Нейроны: химическая организация. Значение углеводов, липидов, белков. Внутриклеточное строение нейронов. Нейроглиальные клетки

1.

Введение в
нейронауки
Курс лекций
для студентов ВШЭ
(осень 2017)
Лектор: д.б.н. Дубынин
Вячеслав Альбертович
Лекция 2. Нейроны: химическая организация. Значение
углеводов, липидов, белков. Внутриклеточное строение
нейронов. Нейроглиальные клетки.

2.

Введение в
нейронауки
Курс лекций
для студентов ВШЭ
(осень 2017)
Лектор: д.б.н. Дубынин
Вячеслав Альбертович
Лекция 2. Нейроны: химическая организация. Значение
углеводов, липидов, белков. Внутриклеточное строение
нейронов. Нейроглиальные клетки.

3.

Н2О – вода:
65-70% массы
тела человека,
«универсальный
растворитель»
Минеральные соли:
при растворении в воде образуют ионы
(переносчики зарядов в
биоэлектрических процессах):
NaCl Na+ + Cl-
Na+ и Са2+ – активирующее действие на нервную систему
+
К и Cl – участвуют в торможении нервных клеток
Натрий, калий – до 3-5 г/сутки, кальций – 0,5 г/сутки
3

4.

УГЛЕВОДЫ:
Моносахариды:
глюкоза (С6Н12О6)
(энергетическая функция; 0.1% в
плазме крови)
фруктоза (фр+гл=сахароза),
галактоза (гал+гл=лактоза)
Полисахариды: крахмал,
гликоген (запасающая функция) +
целлюлоза (пищевые волокна)
Потребность – 200-300 г/сутки
(крахмал, глюкоза);
есть небольшой запас в
печени и мышцах.
4

5.

Макрокомпоненты питания:
Жиры (липиды):
энергия (животные жиры),
строит. материал (растит.
жиры), 60-100 г/сутки;
запасающая функция (более
энергоемкие, чем углеводы)
Липиды:
глицерин + три остатка«углеводородных хвоста»
жирных кислот
5

6.

Фосфолипиды:
глицерин + два
углеводородных хвоста
+ фосфорная к-та
В водном растворе
липиды и фосфолипиды
образуют капли и
двуслойные пленки.
Такие пленки – основа всех
биологических
мембран (строительная
функция + энергетическая и запасающая).
Для построения мембран
важны –С=С– двойные связи,
которые есть у растительных
и рыбных липидов
(омега-3, омега-6 и др.)

7.

Белки – крупные полимерные
молекулы, состоящие из более
мелких молекул – аминокислот;
Средняя длина – около 500 а/к.
Белки характеризуются огромным многообразием функций:
ферменты, двигательные, транспортные, защитные (антитела),
гормоны – всего около 20 тыс. типов. Нарушение любой из этих
функций ведет к ухудшению здоровья и заболеваниям.
7

8.

Все белки нашего организма строятся из а/к,
полученных с белками пищи.
«Готовые» белки пищи не используются.
Белки пищи
Разрушение в желудке
(кислая среда) и тонком кишечнике (щелочная среда)
Всасывание аминокислот
в кровь
Синтез белков внутри
клеток организма
8

9.

Аминокислоты, входящиея в состав белковых молекул,
имеют аминогруппу (-NH2), кислотную группу (-COOH), радикал (R).
Всего в состав белков входят 20 типов а/к;
они различаются лишь хим. структурой R.
Полимеризация а/к с образованием
белка происходит за счет связывания
СООН-группы предыдущей а/к с NH2группой следующей а/к.
R
Итоговая цепь а/к – первичная структура
белка. Радикалы не принимают участия в
ее формировании. Средняя длина белков.
молекулы – 300-700 а/к. У каждого белка –
своя уникальная первичная структура.
R1
R2
1-ая а/к
2-я а/к
NH2 CH COOH
R3
3-я а/к
R4
и т.д.
9

10.

R1
1-ая а/к
R2
2-я а/к
R3
3-я а/к
R4
и т.д.
Следующий этап: образование
вторичной структуры белка.
Она формируется за счет присутствия
на аминогруппах довольно большого
положительного заряда, на кислотных
группах – отрицательного заряда.
Взаимное притяжение таких (+) и (–)
ведет к укладке белковой цепи в спираль (на каждом витке примерно 3 а/к;
радикалы в этом вновь не участвуют).
10

11.

Третичная структура
белка – белковый клубок,
формируется за счет
взаимодействия радикалов (и, следовательно,
зависит от первичной
структуры).
Взаимодействие радикалов может
происходить благодаря:
• образованию ковалентной
химической связи
• притяжению неравномерно
заряженных областей
• контакту углеводородных
участков (как в случае «хвостов»
липидных молекул) и др.
11

12.

Третичная структура
(белковый клубок),
как правило, имеет
ямку («активный центр»).
Здесь происходит захват
молекулы-мишени
(«лиганда») по принципу
«ключ-замок».
После этого белок
способен выполнить с
лигандом те или иные
операции.
Тип операции с
лигандом = тип белка.
лиганд
белки-ферменты;
транспортные белки
(белки крови,
каналы, насосы);
белки-рецепторы;
двигательные белки;
защитные (антитела),
строительные и др.
12

13.

Белок-фермент, управляющий
распадом вещества-лиганда
(пример: пищеварит. ферменты)
2
1
1
3
2
1
3
2
Транспортный белок крови
(например, гемоглобин,
переносящий кислород)
Белок-фермент, управляющий
синтезом нового вещества из
двух лигандов
13

14.

3
Постоянно открытый
белок-канал: похож на цилиндр
с отверстием; встроен в
мембрану клетки; через него
может идти диффузия (как
правило, строго определенных
мелких частиц – молекул Н2О,
ионов К+, Na+ и др.).
Диффузия – движение
частиц среды из области с
высокой концентрацией в
область с низкой
концентрацией;
чем больше разность
концентраций, тем
интенсивнее диффузия.
14

15.

канал закрыт
канал
открыт
Белок-канал со створкой: также встроен
в мембрану клетки; его отверстие перекрыто петлей-створкой,
(«канал закрыт»). Створка при определенных условиях может
открываться, «разрешая» диффузию
(условия открытия: появление определенных химических веществ,
электрические воздействия и др.).
15

16.

Белок-насос:
1. «Чаша» белка
встроена в мембрану клетки и
открыта, например, в сторону
внешней среды;
происходит присоединение
лиганда.
2. Изменение пространственной конфигурации
белка-насоса (как правило, требует затрат
энергии АТФ; перенос
лиганда не зависит от
разности концентраций).
3. Белок-насос
открывается в
сторону цитоплазмы, высвобождая
лиганд; затем –
возвращение
белка-насоса в
исходную
конфигурацию.
16

17.

инсулин
глюкоза
Пример:
действие гормонов
и медиаторов.
Так, инсулин, выделяемый поджелудочной железой,
активирует работу
насосов, транспортирующих внутрь
клетки глюкозу.
Белки-рецепторы:
Встроены в мембрану клетки и выполняют информационную
функцию. Лиганд в этом случае – сигнал об определенном
событии во внешней (межклеточной) среде.
После присоединения лиганда рецептор запускает реакцию
клетки, влияя на ферменты, насосы, ионные каналы и т.п.
17

18.

Другие типы белков:
защитные белки (белки-антитела;
захватывают лиганды-антигены – вредные
чужеродные вещества)
антиген
антитело
двигательные белки (актин и миозин; за
счет их взаимодействия происходит
сокращение мышечных клеток)
строительные белки (коллаген – белок
межклеточного вещества соединительной
ткани; кератин – волосы и ногти)
актин
(слева)
миозин
(справа)
запасающие белки (казеины молока,
глютены пшеницы и др.)
сеть
молекул
коллагена
18

19.

Глутаминовая кислота и глутамин – 20 [%]
Аспарагиновая кислота и аспарагин – 9
Аргинин – 8
Пролин – 6
Тирозин – 4,5 Фенилаланин – 4
Цистеин – 3,5
Лейцин – 6
Метионин – 4
Треонин – 3,5
Лизин – 5
Аланин – 4
Гистидин – 3
Валин – 5
Серин – 4
Триптофан – 1,5
Изолейцин – 5
Глицин – 4
– заменимые а/к;
– условно незаменимые до 1-го года;
– могут синтезироваться из незаменимых а/к (фенилаланин из тирозина;
цистеин из метионина).
19

20.

Глутаминовая кислота и глутамин – 20 [%]
Аспарагиновая кислота и аспарагин – 9
Аргинин – 8
Пролин – 6
Тирозин – 4,5 Фенилаланин – 4
Цистеин – 3,5
Лейцин – 6
Метионин – 4
Треонин – 3,5
Лизин – 5
Аланин – 4
Гистидин – 3
Валин – 5
Серин – 4
Триптофан – 1,5
Изолейцин – 5
Глицин – 4
Пищевая ценность белка определяется, в первую
очередь, балансом а/к, особенно незаменимых.
Наиболее дефицитны лизин, триптофан и
метионин.
Следует учитывать также химическую нестабильность а/к,
затруднения при переваривании белка, аллергенность
его фрагментов.
20

21.

На 100 г
белка
лизин
триптофан
метионин
«Идеал»
Животн. Бобовые
Злаки
5-6 г
7-10 г
5-6 г
3-3,5 г
1-1,5 г
1-1,5 г
1г
1-1,5 г
3-4 г
3,5-6 г
1,5 г
4г
лизин –
Е642
Желательно, чтобы половина пищевого белка имела животное
происхождение (молоко, яйца, мясо, рыба);
иначе – белковый дефицит (особенно – при монодиете из опред.
вида злаков). Строгое вегетарианство возможно при
использовании оптимальной смеси злаков и бобовых; детям,
больным, беременным не рекомендуется.
21

22.

Сколько нужно белка?
Постоянный распад белков в организме (без стресса и физич. нагрузки):
0,7 г/кг веса в сутки (белковый минимум)
1,0 г/кг (белковый оптимум)
1,2 г/кг (с учетом дефицита ряда а/к): 60-100 г/сутки
1,5 г/кг (дети, старики)
до 2 г/кг (беременные, больные)
Если еще больше – белки начинают использоваться для получения энергии; в крови –
избыток мочевины (негативный фактор).
22

23.

Пищевая ценность конкретных
групп белков («рейтинг»):
1. Белки молока и яиц: самой природой
предназначены в пищу, сбалансированные, легко перевариваются.
2. Рыбные и мясные белки (миоглобин,
но не коллаген).
3. Белки бобовых: перевариваются существенно хуже
(на 50-70%), дефицит метионина.
4. Белки злаков: перевариваются на те же
50-70%, дефицит лизина.
Улучшение качества и биодоступности растит. белков –
за счет дополнительной обработки (дрожжи и др.).
Термическое воздействие разрушает наиболее
«нежные» а/к и часто мешает перевариванию белков.

24.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
ДНК несет генетическую информацию и
передает ее потомству.
Передача потомству = репликация ДНК
(размножение на молекулярном уровне).
Генетическая информация = информация о
первичной структуре белков.
Каждая молекула
ДНК содержит большое число генов
Ген – фрагмент молекулы ДНК, несущий
информацию о структуре определенного белка.
Всего ДНК человека (23 молекулы) содержит около
20 тыс. генов. Каждая молекула ДНК (хромосома) в
обычных клетках присутствует в двух экземплярах:
отцовском и материнском.
РНК выполняет вспомогательную функцию,
обеспечивая превращение генетической информации в конкретные белки (и-РНК – связующее
звено между ДНК и рибосомами).
Ген
белка Х
Ген
белка У
Ген
белка Z
24

25.

25

26.

Внутреннее строение клеток.
1. Клеточная мембрана: два
слоя липидов + встроенные
белки (каналы, насосы, ферменты, рецепторы и др.)
Белок-насос РНК.
2. Ядро: место хранения и репликации ДНК, образования
и-РНК (копия того или иного гена), выходя из ядра, вступает в
контакт с рибосомами, управляя сборкой соответствующ. белка.
3. Рибосомы: комплекс РНК и белков-ферментов; здесь идет
синтез белка по «инструкции» и-РНК; в нейронах очень много
рибосом (признак чрезвычайно активного обмена веществ).
4. Эндоплазматическая сеть (ретикулум): ЭПС – система тонких
разветвленных мембранных каналов, пронизывающая всю
цитоплазму; транспортная функция.
26

27.

27

28.

Транспорт веществ к комплексу
Гольджи по цитоплазме и каналам
ЭПС
5. Комплекс Гольджи:
система плоских мембранных цистерн; здесь
происходит накопление
веществ и их упаковка в
пузырьки-везикулы
(«почкование» везикул).
Далее везикулы направляются к клеточной мембране и сливаются с нею. В
результате происходит
выброс (экзоцитоз)
содержимого пузырьков в
межклеточную среду.
везикула
движение пузырьков-везикул
к клеточной мембране (для экзоцитоза)
Таким путем осуществляется выделение пищеварительных ферментов,
гормонов, медиаторов.
28

29.

наружная
мембрана
внутренняя
мембрана
криста
6. Митохондрии (м/х): «электростанции» клетки (в нейронах – большое кол-во м/х); здесь завершается
окисление органических веществ
(прежде всего, глюкозы); при этом
расходуется О2, выделяется СО2 и
из АДФ образуется АТФ.
АТФ – аденозинтрифосфорная к-та
АДФ – аденозиндифосфорная к-та
АДФ + фосфорная к-та АТФ
АТФ – универсальный
внутриклеточный
переносчик энергии;
в организме человека
ежедневно синтезируется
и распадается более
50 кг этого вещества
(реакция запасания энергии; ею
управляют особые дыхательные ферменты, расположенные на складкахкристах внутренней мембраны м/х)
АТФ АДФ + фосфорная к-та
(реакция выделения энергии; идет в
любой части клетки, где необходимо
«привести в действие» белки-насосы,
ферменты и т.п.)
29

30.

Аденозин.
При «глубоком» распаде (выделение энергии) АТФ превращается сначала в АДФ, потом в
АМФ и наконец в аденозин.
Ф
Ф
Ф
Появление значительных количеств аденозина – признак утомления,
истощения запасов энергии (необходим отдых).
Аденозин оказывает, таким образом, защитное действие на нервную
ткань при перегрузке (в сердце – расширение сосудов).
Антагонисты аденозина кофеин,
теофиллин (шоколад, чай) и некоторые
другие проявляют свойства психомоторных стимуляторов, снимают утомление,
активируют работу многих внутренних
органов. Возможно постепенное формирование привыкания и зависимости.
Кофеин: кофе, «кола» и др.
30

31.

Нейрон – клетка,
имеющая вполне
типичное
внутреннее
строение.
31

32.

Нервная ткань
состоит из собственно
нейронов и
вспомогательных
(«глиальных») клеток,
которых в среднем
больше, чем
нейронов.
Это астроциты,
олигодендроциты,
микроглия и др.
Начнем с
олигодендроцитов,
электрически
разделяющих
нейроны.

33.

миелинизиророванный
аксон
олигодендроцит
миелиновая
оболочка
аксон
А) олигодендроциты: электроизоляции нейронов;
в ЦНС один олигодендроцит образует миелиновые
оболочки на нескольких аксонах; миелин – липидно-
белковый комплекс, придающий белый цвет
скоплениям аксонов («белое вещество мозга»).
Б) астроциты: механическая защита и слежение за
составом межклеточной среды; образуют гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), задерживающий
проникновение в мозг «посторонних» химических
веществ (учитывается при разработке лекарств).
В) микроглия:
фагоциты
(макрофаги)
нервной ткани
33

34.

35.

ВОПРОСЫ к лекции 2:
1. Какое вещество содержится в организме человека в наибольшем количестве?
2. Какие ионы оказывают на нейроны активирующее действие, а какие – участвуют в
торможении нервных клеток?
3. Приведите примеры моно- и полисахаридов. Каковы их функции в организме человека?
4. Опишите химическое строение липидов (в том числе, фосфолипидов).
5. Как устроены клеточные мембраны?
6. Опишите химическое строение аминокислоты. Сколько типов аминокислот входят в состав
белков нашего организма?
7. Что такое первичная, вторичная и третичная структура белка? За счет чего происходит их
образование?
8. Что из себя представляет и какую функцию выполняет активный центр белка?
9. Охарактеризуйте два типа белков-ферментов.
10. Приведите пример транспортного белка крови.
11. В чем сходство и различие белков-каналов и белков-насосов.
12. Какую функцию выполняют белки-рецепторы. Приведите пример.
13. Приведите примеры белков, выполняющих защитную, двигательную, строительную и
запасающую функции.
14. Что такое ген и какую информацию он несет?
15. Какова функция и-РНК и рибосом?
16. Охарактеризуйте строение и функции эндоплазматической сети (ЭПС).
17. Как устроен и функционирует комплекс Гольджи?
18. Какие группы веществ выводятся из клетки при экзоцитозе содержимого везикул?
19. Как устроены и функционируют митохондрии?
20. Какую роль в жизнедеятельности клетки играет АТФ?
21. Какое значение имеют олигодендроциты?
22. Что такое миелин и миелиновые оболочки?
23. Какова функция астроцитов?
24. Что такое ГЭБ – гематоэнцефалический барьер?
25. Какова функция микроглии?
35