических мембран. В связи с этим исследование мембранных компонентов нейрональных и нейроглиальных клеток приобретает первостепенное значение. К важнейшим мембранным компонентам, которые принимают непосредственное участие в их структурно-функциональной организации, относятся фосфолипиды. Имеющиеся в литературе данные по распределению фосфолипидов в нейронах и нейроглии свидетельствуют о том, что глиальные клетки в среднем в 2 раза более богаты фосфолипидами по сравнению с нейронами. В значительной мере это обусловлено особенностями олигодендроглии, формирующей в онтогенезе миелиновую оболочку аксонов. Качественный состав фосфолипидов нейронов и нейроглии очень сходен, хотя и имеются некоторые отличия в содержании тех или иных индивидуальных фосфолипидов. Основную часть фосфолипидов составляют фосфатидилхолин и фосфатидилэта-ноламин, их доля равна -90%. Значительные отличия наблюдаются в распределении минорных фосфолипидов. Так, нейроны богаче такими фосфолипидами, как лизофосфатидилхолин, фосфатидилинозитол, а нейроглия – сфингомиелином и фосфатидной кислотой. По жирно-кислотному составу фосфолипиды нейронов и нейроглии различаются незначительно. В основном отличия касаются содержания отдельных жирных кислот, что в полной мере проявляется лишь при сравнении нейронов с астроглией. Олигоденд-роглия характеризуется тем, что ее фосфолипиды отличаются высоким содержанием С]8 Большое значение для понимания роли и взаимоотношений фосфолипидов в системе нейрон-нейроглия имеют исследования метаболической активности последних. При изучении метаболизма фосфолипидов с применением Р установлено, что гидрофильная часть молекулы фосфолипидов нейронов обменивается быстрее по сравнению с нейроглией. Эти результаты получили подтверждение и в работах, где применялись предшественники биосинтеза фосфолипидов, меченые С и Н. Все компоненты молекулы фосфолипидов, как гидрофильные, так и гидрофобные, различаются по уровню своего метаболизма. При этом наиболее значительные отличия в метаболизме отмечены для таких фосфолипидов, как фосфатидилинозитол, фос-фатидная кислота и лизофосфатидилхолин. Это связано с тем, что фосфатидная кислота и фосфатидилинозитол принимают самое непосредственное участие в осуществлении нейромедиа-торных процессов, происходящих на уровне нейрональных клеток. Данные по динамике включения радиоактивных предшественников свидетельствуют о существовании различных систем биосинтеза фосфолипидов в нейронах и нейроглии. По-видимому, биосинтез нейрональных фосфолипидов обусловлен транспортом предшественников из нейроглии. Большая метаболическая активность нейрональных фосфолипидов но сравнению с нейроглиальными подтверждается и при исследовании ферментов, катализирующих их превращение. Так, активность ЦДФ-холин: 1,2 – диглицерид-холинфосфотрансферазы в нейронах в 3 раза, а активность ЦДФ-этаноламин: 1,2 – диглицерид-этаноламинтрансферазы в 2 раза выше, чем в клетках нейроглии. Активность таких ферментов деградации фосфолипидов, как фосфолипаза Aj, в 8 раз, а фосфолипаза А2 в 5 раз выше во фракции нервных клеток по сравнению с нейроглией. Выводы 1. Нейрональные и нейроглиальные клетки отличаются друг от друга по ряду биохимических показателей – таких, как состав и синтез белка и аминокислот, транспорт ионов и медиаторов, активность ферментов, метаболизм фосфолипидов и других клеточных компонентов. ведущей функциональной единицей нервной ткани, хотя его метаболизм и функции не могут быть обеспечены без участия глии. а) системы метаболизма глутамата-глутамина-ГАМК и некоторых других аминокислот и медиаторов; в) распределение и особенности структуры ферментов энергетического обмена; г) регуляция уровня ионов калия; д) состав и функции липидов. 4. Есть основания полагать, что астроциты, образуя протяженные системы тесно сопряженных клеток, способны передавать модуляторные сигналы.