В нейроне, как и в других клетках организма, постоянно происходят процессы распада молекул, органоидов, других компонентов клетки. Их необходимо постоянно обновлять. Нейроплазматический транспорт важен для обеспечения электрических и неэлектрических функций нейрона, для осуществления обратной связи между отростками и телом нейрона. При повреждении нервов необходима регенерация поврежденных участков и восстановление иннервации органов.
Разнообразные вещества транспортируются по отросткам нейрона с разной скоростью, в разных направлениях и с использованием разных механизмов транспорта. Выделяют два основных вида транспорта: прямой (антероградный) – от тела клетки по отросткам к их периферии и обратный (ретроградный) – по отросткам нейрона к телу клетки (табл. 1).
Табл. 1 Основные компоненты аксонного и дендритного транспорта в нейронах позвоночных (по данным разных авторов)
|
Компоненты и субкомпоненты транспорта |
Скорость мм/сутки |
Что транспортируется |
Морфологический субстрат транспорта |
|
Прямой (антероградный) аксональный транспорт |
|||
| Быстрый (Fast) | |||
| I | 200- 500 | Медиаторы и их предшественники, ферменты синтеза медиаторов, белки плазматической мембраны, мембранные органоиды, нейрогормоны, | Синаптические пузырьки, цистерны гладкого ретикулума, нейросекреторные гранулы, цитоскелетная сеть |
| Промежуточный | |||
| II | 50 - 100 | Белки митохондрий, липиды мембран | Митохондрии, цитоскелет |
| III | 15 | Миозиновые белки, | Цитоскелет |
| Медленный (Slow) | |||
| IV SCb | 2- 4 | Актин, клатрин, актинсвязывающие белки, ферменты метаболизма нейрона, белки аксоплазмы | |
| V SCa | 0,2- 1 | Белки нейрофиламентов, тубулин и фрагменты микротрубочек, ферменты аксоплазмы | Цитоскелет (микротрубочки, микро- и нейрофиламенты), микротрабекулярная сеть |
|
Прямой быстрый дендритный транспорт |
|||
| I D | 200- 400 | Белки постсинапса, рецепторные комплексы, белки цитоплазмы и мембран дендрита и шипиков | Цитоскелет, гладкий ретикулум, транспортные пузырьки |
|
Обратный (ретроградный) транспорт |
|||
| I R | 100- 300 | Отработанные лизосомы и митохондрии, ростовые и трофические факторы, вирусы. | Мультивезикулярные и мультиламеллярные тела, цитоскелет, эндосомы |
В осуществлении транспортных процессов в нейроне участвуют пять групп «моторных» белков, тесно связанных с цитоскелетной сетью. В их состав входят такие белки как кинезины, денеины и миозины.
В осуществлении транспортных процессов в нейроне участвуют пять групп т.н. «моторных» молекул (Рис. xx).
1-3 Группа. Кинезины
В составе этой группы выделяют три типа кинезиновых белков.
1. Группа. Конвекционный кинезин ( kinesin - I или KIF -5). Он был идентифицирован в нервной системе головоногих моллюсков и млекопитающих в 1985 году, а затем и в клетках других животных, включая низших эукариот. Он тесно связан с микротрубочками и является одним из самых главных транспортных белков клетки, осуществляя транспорт материалов (cargo) вдоль микротрубочек по направлению к ее плюс концу. С его помощью транспортируются в отростках нейронов митохондрии, лизосомы, цистерны эндоплазматического ретикулума, синаптические пузырьки, а также ряд немембранных комполнентов клетки (молекулы и-РНК, белки и фибриллы нейрофиламентов).
Состоит молекула кинезина -1 из двух тяжелых и двух легких полипептидных цепей. Из тяжелых и легких цепей каждая кодируются тремя генами. Легкие и тяжелые цепи могут комбинироваться в различных сочетаниях и, как полагают, могут, таким образом, формировать различные разновидности молекул кинезина – I, транспортирующие при этом разные компоненты внутри клетки.
2.Группа. Гетеродимерный кинезин, (кинезин - II , kinesin-II, KIF – 3C).
Свое название он получил из-за наличия трех моторных доменов в структуре молекулы. В нервных и сенсорных клетках позвоночных и беспозвоночных животных (например: в фоторецепторах позвоночных или в хеморецепторных клетках С. elegans) этот белок связан с работой ресничек и жгутиков, осуществляя транспорт крупных молекулярных комплексов вдоль их аксонемальной оси (IFT – intraflagellar transport) В аксонах нервных клеток он выполняет транспортную функцию, перемещая синаптические пузырьки и ферментные комплексы (холинэстеразу), участвующие в работе синапсов.
Одной из форм кинезина II типа является т.н. гомодимерный кинезин (Osm 3, KIF-17) Найден только у многоклеточных (метазоиных) животных. Также как и гетеродимерный кинезин II, он является важнейшей составляющей ресничек хеморецептивных клеток. В нейронах ЦНС млекопитающих эта форма кинезина участвует в транспорте по дендритам пузырьков, содержащих NMDA – синаптические рецепторы. Участие гомодимерного кинезина в IFT - транспорте обсуждается.
3 Группа. Мономерный кинезин (UNC -104, KIF -1A, Klp-53D, kinesin-73) Эта форма транспортных белков была обнаружена в нервной системе C . elegans, где ее мутантная форма вызывала паралич транспорта синаптических пузырьков по аксонам моторных нейронов. Особенностью этой транспортной молекулы является преобладающая мономерная форма этого белка, тогда как другие формы кинезина (как отмечено выше, являются димерами или тетрамерами). Обнаруженный у многих животных (C. elegans – Unc104, дрозофила – Klp53 D , kinesin -73 мышь – KIF -1А, KIF -1В, человек - GAKIN) он принимает участие в транспорте синаптических пузырьков, мембранных белков, связанных с формированием клеточных контактов.
Показано, что в результате альтернативного сплайсинга гена KIF -1B кинезина образуются две изоформы: KIF-1 Bα, участвующая в транспорте по отросткам митохондрий и KIF -1Bβ, транспортирующая синаптические пузырьки в аксонную терминаль.
Еще раз необходимо подчеркнуть, что все формы кинезинов участвуют в транспорте к плюс концу микротрубочек (антероградный, прямой транспорт)
Табдица. Некоторые молекулярные и функциональные характеристики кинезинов в нервной ткани (по N. Hirokava, 1997)
| Тип молекулы | Мол.вес | Вторичная структура | Направление транспорта и скорость | Специфичность экспрессии | Транспортируемый материал |
| KIF -1А | 192 | мономер | + конец, 1,5 мкм/сек | нейроспецифичен | Предшественники синаптических пузырьков |
| KIF -1В | 130 | мономер | + конец, 0,66 мкм/сек | повсеместно | митохондрии |
| KIF 2 | 81 | гомодимер | + конец, 0,47 мкм/сек | Пузырьки, отделяющиеся от предсшественников син. пузырьков | |
| KIF3A | 80 | Гетеродимер с KIF3B | +конец, 0, 3 мкм/сек | Пузырьки (90-180нм), от предшественников | |
| KIF3B | 85 | Гетеродимер с KIF3A | +конец, 0, 3 мкм/сек | Обычен в нейронах, но экспремсируется повсеместно | Пузырьки (90-180нм), от предшественников синаптических пузырьков |
| KIF4 | 140 | Гомодимер, амино концевой моторный домен | + конец, 0,2 мкм/сек | Повсеместно, но в раннем развитии, во взрослых нейронах слабо | Пузырьки |
| KIF5 | |||||
| KIF 1C2 | 86 | Гомодимер, карбоксил концевой моторный домен | - конец, | Нейроспецифичен | Мультивезикулярные тела, дендритный транспорт |
4 Группа Денеины.
Эти транспортные белки участвуют в транспорте по микротрубочкам к ее минус-концу (ретроградный, обратный транспорт). Присутствуют во многих транспортных процессах и движениях клеток, начиная от митоза и заканчивая миграцией нейробластов в развивающемся мозге.
Имеет довольно сложную структуру, представленную множеством субъединиц (цепей). Эти субъединицы взаимодействуют с различными ассоциированными с денеином белками, которые, в свою очередь, могут определять избирательный характер, выполняемых денеином функций в клетке. Так, белок лиссэнцефалин -1 (Lis-1) будучи ассоциированным с денеином, определяет его роль в митозе и движении ядра в клетках развивающегося мозга, но не в транспорте органоидов. Мутации или отсутствие этого белка в период раннего развития организма (пренатальный период) вызывает серьезные нарушения в формировании ЦНС и особенно коры полушарий, приводя в конечном итоге к– лиссэнцефалии (наследственное заболеванию внешне выражающееся в недоразвитии или полном отсутствии в больших полушариях извилин и борозд).
5 Группа. Миозины (myosin-Vs). Этот транспортный белок был впервые идентифицирован биохимически в мозге позвоночных как «миозиноподобный калмодулин связывающий белок». От мышечного миозина он отличается большой длинной шарнирной части молекулы, которая имеет дополнительную легкую цепь и присоединенных к ней пять молекул калмодулина – Са+2 связывающего белка.
Миозин V широко задействован у позвоночных и беспозвоночных животных в транспортных процессах в нервных клетках. В основном он участвует в обратном транспорте мембранных пузырьков, мультивезикулярных тел, отработанных органоидов и их компонентов, а также нейротрофических и нейроростовых субстанций и наконец вирусов.
Кинезины обеспечивают транспорт в обоих направлениях (прямой и обратный), но во всех случаях этот транспорт идет к «+ » – концу микротрубочки. Денеины участвуют в транспорте по микротрубочкам к ее «- » - концу. Миозины – это транспортные белки, которые, в основном, участвуют в обратном транспорте мембранных пузырьков, мультивезикулярных тел, отработанных органоидов и их компонентов, а также нейротрофических и нейроростовых субстанций и вирусов. Кроме того, миозины принимают участие и в прямом транспорте компонентов цитоскелета по отросткам и телу нейрона (например, с его помощью перемещаются короткие мобильные микротрубочки). Важную роль миозины играют в росте отростков и их ретракции в процессе развития нейронов и миграции клеток.
Механизмы аксонного и дендритного транспорта
Прямой аксональный транспорт осуществляют моторные молекулы, связанные с системой цитоскелета и плазматической мембраной. Моторная часть молекул кинезина или денеина связывается с микротрубочкой, а хвостовая ее часть – с транспортируемым материалом, с аксональной мембраной или с соседними элементами цитоскелета. В обеспечении транспорта по отросткам принимают участие и ряд вспомогательных белков (адапторов), ассоциированных с кинезином или денеином. Все процессы идут со значительной затратой энергии.
Обратный (ретроградный) транспорт.
В аксонах основным механизмом обратного транспорта является система денеиновых и миозиновых моторных белков. Морфологическим субстратом этого транспорта являются: в аксоне – мультивезикулярные тела и сигнальные эндосомы, в дендритах – мультивезикулярные и мультиламеллярные тела.
В дендритах обратный транспорт осуществляется молекулярными комплексами не только денеина, но и кинезина. Это связано с тем, что (как указывалось ранее) в проксимальных участках дендритов микротрубочки ориентированы во взаимопротивоположном направлении, а транспортировку молекул и органоидов к «+ » – концу микротрубочек осуществляют только кинезиновые комплексы. Как и в случае прямого транспорта, разные компоненты и вещества транспортируются ретроградно в разных нейронах с разной скоростью, и, по – видимому, разными способами.
Большую роль в транспортных процессах в нейроне играет гладкий эндоплазматический ретикулум. Показано, что по всей длине отростков нейрона распространяется непрерывная разветвленная сеть цистерн гладкого ретикулума. Концевые ветвления этой сети проникают в пресинаптические участки синапсов, где от них отшнуровываются синаптические пузырьки. Именно по его цистернам быстро транспортируются многие медиаторы и нейромодуляторы, нейросекреты, ферменты их синтеза и распада, ионы кальция и другие компоненты аксотока. Молекулярные механизмы этой разновидности транспорта пока не ясны.
Дендритный транспорт
Долгое время экспериментально подтвердить наличие транспорта в дендритах не удавалось из-за значительного объема синтеза белков собственно в дендритах. Только с появлением методики внутриклеточной инъекции меченых предшественников синтеза белка и других компонентов цитоплазмы, удалось показать, что в дендритах, также как и в аксонах, имеется транспорт. Скорость прямого и обратного транспорта, в дендритах сопоставима со скоростью прямого быстрого аксонального транспорта.
По дендритам транспортируются вещества, которые либо не транспортируются по аксонам, либо транспортируются в очень ограниченном количестве (например: ферменты распада медиаторов, компоненты постсинаптических утолщений, ганглиозиды (специфические гликолипиды нейрональных мембран), нейрогормоны и нейротрофические факторы).
Наличие одновременно прямого и обратного транспорта в отростках нейронов создает проблему их взаимодействия друг с другом. Направление транспортных потоков в нейроне зависит, как полагают, от баланса между прямым и обратным транспортом и этот баланс может быть самым различным.
Состояние цитоскелета нейрона и моторных комплексов сильно сказывается на общей морфологии его отростков. Показано, что в зависимости от того, какие компоненты цитоскелета или моторные молекулы активированы или не работают, форма, длина и толщина отростков сильно изменяется.
Как и в случае прямого транспорта, разные компоненты и вещества транспортируются ретроградно в разных нейронах с разной скоростью, и, по – видимому, разными способами.
Таблица. 4 Скорости ретроградного аксонного транспорта различных молекул в периферической нервной системе (по: Reynolds et al., 2000 с изменениями)
|
Транспортируемое вещество |
Скорость транспорта |
Популяции нейронов, где обнаружен транспорт |
|
NGF (нейроростовой фактор) |
2-5 мм/час 10-13 мм/час |
Симпатические нейроны Чувствительные нейроны спинно-мозгового ганглия |
|
Фермент допамин-β- гидрокислаза |
Седалищный нерв |
|
|
Вторичные посредники для фосфорилирования тирозинкиназ рецепторов |
28-57 мм/час (8-16 мкм/сек) |
Седалищный нерв |
Таким образом, в нейронах существует хорошо развитый цитоскелет и связанная с ним эффективная система прямого и обратного транспорта по отросткам разнообразных материалов и субстанций.
Волокна группы А альфа
(диаметр -13-22 мкм, скорость – 60- 120 м/с, длительность ПД- 0,4-0,5 мс)
1). эфферентные волокна, проводящие
возбуждение к скелетным мышцам от альфа-мотонейронов
2) афферентные волокна, проводящие возбуждение от мышечных рецепторов в ЦНС
Волокна группы А бета
(диаметр – 8-13- мкм, скорость – 40- 70 м/с, длительность ПД- 0,4 -0,6 мс)
1. Афферентные волокна, проводящие
возбуждение от рецепторов прикосновения и сухожильных рецепторов в ЦНС
Волокна группы А гамма
(диаметр – 4-8 мкм, скорость – 15- 40 м/с, длительность ПД- 0,5 -0,7 мс)
1) эфферентные волокна к мышечным веретенам от гамма-мотонейрнов
2). афферентные волокна, проводящие
возбуждение от рецепторов прикосновения и давления в ЦНС
Волокна группы В
(диаметр – 1-3 мкм, скорость -3-14 м/с, длительность ПД- 1,2 мс)
Это – преганглионарные волокна вегетативной нервной системы
Волокна группы С
(диаметр – 0,5-1,0 мкм, скорость -0,5-2,0 м/с, длительность ПД- 2,0 мс)
1.постганглионарные волокна ВНС
2.афферентные волокна, проводящие возбуждение от рецепторов боли, давления и тепла в ЦНС
Аксонный транспорт. Быстрый аксонный транспорт. Медленный аксонный транспорт.
Аксонный транспорт - это перемещение веществ по аксону. Белки, синтезированные в теле клетки, синаптические медиаторные вещества и низкомолекулярные соединения перемещаются по аксону вместе с клеточными органеллами, в частности, митохондриями. Для большинства веществ и органелл обнаружен также транспорт в обратном направлении. Вирусы и токсинымогут проникать в аксон на его периферии и перемещаться по нему. Аксонный транспорт - активный процесс. Различают
быстрый аксонный транспорт и медленный аксонный транспорт.
Медленный аксонный транспорт - транспорт крупных молекул, в этом случае, видимо, сам транспортный механизм не является более медленным, но переносимые вещества время от времени попадают в клеточные компартаменты, не участвующие в транспорте. Так, митохондрии перемещаются иногда со скоростью быстрого транспорта, затем останавливаются или меняют направление движения, в результате получается медленный транспорт.
Скорость быстрого аксонного транспорта составляет 410 мм/день. Такая скорость обнаружена во всех нейронах теплокровных животных, независимо от вида переносимых молекул.
Во многих случаях транспорт органелл в клетке зависит от микротрубочек Микротрубочки в аксоне характеризуются относительной стабильностью по сравнению с другими клетками. Вероятно, это происходит за счет высокого содержания MAP , которые способны стабилизировать микротрубочки. Кроме того, этому способствует образование пучков микротрубочек с помощью различных ассоциированных белков.
Выделяют два основных вида транспорта: прямой (антероградный) – от тела клетки по отросткам к их периферии и обратный (ретроградный) – по отросткам нейрона к телу клетки
В нейроне, как и в других клетках организма, постоянно происходят процессы распада молекул, органоидов, других компонентов клетки. Их необходимо постоянно обновлять. Нейроплазматический транспорт важен для обеспечения электрических и неэлектрических функций нейрона, для осуществления обратной связи между отростками и телом нейрона. При повреждении нервов необходима регенерация поврежденных участков и восстановление иннервации органов.
Разнообразные вещества транспортируются по отросткам нейрона с разной скоростью, в разных направлениях и с использованием разных механизмов транспорта. Выделяют два основных вида транспорта: прямой (антероградный) – от тела клетки по отросткам к их периферии и обратный (ретроградный) – по отросткам нейрона к телу клетки (табл. 1).
В осуществлении транспортных процессов в нейроне участвуют пять групп «моторных» белков, тесно связанных с цитоскелетной сетью. В их состав входят такие белки как кинезины, денеины и миозины.
В осуществлении транспортных процессов в нейроне участвуют пять групп т.н. «моторных» молекул (Рис. xx).
Механизмы аксонного и дендритного транспорта
Прямой аксональный транспорт осуществляют моторные молекулы, связанные с системой цитоскелета и плазматической мембраной. Моторная часть молекул кинезина или денеина связывается с микротрубочкой, а хвостовая ее часть – с транспортируемым материалом, с аксональной мембраной или с соседними элементами цитоскелета. В обеспечении транспорта по отросткам принимают участие и ряд вспомогательных белков (адапторов), ассоциированных с кинезином или денеином. Все процессы идут со значительной затратой энергии.
Обратный (ретроградный) транспорт.
В аксонах основным механизмом обратного транспорта является система денеиновых и миозиновых моторных белков. Морфологическим субстратом этого транспорта являются: в аксоне – мультивезикулярные тела и сигнальные эндосомы, в дендритах – мультивезикулярные и мультиламеллярные тела.
В дендритах обратный транспорт осуществляется молекулярными комплексами не только денеина, но и кинезина. Это связано с тем, что (как указывалось ранее) в проксимальных участках дендритов микротрубочки ориентированы во взаимопротивоположном направлении, а транспортировку молекул и органоидов к «+ » – концу микротрубочек осуществляют только кинезиновые комплексы. Как и в случае прямого транспорта, разные компоненты и вещества транспортируются ретроградно в разных нейронах с разной скоростью, и, по – видимому, разными способами.
Большую роль в транспортных процессах в нейроне играет гладкий эндоплазматический ретикулум. Показано, что по всей длине отростков нейрона распространяется непрерывная разветвленная сеть цистерн гладкого ретикулума. Концевые ветвления этой сети проникают в пресинаптические участки синапсов, где от них отшнуровываются синаптические пузырьки. Именно по его цистернам быстро транспортируются многие медиаторы и нейромодуляторы, нейросекреты, ферменты их синтеза и распада, ионы кальция и другие компоненты аксотока. Молекулярные механизмы этой разновидности транспорта пока не ясны.
Процессы внутриклеточного транспорта наиболее ярко могут быть продемонстрированы на аксоне нервной клетки . Аксонный транспорт рассматривается здесь подробно, чтобы проиллюстрировать события, которые, вероятно, сходным образом происходят в большинстве клеток. Аксон, диаметр которого составляет всего несколько микронов, может достигать длины одного метра и более, и движение белков путем диффузии от ядра к дисталь-ному концу аксона заняло бы годы. Давно известно, что когда какой-либо из участков аксона подвергается констрикции, часть аксона, расположенная проксимальнее, расширяется. Это выглядит так, как будто в аксоне блокирован центробежный поток. Такой поток быстрый аксонный транспорт-может быть продемонстрирован движением радиоактивных маркеров, как в эксперименте, показанном на рис. 1.14. Лейцин, меченный радиоактивной меткой, инъецировали в ганглий дорсального корешка, и затем со 2-го по 10-й час измеряли радиоактивность в седалищном нерве на расстоянии 166 мм от тел нейронов. За 10 часов пик радиоактивности в месте инъекции менялся незначительно. Но волна радиоактивности распространялась по аксону с постоянной скоростью около 34 мм за 2 ч, или 410 мм/сут. Показано, что во всех нейронах гомойотермных животных быстрый аксонный транспорт осуществляется с такой же скоростью, причем ощутимых различий между тонкими, безмиелиновыми волокнами и наиболее толстыми аксонами, а также между моторными и сенсорными волокнами не наблюдается. Тип радиоактивного маркера также не влияет на скорость быстрого аксонного транспорта ; маркерами могут служить разнообразные радиоактивные молекулы, такие, как различные аминокислоты, включающиеся в белки тела нейрона. Если проанализировать периферическую часть нерва, чтобы определить природу переносчиков транспортированной сюда радиоактивности, то такие переносчики обнаруживаются главным образом во фракции белков, но также в составе медиаторов и свободных аминокислот. Зная, что свойства этих веществ различны и особенно различны размеры их молекул, постоянную скорость транспорта мы можем объяснять только общим для всех них транспортным механизмом .
Рис. 1.14. Опыт, демонстрирующий быстрый аксонный транспорт в сенсорных волокнах седалищного нерва кошки. Меченный тритием лейцин вводят в ганглий дорсального корешка и измеряют радиоактивность в ганглии и сенсорных волокнах через 2, 4, 6, 8 и 10 ч после введения (нижняя часть рисунка). По оси абсцисс отложено расстояние от ганглия до участков седалищного нерва, где производят измерение. По оси ординат только для верхней и нижней кривой в логарифмическом масштабе отложена радиоактивность (имп./мин). «Волна» повышенной радиоактивности (стрелки) движется со скоростью 410мм/сут (по )Описанный выше быстрый аксонный транспорт является антероградным , т. е. направленным от тела клетки. Показано, что некоторые вещества движутся от периферии к телу клетки с помощью ретроградного транспорта. Например, ацетилхолинэстераза транспортируется в этом направлении со скоростью в 2 раза меньшей, чем скорость быстрого аксонного транспорта. Маркер, часто используемый в нейроанатомии пероксидаза хрена-также перемещается ретроградным транспортом. Ретроградный транспорт, вероятно, играет важную роль в регуляции белкового синтеза в теле клетки. Через несколько дней после перерезки аксона в теле клетки наблюдается хроматолиз, что свидетельствует о нарушении белкового синтеза. Время, требующееся для хроматолиза, коррелирует с длительностью ретроградного транспорта от места перерезки аксона до тела клетки. Такой результат предполагает и объяснение этого нарушения-нарушается передача с периферии «сигнального вещества», регулирующего белковый синтез.
Очевидно, что основными «средствами передвижения », используемыми для быстрого аксонного транспорта, являются везикулы (пузырьки) и орга-неллы, такие, как митохондрии, содержащие вещества, которые нужно транспортировать. Перемещение наиболее крупных везикул или митохондрий можно наблюдать с помощью микроскопа in vivo. Такие частицы совершают короткие быстрые движения в одном из направлений, останавливаются, часто двигаются немного назад или в сторону, снова останавливаются, а затем совершают рывок в основном направлении. 410 мм/сут соответствуют средней скорости антероградного движения приблизительно 5 мкм/с; скорость же каждого отдельного движения должна быть, следовательно, значительно выше, а если учесть размеры органелл, филаментов и микротрубочек, то эти движения действительно очень быстры. Быстрый аксонный транспорт требует значительной концентрации АТФ. Такие яды, как колхицин, разрушающий микротрубочки, также блокируют быстрый аксонный транспорт. Из этого следует, что в рассматриваемом нами транспортном процессе везикулы и орга-неллы движутся вдоль микротрубочек и актиновых филаментов; это движение обеспечивается малыми агрегатами молекул динеина и миозина, действующих, как показано на рис. 1.13, с использованием энергии АТФ.
Быстрый аксонный транспорт может участвовать и в патологических процессах. Некоторые нейротропные вирусы (например, вирусы герпеса или полиомиелита) проникают в аксон на периферии и движутся с помощью ретроградного транспорта к телу нейрона, где размножаются и оказывают свое токсическое действие. Токсин столбняка -белок, который продуцируется бактериями, попадающими в организм при повреждениях кожи, захватывается нервными окончаниями и транспортируется к телу нейрона, где он вызывает характерные мышечные спазмы.
Известны случаи токсического воздействия на сам аксонный транспорт, например воздействие промышленным растворителем акриламидом. Кроме того, полагают, что патогенез авитаминоза «бери-бери » и алкогольной полинейропатии включает нарушение быстрого аксонного транспорта .
Рис. 1.13. Немышечный миозиновый комплекс
при определенной ориентации может связываться с актиновыми филаментами различной полярности и, используя энергию АТФ, смещать их относительно друг друга
Помимо быстрого аксонного транспорта в клетке существует и довольно интенсивный медленный аксонный транспорт . Тубулин движется по аксону со скоростью около 1 мм/сут, а актин быстрее-до 5 мм/сут. С этими компонентами цитоскелета мигрируют и другие белки; например, ферменты, по-видимому, связаны с актином или тубулином. Скорости перемещения тубулина и актина примерно согласуются со скоростью роста, обнаруженной для механизма, описанного ранее, когда молекулы включаются в активный конец микротрубочки или мик-рофиламента. Следовательно, этот механизм может лежать в основе медленного аксонного транспорта. Скорость медленного аксонного транспорта примерно соответствует также скорости роста аксона, что, по-видимому, указывает на ограничения, накладываемые структурой цитоскелета на второй процесс.
Завершая данный раздел, следует подчеркнуть, что клетки ни в коем случае не являются статичными структурами, каковыми они кажутся, например, на электронно-микроскопических фотографиях. Плазматическая мембрана и особенно органеллы находятся в постоянном быстром движении и постоянной перестройке; только поэтому они способны функционировать. Далее, это не простые камеры, в которых протекают химические реакции, а высокоорганизованные конгломераты мембран и волокон, в которых реакции протекают в оптимально организованной последовательности.
Потенциалы действия, развивающиеся на плазматической мембране аксона или сомадендритного комплекса, оказывают стимулирующее действие на внутриклеточные процессы. Это связано с влиянием на ферменты клетки проникающих в нее ионов Na + и особенно Са 2+ действующих через специальный белок калъмодулин.
Таким образом, распространяющийся ПД влечет за собой быструю волну активации внутриклеточных процессов.
Вместе с тем внутри аксона (и других частей нервной клетки) происходят закономерные перемещения материалов (белковых частиц, органоидов), прямо не связанные с ПД и имеющие совсем другие скорости. Эти перемещения материалов хорошо изучены в аксонах; здесь они получили название аксонный транспорт. Существует два вида аксонного транспорта: быстрый и медленный.
Быстрый аксонный транспорт - это, например, транспорт везикул, митохондрий и некоторых белковых частиц от тела клетки к окончаниям аксона со скоростью у млекопитающих 250-400 мм/сут. Он осуществляется специальным транспортным механизмом. Этот транспорт не нарушается при отделении аксона от тела клетки, но прекращается при разрушении внутриаксонных структур - микротрубочек и нейрофиламентов (разрушение производится колхицином, винбластином), а также при отсутствии в аксоне АТФ и Са 2+ В связи с этим полагают, что механизм, осуществляющий этот быстрый транспорт, подобен механизму скольжения нитей при мышечном сокращении (см. разд. 1.2.4).
Считают, что нейрофиламенты перемещаются («скользят») вдоль микротрубочек, имеющих боковые выросты, которые, видимо, своими движениями и обеспечивают скольжение нейрофиламентов. Энергия для этого процесса извлекается из АТФ, расщепляемого ферментативно при объединении белковых структур нейрофиламентов и выростов микротрубочек в присутствии Са 2+ . Один из белков играет роль АТФазы. Транспортируемые частицы прикрепляются на нейрофиламентах и как бы перевозятся на них. Этот процесс можно наблюдать и в выдавленной из аксона аксоплазме.
Быстрый аксонный транспорт везикул (с медиатором для синапсов) происходит в дистальном направлении - антероградный транспорт. Существует и обратный - ретроградный - быстрый транспорт лизосом, везикул, мультивезикулярных тел, возникающих в окончаниях аксона в ходе пиноцитоза, который протекает с захватом некоторых веществ (например, ацетилхолинэстеразы, периферических факторов, регулирующих синтез белка в соме нейрона, а также некоторых вирусов, токсинов и пероксидазы хрена - маркёра, используемого в экспериментах). Скорость этого транспорта ≈ 220 мм/сут (у млекопитающих). Скорости быстрого транспорта, и антероградного и ретроградного, не зависят от типа и диаметра аксона, хотя у пойкилотермных (холоднокровных) позвоночных они ниже, чем у гомойотермных (теплокровных).
Медленный аксонный транспорт - это перемещение всей массы белков цитоплазмы (микротрубочек, нейрофиламентов, РНК, каналов, насосов и т. п.) в дистальном направлении, создаваемое за счет интенсивных синтетических процессов в перикарионе. Медленный аксоток обнаруживает себя при тугой перетяжке нерва лигатурой, сдавливающей аксоны. При этом в дистальной части аксона диаметр уменьшается, а в проксимальной - перед перетяжкой образуется вздутие - «наплыв цитоплазмы».
Медленный аксоток движется со скоростью около 1-4 мм/сут. Он прекращается при отделении сомы от аксона и не нарушается факторами, разрушающими микротрубочки (колхицином, винбластином). Медленный аксонный транспорт имеет особое значение в процессах роста и регенерации аксонов (дендритов) и их разветвлений.
|
аксонный транспорт онлайн, аксонный транспорт минск
Аксо́нный тра́нспорт
- это перемещение по аксону нервной клетки различного биологического материала.
Аксональные отростки нейронов отвечают за передачу потенциала действия от тела нейрона к синапсу. Также аксон представляет собой путь, по которому осуществляется транспорт необходимых биологических материалов между телом нейрона и синапсом, необходимый для функционирования нервной клетки. По аксону из области синтеза в теле нейрона транспортируются мембранные органеллы (митохондрии), различные везикулы, сигнальные молекулы, ростовые факторы, белковые комплексы, компоненты цитоскелета и даже Na+- и K+-каналы. Конечными пунктами этого транспорта служат определенные области аксона и синаптической бляшки. свою очередь, нейротрофические сигналы транспортируются из области синапса к телу клетки. Это выполняет роль обратной связи, сообщающей о состоянии иннервации мишени.
Длина аксона периферической нервной системы человека может превышать 1 м, а может быть и больше у крупных животных. Толщина большого мотонейрона человека составляет 15 мкм, что при длине в 1 м дает объём ~0,2 мм³, а это почти в 10000 раз больше объёма клетки печени. Это делает нейроны зависимыми от эффективного и координированного физического транспорта веществ и органелл по аксонам.
Величины длин и диаметров аксонов, а также количества материала, транспортируемого по ним, безусловно, говорят о возможности возникновения сбоев и ошибок в системе транспорта. Многие нейродегенеративные заболевания непосредственно связаны с нарушениями в работе этой системы.
Упрощённо аксонный транспорт можно представить как систему, состоящую из нескольких элементов. неё входят груз, белки-моторы, осуществляющие транспорт, филаменты цитоскелета, или «рельсы», вдоль которых «моторы» способны передвигаться. Также необходимы белки-линкеры, связывающие белки-моторы с их грузом или другими клеточными структурами, и вспомогательные молекулы, запускающие и регулирующие транспорт.
Белки цитоскелета доставляются из тела клетки, двигаясь по аксону со скоростью от 1 до 5 мм в сутки. Это медленный аксонный транспорт (похожий на него транспорт имеется и в дендритах). Многие ферменты и другие белки цитозоля также переносятся при помощи этого типа транспорта.
Нецитозольные материалы, которые необходимы в синапсе, такие как секретируемые белки и мембраносвязанные молекулы, двигаются по аксону с гораздо большей скоростью. Эти вещества переносятся из места их синтеза, эндоплазматического ретикулума, к аппарату Гольджи, который часто располагается у основания аксона. Затем эти молекулы, упакованные в мембранные пузырьки, переносятся вдоль рельсов-микротрубочек путём быстрого аксонного транспорта со скоростью до 400 мм в сутки. Таким образом по аксону транспортируются митохондрии, различные белки, включая нейропептиды (нейромедиаторы пептидной природы), непептидные нейромедиаторы.
Транспорт материалов от тела нейрона к синапсу называется антероградным, а в обратном направлении - ретроградным.
Транспорт по аксону на большие расстояния происходит с участием микротрубочек. Микротрубочки в аксоне обладают присущей им полярностью и ориентированны быстрорастущим (плюс-)концом к синапсу, а медленнорастущим (минус-) - к телу нейрона. Белки-моторы аксонного транспорта принадлежат к кинезиновому и динеиновому суперсемействам.
Кинезины являются, в основном, плюс-концевыми моторными белка́ми, транспортирующими такие грузы, как предшественники синаптических везикул и мембранные органеллы. Этот транспорт идет в направлению к синапсу (антероградно). Цитоплазматические динеины - это минус-концевые моторные белки, транспортирующие нейротрофные сигналы, эндосомы и другие грузы ретроградно к телу нейрона. Ретроградный транспорт осуществляется динеинами не эксклюзивно: обнаружены несколько кинезинов, перемещающихся в ретроградном направлении.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
аксонный транспорт минск, аксонный транспорт онлайн, аксонный транспорт тернополя, аксонный транспортный
