01bioch-1310-2014.ppt
- Количество слайдов: 65
Молекулярная нейробиология (2014 г. ) Лекция 1 Введение Игорь Анатольевич Гривенников
Институт молекулярной генетики РАН Лаборатория молекулярной генетики соматических клеток (зав. д. б. н. , проф. И. А. Гривенников) (тел. 8499 -1960014, эл. почта. igorag@img. ras. ru) Основные направления исследований: - молекулярные механизмы формирования памяти в ЦНС. Нейродегенерация и нейропротекция в ЦНС. Функции и роль регуляторных пептидов (меланокортинов) в этих процессах. - механизмы дифференцировки эмбриональных стволовых клеток in vitro и in vivo, получение и исследование ИПС клеток, разработка подходов к клеточной терапии ряда нейродегенеративных заболеваний.
Нейробиология область биологической науки, которая изучает строение и функционирование нервной системы на различных уровнях, от одиночных нейронов до целого организма. Объекты: от просто устроенных организмов до птиц и млекопитающих, включая человека
Молекулярная нейробиология изучает функционирование нервной системы на молекулярном уровне. А именно, каким образом отдельные молекулы и их мультимерные ансамбли принимают участие в функционировании отдельных нервных клеток, а также в организации отдельных клеток в сложно устроенную нервную систему, управляющую поведением животных.
Нейробиология (молекулярная) Возникла в месте перекреста нескольких наук, таких как биология (анатомия и физиология), медицина, физика и химия. В последние годы в развитие молекулярной нейробиологии большой вклад вносят биологическая химия и молекулярная генетика
Почему это интересно и важно? 1. Взаимосвязь между строением мозга и такими его функциями как восприятие, движения, переработка, хранение и воспроизведение информации (память), формирование образов и эмоций. 2. Взаимосвязь между строением нервной системы и различными формами поведения у разнообразных живых существ. 3. Исследование природы и коррекция различных нарушений в работе нервной системы (психические расстройства, нейродегенеративные заболевания, расстройства памяти, депрессии и т. д. ).
Актуальность проблемы, связанной с болезнями нервной системы 1. - Широкое распространение болезней нервной системы Болезнь Альцгеймера (более 10 млн. больных) Инсульты (более 10 млн. случаев в год ) Болезнь Паркинсона ( более 5 млн. больных) Шизофрения (около 1% населения) Эпилепсия (от 1 до 3% населения) 2. Колоссальный ущерб экономике мира (более 200 000 000 $) 3. Нарастание в мировом масштабе количества нейрологических заболеваний (нейродегенерации, депрессии, фобии, наркомании, психозы)
В большинстве случаев заболеваний нервной системы, особенно тяжелых – отсутствие соответствующих лекарственных препаратов, способных эффективно предотвращать развитие патологий или соответственно лечить их.
Следует отметить, что из более чем 100 присужденных Нобелевских премий по физиологии или медицине около 20 были присуждены за работы, так или иначе связанные с исследованиями Нервной системы
Нобелевскую премию 2014 года по физиологии или медицине присудили британскому неврологу Джону О'Кифу (John OKeefe) и норвежским нейробиологам и физиологам Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser) и Эдварду И. Мозеру (Edvard I. Moser) "за открытие клеток, из которых строится система ориентации в мозгу", сообщает официальный сайт премии . Джон О'Киф еще в 1971 году заметил, что определенные клетки гиппокампа в мозгу всегда активировались, когда подопытная крыса находилась в центре комнаты, в то время как другие клетки активировались, когда крыса находилась в других местах в комнате. Ученый пришел к выводу, что эти "местные клетки" формируют карту окружающего животного пространства в мозгу. В 2005 году норвежские физиологи Эдвард и Мэй-Бритт Мозер нашли в расположенной поблизости от гиппокампа энторинальной коре еще одну разновидность клеток, которые отвечают за создание системы координат и построение маршрутов (ориентация на местности).
Строение мозга человека Полуш. коры гиппокамп Передний мозг Средний мозг мозжечок Варолиев мост Продолговатый мозг Спинной мозг
Может ли мозг познать мозг? ? ? Несмотря на существенные успехи в познании строения и функционирования нервной системы наши знания остаются пока явно недостаточными. Мы до сих пор не знаем как работают нейроны во время движения или речи, нам неясны механизмы формирования памяти, основы одаренности, гениальности, эмоций и тд. Мы также не знаем молекулярные основы возникновения ряда болезней нервной системы.
Клетки нервной системы 1. Нейроны ( 1011) 2. Глиальные клетки 3. (по количеству примерно 4. 5. - в 10 раз больше чем нейронов) - Астроциты, Олигодендроциты, Клетки Шванна, Микроглия 3. Клетки эпендимы
Уровни изучения строения и функций нервной системы- самой сложно устроенной системы организма 1. Белки, липиды, нуклеиновые кислоты др. 2. Внутриклеточные компоненты (органеллы, мембраны). 3. Биохимические процессы протекающие в клетках нервной системы 4. Экспрессия генов в клетках нервной системы. 5. Отдельные клетки (нейроны, глиальные клетки). 6. Популяции нейронов. 7. Тканевые культуры. 8. Нервно-мышечные препараты. 9. Целые организмы (от просто устроенных до млекопитающих).
Некоторые методические подходы, используемые при изучении нервной системы Световая и электронная микроскопия Иммуноцитохимическая детекция Определение энзиматической активности Определение экспрессии генов Электрофизиологические подходы Прижизненная детекция активности отделов мозга Технология индуцированных плюрипотентных стволовых клеток Трансгенные животные Поведенческие подходы Компьюторное моделирование
Световая микрофотография среза мозга человека (на уровне таламуса). Окраска на миелин.
аксон астроцит Срез через миелинизированный аксон и астроцит спинного мозга собаки. Х 60000.
Миелинизирующий олигодендроцит Из спинного мозга кошки. Х 12750. олигодендроцит Нервные волокна с миелиновыми оболочками
Иммуноцитохимическая детекция глиальных клеток (антитела к GFAP) Первичная культура из гиппокампа крысы, х200.
Иммуноцитохимическая детекция нейронов (антитела к МАР-2) Первичная культура из гиппокампа крысы, х200.
Культуры из мозга трансгенных мышей с fos-lac. Z.
Иммунофлуоресцентная детекция нейронов в культуре
Определение и изучение энзиматической активности Фосфорилирование и дефосфорилирование белкового субстрата
Определение экспрессии генов и выяснение их функций - Технология микрочипов - Таргетирование или нокаутирование генов - Нейропротеомика
Физические методы исследования Метод пэтч-кламп (patch-clamp) позволяет осуществлять локальную (точечную) фиксацию мембранного потенциала и измерять токи через одиночные ионные каналы. На данный момент этот метод является мощным средством для исследования проводимости биомембран нервных клеток.
Компьюторная томография (КТ) Послойное исследование объектов с последующей обработкой результатов с помощью программного обеспечения. Метод разработан в 70 -е годы ХХ века и был основан на использовании рентгеновского излучения.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) Томографический метод исследования органов и тканей организма основанный на использовании явления ядерного магнитного резонанса Метод я дерного магни тного резона нса (ЯМР) основан на взаимодействии внешнего магнитного поля с ядрами, имеющими магнитный момент, т. е. для ядер с ненулевым спином. К ним относятся 1 Н, 13 С, 15 N, 35 P и другие. Спектроскопия ЯМР на ядрах 1 Н в настоящее время наиболее развита и получила название протонный магнитный резонанс (ПМР). Явление магнитного резонанса было открыто в 1945 -1946 гг двумя независимыми группами ученых. Вдохновителями этого были Ф. Блох и Э. Парселл (Phys. Rev. 69 (1 -2): 37 -38, 1946; 127 -127 1946). Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения .
ЯМР мозга МРТ Позволяют неинвазивно исследовать функции органов: Скорость кровотока, Тока спинномозговой жидкости, Активацию отделов головного мозга, Диффузию в тканях
ПЭТ- позитронно-эмиссионная томография. ПЭТ- радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием. Изотопы: Углерод-11, (Т 1/2 около 20 мин) Фтор-18, (Т 1/2 около 110 мин) Азот-13, (Т 1/2 около 10 мин) Кислород-15 (Т 1/2 около 2 мин)
ПЭТ различных отделов мозга при восприятии речи Чтение слов Разговор словами Восприятие слов Мышление словами
Структура нейрона
Длинный отросток нервной клетки, который покидает тело клетки и образует связь с клеткой-мишенью называется АКСОНОМ
Разнообразие форм нейронов Стрелками указаны аксоны
Реальные нейроны имеют гораздо более сложную структуру (древовидные структуры дендритов и окончания аксона) Нейрон из сетчатки глаза кошки
Ненейрональная клетка Нейрон
Системы транспорта (движения) веществ по аксону -Антероградный транспорт (от тела клетки к окончанию аксона) - Ретроградный транспорт ( к телу клетки)
Нейроны передают электрические импульсы Скорость передачи до 100 м/сек. Передача сигнала через синапсы: - Электрические - Химические Передача информации от нейрона к нейрону или от нейрона к мышечной клетке осуществляется в специализированном месте контакта, который называется синапсом.
Нейроны -Сенсорные -Вставочные -Моторные Размеры нейронов - 400 мкм Длина отростков (аксона) до 1 -2 м
Различные виды нейронов
СИНАПСЫ бывают двух видов: - Электрические синапсы (щелевой контакт около 2 нм) - Химические синапсы (щелевой контакт от 20 до 40 нм)
Электрический синапс. Строение. ( в нервной системе представлены незначительно)
Схематическое строение электрического синапса Коннексины: Белки с М. м. от 26 до 52 к. Д Диаметр открытой поры составляет около 2 нм
Важно: Через пору такого размера могут проходить не только ионы, но и некоторые низкомолекулярные соединения
Химический синапс Передача сигнала в химическом синапсе Нейротрансмиттер Пресинаптический Потенциал действия Рецептор Постсинаптический Синаптический потенциал Потенциал действия
Особенности строения и отличительные признаки химического синапса - передача сигнала осуществляется с помощью химических передатчиков (нейротрансмиттеров) - наличие щелевого контакта между клетками (20 -40 нм) - пропускание импульса только в одну сторону - наличие с одной стороны везикул - неодинаковая уплотненность контакта с двух сторон
Аксональное окончание с синаптическими везикулами Дендрит с прилегающими к нему аксональными окончаниями. Х 75000
Синаптические везикулы Синаптическое окончание в спинном мозге кролика. Х 68000.
Разные типы аксональных окончаний, встречающиеся в ЦНС
Основные типы контактов в синаптических окончаниях
Нервное окончание с Синаптическими везикулами Мышечная клетка Синаптическая щель Ультраструктура нервно-мышечного окончания
Нейротрансмиттеры (в настоящее время около 20 соединений) Аминокислоты и их производные Пептиды Нуклеотиды Прочие (ацетилхолин)
Аминокислоты и их производные Глутамат, аспартат Глицин, гамма-аминомасляная кислота Производные тирозина (дофамин, норадреналин, адреналин) Производные триптофана (серотонин) Производные гистидина (гистамин)
Нуклеотиды АТР Аденозин
Пептиды Тахикинины (субстанция Р, нейрокинины) Опиоидные пептиды (энкефалины) Нейротензин Меланокортины Ангиотензин, брадикинин Нейропептид Y Карнозин
Аксональное окончание нейрона содержит один нейротрансмиттер Ергичность нейрона – какой нейротрансмиттер используется нейроном для передачи сигнала Например: глутаматергический нейрон, дофаминергический нейрон, холинергический нейрон и т. д.
Передача нервного импульса в нейронах осуществляется за счет тока
Мембранный потенциал нервной клетки - 70 мв Высокий Низкий + + + + + - Мембранный потенциал равен 0 не равен 0
Концентрации ионов натрия, калия и хлора внутри и вне клетки Ионы внутри клетки вне клетки (м. М) (м. М) Натрий 50 460 Калий 400 10 Хлор 100 540
Два варианта движения ионов (тока): - Ток направлен внутрь клетки: внутренний заряд меняется к плюсу - (процесс деполяризации). -Ток направлен вне клетки: мембрана заряжается более отрицательно (процесс гиперполяризации).
Две возможности транспорта ионов через мебрану Переносчик Полярный Неполярный Пора Неполярный Полярный
Различные типы транспортных белков мембраны клетки
Два основных состояния каналов Внеклеточное пространство открытый ион закрытый Цитоплазма Состояние каналов Может регулироваться
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ИОННЫХ КАНАЛОВ КАНАЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИНАПСОВ (ПЛОТНЫЕ КОНТАКТЫ) ПОТЕНЦИАЛ- УПРАВЛЯЕМЫЕ КАНАЛЫ ЛИГАНД-УПРАВЛЯЕМЫЕ КАНАЛЫ
Список рекомендуемой литературы (2014 г. ) Essentials of neural science and behavior. E. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell, (1995). Molecular neurobiology (an introduction). Z. W. Hall et al. , (1992). Basic Neurochemistry. G. J. Siegel et al. (ed. ), (2012). From molecules to networks. J. Byrne, J. Roberts (ed. ), (2009). Биохимия мозга. И. П. Ашмарин (ред. ), (1999). От нейрона к мозгу. Д. Николс с соавт. , (2008). Нейрохимия. Болдырев А. А. с соавт. , М. (2010).
01bioch-1310-2014.ppt