Нейрон - основна структурна і функціональна одиниця нервової системи

Вступ

Нервова тканина (textus nervosus) — це найбільш високоспеціалізована тканина людського організму. Її ключова особливість полягає у здатності вловлювати подразники, перетворювати їх на збудження та проводити нервові сигнали до центрів, де відбувається обробка та інтеграція отриманих даних із формуванням відповідної реакції.

Таким чином, нервова система виконує такі основні завдання:

• підтримує активну взаємодію організму із зовнішнім середовищем;
• здійснює інтегративно-координаційне регулювання діяльності всіх органів та тканин;
• забезпечує цілісність, функціональну узгодженість та адаптацію організму до змінних умов довкілля;
• кора великих півкуль є анатомічною основою свідомості, мислення та пізнавальної діяльності.

Дослідники часто звертаються до метафор та порівнянь. Наприклад, електричний струм уподібнювали рідині, хімічні зв'язки — гачкам і петлям, а атоми — більярдним кулям. Науковці, що вивчають мозок, також не уникають таких аналогій. У XVII столітті Рене Декарт бачив у мозку складний гідравлічний пристрій. У XIX–XX століттях його порівнювали з телеграфним кабелем та телефонною станцією, а на початку XXI століття найпопулярнішою стала комп'ютерна метафора. Втім, існує й інший, не менш цікавий погляд: мозок можна уявити як гігантську залозу, адже нейрони доцільно розглядати не стільки як реле чи перемикачі, скільки як секреторні клітини. У такому разі електричний потенціал дії виступає лише тригерним механізмом, що запускає вивільнення секретів — нейротрансмітерів та нейромодуляторів. Ці сполуки є доволі різнорідними: від невеликих молекул, як-от ацетилхолін, катехоламіни чи деякі амінокислоти, до великих білкових макромолекул. Тож постає питання: чи є секреторна активність нейронів настільки ж різноманітною?

У 1930 році британський фізіолог Генрі Дейл (1875–1968) висунув гіпотезу, згідно з якою кожен нейрон здатен синтезувати лише один тип трансмітера. Це означало б, що всі закінчення конкретного нейрона вивільняють одну й ту саму речовину, а її ефект визначається типом рецептора на постсинаптичній мембрані. Принцип Дейла виявився доволі стійким, проте, як і багато біологічних узагальнень, сьогодні він відомий переважно своїми винятками. У сучасній науці утверджується думка, що білкові нейромодулятори здатні діяти спільно з моноамінами в межах одного пресинаптичного закінчення. Така інтеграція є непростим процесом, оскільки ці молекули відрізняються і за хімічною природою, і за місцем синтезу: малі нейротрансмітери утворюються безпосередньо в нервовому закінченні, хоча ферменти для їхнього синтезу продукуються в тілі клітини, де також синтезуються білкові нейромодулятори. Останнє не дивує, адже саме в тілі нейрона зосереджений апарат білкового синтезу: рибосоми, ендоплазматичний ретикулум і комплекс Гольджі (хоча невелика кількість рибосом виявляється і в дендритах).

1. Класифікація нервової системи

Єдина нервова система людини поділяється за топографічним та функціональним принципом (мал. 1, 2, 10). Нервова тканина утворена нервовими клітинами — нейронами (neuronum, neurocytus) та нейроглією (neuroglia) (мал. 1а, 2а, 3, 4, 5, 5а).

Нейроцит складається з тіла (corpus neurocyti) та відростків (мал. 3, 4). Його розміри коливаються від 5 до 125 мкм, а гігантські пірамідні клітини Беца можуть сягати 500–600 мкм. Відростки, що проводять імпульси до тіла клітини, називаються дендритами (dendritum), а ті, що ведуть від тіла, — аксонами (axon) або нейритами (neuritum). Аксони також виконують медіаторну та транспортну (нейросекреторну) функції. Як правило, нейрон має багато дендритів і лише один аксон. Між нейронами утворюються спеціалізовані контакти — синапси (synapsis).

Нейрон є структурною одиницею нервової системи, а її структурно-функціональною одиницею вважається рефлекторна дуга — ланцюгова послідовність нейронів. Існує також концепція рефлекторного кола.

За формою нейрони поділяються на:

• біполярні (neuronum bipolare);
• псевдоуніполярні (neuronum pseudounipolare);
• мультиполярні (neuronum multipolare).

За функціональним призначенням розрізняють:

• аферентні (чутливі, рецепторні, сенсорні), або протонейрони;
• асоціативні (проміжні, вставні), або дейтеронейрони (інтернейрони);
• еферентні (рухові, моторні, ефекторні), або мотонейрони.

Аферентні нейрони розташовані в чутливих вузлах черепних і спинномозкових нервів, тоді як асоціативні та еферентні — завжди в центральній нервовій системі. Еферентні вегетативні нейрони містяться у вегетативних гангліях.

Відповідно до нейронної теорії, нервова клітина є динамічно поляризованою: нервовий імпульс рухається лише від дендрита через тіло до аксона.

2. Нейрон як секреторна клітина

Нейрон виявляє властивості секреторної клітини, хоча й доволі специфічної (він має особливості і як звичайна клітина, зокрема ядерно-плазматичне співвідношення в ньому значно вище, ніж у будь-якій іншій клітині організму). Його секреторна (пресинаптична) мембрана може відділятися від місця синтезу речовини відстанню до одного метра. Зв'язок між цими зонами забезпечує аксон. Донедавна вважалося, що аксон, подібно до телеграфного дроту, лише проводить нервові імпульси. Однак його функції значно ширші. Насамперед аксон транспортує білки цитоскелета та цитозолю. Ці речовини рухаються від тіла клітини до нервового закінчення (терміналі) повільно — зі швидкістю 1–5 мм на добу, утворюючи повільний аксонний транспортний потік (подібний транспорт властивий і дендритам). Значно швидше — до 400 мм на добу — до терміналі надходить секреторний матеріал, синтезований і упакований у мембранні пухирці в тілі клітини. Це швидкий антероградний аксонний транспорт.

У здоровій клітині цей процес має бути збалансованим зі зворотним транспортом мембран від нервового закінчення. Швидкий ретроградний транспорт (удвічі повільніший за антероградний) повертає в тіло клітини старі цитоплазматичні органели, наприклад мітохондрії, а також пухирці, що утворюються під час активного ендоцитозу, необхідного для відновлення мембрани після вивільнення нейромедіатора. Ці ендоцитозні пухирці можуть захоплювати речовини із синаптичної щілини та доставляти їх у тіло клітини, інформуючи його про хімічне оточення. Такі транспортні потоки формують функціональний кругообіг мембран у нервовій клітині.

Ще одна особливість нейронів як секреторних клітин — варіативність принципу секреції (мал. 6). Більшість нейронів (типові) виділяють секрет через пресинаптичну мембрану в синаптичну щілину між нею та постсинаптичною мембраною. Останньою може бути мембрана дендрита, тіла або аксона іншого нейрона, а також мембрана клітини-мішені (наприклад, м'язового волокна). Однак деякі нейрони здатні секретувати безпосередньо в кров'яне русло. Такі нейросекреторні клітини виявлені в гіпофізі та гіпоталамусі хребетних, а також добре розвинені в багатьох безхребетних.

Отже, роль нейрона як секреторної клітини значно складніша, ніж у звичайної секреторної клітини. Генетична інформація, закодована в ДНК, спочатку транскрибується в РНК, а потім транслюється в специфічну амінокислотну послідовність білка. У цьому процесі беруть участь транспортні, рибосомні, матричні РНК та численні ферменти. Однак молекулярно-біологічний процес «виробництва білка» на цьому не завершується. Перед секреторною клітиною постає не менш складне завдання — упакувати та секретувати білок. Нейрон же має додатково транспортувати упакований секрет від місця синтезу до зони секреції.

Як забезпечується унікальна здатність нервової клітини синтезувати й транспортувати речовини на великі відстані? Електронна мікроскопія типового нейрона показує його як клітину, залучену в активний біосинтетичний процес (мал. 7). Він має велике ядро з одним або кількома ядерцями та цитоплазму, багату на гранулярний ендоплазматичний ретикулум (ГЕР) і комплекс Гольджі. Не заглиблюючись у деталі синтезу білкового ланцюга на рибосомах, розглянемо, чому і як білок, призначений для секреції, потрапляє в порожнину ГЕР, і як рибосоми знаходять ретикулум. Важливо, що не всі білки, синтезовані в клітині, призначені на експорт. Частина залишається для внутрішніх потреб клітини, і транспортування їх у порожнину ГЕР загрожувало б як функціональності самого білка, так і життєздатності клітини.

Відповідь на ці питання криється в молекулярно-біологічній взаємодії між N-термінальною амінокислотною послідовністю (близько 30 амінокислот) поліпептидного ланцюга, що синтезується на рибосомі, — так званою сигнальною послідовністю — та частинкою, що розпізнає сигнал (англ. signal recognition particle, SRP). Ця SRP-частинка не лише розпізнає сигнальну послідовність, а й зв'язується з нею одразу після її появи з рибосоми.

SRP-частинка складається з шести незалежних поліпептидів, об'єднаних 300-нуклеотидним ланцюгом РНК, і виконує щонайменше дві ключові функції. По-перше, щільно зв'язуючись із рибосомою, вона приєднується до А-ділянки (ділянки зв'язування аміноацил-тРНК), зупиняючи трансляцію, оскільки блокується зв'язування наступної аміноацил-тРНК. Це запобігає потраплянню експортного білка в цитоплазму. По-друге, SRP-частинку розпізнає «стикувальний білок» (англ. docking protein) довжиною 650 амінокислотних залишків, вбудований у мембрану ГЕР. У результаті рибосома та сигнальна послідовність, з якими зв'язана SRP-частинка, «закріплюються» на мембрані ГЕР.

Процес на цьому не завершується: якщо SRP-нуклеопротеїн залишиться з'єднаним із сигнальною послідовністю, трансляція не відновиться. Що ж відбувається далі? Стикувальний білок, виконуючи роль «якоря», впливає на SRP-частинку, яка змінює своє положення та вивільняє сигнальну послідовність і А-ділянку рибосоми. Рибосома, залишаючись зв'язаною з мембраною ГЕР, відновлює трансляцію. Вивільнена сигнальна послідовність завдяки гідрофобності вбудовується в мембрану ГЕР. Рибосома ще міцніше приєднується до мембрани через білковий ланцюг, що росте. Цей білок проходить у порожнину ГЕР через активовану систему транслокації, яку запустила сигнальна послідовність. Таким чином, перенесення секреторного білка в порожнину ГЕР відбувається котрансляційно, тобто одночасно з трансляцією, на відміну від транспорту білків у мітохондрії та пероксисоми, який здійснюється посттрансляційно.

Відступаючи від основної теми, зазначимо, що всі білки клітини «стоять перед вибором»: залишитися в цитозолі або потрапити в ГЕР (де вони можуть залишитися, рухатися до апарату Гольджі, а звідти — до лізосом або плазматичної мембрани). У кожному випадку напрямок визначається амінокислотною послідовністю самого білка, яка містить «сигнал сортування». Саме такий сигнал спрямовує цитозольні білки до мітохондрій, пероксисом або ядра після завершення трансляції (білки без такого сигналу залишаються в цитозолі). І саме сигнальна послідовність скеровує секреторні білки до порожнини ГЕР котрансляційно. Після виконання своєї функції цю послідовність відрізають специфічні сигнальні пептидази, зв'язані з мембраною ретикулума. У результаті вивільняється повністю синтезований поліпептидний ланцюг, який через систему транслокації потрапив у порожнину ГЕР. Рибосома, завершивши роботу, залишається вільною. Але це лише один із можливих сценаріїв.

В іншому випадку білок при транслокації ніколи не потрапляє в порожнину ГЕР повністю, а залишається вбудованим у її мембрану. Це зумовлено амінокислотною послідовністю білка: у нього має бути одна або кілька гідрофобних послідовностей, які вмонтовуються в ліпідний бішар мембрани ГЕР. Такі трансмембранні білки не є секреторними, але від цього не менш важливі, оскільки належать до категорії рецепторів, субодиниць каналів, компонентів транслокаційних систем та інших структур, без яких нейрон неможливий.

Повертаючись до секреторних білків, зазначимо, що після синтезу вони підлягають посттрансляційній модифікації. Перший її етап відбувається вже в порожнині ГЕР. На відміну від цитозолю, де відновлювальні агенти з SH-групами запобігають утворенню дисульфідних містків, підтримуючи цистеїн у відновленій формі, в порожнині ретикулума таких агентів немає. Тому тут утворюються —S—S-містки. У порожнині ГЕР також відбувається ковалентне приєднання до білків цукрів. Відомо, що лише невеликий відсоток цитозольних білків глікозильований, причому вони містять різні модифікації цукрів. До білків, що потрапили в порожнину ГЕР, приєднується один олігосахарид, що складається з N-ацетилглюкозаміну, манози та глюкози і містить 14 залишків. Цей олігосахарид завжди приєднується до NH₂-групи бічного ланцюга аспарагіну (тому називається N-зв'язаним, або аспарагін-зв'язаним). Рідше олігосахариди зв'язуються з гідроксильною групою серину, треоніну, а ще рідше — гідроксилізину та гідроксипроліну. Такі О-зв'язані олігосахариди (значно менші за N-зв'язані) містять N-ацетилглюкозамін, галактозу та N-ацетилнейрамінову кислоту (сіалову кислоту), а сам процес відбувається пізніше, в апараті Гольджі.

Не слід думати, що приєднання N-зв'язаних олігосахаридів робить усі глікопротеїни подібними за вуглеводною складовою. Модифікація вихідного олігосахариду починається одразу в ГЕР, де від нього відщеплюються три молекули глюкози та один залишок манози. Далі процес переміщується до апарату Гольджі, де відбувається наступна фаза посттрансляційного процесингу.

Клітина, що активно синтезує білки на експорт, завжди має кілька (іноді багато) структур Гольджі. Нервова клітина підтверджує це правило. Більше того, саме в нервовій клітині у 1898 році Камілло Гольджі відкрив цю органелу. Однак розуміння її структури та функції стало можливим завдяки сучасній клітинній біології. Не заглиблюючись у деталі, зазначимо, що апарат Гольджі складається з набору оточених мембраною сплощених цистерн, «складених стопкою», і має два різні боки: цис-бік (бік формування, тісно пов'язаний з перехідними елементами ендоплазматичного ретикулума, від якого відщеплюються пухирці з матеріалом для експорту, лізосом або плазмолеми) та зрілий транс-бік. Кожна цистерна є окремим компартментом зі своїм набором ферментів, а вся стопка загалом забезпечує певну фазу багатостадійного процесингу. Білки з ГЕР потрапляють у «приймальню» цис-компартмента, далі (у мембранній упаковці) — у проміжний компартмент, а звідти — у транс-компартмент, де процесинг завершується. З останнього компартмента готовий матеріал потрапляє в транс-сітку Гольджі, розподіляється по різних транспортних пухирцях і лише тоді спрямовується до місця остаточного призначення.

Проходячи через апарат Гольджі від компартмента до компартмента, білки зазнають остаточної модифікації. Відбувається відщеплення манози та додавання інших цукрів (наприклад, N-ацетилглюкозаміну, галактози та сіалової кислоти) до N-зв'язаних олігосахаридів, О-глікозування та перетворення протеогліканових корових білків на протеоглікани. Найсуттєвіша модифікація відбувається наприкінці. Відомо, що нейропептиди, наприклад, синтезуються у вигляді неактивних білків-попередників, і лише завдяки протеолізу утворюється активна молекула. Саме протеоліз відбувається в транс-сітці апарату Гольджі та триває навіть у секреторних пухирцях. Таку затримку в утворенні активного продукту можна вважати захисним механізмом, що запобігає дії активного продукту всередині клітини. До того ж деякі нейропептиди досить короткі (як, наприклад, енкефаліни, що складаються з 5 амінокислот) для ефективного синтезу на рибосомах.

Підсумовуючи, зазначимо, що, попри значний обсяг даних про нейрон як секреторну клітину, його вивчення далеке від завершення. На сьогодні досить детально досліджено механізми синтезу, пакування та підготовки секреторних білків до експорту. Однак навіть тут, не кажучи вже про механізми самої секреції, багато питань потребують ретельнішого вивчення. Інтерес нейробіологів до цих проблем зрозумілий, адже нервова система є головним регулятором та координатором усіх фізіологічних процесів на рівні органів, систем органів та організму в цілому.

Саме нервова система керує залозистими та м'язовими клітинами, координує рухи. Вона отримує, обробляє та інтегрує всі типи вхідної інформації, забезпечує навчання та пам'ять. Наше відчуття прекрасного, прагнення до знань, наші поривання — усе це реалізується завдяки безвідмовній роботі нервової системи, завдяки точності процесів синтезу, пакування та секреції в нервових клітинах. А коли ця система дає збої, перед нейробіологією постає завдання озброїти людину новими методами боротьби з ворогом, що причаївся в нас самих. Просуваючись шляхом пізнання, ми, можливо, не дійдемо його кінця, але, безперечно, отримаємо безцінний скарб нових знань, що зробить наше життя не лише цікавішим, а й значно безпечнішим.

Висновки

Окремі нервові клітини, або нейрони, виконують свої функції не як ізольовані одиниці, подібно клітинам печінки чи нирок. Робота приблизно 50 мільярдів нейронів нашого мозку полягає в тому, що вони отримують сигнали від одних нервових клітин і передають їх іншим. Передавальні та приймаючі клітини об'єднані в нервові ланцюги або мережі.

Окремий нейрон із дивергентною структурою може надсилати сигнали тисячі й більше інших нейронів. Але частіше такий нейрон з'єднується лише з кількома певними нейронами. Так само нейрон може отримувати вхідну інформацію від інших клітин через одну, кілька або багато вхідних зв'язків, якщо на ньому сходяться конвергентні шляхи. Усе залежить від конкретної клітини та мережі, до якої вона включена в процесі розвитку. Імовірно, у кожен момент часу активна лише невелика частина шляхів, що закінчуються на даному нейроні.

Специфічні місця з'єднання на поверхні нервових клітин, де відбувається їхній контакт, називаються синапсами, а сам процес передачі інформації в цих місцях — синаптичною передачею. Під час взаємодії нейронів через синаптичну передачу клітина, що передає сигнал (пресинаптична), виділяє певну речовину на рецепторну поверхню сприймаючого (постсинаптичного) нейрона. Ця речовина, названа нейромедіатором, слугує молекулярним посередником для передачі інформації від передавальної клітини до сприймаючої. Нейромедіатор замикає ланцюг, здійснюючи хімічну передачу інформації через синаптичну щілину — структурний розрив між передавальною та сприймаючою клітинами в місці синапса.

Список використаної літератури

1. Альберте Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. — М.: Мир, 1994.
2. Коляденко Г. Анатомія людини : Підручник для студентів природничих спеціальностей вищих педагогічних навчальних закладів / Галина Коляденко ; Ред. Т. В. Кацовенко, А. В. Пекур. — 2-е вид. — К. : Либідь, 2004. — 380 с.
3. Свиридов О. Анатомія людини : Підручник для студ. вузів / Олександр Іванович Свиридов ; За ред. І. І. Бобрика. — К. : Вища школа, 2000. — 399 с.
4. Свиридов О. Анатомія людини : Підручник для студентів стоматологічних факультетів вищих медичних навчальних закладів III–IV рівнів акредитації / Олександр Свиридов ; Ред. І. І. Бобрик, Л. Д. Іваненко, Я. О. Мироненко ; Авт. передм. І. І. Бобрик. — К. : Вища школа, 2001. — 399 с.
5. Скрипник Н. В. Сучасний погляд на будову синапсу та механізм синаптичної передачі // Біологія і хімія в шк. — 2000. — № 1. — С. 8–12.
6. Скрипник Н. Нейрон як секреторна клітина // Біологія і хімія в школі. — 2002. — № 6. — С. 3–6.
7. Чорнокульський С. Анатомія центральної нервової системи : Навчально-методичний посібник / Сергій Чорнокульський ; М-во освіти України, М-во охорони здоров'я України, Нац. мед. ун-т ім. О. О. Богомольця. — 3-є вид., доп. — К. : Книга плюс, 2003. — 157 с.