Функции ГЛИИ
Воронежский институт экономики и социального управления
Контрольная работа.
Тема: Функции ГЛИИ
Дисциплина: Физиология ЦНС.
Выполнила: Захарова Дарья
Заочного отделения
II курс
Специальность: Психология.
Проверил: Даниленко В. И.
ВОРОНЕЖ 2004 г.
Содержание работы.
Введение.
1.Физиология глии.
2.О передаче метаболических сигналов в системе нейрон тАУ нейроглия.
3.Возможная роль глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ.
Заключение.
Литература.
Введение.
Клетки глии впервые были описаны в 1846 г. Р. Вирховым, который и дал им это название, подразумевая под ним вещестВнво, склеивающее нервную ткань. Он отметил многие свойства глиальной ткани, которые позднее легли в основу ряда гипотез. Вирхов писал: "Очень важно знать, что во всех частях нервной системы наряду с истинно нервными элементами существует один вид ткани, которая родственна обширным, распространенным по всему организму тканевым образованиям, известным под названием соединительной ткани. При рассмоВнтрении патологии и физиологии головного и спинного мозга следует в первую очередь разобраться, какая ткань подвергалась воздействию или раздражению: является ли она нервной тканью или это просто интерстициальная ткань. Опыт показыВнвает, что именно в этой ткани головного и спинного мозга чаще всего локализуются патологические изменения, например, жировая дегенерация. Через нейроглию проходят сосуды, коВнторые, таким образом, почти всюду отделены от нервного вещества тонким промежуточным слоем и не находятся в неВнпосредственном контакте с ним" (Вирхов,1859). В течение последующих лет интенсивное изучение нейроглии велось преВнимущественно нейроанатомами и патоморфологами, которым эта ткань была известна как наиболее распространенный истоВнчник опухолей мозга. По-видимому, последнее связано с тем, что клетки нейроглии, в отличие от нейронов, сохраняют споВнсобность к делению во взрослом состоянии. Наиболее характерный признак глиальной клетки по сравнению с нейроном тАФ отсутствие аксона.
Нейроглию изучают и исследуют и сейчас, экспериментально находя ее новые свойства. В этой работе дано описание исследования о передаче метаболических сигналов в системе нейрон-нейроглия и освещение вопроса о возможной роли глии в обеспечении нейронов АТФ.
1. Физиология глии.
По морфологическим признакам клетки нейроглии обычно подразделяют на две главные группы: астроциты и олигодендроциты. В группе астроцитов выделяют две подгруппы. Фиброзные астроциты характеризуются тем, что в цитоплазме содержатся филаменты; этот тип астроцитов преобладает среВнди пучков миелинизированных нервных волокон. Другую группу составляют протоплазматические астроциты, содержащие в цитоплазме меньше фиброзного материала; они распространены в сером веществе вблизи тел нейронов, дендритов и синапсов. Оба типа астроцитов образуют контакты с капиллярами и нейронами. Олигодендроциты находятся преиВнмущественно в белом веществе, где они образуют миелин вокруг крупных аксонов. Шванновские клетки периферических нервов аналогичны олиголендроцитам; они образуют миелин вокруг крупных, быстро проводящих аксонов. Однако глиальные клетки мозга и периферических нервов имеют разное происхождение в эмбриогенезе. Первые образуются из клеток-предшественниц, выстилающих мозговые желудочки, тогда как шванновские клетки формируются из нервного гребВння. Клетки эпендимы, которые выстилают внутреннюю поверхность мозга в желудочках, также относятся к глиальным клеткам. Трудности изучения функции глии обусловлены преВнжде всего отсутствием метода, который позволяет отделить нейроны от глии, поскольку эти две ткани чрезвычайно сильВнно переплетены. В течение последних двух десятилетий глиальным клеткам пытались приписать целый ряд функций, например функции обучения и памяти. Основная трудность проверки всех гипотез состоит в отсутствии адекватных физиоВнлогических методик. Все гипотезы преимущественно возникли на базе гистологических наблюдений, а гистологические метоВнды, как правило, не могут выявить физиологическое взаимодействие между клетками.
Перечислим основные установленные функции нейроглии. 1.Опорная роль (это главная мысль Р. Вирхова). 2. Изоляция, обособление нейронов. Глиальные клетки могут выполнять роль электрических изоляторов, а также служить пространстВнвенным барьером для распространения медиаторов или ионов. Например, установлено, что клетки нейроглии способны поВнглощать некоторые виды медиаторов. 3. Участие в восстановлении и регенерации нервной ткани. Как уже указывалось, клетки нейроглии способны к делению в течение всей жизни организма. Благодаря этой способности они участвуют в образовании рубцовой ткани. При регенерации нервов последние прорастают по ложу из оставшихся шванновских клеток. При этом регенерация идет не беспорядочно, а только в напраВнвлении иннервируемого органа. Это дает основание предполагать существование химического сродства, которое направляет регенерирующий аксон к месту его назначения. 4. Роль глиальных клеток в онтогенетическом развитии нервВнной системы.
Например, было установлено, что в процессе развития мозга нейроны перемещаются вдоль отростков глиальных клеток.
Тесная связь между нейроглией и нейронами позволяет предполагать, что клетки нейроглии обеспечивают первоначальный каркас для последующего формирования нейрональных структур. 5.Обеспечение нейронов питательныВнми и другими веществами. Эта идея восходит к К. Гольджи (1883). Он писал: "..должен сказать, что термин ВлнейроглияВ» лучше подходит для ткани, которая, хотя и является соединиВнтельной, поскольку соединяет различные элементы и со своей стороны обеспечивает распределение питательных веществ, в то же время отличается от обычной соединительной ткани по морфологическим и химическим признакам и имеет иное эмбВнриональное происхождение". Предположение о необходиВнмости присутствия нейроглиальных клеток для синтеза медиаВнторов, было подтверждено, например, на культуре диссоциированных клеток симпатических ганглиев. В отсутствие клеток - сателлитов нейроны обратимо утрачивали способность к синтезу ацетилхолина.
Физиологические критерии для идентификации глиальиых клеток в мозге млекопитающих. При внутриклеточной регистВнрации активности нейронов в центральной системе позвоночных и беспозвоночных животных были обнаружены клетки, которые не имели импульсных ответов. Потенциал поВнкоя этих клеток был очень высоким, иногда до тАФ90 мВ, без флуктуации, которые характерны для нейронов как результат фонового возбуждения отдельных синапсов. Попытки возбуВндить эти клетки внутриклеточными толчками тока также были безрезультатными. Инъекция в них красителей (например, роrcion yellow) и последующий гистологический контроль подтвердили, что это клетки глин. Исследования показали, что смежные глиальные клетки соединены между собой щелевидными контактами. Они напоминают в этом отношении другие ткани, например эпителиальную, железистую и т.д. Можно предположить, что такие плотные связи между отдельными глиальными клетками связаны с взаимодействием этих клеток, например метаболическим взаимодействием. О системах сигнаВнлизации от нейронов к глиальным клеткам известно очень мало. Например, при регистрации от глиальных клеток в зрительном нерве Necturus была показана их деполяризация при возбуждении зрительного нерва, однако амплитуда ответа обыВнчно не превышала 4 мВ. Гипотеза, которая объясняет такие ответы, сводится к предположению, что во время возбуждения нейрона (или аксона) в экстраклеточную среду выделяется калий, который и деполяризует глиальную клетку. Роль локального повышения концентрации экстраклеточного калия может быть очень велика. Например, есть данные, что локальВнное повышение концентрации калия может запустить аномальную активность нейронов. В этих условиях глия может выполнять роль буфера, защищающего нейроны от влияния каВнлия.
2. О передаче метаболических сигналов в системе нейрон тАУ нейроглия.
(Н. Г. Алексидзе Тбилисский гос. Университет, Тбилиси, СССР)
Гипотеза А. И. Ройтбака об участии глиальных клеток в заВнмыкании временных межнейрональных контактов стимулировала исВнследования по биохимии нейронно тАУ нейроглиальных взаимоотношений В настоящее время всеми признается что нейрон-нейроглия является функциональной единой системой, однако материальная сущность пеВнредатчиков сигнала от нейрона на клетки глии и многие вопросы, связанные с его реализацией в метаболические процессы, остаВнются открытыми.
Было высказано предположение, что биохимический цикл глиального обеспечения функции нейронов осуществляется путем обратВнной метаболической связи при непосредственном участии в качестве передатчиков сигнала нейромедиаторов, К+, аммиака и др. соединеВнний. Предпосылки для такого заключения имелись как в нейрохиВнмической, так и в физиологической литературе, но требовалось коррелятивное сопоставление физико-химического состояВн мембран глии с биохимическими процессами в них в условиях моВнделирования возбуждающего и тормозного состояния нейрон тАУ нейроглиального комплекса.
Исходя из вышесказанного мы предприняли исследование участия К+, нейромедиаторов и аммиака в передаче метаболических сигналов от нейрона на клетки нейроглии в условиях их целостного состояния, на уровне изолированных единичных нейронов и глиального скоплеВнния или же обогащенных нейронами и глиальными клетками фракций.
МЕТОДИКА.
Объектом исследования служили беспородные белые крысы и кролики. Нейроны и глиальные клетки выделяли из срезов головного мозга кроликов методом Хидена, обогащенные нейронами и глиальными клетками фракции тАФ из коры больших полушарий крыс и кроликов по прописи Роуза в модификации. Скорость поглоВнщения кислорода изолированными нейронами в глиальными клетками измеряли методом поплавка в модификации Хидена и Пигона, в опытах с обогащенными фракциями был использован полярографический метод определения дыхания.
Результаты.
Влияние К+ на скорость потребления клетками глии и нейронов.
Впервые, об особой чувствительности глиальных клеток к К+ указал Куффлер с сотрудниками. Позже этот вывод был обоснован биохимически датским ученым Хертцом. Однако анализ его результатов был затруднен, так как изолированные нейроны были получены в основном из коры головного мозга кошек, а скопления глии - из коры мозга крыс.
Кроме того, имелись определенные недостатки и в методике исследования. После разработки метода дубль поплавка удалось показать стимулирующее влияние К+ на дыхание клеток глии вестибулярного ядра Дейтерса, а нейроны, даже в специальных опытах с предварительно измененным содержанием К+ в инкубационной среде от 5мМ до 60мМ, не обнаруживали существенных различий в скорости поглощения кислорода.
Рисунок 1. Влияние К+ на дыхание нейрона(2) и нейроглии(3) латерального вестибулярного ядра Дейтерса кролика. Стрелками указан момент добавления К+ в инкубационную среду. 1-контроль, без нервных клеток.
В опытах с обогащенными нейронами и глиальными клетками фракциями при избытке К+ Бредфорд и Роуз наблюдали примерно равное усиление их дыхания, а согласно данным Хультборна и Хидена скорость поглощения кислорода изолированными нейрональными клетками возрастала примерно в 2 раза. Вотличии от результатов Бретфорда и Роуза, работая с фракциями обогащенными нейронами и глиальными клетками, Халиаме и Хамбергер подтвердили результаты Хертца и наши об особой чувствительности клеток глии к К+. В связи с такими разногласиями о дейВнствии К+ на нервные клетки, мы провели анализ экспериментальных условий описанных выше опытов. Как выяснилось, при получении обоВнгащенных нейронами и глиальными клетками фракций в градиенте фикола и сахарозы в среде Роуза концентрация, К+ была 100 мМ, а в среде Хамбергера, Хертца и нашей, концентрация К+ не превышала 5 мМ. Из данных литературы известно, что повышение концентрации К+ до 100 мМ и выше вызывает моментальное и обычно необратимое изменение цитоплазмы глиальных клеток и ее сморщивание. Высокие концентрации К+ в среде культивирования нервных клеток вызывали увеличение объема глиальных клеток и уменьшение содержания в них сухого остатка. В нейронах таВнкие изменения не были найдены. Следовательно, можно было предВнположить, что низкая чувствительность глиальных клеток к К+ в опытах Брэдфорда и Роуза в условиях повышенного содержаВнния К+ в среде их выделения обусловлена предварительной деполяВнризацией и сенсибилизацией мембран глии. Это было доказано эксВнпериментально.
При замене К+ ионами натрия в среде выделения нервных клеток резко возрастает чувствительность обогащенных глиальными клетками фракций к К+ усиление дыхания, по отношеВннию к контролю (1,5 мМ К+), составило примерно 90%. Таким образом, была выяснена причина разногласия относительно чувствительности нервных клеток к К+ и высказано предположение об участии К+ в передаче метаболического сигнала от нейрона на клетки нейроглии.
Ацетилхолин как передатчик метаболического сигнала в системе нейрон-нейроглия.
При изучении возможной роли ацетилхолина (АХ) в качестве пеВнредатчика метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе мы исходили из следующих фактов 1) ацетилхолин освобождается при возбуждении и вызывает сдвиги в мембранной активности глии;
Таблица 1
Влияние ацитилхолина(АХ) на скорость поглощения кислорода (ОАХ) обогащенными клетками глии фракций при разных соотношениях К+/АХ. О0-скорость поглощения кислорода без АХ. Концетрация АХ-10-5г/мл
К+ мМ
|
Скорость поглощения кислорода мкА О2/мин
|
Оо
|
%
|
Оах
|
%
|
В % к Оо
|
5 мМ
|
6,82В±0,45
|
100
|
8,06В±0,81
|
100
|
118,2
|
40 мМ
|
10,21В±0,62
|
161,1
|
12,87В±0,42
|
159,7
|
126,1
|
60 мМ
|
13,45В±0,73
|
197,2
|
12,5В±0,54
|
155,1
|
92,2
|
2) под влиянием АХ изменяется активность ряда ферментов обмена углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот и т.п.
В связи с вышеизложенным, мы предприняли исследование наВнличия связи между изменением мембранной активности клеток глин и углеводным обменом в них при воздействии АХ. При этом особое внимание обращалось на соотношение К+ к АХ (К+тАФ5 мМ/АХ тАФ 10-5 г/мл; К+- 40 мМ/АХтАФ10-5 г/мл; К+тАФ60 мМ/АХтАФ10-5 г/мл).
Было установлено (табл. I), что при концентрации К+ 5 мМ скоВнрость поглощения кислорода клетками глии в присутствии АХ возВнрастает на 18%. При более высокой концентрации К+ (40 мМ) эфВнфект АХ усиливается и достигает 26%, а при концентрации К+ 60 мМ стимулирующий эффект АХ на дыхание элиминируется, а по сравнеВннию с контролем даже проявляется тенденция к торможению. СтиВнмулирующий эффект АХ на скорость поглощения кислорода полноВнстью исчезает в присутствии аптихолинэргического агента тАФ атропина. Этот факт указывал на существование холинэргического рецептоВнра на мембранах глии, что в настоящее время является хорошо докаВнзанным экспериментально. Подтверждается существование холинэргического механизма регуляции дыхания глиальных клеток, где роль информатора сигнала может выполнить возбуждающий нейропередатчик АХ.
ГАМК как передатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Из данных литературы известно, что под влиянием ГАМК измеВнняется мембранная активность глии и стимулируются окислиВнтельные процессы в нервной ткани. Следовательно, можно было допустить, чти и ГАМК может претендовать на роль метаболическоВнго сигнала. С целью решения данного вопроса в качестве объекта были взяты нервные клетки ядра Дейтерса кролика, где функцию нейропередатчика выполняет ГАМК. Изменения в содержании ГАМК вызывали введением ГАМК и фармакологических веществ (гидроксиламин, тиосемикарбазид), действие которых связано с обмеВнном ГАМК. Об изменении метаболической активности изолированных нейВнронов и клеток глии судили по сукцинатоксидазной (СО) активности (СОА), которая является удобным тестом для оценки функциональноВнго состояния нервных клеток.
Было установлено, что в зависимости от уровня содержания ГАМК в головном мозгу активность СО меняется реципрокно: ГАМК подавляет активность фермента в нейронах, а в глии напротивтАФВнстимулирует. Под влиянием гидроксиламина по сравнению с нормой более чем в 2 раза возрастает САО нейронов, в нейроглиитАФподавВнляется. Тиосемикарбазид также стимулировал СОД в нейронах, но не оказывал влияния на активность фермента в клетках глии. УчиВнтывая разнонаправленность действия ГАМК, гидроксиламина и тиосемикарбазида па количественное распределение ГАМК в головном мозгу и результаты влияния ГАМК на окислительное фосфолирование было сделано заключение, что в регуляторных механизВнмах окислительных процессов нервных клеток значение имеет не обВнщее содержание ГАМК в мозгу, а ее распределение во внутри- и в внеклеточном пространстве. Следовательно, и ГАМК может выполВннить функцию передатчика сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Аммиак как передатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Уровень аммиака в головном мозгу является одним из показатеВнлей функционального состояния ЦНС. Как было установлено, обмен аммиака находит свое отражение в мембранной активности клеток глии, что послужило основанием изучения его возможной роли в передаче информации о функциональном состоянии нейронов на перинейрональные клетки. С целью биохимического обоснования такого механизма мы исследовали дыхание обогащенных клетками глии фракций в опытах in vitro в зависимости от концентрации аммиака в среде инкубации. В качестве субстрата дыхания использовали глутамат и глутамин. Дыхание клеток глии в присутствии глутамата слуВнжило контролем. В опытных вариантах образование глутамата, субВнстрата дыхания, происходило в результате распада глутамина. СледоВнвательно, при такой постановке опытов, критическими были: величиВнна активности глутаминазы глии и скорость освобождения аммиака глутамата.
Рис. 2 Скорость поглащения кислорода глиальными клетками в присутствии глутаминовой кислоты (1) и глутамина (2).
Предварительные опыты по изучению глутаминазной активности глии показали, что она является аллостерическим ферментом выВнсокой степенью кооперативности, следовательно требовалось графичеВнское сопоставление скорости образования аммиака в инкубационной среде и скорости поглощения кислорода глиальными клетками. Как видно из рисунка 2, спустя одну минуту после добавления глутамина в инкубационную среду, в период максимального усиления дыхания, количество аммиака составляет 0,64 мкМ, через 4 мин, когда проВнявляется тенденция угнетения дыханиятАФ 1.40 мкМ а на 9-й мин, при торможении дыхания на 60%тАФ3,20 мкМ. В опытах с глутаматом (контроль) нам не удалось обнаружить достоверных изменений в проВндукции аммиака и, следовательно, дыхание глиальных клеток во вреВнмени возрастало линейно.
Суммируя вышеизложенное, мы считаем, что аналогично К+ АХ и ГАМК, аммиак также может участвовать в передаче метаболичеВнского сигнала от нейрона на нейроглиальные клетки.
Механизм инактивации нейропередатчиков глиальными клетками.
Исходя из того факта, что нейропередатчики могут выступать в роли переносчиков метаболических сигналов в нейрон-нейроглиальной системе, возникает вопрос о необходимости их инактивации глиальныВнми клетками. В настоящее время установлено, что глиальные клетки обладают способностью инактивировать нейропередатчики на уровне плазматической мембраны и внутриклеточно. Примером первого пути является гидролиз АХ глией без предварительного его захвата. Клетки глии характеризуются высокой ацетил- и бутирилхолинэстеразной акВнтивностью и легко могут устранить излишки АХ. Продукт гидроВнлиза АХ холин, который обладает слабым холинэргическим эффекВнтом, устраняется клетками глии механизмом захвата высокого сродВнства. На примере ГАМК было показано, что в клетках глии имеется две системы его захвата: с высоким (Км = -31 В± 7 мкМ) и низким (Км--123В±10 мкМ) сродством. Выявлены также механизмы акВнтивного захвата дофамина (Км -0,07В± 0,001 мкМ) и серотонина (Км тАФ0,083В±0,002 мкМ). Дальнейшая судьба инактивации сероВнтонина в клетках глии заслуживает особого внимания в связи с его отрицательным влиянием на синтез белков. Нам удалось устаВнновить, один из возможных механизмов инактивации серотонина в клетках глии путем синтеза глюкуронида серотонина, последний в отличие от серотонина отличается более чем в 1000 раз меньшей биологической активностью.
Таким образом, выясняется, что относительно всех кандидатов, Претендующих на информативную роль в передаче метаболических сигналов, в клетках глин имеются мощные механизмы устранения их хеморецептивного воздействия на мембрану.
3. Возможная роль глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ. (Л. М. Чайлахян Институт проблем передачи информации АН СССР, Москва, СССР)
В общей проблеме о функциональной роли нейроглии существует важный и интересный вопростАФявляются ли глиальные клетки источВнником энергии для нейронов? Он возникает в связи с тем, что глиальные клетки, с одной стороны, не уступают нейронам по интенсивности энергетического обмена, в частности, но окислительному фосфорилированию, т. е. в производстве АТФ, но, с другой стороны, должны потреблять гораздо меньше энерВнгии, чем нейроны, так как электрически пассивны. Для обосноваВнния подобной точки зрения важно достаточно аккуратно сравнить энергетические потребности для поддержания ионных градиентов у нейронов и глиальных клеток. В настоящем сообщении сделаны таВнкие количественные оценки, результаты которых позволяют сформулировать гипотезу о возможной роли глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ.
В первую очередь нужно оценить необходимые энергетические затраты нейрона для поддержания ионных градиентов в покое и сравнить их с таковыми у глиальных клеток. Для последующих расВнчетов на основании литературных данных была приняты следуюВнщие геометрические и электрофизиологические параметры для обобВнщенного нейрона и глиальной клетки.
Геометрические параметры нейрона: объем нейрона принимался равным объему шара диаметром 30н м - что соотВнветствовало величине Он=1.4.10-8 см3, а площадь поверхности (Sн)-соотВнветствовала увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло Sн=1.4.10-4 см3.
Геометрические параметры глиальной клетки: объем главной клетки (Оr) принимался равным объему шара с диаметром 14нм, что соответствовало величине Оr=0,14.10-8см2, а площадь поверхВнности (Sr) соответствовала увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло Sr=0.3.10-4 см2.
Электрофизиологические параметры нейрона и глиВнальной клетки: мембранный потенциал у нейрона в покое-Vмн= -70мв, у глиальной клетки Vмг= -89мв, потенциалы равновесия по ионам калия (Vк) и ионам натрия (VNA), а также удельные проводимости поверхВнностной мембраны у нейрона и глиальной клетки не отличались и приниВнмались-Vk=-90мв, VNA=-60мв, gm=10-3 с/см2/так как проводимость поверхностной мембраны в основном определяется ионами калия, то приВннималось-gm=gk. Кроме того принималось, что у глиальной клетки отВнсутствует электрогенная Na, К-помпа. Решающие доводы в пользу последВннего допущения были представлены на симпозиуме ВлФункции нейроглииВ» в Тбилиси в докладе Р. Г. Гроссмана. Было показаВнно, что инъекция ионов натрия в глиальные клетки не приводит к появлению какой-либо заметной гиперполяризации, что свидетельствовало бы об электрогенной помпе, как это было показано в сходных опытах на нейронах моллюска.
Исходные предпосылки для расчетов. На основании принятых электрофизиологических параметров, соответствующих большому количеству исследований, при использовании известноВнго уравнения ГольдманатАФХоджкинатАФКатца легко показать, что отношение проницаемостей для ионов натрия (РNA) и калия (Рк) у нейВнронов примерно на 1,5 порядка выше, чем у глиальной клетки-у нейрона PNA/Pk=0,031, а у глиальной клетки РNA/Pk=0,001.
Для последующих расчетов использовали уравнения:
gk(Vk-Vми)=gNAн(VNA-Vмн) (2)
gk(Vk-Vмг)=gNAг(VNA-Vмг) (3)
которые отражают условия равновесия в состоянии покоя у расВнсматриваемых клеток, когда пассивный ток ионов калия наружу долВнжен быть равен пассивному току ионов натрия внутрь. Уравнение для нейрона, строго говоря, выполняется, если Na, К-насос, как для глиальных клеток, электронейтрален, т. е. стехиометрический коВнэффициент для активных потоков ионов натрия наружу и ионов каВнлия внутрь равен. Однако, поправка на электронность будет лишь увеличивать энергетические затраты нейрона на ионные потоки.
На основании уравнений [2] и [3] и принятых нами параметров для нейрона и глиальной клетки можно вычислить величины ионных токов для этих клеток на единицу поверхности клетки (см2) или веса (гр) и времени (секунды, часы, сутки). Знание электрохимичеВнских градиентов для ионов калия и ионов натрия позволяет от знаВнчений токов перейти к оценкам соответствующих энергий. Очевидно, что энергия, затрачиваемая на Nа, К-насосы, поддерживающая пассивВнные ионные потоки, должна быть не меньше оцениваемой нами опиВнсанным способом.
Результаты расчетов. Существенно оценить затраты энерВнгии у разных тканей на единицу поверхности клеток, так как эти оценки непосредственно отражают интенсивности ионных потоков и не зависят от размеров и формы клеток.
Для нейрона в покое получено: 0,3*10-5вт/см2. Если принять, что частота работы нейрона в среднем составляет 15-30 импульсов в сеВнкунду, то сравнительные оценки по пассивным потокам у нервных клеВнток в покое я при возбуждении дают основания предполагать, что затраты на сохранения ионного гомеостаза при такой работе нейрона могут увеличиваться в два-три раза, т. е. достигать 1 тАв 10-5вт/см2.
Интересно заметить, что вычисленные нами затраты энергии для идеализированного нейрона на единицу поверхности удивительно хоВнрошо совпали с экспериментальными данными Конноли и Крейнфельда, полученными для гигантского аксона кальмара на основании изВнмерений потребления кислорода тАУ 0,5*10-5 вт/см2.
Для глиальных клеток вычисленные энергетические затраты на ионный гомеостаз были такие: 0,15*10-6 вт/см2. Видно, что энергетиВнческие затраты на единицу площади на работу Na, К-насоса у глиальной клетки должны быть в 20тАФ60 раз меньше, чем у нейрона.
Знание отношения S/O у нейрона (104) и у глиальной клетки (2,14*104) позволяет перейти от затрат на работу насосов на единицу поверхности к затратам на единицу массы соответствующей ткани. Вот эти цифры: для нейрона в покое -0,3*10-1вт/гр, для работающеВнго нейрона -l*10-1вт/гр, для глии -0,32*10-2вт/гр. Видно, что и в пересчете на единицу массы энергетические затраты у глиальных клеВнток на насосы в десятки раз меньше, чем у нейрона.
Сравнение энергетических затрат у нейрона на ионный гомеостаз и синтетические процессы. ПредВнставленные оценки могут не производить сильного впечатления, если думать, что затраты на ионный транспорт в нервной клетке составляВнют небольшой процент от всех суммарных энергетических затрат. Однако, видимо, это не так.
Для нервных клеток энергетические затраты на ионный гомеоВнстаз составляют подавляющий процент во всем энергетическом баВнлансе.
Для подтверждения этой точки зрения можно привести сравниВнтельные оценки энергетических затрат у нейрона и глиальной клетки на ионный транспорт и синтетические процессы, в частности, на синВнтез белка. Примем, что интенсивность синтеза белка в нервной клетВнке такова, что за сутки происходит полное воспроизведение всех белков. Зная процентное содержание белка в нервных клетках (8% от веса клетки) можно оценить количество пептидных связей на единицу веса ткани. А знание необходимой энергии для синтеза одВнной пептидной связи (примерно гидролиз трех молекул АТФ до АДФ) позволяет оценить соответствующие энергетические расходы на восВнпроизведение белка за сутки.
Для нейрона в покое и при активации, а также для глиальной клетки выше уже приводились данные об энергетических затратах. Для удобства сравнения с затратами на синтетические процессы они также будут пересчитаны на сутки.
Вот эти цифры. На ионный транспорт энергетические затраты в сутки у нейрона в покое -2592вт/гр, при активности -5000 -7500вт/гр, у глиальной клетки -258 вг/гр, а на синтетические проВнцессы у нейрона и глиальной клетки указанной выше интенсивности расходуется в суткитАФ61. гр.
Расчеты показывают, что на столь интенсивный синтез белка, как полное его воспроизведение за сутки, нервная клетка в покое должна затрачивать в 42 раза меньше энергии, чем на ионные насосы, а при акВнтивной работе в 123 раза меньше. Даже у глиальной клетки на ионные насосы затрачивается в 4,2 раза больше энергии, чем на столь интенсивВнные синтетические процессы.
Поистине, дорого стоит нервной ткани поддержание в боевой готовВнности натриево-калиевого механизма генерации и проведения нервного импульса тАФ практически на это идут все энергетические затраты.
Все это означает, что если глиальные клетки в целом способВнны с такой же интенсивностью синтезировать АТФ как и нейроны, то АТФ у них должна быть в избытке. И из соображений целесообразВнности естественно предположить возможность прямого использования этого избытка нейронами.
Формулировка гипотезы. Можно предложить возможный путь потока АТФ из глиальных клеток в нейроны на основе уже изВнвестных механизмов. Этот путь должен состоять из двух этапов.
Первый этап тАФ это выброс АТФ из глиальных клеток при их деВнполяризации ионами калия во время активации соседних нейронов (имеются убедительные данные, что при калиевой деполяризации глиВнальные клетки активно секретируют в межклетники ряд еще неидентифицированных соединений).
Второй этап тАФ это поступление АТФ из межклетников в пресинаптические окончания по механизму пиноцитозного поглощения (в пресннатических окончаниях показано существование процесса обВнратной секрециитАФтипа пиноцитоза).
С точки зрения этой гипотезы нейроглия является общим расВнпределенным энергетическим резервуаром, снабжающим нейроны униВнверсальным биологическим топливом тАФ АТФ. Активность того или иного нейронного пула сразу же приводит к калиевой деполяризации глиальных клеток, окружающих эти нейроны. Они начинают секретировать АТФ в межклетники, а оттуда через активированные пресинаптические окончания эта АТФ может поступать по механизму пиноцитозного поглощения в нейроны. Таким образом, при реализации подобной возможности видна большая целесообразность во взаимодействии нейВнронов и глиальных клетоктАФпоток АТФ из глиальных клеток в нейВнроны четко регулируется самой нейронной активностью: чем активнее работает нейрон, тем больше АТФ в него будет поступать.
Важно также заметить, что наличие щелевых контактов между глиальными клетками создает условия для эффективного диффузионного обмена АТФ глиальными клетками. Другими словами система глиальных клеток, окружающая нейроны, может в этой связи рассматВнриваться как единая непрерывная диффузионная среда, в которой моВнгут осуществляться градиентные потоки АТФ в участки мозга с наиВнбольшим потреблением АТФ, т. е. в места наибольшей нейронВнной активности. Таким образом, может происходить своеобразная кооперация глиальных клеток при обеспечении АТФ наиболее нуждаВнющихся нейронов.
Высказанные соображения мало чего стоят, пока не будут полуВнчены прямые экспериментальные данные в пользу сформулированной гипотезы.
Заключение.
В заключение хочу обобщить все сказанное.
Во всех органах человеческого тела, кроме мозга, функционирующие клетки удерживаются вместе межклеточным веществом соединительной ткани. В нервной системе эту роль выполняет глия ( от греч. глия-клей), клетки которой образуются из общих с нейронами предшественниц на раннем этапе развития мозга. Глия создает опору для нейронов, объединяет отдельные элементы нервной системы, но, в то же время, изолируют друг от друга разные группы нейронов, а также большую часть их аксонов. Тем она формирует структуру мозга. Численность клеток глии превышает нейронов в мозгу приблизительно в 10 раз. Эти клетки отличаются друг от друга по внешнему виду и по выполняемой функции.
Самым распространенными среди клеток глии являются астроциты, например, в мозолистом теле они составляют 1/4 всех клеток глии. У астроцита неправельной, звездчатой формы тело с многочисленными и относительно длинными отростками, один из которых направлены к нейронам, а другие- к кровеносным капиллярам. Эти отростки расширяются на концах, образуя т. н. астроцитарную ножку. На поверхности капилляра отростки соседних астроцитов плотно смыкаются друг с другом и практически полностью обвертывают кровеносный сосуд. Подобная изоляция сосуда является одним из способов формирования гематонцефалического барьера- границы между кровью и нервной тканью, закрытой для многих находящихся в крови веществ.
Другие отростки астроцита почти целиком обертывают тела нейронов. Если нейрон возбуждается длительно, вокруг него повышается концентрация ионов калия, а это может уменьшить возбудимость соседних нейронов. Астроциты предупреждают такую возможность, поглощая излишки калия, тем самым они выполняют функцию буфера. Некоторые клетки глии при этом деполяризуются, а поскольку они связаны между собой щелевыми контактами, между деполяризованными и находящимися в покое клетками возникает ток. Это, однако, не приводит к возбуждению, так как в мембране клеток глии очень мало потенциалзависимых каналов для натрия и калия. Не смотря на, что повышение концентрации ионов калия у астроцитов изменяет некоторые их свойства, в настоящее время нет достаточных оснований считать их прямыми участниками переноса нервных импульсов.
Особую роль клетки глии выполняют, по-видимому, во время развития мозга. Некоторые их разновидности регулируют напровление перемищения нейронов в определенные регионы растущего мозга, а также напровление роста аксонов. Другие клетки глии возможно участвуют в питании нервных клеток путем регуляции кровотока, а тем самым транспорта глюкозы и кислорода.
Литература.
1.Костюк П. Г. ВлСтруктура и функция биологических мембранВ» М., ВлНаукаВ» 1975 г.
2.Шульговский В. В. ВлФизиология ЦНСВ» Изд. Моск. универ. 1997 г.
3.Недоспасов В .О. ВлФизиология ЦНСВ» М.: ООО УМК ВлПсихологияВ» 2002 г.
Вместе с этим смотрят:
Характеристики основных форм оздоровительной физкультурыХламидииХлореллаЦарство бактерий