Мозг – самый энергоемкий орган в нашем организме. У взрослого человека на долю мозга приходится лишь 2% от массы тела, при этом он поглощает целых 20 % энергии! А у детей – около 50 % энергозатрат организма приходится на работу мозга.
Мозг состоит из клеток нескольких типов. Самые известные из них – нейроны, основная роль которых сводится к созданию и передаче нервных импульсов. Обеспечением бесперебойной работы нейронов и всеми другими вспомогательными функциями (трофика, опорная функция, секреторная и др) занимаются клетки нейроглии. К этой группе относится несколько типов клеток: астроциты, олигодендроциты, клетки микроглии. Также есть некоторое количество нейрональных стволовых клеток и клеток-предшественников. Митохондрии в этих клетках выполняют совсем различные функии и, более того, анализ их белкового состава показал, что и строение митохондрий в разных клетках мозга различное (ref)
Митохондрии в мозге выполняют целый ряд функций, а не только служат «энергетическими станциями». Одной из важнейших функций митохондрий нейронов является гомеостаз кальция. Митохондрии нейронов существенно отличаются по белковому профилю от других клеток мозга.
Итак, митохондрии:
1. Участвуют в передаче нервных импульсов
2. Участвуют в высвобождении нейротрансмиттеров
3. Участвуют в нейрогенезе (образовании нейронов)
От работы митохондрий нейронов зависят такие процессы, как память, обучаемость, синаптическая пластичность. Все известные заболевания нервной системы сопровождаются нарушением митохондриальной функции: болезнь Альцгеймера (ref), болезнь Паркинсона (ref), Лу Геррига (ref), Хаттингтона (ref), биополярное расстройство (ref), депрессия (ref).
Нервные импульсы передаются от нейрона к нейрону через синапсы. Синапс образуется между терминалью аксона одного нейрона и шипиками дендритов - другого. Когда потенциал действия достигает терминали аксона, происходит деполяризация мембраны и в клетку заходят ионы кальция. При этом пузырьки с нейромедиатором выходят в синаптическую щель и приводят к деполяризации следующего нейрона, запуская в нем потенциал действия.
Для процессов передачи нервного импульса ведущее значение имеет работа митохондрий. Для высвобождения нейромедиаторов нужно много энергии, а, кроме этого, с кальцием, который зашел в нервную клетку, нужно что-то делать. Избыток кальция в нейронах может вызывать апоптоз клеток. Гомеостаз кальция - одна из основных функций митохондрий в терминалях аксонов.
Рис. 1. Когда по аксону распространяется потенциал действия, он достигает терминали, возникает деполяризация мембраны, что открывает кальциевые каналы. Поступление кальция в аксон приводит к высвобождению нейротрансмиттера в синаптическую щель. Потенциал действия, распространяясь по аксону, привлекает к терминали аксона митохондрии. Они должны обеспечить энергией процесс выделения нейротрансмиттера и, что не менее важно, обеспечить гомеостаз кальция.
Но митохондрии не все время находятся на концах аксонов. Распространение нервного импульса приводит к перемещению митохондрий по отростку нервной клетки. Митохондрии путешествуют по нервным волокнам, используя специальную транспортную систему. Благодаря белкам динеину и кинезину митохондрии прикрепляются к микротрубочкам нервных волокон и перемещаются по нервным волокнам, как поезд по рельсам.
При этом они придерживаются и своих правил движения, - повышение концентрации ионов кальция служит знаком "стоп" для митохондрий (ведь именно тут им нужно будет поработать, поглотив избыток ионов). Они останавливаются и "сбрасываются" со своей белковой тележки. Кроме этого, в нейронах есть особый белок - синафилин. Он "заякоривает" митохондрию, чтоб она не перемещалась с данной локации.
Рис. 2. Митохондрии перемещаются по нервным волокнам благодаря специальным белкам. Белки динеин и кинезин прикрепяют митохондрии к микротрубочкам и обеспечивают их скольжение. Повышение концетрации кальция приводит к изменении конформации белка, и митохондрия "отцепляется" от микротрубочки. В нервных клетках также есть специальный белок, - синафилин, который "заякоривает" митохондрию, ограничивая ее последующие перемещения.
Нейрогенез – образование новых нейронов из клеток-предшественников. У человека нейрогенез большей частью происходит во время внутриутробного развития. Нейронов закладывается так много, что 70 % их гибнет еще до рождения. Гибель нейронов продолжается всю нашу жизнь. Но, к счастью, несмотря на то, что зрелые нейроны не делятся, новые нервные клетки в головном мозге все же могут возникнуть. Открытие это сделали, как ни странно, специалисты по пению канареек. Еще в 1980-е годы ученые обнаружили, что каждый новый брачный сезон самец канарейки поет песню, отличающуюся от прошлогодней. Ученые “залезли” в мозг кенара и обнаружили, что большая часть нейронов “вокального центра” мозга после брачного сезона попросту отмирает от перегрузки. Но птичка от этого не страдает, нейрогенез в этом отделе происходит постоянно. В 90-е годы образование новых нейронов обнаружили у грызунов. Чаще всего они находятся в древних отделах головного мозга: обонятельных луковицах и коре гиппокампа, которые отвечают главным образом за эмоциональное поведение, реакцию на стресс и регуляцию половых функций млекопитающих.
Рис. 3. Нормальная работа митохондрий необходима для образования нейронов из нейрональных стволовых клеток. Изменение формы и миграция митохондрий обеспечивают поляризацию клеток и появление длинных отростков. Также элонгация митохондрий необходима для переключения с гликолитического способа получения энергии, характерного для стволовых клеток, на окислительное фосфорилирование.
Обнаруженные таким образом нейрональные стволовые клетки (НСК) имеют способность к самообновлению и могут дифференцироваться в три типа нервных клеток, а именно в нейроны, астроциты и олигодендроциты. Взрослые НСК обнаруживаются в основном в субгранулярной зоне (SGZ) зубчатой извилины гиппокампа и в желудочково-субвентрикулярной зоне (SVZ). Нейрогенез в этих регионах на протяжении всей жизни имеет важное значение для обонятельных и когнитивных функций у грызунов. У взрослого человека нейрогенез также, судя по всему, происходит, по крайней мере в гиппокампе (ref)
«Взрослый» нейрогенез в гиппокампе – наш когнитивных резерв. Митохондрии принимают непосредственное участие в образовании новых нейронов из нейрональных стволовых клеток. Они участвуют в поляризации клеток, что необходимо для формирования нервных волокон. Если происходит нарушение динамики митохондрий, их биогенеза (образование новых митохондрий), либо же наблюдаются мутации генетического материала митохондриальной ДНК, то происходит нарушение образования новых нейронов (Ref, ref).
Усиление этого процесса наблюдается при воздействиях, направленных на улучшение митохондриальной функции: физическая активность (ref), прием некоторых компонентов, влияющих на работу митохондрий (ref)
В митохондриях нейронов есть специальные разобщающие белки UCP2. Когда они «включаются в работу» митохондрии рассеивают протонный градиент в виде тепла, без образования АТФ. При этом повышается скорость высвобождения нейротрансмиттеров и синапитической передачи. Дефицит UCP2 приводит к повышенной тревожности, нарушению когнитивной функции. А вот физическая активность повышает экспрессию UCP2 (ref, ref).
Литература
https://www.jneurosci.org/content/39/42/8200
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166432819308587
https://link.springer.com/article/10.1007/s12640-018-9942-y
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28456716/
https://molecularneurodegeneration.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13024-020-00376-6
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6627981/
Если вы верите в силу митохондрий, поддержите проект MitoSpace финансово
или другими возможными способами
