Нейроглия. Виды глиальных клеток. Функциональная роль нейроглии

Таблица 1

Влияние ацитилхолина(АХ) на скорость поглощения кислорода (О_АХ) обогащенными клетками глии фракций при разных соотношениях К+/АХ. О₀-скорость поглощения кислорода без АХ.  Концетрация АХ-10^-5г/мл

 

К+ мМ	Скорость поглощения кислорода мкА О2/мин
	Оо	%	Оах	%	В % к Оо
5 мМ	6,82±0,45	100	8,06±0,81	100	118,2
40 мМ	10,21±0,62	161,1	12,87±0,42	159,7	126,1
60 мМ	13,45±0,73	197,2	12,5±0,54	155,1	92,2

 

 

 

 

 

 

 

 

2) под влиянием АХ изменяется активность ряда ферментов обмена углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот и т.п.  

В связи с вышеизложенным, мы предприняли  исследование наличия связи между изменением мембранной активности клеток глин и углеводным обменом в них при воздействии АХ. При этом особое внимание обращалось на соотношение К+ к АХ (К⁺—5 мМ/АХ — 10^-5 г/мл; К⁺- 40 мМ/АХ—10^-5 г/мл; К⁺—60 мМ/АХ—10^-5  г/мл).

Было установлено (табл. I), что при  концентрации К⁺ 5 мМ скорость поглощения кислорода клетками глии в присутствии АХ возрастает на 18%. При более высокой концентрации К⁺ (40 мМ) эффект АХ усиливается и достигает 26%, а при концентрации К⁺ 60 мМ стимулирующий эффект АХ на дыхание элиминируется, а по сравнению с контролем даже проявляется тенденция к торможению. Стимулирующий эффект АХ на скорость поглощения кислорода полностью исчезает в присутствии аптихолинэргического агента — атропина. Этот факт указывал на существование холинэргического рецептора на мембранах глии, что в настоящее время является хорошо доказанным экспериментально. Подтверждается существование холинэргического механизма регуляции дыхания глиальных клеток, где роль информатора сигнала может выполнить возбуждающий нейропередатчик АХ.

ГАМК как  передатчик метаболического сигнала  в нейрон-нейроглиальной системе.

Из данных литературы известно, что  под влиянием ГАМК изменяется мембранная активность глии и стимулируются окислительные процессы в нервной ткани. Следовательно, можно было допустить, чти и ГАМК может претендовать на роль метаболического сигнала. С целью решения данного вопроса в качестве объекта были взяты нервные клетки ядра Дейтерса кролика, где функцию нейропередатчика выполняет ГАМК. Изменения в содержании ГАМК вызывали введением ГАМК и фармакологических веществ (гидроксиламин, тиосемикарбазид), действие которых связано с обменом ГАМК. Об изменении метаболической активности изолированных нейронов и клеток глии судили по сукцинатоксидазной (СО) активности (СОА), которая является удобным тестом для оценки функционального состояния нервных клеток.

Было установлено, что в зависимости  от уровня содержания ГАМК в головном мозгу активность СО меняется реципрокно: ГАМК подавляет активность фермента в нейронах, а в глии напротив—стимулирует. Под влиянием гидроксиламина по сравнению с нормой более чем в 2 раза возрастает САО нейронов, в нейроглии—подавляется. Тиосемикарбазид также стимулировал СОД в нейронах, но не оказывал влияния на активность фермента в клетках глии. Учитывая разнонаправленность действия ГАМК, гидроксиламина и тиосемикарбазида па количественное распределение ГАМК в головном мозгу и результаты влияния ГАМК на окислительное фосфолирование было сделано заключение, что в регуляторных механизмах окислительных процессов нервных клеток значение имеет не общее содержание ГАМК в мозгу, а ее распределение во внутри- и в внеклеточном пространстве. Следовательно, и ГАМК может выполнить функцию передатчика сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.

Аммиак как передатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.

Уровень аммиака в головном мозгу  является одним из показателей функционального состояния ЦНС. Как было установлено, обмен аммиака находит свое отражение в мембранной активности клеток глии, что послужило основанием изучения его возможной роли в передаче информации о функциональном состоянии нейронов на перинейрональные клетки. С целью биохимического обоснования такого механизма мы исследовали дыхание обогащенных клетками глии фракций в опытах in vitro в зависимости от концентрации аммиака в среде инкубации. В качестве субстрата дыхания использовали глутамат и глутамин. Дыхание клеток глии в присутствии глутамата служило контролем. В опытных вариантах образование глутамата, субстрата дыхания, происходило в результате распада глутамина. Следовательно, при такой постановке опытов, критическими были: величина активности глутаминазы глии и скорость освобождения аммиака глутамата. 

Предварительные опыты по изучению глутаминазной активности глии показали, что она является аллостерическим ферментом высокой степенью кооперативности, следовательно требовалось графическое сопоставление скорости образования аммиака в инкубационной среде и скорости поглощения кислорода глиальными клетками. Как видно из рисунка 2, спустя одну минуту после добавления глутамина в инкубационную среду, в период максимального усиления дыхания, количество аммиака составляет 0,64 мкМ, через 4 мин, когда проявляется тенденция угнетения дыхания— 1.40 мкМ а на 9-й мин,    при торможении дыхания на 60%—3,20 мкМ. В опытах с глутаматом (контроль) нам не удалось обнаружить достоверных изменений в продукции аммиака и, следовательно, дыхание глиальных клеток во времени возрастало линейно.

Суммируя вышеизложенное, мы считаем, что аналогично К⁺ АХ и ГАМК, аммиак также может участвовать в передаче метаболического сигнала от нейрона на нейроглиальные клетки.

       Механизм инактивации нейропередатчиков глиальными клетками.

Исходя из того факта, что нейропередатчики могут выступать в роли переносчиков метаболических сигналов в нейрон-нейроглиальной системе, возникает вопрос о необходимости их инактивации глиальными клетками. В настоящее время установлено, что глиальные клетки обладают способностью инактивировать нейропередатчики на уровне плазматической мембраны и внутриклеточно. Примером первого пути является гидролиз АХ глией без предварительного его захвата. Клетки глии характеризуются высокой ацетил- и бутирилхолинэстеразной активностью и легко могут устранить излишки АХ. Продукт гидролиза АХ холин, который обладает слабым холинэргическим эффектом, устраняется клетками глии механизмом захвата высокого сродства. На примере ГАМК было показано, что в клетках глии имеется две системы его захвата: с высоким   (К_м = -31 ± 7 мкМ) и низким (К_м--123±10 мкМ) сродством. Выявлены также механизмы активного захвата дофамина  (К_м -0,07± 0,001 мкМ)  и серотонина (К_м —0,083±0,002 мкМ). Дальнейшая судьба инактивации серотонина в клетках глии заслуживает особого внимания в связи с его отрицательным влиянием на синтез белков. Нам удалось установить, один из возможных механизмов инактивации серотонина в клетках глии путем синтеза глюкуронида серотонина, последний в отличие от серотонина отличается более чем в 1000 раз меньшей биологической активностью.

Таким образом, выясняется, что относительно всех кандидатов, Претендующих на информативную роль в передаче метаболических сигналов, в клетках глин имеются мощные механизмы устранения их хеморецептивного воздействия на мембрану.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     6. Возможная роль глиальных клеток в  обеспечении нейронов АТФ.

(Л. М. Чайлахян Институт проблем передачи информации АН СССР, Москва, СССР)

В общей проблеме о функциональной роли нейроглии существует важный и  интересный вопрос—являются ли глиальные клетки источником энергии для нейронов? Он возникает в связи с тем, что глиальные клетки, с одной стороны, не уступают нейронам по интенсивности энергетического обмена, в частности, но окислительному фосфорилированию, т. е. в производстве АТФ, но, с другой стороны, должны потреблять гораздо меньше энергии, чем нейроны, так как электрически пассивны. Для обоснования подобной точки зрения важно достаточно аккуратно сравнить энергетические потребности для поддержания ионных градиентов у нейронов и глиальных клеток. В настоящем сообщении сделаны такие количественные оценки, результаты которых позволяют сформулировать гипотезу о возможной роли глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ.

В первую очередь нужно оценить необходимые энергетические затраты нейрона для поддержания ионных градиентов в покое и сравнить их с таковыми у глиальных клеток. Для последующих расчетов на основании литературных данных была приняты следующие геометрические и электрофизиологические параметры для обобщенного нейрона и глиальной клетки.

Геометрические параметры нейрона: объем нейрона принимался равным объему шара диаметром 30н м - что соответствовало величине О_н=1.4.10^-8 см³, а площадь поверхности (S_н)-соответствовала увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло S_н=1.4.10^-4 см³.               

Геометрические параметры глиальной клетки: объем главной клетки (О_r) принимался равным объему шара с диаметром 14нм, что соответствовало величине О_r=0,14.10^-8см², а площадь поверхности (S_r) соответствовала увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло S_r=0.3.10^-4 см².

Электрофизиологические параметры нейрона и глиальной клетки: мембранный потенциал у нейрона в покое-V_мн= -70мв, у глиальной клетки V_мг= -89мв, потенциалы равновесия по ионам калия (V_к) и ионам натрия (V_NA), а также удельные проводимости поверхностной мембраны у нейрона и глиальной клетки не отличались и принимались-V_k=-90мв, V_NA=-60мв,      g_m=10^-3 с/см²/так как проводимость поверхностной мембраны в основном определяется ионами калия, то принималось-g_m=g_k. Кроме того принималось, что у глиальной клетки отсутствует электрогенная Na, К-помпа. Решающие доводы в пользу последнего допущения были представлены на симпозиуме «Функции нейроглии» в Тбилиси в докладе Р. Г. Гроссмана. Было показано, что инъекция ионов натрия в глиальные клетки не приводит к появлению какой-либо заметной гиперполяризации, что свидетельствовало бы об электрогенной помпе, как это было показано в сходных опытах на нейронах моллюска.

Исходные предпосылки  для расчетов. На основании принятых  электрофизиологических   параметров, соответствующих большому количеству исследований, при использовании известного уравнения Гольдмана—Ходжкина—Катца легко показать, что отношение проницаемостей для ионов натрия (Р_NA) и калия (Р_к) у нейронов примерно на 1,5 порядка выше, чем у глиальной клетки-у нейрона P_NA/P_k=0,031, а у глиальной клетки Р_NA/P_k=0,001.

Для последующих расчетов использовали уравнения:

g_k(V_k-V_ми)=g_NAн(V_NA-V_мн)               (2)

g_k(V_k-V_мг)=g_NAг(V_NA-V_мг)                (3)

которые отражают условия равновесия в состоянии покоя у рассматриваемых клеток, когда пассивный ток ионов калия наружу должен быть равен пассивному току ионов натрия внутрь. Уравнение для нейрона, строго говоря, выполняется, если Na, К-насос, как для глиальных клеток, электронейтрален, т. е. стехиометрический коэффициент для активных потоков ионов натрия наружу и ионов калия внутрь равен. Однако, поправка на электронность будет лишь увеличивать энергетические затраты нейрона на ионные потоки.

На основании уравнений [2] и [3] и  принятых нами параметров для нейрона и глиальной клетки можно вычислить величины ионных токов для этих клеток на единицу поверхности клетки (см²) или веса (гр) и времени (секунды, часы, сутки). Знание электрохимических градиентов для ионов калия и ионов натрия позволяет от значений токов перейти к оценкам соответствующих энергий. Очевидно, что энергия, затрачиваемая на Nа,         К-насосы, поддерживающая пассивные ионные потоки, должна быть не меньше оцениваемой нами описанным способом.

Результаты расчетов. Существенно оценить затраты энергии у разных тканей на единицу поверхности клеток, так как эти оценки непосредственно отражают интенсивности ионных потоков и не зависят от размеров и формы клеток.

Для нейрона в покое получено: 0,3*10^-5вт/см². Если принять, что частота работы нейрона в среднем составляет 15-30 импульсов в секунду, то сравнительные оценки по пассивным потокам у нервных клеток в покое я при возбуждении дают основания предполагать, что затраты на сохранения ионного гомеостаза при такой работе нейрона могут увеличиваться в два-три раза, т. е. достигать 1 • 10^-5вт/см².

Интересно заметить, что вычисленные  нами затраты энергии для идеализированного  нейрона на единицу поверхности  удивительно хорошо совпали с экспериментальными данными Конноли и Крейнфельда, полученными для гигантского аксона кальмара на основании измерений потребления кислорода – 0,5*10^-5 вт/см².

 

Для глиальных клеток вычисленные энергетические затраты  на ионный гомеостаз были такие: 0,15*10^-6 вт/см². Видно, что энергетические затраты на единицу площади на работу Na, К-насоса у глиальной клетки должны быть в 20—60 раз меньше, чем у нейрона.

Знание отношения S/O у нейрона (10⁴) и у глиальной клетки (2,14*10⁴) позволяет перейти от затрат на работу насосов на единицу поверхности к затратам на единицу массы соответствующей ткани. Вот эти цифры: для нейрона в покое -0,3*10^-1вт/гр, для работающего нейрона  -l*10^-1вт/гр,           для глии -0,32*10^-2вт/гр. Видно, что и в пересчете на единицу массы энергетические затраты у глиальных клеток на насосы в десятки раз меньше, чем у нейрона.