Разум побеждает: Рассказывают ученые - Барашенков Владилен Сергеевич - Страница 62

Когда нейрон в рабочем состоянии, он вырабатывает электрическую активность. Для этого ему необходимо много энергии. Энергия высвобождается при окислении биологических субстратов нейрона (глюкозы, органических кислот). Ничто так эффективно не дает энергию, как глюкоза. Глия использует для окисления кроме глюкозы и другие субстраты, например уксусную кислоту. При необходимости глия отдает нейронам и часть своей глюкозы. Она может пожертвовать в их пользу и кислород, перейдя сама на бескислородное дыхание. Нейроны мозга поглощают 20–25 процентов кислорода, потребляемого всем организмом в состоянии покоя, а вес мозга составляет лишь 2,5 процента веса тела. У детей до четырех лет нейроны поглощают даже до 50 процентов кислорода. Прекращение дыхания всего на 3–5 минут приводит к необратимому поражению центральной нервной системы. Поэтому понятно, насколько важна эта функция глии — выручать при необходимости нейроны кислородом и глюкозой.

За последнее время в биохимии появилась новая глава исследований изоферменты. Это разные формы одного и того же фермента, отличающиеся различными видами белковых молекул.

В настоящее время насчитывается более 50 ферментов, у которых доказано существование изоферментов. Благодаря различиям в чувствительности к регуляторным факторам они обеспечивают более тонкую регуляцию обмена в клетке. Так, фермент лактатдегидро-геназа (ЛДГ), с помощью которого нейроны и глиальные клетки окисляют молочную кислоту, может состоять из пяти разных видов белковых молекул. Соответственно все пять его изоферментов встречаются и в нейронах, и в клетках глии. Но в нейронах преобладают те из них, которые способны окислять молочную кислоту в присутствии кислорода, а в глии — те, которые окисляют ее в бескислородной среде.

О трофической функции глии многое было известно уже в начале 70-х годов нашего века, но о других ее функциях стало известно лишь в самое последнее время.

Еще в прошлом столетии выдающийся французский физиолог Клод Бернар сделал верное наблюдение: для того чтобы хорошо приспособиться к внешней среде, организм должен иметь постоянство внутренней среды — гомеостаз. («Гомеостазис» буквально — постоянный внутренний уровень однородного состояния). Изменения внешней среды меняют параметры внутренней среды организма, но только на время. Потом снова должно наступить исходное состояние. Чем выше организовано животное, тем более совершенны механизмы, обеспечивающие гомеостаз. У низших животных температура тела меняется в зависимости от окружающей среды, у высших есть механизмы терморегуляции, бдительно за ней следящие. Стоит температуре тела у человека повыситься всего на полградуса по сравнению с нормальной, и он нездоров.

В нервной системе механизмы гомеостаза особенно важны. Поэтому раньше думали, что при изменениях функциональных состояний нервной системы химический состав клеток остается неизменным. Но оказалось, что это не так. При возбуждении или торможении нейрона изменяются и химический состав, и активность ферментов, но они быстро возвращаются к норме. В этом очень важную роль играют глиальные клетки.

За последние годы стало точно известно, что при возбуждении нейрона в нем происходит перераспределение и заряженных частиц — ионов. Ионы калия (К+) выходят из нейрона во внеклеточное пространство, а ионы натрия (Na+) входят из внеклеточного пространства внутрь его.

Ионы калия являются как бы сигналом для глиальной клетки. Как только они вышли из нейрона, глиальные клетки, расположенные поблизости, жадно их захватывают, и ионы калия тут же «запускают» в них целый ряд биохимических реакций, позволяющих поддерживать гомеостаз в нейроне. Подобно санитарам психиатрической помощи, глиальные клетки готовят для нейрона «смирительную рубашку», не дают ему разбушеваться, выйти за рамки, приводят к исходному состоянию равновесия. Само поглощение глиальной клеткой ионов калия служит спасением от переполнения этими ионами внеклеточного пространства. При их избытке во внеклеточном пространстве наступает беспорядочное возбуждение соседних нейронов, а нейрон должен посылать только узконаправленный сигнал. Наступает неадекватная реакция — генерализованное возбуждение: страх или даже паника.

Когда нервная клетка возбуждена, в ней увеличивается содержание аммиака. При генерализованных возбуждениях аммиак накапливается сильнее. Аммиак токсичен — он отравляет нейроны. Чтобы этого не произошло, нужны ферментные системы, способные его устранять. Они есть в клетках глии.

От нейрона к нейрону возбуждение передается через нейромедиаторы ацетилхолин и ряд других веществ, в том числе, как было установлено в последние годы, через циклические нуклеотиды. Ферменты, способствующие их синтезу, в основном локализуются в нейронах. Те ферменты, что их расщепляют, преимущественно находятся в глиальных клетках.

Нейрон синтезирует медиаторы и держит их наготове. При возбуждении он выделяет их в синаптическую щель и передает возбуждение на соседние нейроны. Чем сильнее возбуждение, тем больше выделяется нейромедиатора. Для точной передачи информации необходима кратковременность действия. Поэтому, чтобы медиатор не действовал слишком долго, нужны ферменты, которые его расщепляют. В противном случае произойдет перевозбуждение или даже отравление нервной системы.

Чтобы этого не произошло, должны работать ферменты, синтезируемые в клетках глии. Известны два фермента, способные расщеплять ацетилхолин, ацетилхолинэстераза и бутирилхолинэстераза. Первый синтезируется в нейронах, второй — в глии. Первый активнее, но справляется с расщеплением ацетилхолина лишь тогда, когда последнего накопилось еще немного. Если же ацетилхолина много, происходит «торможение избытком субстрата», и фермент перестает действовать. Тогда ацетилхолин начинает грозить центральной нервной системе разлитым диффузным перевозбуждением. В этих условиях спасает глия, используя второй фермент — бутирилхолинэстеразу, причем, чем больше ацетилхолина накапливается, тем активнее действует глия. Ее фермент не боится избытка ацетилхолина и расщепляет его.

В последние годы было установлено, что некоторые аминокислоты могут претендовать на роль медиаторов. Как уже говорилось, глиальные клетки захватывают их много, и, возможно, не только для снабжения ими нейронов, но и для предотвращения перевозбуждения нейронов, если в этом наступит необходимость.

Чем активнее работает нейрон, тем интенсивнее идут в нем окислительные процессы — поглощение кислорода и поглощение углекислого газа. Углекислый газ может превращаться в угольную кислоту, и это создаст избыток кислот в нервной ткани. Усиленное окисление глюкозы приводит к накоплению молочной, уксусной, пировиноградной и других органических кислот. Таким образом, активация нейрона создает угрозу сдвига кислотно-щелочного равновесия среды (рН), а постоянство этого равновесия — еще более строгое условие для гомеостаза. Вся жизнедеятельность организма определяется активностью ферментов, а они очень чувствительны к температуре и кислотности среды. Поэтому изменение рН в кислую сторону — это угроза гомеостазу. Для ликвидации избытка угольной кислоты существует фермент — угольная ангидраза, с помощью которой угольная кислота превращается в нейтральные соединения. Они вначале выводятся из клеток мозга в кровь, затем — в легкие и в виде углекислого газа выдыхаются в атмосферу. Активность угольной ангидразы в клетках глии в несколько раз выше, чем в нейронах. Нейрон вынужден потреблять угольную кислоту, а глия заботится 6 том, чтобы его гомеостаз не нарушался.

В последнее время стала вырисовываться и третья, регуляторная (модулирующая) роль глии. Исследования обогащенных фракций глии показали, что ее клетки не только накапливают аминокислоты, но и выделяют их в окружающую среду. Этот процесс очень чувствителен к химическому составу окружающей среды, в частности к ионному составу и к наличию или количеству других аминокислот. Учитывая тесный контакт глиальных клеток и синапсов, можно думать, что прежде всего глия влияет на передачу возбуждения через синапсы.