Войти
Молекулярная нейробиология - это раздел нейробиологии, который рассматривает концепции молекулярной биологии, применяемые к нервным системам животных. Сфера этого предмета охватывает такие темы, как молекулярная нейроанатомия, механизмы молекулярной передачи сигналов в нервной системе, влияние генетики и эпигенетики на развитие нейронов, а также молекулярные основы нейропластичности и нейродегенеративных заболеваний. Как и молекулярная биология, молекулярная нейробиология - относительно новая область, которая значительно динамична.
В молекулярной биологии связь между нейронами обычно происходит посредством химической передачи через промежутки между клетками, называемые синапсами. Передаваемые химические вещества, известные как нейротрансмиттеры, регулируют значительную часть жизненно важных функций организма. Анатомически локализовать нейротрансмиттеры можно с помощью методов маркировки. Можно химически идентифицировать определенные нейромедиаторы, такие как катехоламины путем фиксации нейронных срезов ткани с формальдегидом. Это может вызвать индуцированную формальдегидом флуоресценцию при воздействии ультрафиолетового света. Дофамин, катехоламин, был идентифицирован у нематоды C. elegans с помощью этого метода. Иммуноцитохимия, которая включает выработку антител против целевых химических или биологических объектов, включает несколько других интересных методов. Целевой нейротрансмиттер может быть специально помечен первичными и вторичными антителами с радиоактивной меткой, чтобы идентифицировать нейротрансмиттер с помощью авторадиографии. Присутствие нейротрансмиттеров (хотя и не обязательно их расположение) можно наблюдать в иммуноцитохимии с ферментной связью или иммуноферментных анализах (ELISA), в которых связывание с субстратом в ферментативных анализах может вызывать преципитаты, флуорофоры или хемилюминесценцию. В случае, если нейротрансмиттеры не могут быть идентифицированы гистохимически, альтернативным методом является их локализация по их механизмам нейрального поглощения.
Структура эукариотических потенциалзависимых калиевых ионных каналов Возбудимые клетки живых организмов имеют потенциалзависимые ионные каналы. Это можно наблюдать во всей нервной системе в нейронах. Первыми ионными каналами, которые были охарактеризованы, были ионные каналы натрия и калия, выполненные А.Л. Ходжкином и А.Ф. Хаксли в 1950-х годах при изучении гигантского аксона кальмаров рода Loligo. Их исследования продемонстрировали избирательную проницаемость клеточных мембран, зависящую от физиологических условий, и электрические эффекты, возникающие в результате этой проницаемости для создания потенциалов действия.
Натриевые каналы были первыми потенциалозависимыми ионными каналами, выделенными в 1984 году Шосаку Нума от угря Electrophorus electricus. Рыбу фугу токсин тетродотоксин (ТТХ), блокатор натриевых каналов, был использован для выделения белка канала натрия путем связывания его с помощью колоночной хроматографии, методика химического разделения. Аминокислотная последовательность белка анализировали с помощью деградации по Эдману, а затем используется для построения библиотеки кДНК, которые могут быть использованы для клонирования белка канала. Клонирование самого канала позволило использовать такие приложения, как определение тех же каналов у других животных. Известно, что натриевые каналы работают совместно с калиевыми каналами во время развития ступенчатых потенциалов и потенциалов действия. Натриевые каналы обеспечивают приток ионов Na + в нейрон, что приводит к деполяризации из мембранного потенциала покоя нейрона, что приводит к градиентному потенциалу или потенциалу действия, в зависимости от степени деполяризации.
Калиевые каналы бывают разных форм, присутствуют в большинстве эукариотических клеток и обычно имеют тенденцию стабилизировать клеточную мембрану при равновесном потенциале калия. Как и в случае с ионами натрия, градиентные потенциалы и потенциалы действия также зависят от калиевых каналов. В то время как приток ионов Na + в нейрон вызывает клеточную деполяризацию, отток ионов K + из нейрона заставляет клетку реполяризоваться до мембранного потенциала покоя. Активация самих калиевых ионных каналов зависит от деполяризации, возникающей в результате притока Na + во время потенциала действия. Как и в случае натриевых каналов, в калиевых каналах есть свои токсины, которые блокируют действие белков канала. Примером такого токсина является большой катион тетраэтиламмония (TEA), но примечательно, что токсин не имеет одинакового механизма действия на все калиевые каналы, учитывая разнообразие типов каналов у разных видов. Присутствие калиевых каналов было впервые выявлено у мутантных мух Drosophila melanogaster, которые неконтролируемо тряслись под наркозом из-за проблем с клеточной реполяризацией, что привело к аномальной электрофизиологии нейронов и мышц. Калиевые каналы были впервые идентифицированы путем манипулирования молекулярной генетикой (мух) вместо очистки белка каналов, потому что на момент открытия не было известных лигандов с высоким сродством для калиевых каналов (таких как TEA).
Кальциевые каналы важны для определенных клеточных сигнальных каскадов, а также для высвобождения нейромедиаторов на окончаниях аксонов. В возбудимых клетках обнаруживается множество различных типов кальциевых ионных каналов. Как и каналы для ионов натрия, каналы для ионов кальция были выделены и клонированы методами хроматографической очистки. Примечательно, что, как и в случае высвобождения нейротрансмиттеров, кальциевые каналы могут взаимодействовать с внутриклеточными белками и играть важную роль в передаче сигналов, особенно в таких местах, как саркоплазматический ретикулум мышечных клеток.
Различные типы рецепторов могут использоваться для передачи сигналов и коммуникации клеток и могут включать ионотропные рецепторы и метаботропные рецепторы. Эти типы рецепторов клеточной поверхности различаются по механизму и продолжительности действия: ионотропные рецепторы связаны с быстрой передачей сигнала, а метаботропные рецепторы связаны с медленной передачей сигнала. Метаботропные рецепторы охватывают широкий спектр рецепторов клеточной поверхности с заметно разными сигнальными каскадами.
Прототипное изображение ионотропного рецептора в случае потока ионов Ca 2+ Ионотропные рецепторы, также известные как ионные каналы, управляемые лигандами, представляют собой быстродействующие рецепторы, которые опосредуют нервные и физиологические функции посредством потока ионных каналов со связыванием лиганда. Никотиновые, ГАМК и глутаматные рецепторы входят в число некоторых рецепторов клеточной поверхности, регулируемых лиганд-зависимым потоком ионных каналов. ГАМК - это главный тормозящий нейромедиатор мозга, а глутамат - главный возбуждающий нейромедиатор мозга.
Известно, что рецепторы GABA A и GABA C являются ионотропными, а рецепторы GABA B являются метаботропными. Рецепторы ГАМК А опосредуют быстрые ингибирующие реакции в центральной нервной системе (ЦНС) и обнаруживаются на нейронах, глиальных клетках и клетках мозгового вещества надпочечников. Он отвечает за индуцирование притока ионов Cl - в клетки, тем самым снижая вероятность того, что деполяризация мембраны произойдет при достижении градиентного потенциала или потенциала действия. Рецепторы ГАМК также могут взаимодействовать с неэндогенными лигандами, чтобы влиять на активность. Например, соединение диазепам (продаваемое как валиум) является аллостерическим агонистом, который увеличивает сродство рецептора к ГАМК. Повышенные физиологические ингибирующие эффекты, возникающие в результате увеличения связывания ГАМК, делают диазепам полезным транквилизатором или противосудорожным средством (противоэпилептические препараты). С другой стороны, рецепторы ГАМК также могут быть нацелены на снижение притока Cl - клеток с эффектом судорожных средств, таких как пикротоксин. Антагонистический механизм действия этого соединения не распространяется непосредственно на рецептор ГАМК, но есть другие соединения, которые способны к аллостерической инактивации, включая Т-бутилбициклофоротионат (TBPS) и пентилентетразол (PZT). По сравнению с ГАМК А рецепторы ГАМК С имеют более высокое сродство к ГАМК, они, вероятно, будут иметь более продолжительную активность, и их ответы, вероятно, будут вызваны более низкими концентрациями ГАМК.
Ионотропные рецепторы глутамата могут включать рецепторы NMDA, AMPA и каината. Эти рецепторы названы в честь агонистов, которые способствуют активности глутамата. Рецепторы NMDA известны своими возбуждающими механизмами, влияющими на пластичность нейронов в обучении и памяти, а также невропатологиями, такими как инсульт и эпилепсия. Рецепторы NDMA имеют несколько сайтов связывания, как и ионотропные рецепторы ГАМК, и на них могут влиять коагонисты, такие как нейромедиатор глицина или фенциклидин (PCP). Рецепторы NMDA переносят ток ионов Ca 2+ и могут блокироваться внеклеточными ионами Mg 2+ в зависимости от напряжения и мембранного потенциала. Этот приток Са 2+ увеличивается за счет возбуждающих постсинаптических потенциалов (ВПСП), продуцируемых рецепторами NMDA, активируя сигнальные каскады на основе Са 2+ (такие как высвобождение нейромедиатора). AMPA генерирует более короткие и большие возбуждающие постсинаптические токи, чем другие ионотропные рецепторы глутамата.
Никотиновые рецепторы связывают нейротрансмиттер ацетилхолина (ACh), создавая неселективный поток катионных каналов, который генерирует возбуждающие постсинаптические ответы. Активность рецепторов, на которую может влиять потребление никотина, вызывает чувство эйфории, расслабления и неизбежно сильной зависимости.
Сигнальный каскад рецепторов, связанных с G-белками Метаботропные рецепторы - это рецепторы медленного ответа в постсинаптических клетках. Обычно эти медленные ответы характеризуются более сложными внутриклеточными изменениями биохимии. Ответы поглощения нейротрансмиттеров метаботропными рецепторами могут привести к активации внутриклеточных ферментов и каскадов с участием вторичных мессенджеров, как в случае с рецепторами, связанными с G-белком. Различные метаботропные рецепторы могут включать определенные рецепторы глутамата, мускариновые рецепторы ACh, рецепторы GABA B и рецепторные тирозинкиназы.
G-белок связан сигнальный каскад может значительно усилить сигнал конкретного медиатора, чтобы произвести сотни и тысячи вторичных мессенджеров в клетке. Механизм действия, с помощью которого рецепторы, связанные с G-белком, вызывают сигнальный каскад, следующий:
Структура синапса, в котором происходит высвобождение и захват нейромедиатора Нейротрансмиттеры выпускаются дискретными пакетами, известными как кванты, от конца аксона одного нейрона к дендритам другого через синапс. Эти кванты были идентифицированы с помощью электронной микроскопии как синаптические пузырьки. Два типа везикул - это маленькие синаптические сосуды (SSV), которые имеют диаметр около 40-60 нм, и большие везикулы с плотным ядром (LDCV), электронно-плотные везикулы диаметром примерно 120-200 нм. Первый происходит из эндосом и содержит нейротрансмиттеры, такие как ацетилхолин, глутамат, ГАМК и глицин. Последний получен из аппарата Гольджи и содержит более крупные нейротрансмиттеры, такие как катехоламины и другие пептидные нейротрансмиттеры. Нейротрансмиттеры высвобождаются из терминала аксона и связываются с постсинаптическими дендритами в следующей последовательности:
Высвобождение нейротрансмиттера зависит от внешнего источника ионов Ca 2+, которые входят в терминалы аксонов через потенциалзависимые кальциевые каналы. Везикулярное слияние с терминальной мембраной и высвобождение нейромедиатора вызывается генерацией градиентов Ca 2+, индуцированной входящими потенциалами действия. Ионы Ca 2+ вызывают мобилизацию вновь синтезированных везикул из резервного пула, чтобы претерпеть это мембранное слияние. Этот механизм действия был обнаружен в аксонах гигантских кальмаров. Снижение внутриклеточных ионов Ca 2+ оказывает прямое ингибирующее действие на высвобождение нейромедиаторов. После высвобождения нейромедиатора везикулярные мембраны возвращаются в исходное состояние. Каналы ионов кальция могут различаться в зависимости от места возникновения. Например, каналы на конце аксона отличаются от типичных кальциевых каналов тела клетки ( невральной или нет). Типы кальциевых ионных каналов могут различаться даже на терминалах аксонов, как и в случае кальциевых каналов P-типа, расположенных в нервно-мышечном соединении.
Различия в определении пола контролируются половыми хромосомами. Высвобождение половых гормонов оказывает значительное влияние на половой диморфизм (фенотипическая дифференциация половых характеристик) мозга. Недавние исследования, кажется, предполагают, что регулирование этих диморфизмов имеет значение для понимания нормальной и ненормальной функции мозга. На половые диморфизмы может значительно влиять экспрессия генов мозга по признаку пола, которая варьируется от вида к виду.
Модели на животных, такие как грызуны, Drosophila melanogaster и Caenorhabditis elegans, использовались для наблюдения за происхождением и / или степенью половой предвзятости в мозге по сравнению с гонадами, производящими гормоны животных. Что касается грызунов, исследования генетических манипуляций с половыми хромосомами привели к эффекту для одного пола, который был полностью противоположен эффекту для другого пола. Например, нокаут определенного гена приводил только к тревожным эффектам у мужчин. В исследованиях D. menlanogaster было обнаружено, что сильное половое смещение экспрессии в мозге происходило даже после удаления гонад, что позволяет предположить, что смещение пола может быть независимым от гормонального контроля в определенных аспектах.
Наблюдение за генами с предвзятым отношением к полу может иметь клиническое значение для наблюдения за физиологией мозга и потенциально связанных (прямо или косвенно) неврологических расстройств. Примеры заболеваний с половым уклоном в развитии включают болезнь Хантингтона, церебральную ишемию и болезнь Альцгеймера.
На многие функции мозга можно влиять на клеточном и молекулярном уровне вариациями и изменениями экспрессии генов без изменения последовательности ДНК в организме. Это иначе известно как эпигенетическая регуляция. Примеры эпигенетических механизмов включают модификации гистонов и метилирование ДНК. Было обнаружено, что такие изменения сильно влияют на частоту заболеваний мозга, психических заболеваний и зависимости. Было показано, что эпигенетический контроль участвует в высоких уровнях пластичности на раннем этапе развития, тем самым определяя его важность в критический период развития организма. Примеры того, как эпигенетические изменения могут повлиять на мозг человека, следующие:
Эксайтотоксичность - это явление, при котором рецепторы глутамата активируются ненадлежащим образом. Это может быть вызвано длительной возбуждающей синаптической передачей, при которой высокие уровни нейротрансмиттера глутамата вызывают чрезмерную активацию постсинаптического нейрона, что может привести к гибели постсинаптического нейрона. Было обнаружено, что после травмы головного мозга (например, в результате ишемии ) эксайтотоксичность является важной причиной повреждения нейронов. Это можно понять в том случае, когда внезапная перфузия крови после снижения притока крови к мозгу может привести к чрезмерной синаптической активности, вызванной присутствием повышенного уровня глутамата и аспартата в период ишемии.
Болезнь Альцгеймера - наиболее распространенное нейродегенеративное заболевание и самая распространенная форма деменции у пожилых людей. Расстройство характеризуется прогрессирующей потерей памяти и различных когнитивных функций. Он выдвинул гипотезу о том, что отложение амилоида-β пептида (40-42 аминокислотных остатков) в головном мозге является неотъемлемой частью в частоте болезни Альцгеймера. Предполагается, что накопление блокирует долгосрочную потенциацию гиппокампа. Также возможно, что рецептором олигомеров амилоида-β может быть прионный белок.
Болезнь Паркинсона - второе по распространенности нейродегенеративное заболевание после болезни Альцгеймера. Это гипокинетическое заболевание базальных ганглиев, вызванное потерей дофаминергических нейронов в черной субстанции головного мозга человека. Таким образом, тормозящий отток из базальных ганглиев не снижается, и поэтому верхние мотонейроны, опосредованные таламусом, не активируются своевременно. Специфические симптомы включают ригидность, проблемы с осанкой, медленные движения и тремор. Блокирование входа рецептора ГАМК от нейронов со средними шипами к клеткам ретикулатов вызывает ингибирование верхних мотонейронов, подобное ингибированию, которое происходит при болезни Паркинсона.
Болезнь Хантингтона - это заболевание гиперкинетических движущихся базальных ганглиев, вызванное отсутствием нормальных тормозных сигналов со стороны шиповидных нейронов базальных ганглиев. Это приводит к эффектам, противоположным эффектам, связанным с болезнью Паркинсона, включая несоответствующую активацию верхних мотонейронов. Как и в случае ГАМКергических механизмов, наблюдаемых в отношении болезни Паркинсона, агонист ГАМК, введенный в сетчатую часть черной субстанции, снижает ингибирование верхних мотонейронов, что приводит к баллистическим непроизвольным двигательным движениям, подобным симптомам болезни Хантингтона.
