Парадоксы мозга - Сергеев Борис Федорович (читать бесплатно книги без сокращений txt) 📗
В химическом отношении медиаторы являются или моноаминами, то есть веществами, в состав которых входит одна аминогруппа – атом азота с двумя атомами водорода, или аминокислотами, тоже непременно имеющими в своем составе аминогруппу. Общим для всех этих веществ является то, что молекулы их невелики и атом азота, входящий в аминогруппу, несет положительный заряд. Интересно, что один и тот же медиатор может использоваться и в тормозных и в возбудительных синапсах.
Если историю изучения медиаторов рассказать подробно от расшифровки механизма синтеза и транспортировки до выяснения принципов использования, получится большой приключенческий роман. Здесь же придется ограничиться лишь рассказом о самом главном.
Синтез сложных молекул возможен лишь в самой нервной клетке, так как для этого требуется участие клеточного ядра. Отсюда ее продукция «течет» по шлангам отростков нервных клеток, добираясь до самых удаленных окончаний аксона, где используется большая часть доставляемых сюда веществ.
Еще лет тридцать назад никому и в голову не приходило, что древние греки были правы, предположив, что нервы представляют собою трубопроводы. В это особенно трудно поверить, зная, что в каждом нерве упаковано огромное количество тонюсеньких нервных отростков. И все-таки они действительно используются как трубы, только трубы совершенно фантастические.
Непонятно, как по такой тонюсенькой трубочке нейрону удается переправлять «грузы» одновременно в обоих направлениях, от тела клетки к ее отросткам и от отростков к телу, да еще с различной скоростью. Фактически в аксоне действуют три самостоятельные транспортные системы. Медленная гонит все содержимое аксона от тела клетки в окончания отростков со скоростью один миллиметр в сутки и используется для переноса веществ, необходимых для жизнедеятельности нервного волокна. Быстрая транспортная система переносит грузы в обоих направлениях, обеспечивая огромную скорость «перевозок» – от 10 до 20 сантиметров за 24 рабочих часа. Она снабжает нервные окончания сырьем, из которого здесь, на месте, будут синтезированы молекулы медиатора. В обратную сторону переправляется вторичное сырье – использованные в нервных окончаниях вещества.
На «складах» готовой продукции – образцовый порядок. Молекулы медиатора пакуются в специальную тару – синаптические пузырьки. Так они лучше сохраняются, огражденные от разрушительного действия ферментов. В каждом нервном окончании могут скопиться тысячи синаптических пузырьков, содержащих от 10 тысяч до 100 тысяч молекул медиатора, причем для хранения возбуждающего медиатора используются обычные шарообразные пузырьки, а молекулы тормозного медиатора упакованы в продолговатые пузырьки-пакеты.
Трудность передачи информации состоит в том, что каждая нервная клетка одетая в собственную добротную оболочку, закутанная слоями миелина – обмоткой из швановских клеток и окруженная глиальными клетками, – это маленькое самостоятельное государство. Какие бы революции здесь ни происходили, сор из избы не будет вынесен, все останется внутри клетки, пока ее двери будут надежно заперты. Чтобы передать сообщение, клетка-корреспондент должна открыть двери на нервных окончаниях своего аксона и добиться, чтобы открылись двери в мембране адресата – нервной клетки, получающей информацию.
Замки на дверях, находящихся в окончаниях аксона, отпирает пришедший сюда нервный импульс. Сейчас же распахиваются двери в синаптическую щель. За одну миллисекунду «за порог» выкатится 200–300 синаптических пузырьков. Находящиеся в них молекулы медиатора являются ключами, способными отпереть двери на фасаде соседней клетки.
Нужно сказать, что двери в нервных окончаниях аксона плотно не закрываются. И в обычном состоянии из них нет-нет да и вывалится контейнер с медиатором. В синаптическую щель в минуту попадает примерно 50–60 пузырьков. Однако находящихся в них ключей недостаточно для того, чтобы у клетки-адресата отпереть нужное количество дверей и вызвать ее возбуждение. Даже нервный импульс распахивает двери складов медиатора нервного волокна недостаточно широко. Однако в них из синаптической щели навстречу контейнерам с медиатором устремляются ионы кальция, отчего дверные створки раскрываются все шире и шире, и в конце концов обеспечат выход достаточного количества ключей.
В синаптической щели нет никаких приспособлений, помогающих ключам попасть в отверстие замков. Молекулы медиатора распространяются здесь в силу простой диффузии, и лишь немногие из них случайно находят замок, остальные бесцельно блуждают в своем тесном пространстве и очень скоро оказываются разрушенными. Вот почему ключей должно быть очень много. Однако синаптическая щель не широка, и ключи быстро достигаются ее противоположной стенки. Все же на это уходит гораздо больше времени, чем на движение возбуждения по нервному волокну. Необходимость перехода возбуждения с нейрона на нейрон приводит к замедлению распространения информации в мозгу.
Мы уже познакомились с тем, как удалось разобрать нейрон и собрать для исследования синапсы. А раз удалось извлечь из нервных клеток такую маленькую деталь, невольно напрашивался вопрос, не удастся ли и синапс разобрать на составные части. Эта фантастическая программа также была выполнена. Осуществить демонтаж синапса помог змеиный яд.
Обитатели тропиков змеи крайты относятся к числу наиболее опасных. Действие их яда сходно с кураре. Токсическое вещество крайта забивает замочные скважины на синаптической мембране клетки-адресата и не дает возможности отпирать замки с помощью предназначенных для них ключей – молекул медиатора ацетилхолина. Яд формозского крайта так прочно соединяется с замком, что разделить их почти невозможно. На него не действуют даже вещества, способные растворять нервные оболочки. Разрушатся все остальные части мозговой кашицы, и только крохотные кусочки мембраны предохранит от растворения прилипшая к ним молекула яда. С помощью яда крайтов удается «надергать» из синапсов достаточное для исследования количество замков. Уже подсчитали, что на синаптической мембране, имеющей площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, – 3 миллиона дверей и у каждой свой замок. Они имеют размер не больше 7–10 квадратных ангстрем, значит, все вместе не занимают и 0,01–0,02 процента площади синаптической мембраны.
Замок представляет собой крупную белковую молекулу, вмонтированную в толщу полужидкой мембраны нейрона. На поверхность выглядывает лишь небольшая его часть – участок молекулы, несущий электрический заряд. Конфигурация замка и ключа таковы, что они, как осколки разбитого стакана, сложенные надлежащим образом, образуют единое целое и благодаря электрическим зарядам крепко удерживаются друг возле друга. Молекула медиатора, соединяясь с белковой молекулой замка, заставляет последнюю изменить свою форму, при этом в стенке мембраны открывается пора, позволяющая ионам, находящимся в синаптической щели, проникнуть в нейрон или ионам, находящимся внутри нейрона, вылиться наружу. В зависимости от того, для каких ионов медиатор отпирает двери и в каком направлении они движутся, нервная клетка или возбуждается или, напротив, затормаживается.
Одним из важнейших медиаторов является ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых пользуется химическими синапсами, но не имеет ацетилхолина. Возможно, он был первым медиатором, созданным природой. Его широкое использование связано, видимо, с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется и организм не испытывает недостатка в необходимом для этого сырье.
Приход нервного импульса в нервное окончание дает возможность выбросить в синаптическую щель 5 миллионов молекул ацетилхолина, однако по прямому назначению будет использовано не больше четверти, но и этого вполне достаточно, чтобы вызвать возбуждение нейрона-адресата.
Молекула ацетилхолина представляет собою цепочку, состоящую из атомов кислорода, азота и 5 атомов углерода. К атому азота, несущему положительный заряд, крепятся три метильные группы (атом углерода с прикрепленными к нему тремя атомами водорода). Эта массивная головка молекулы выполняет функцию бородки ключа. Она попадает в специальное углубление замка и удерживается его отрицательным зарядом.
