Нейробиология
Нейробиология — это наука о рождении, жизни и угасании мозга — самого сложного из явлений, известных нам во Вселенной, начало начал человека и его цивилизации.
Нейрон — по-гречески нервная клетка, биос — жизнь, логос — наука.
Что такое нейробиология
Возраст нейробиологии весьма солиден. Первый известный нейробиологический опыт провел древнеримский врач Гален.
Он перерезал у свиньи нервные волоконца, управляющие мышцами гортани, и доказал, что именно в связи с этой операцией хрюшка стала немой как рыба.
Это было в начале нашего тысячелетия. Тогда же методом проб и ошибок ученые закладывали фундамент физической, химической и других наук. Прошло время, и мы видим, как далеко обогнали другие науки нейробиологию.
Несмотря на большие продвижения в этой области биологами и учеными, принцип работы нервной клетки — маленького кирпича, из которого построен мозг, человечеству еще до конца не ясен.
Точнее, понятно, как нейрон питается, поглощая из окружающей среды необходимые для него вещества; как он переваривает их в своем биохимическом котле и извлекает необходимую для своей жизни энергию; как посылает соседям разные сообщения, зашифрованные в последовательностях электрических импульсов или в различных химических веществах.
Но вот получила нервная клетка электроимпульсный или химический сигнал, и началась в ее глубинах уникальная, присущая только для нервной ткани деятельность — переработка информации. Нервная клетка умеет запоминать пришедшую информацию, и извлекать из памяти заученное, и принимать решения, и отдавать приказы мышцам, нервным клеткам, эндокринным железам.
Но как же она все это делает? Этого точно мы пока не знаем. Ну а раз непонятно, как действуют отдельные нервные клетки, неясен и основной принцип работы целого мозга.
В последние годы началось стремительное развитие нейробиологии. Количественные сдвиги переросли в качественные и сложился новый взгляд на жизнь мозга.
Итак, кончается затянувшееся детство нейробиологии. И она начинает свой путь туда же, куда устремлены в последние десятилетия все остальные науки о живой материи, к первоосновам всего живого на земле — к молекулам ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислотам). Вещества эти впервые нашли именно в клеточных ядрах. Признавая исключительную роль ДНК и РНК в хранении и передаче наследственных свойств клетки, их называют веществами наследственности.
Вам, конечно, известно, что любая клетка рождается в результате деления материнской клетки. Клетки-отпрыски при этом наследуют важнейшие свойства клетки-родительницы. Ну а свойства эти определяют белки. Так вот, нуклеиновые кислоты тем и передают наследственную информацию, что обеспечивают в дочерней клетке синтез точно тех же белков, что печатала всю жизнь клетка-родительница.
Строение молекулы ДНК
Все вместе молекулы ДНК и несколько видов РНК действуют как одна бригада по сборке белков. Но рабочая специальность каждого из этих веществ отличается. ДНК хранит наследственную информацию. Чтобы понять, как она это делает, познакомимся со строением этой молекулы. ДНК — это две ниточки, закрученные спирально одна вокруг другой. Каждая нить ДНК — это цепочка, звеньями которой являются нуклеотиды.
Так называют химические соединения, состоящие из 3 веществ азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. Углевод и фосфорная кислота во всех нуклеотидах ДНК одинаковые. А вот азотистые основания — разные. Но набор их невелик.
Всего 4 вида нуклеотидов (ученые обозначают их разными буквами: А, Т, Г, Ц) образуют ДНК, входящую в состав любой живой клетки нашей планеты. Азотистые основания обеих цепей подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают особые физико-химические связи и они как бы стыкуются. Против каждого нуклеотида А (аденин) одной цепи всегда оказывается Т (тимидин) другой цепи. Против Г — гуанина неизменно устанавливается нуклеотид Ц (цитозин).
Благодаря именно такому сочетанию расстояние между цепями по всей длине ДНК точно одинаково и связи между противолежащими нуклеотидами особенно прочны. В обоих сочетаниях пары нуклеотидов как бы дополняют друг друга. Как мы увидим дальше, такой принцип взаимодополняемости имеет решающее значение для синтеза белка.
ДНК сосредоточена в ядре клетки. Здесь, в соединении со специальными белками, регулирующими работу этого хранилища наследственной информации, они образуют особые тельца — хромосомы. В каждой нашей клетке их ровно 46.
РНК, как и ДНК, — это цепочка из нуклеотидов, но только не двойная, а одинарная. Существуют и некоторые отличия в химическом строении нуклеотидов ДНК и РНК. Есть несколько видов РНК. Самые маленькие по размеру — это транспортные РНК (т-РНК). Они подхватывают аминокислоты и подвозят их к месту синтеза белка. Матричные РНК (м-РНК) переносят информацию о структуре белка от ДНК к «сборочному конвейеру» клетки. Третий вид РНК входит в состав клеточных частиц—рибосом, похожих на шарики, незаменимых на конвейере белкового синтеза.
Как действует этот конвейер
Строение собираемого белка определяет ДНК. Отрезок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном белке, называют геном. Вы уже знаете, что ДНК — это ниточка из нуклеотидов, а белок — из аминокислот.
Так вот, каждой аминокислоте белка соответствует сочетание из трех последовательно расположенных в цепи ДНК нуклеотидов. Например, тройка нуклеотидов АЦЦ (аденин-цитозин-цитозин) кодирует аминокислоту триптофан; тройка ТТТ — аминокислоту лизин, АГА — серии, и так далее в генах закодированы все 20 амино-кислот.
У человека, растений, бактерий код ДНК один и тот же. Иначе говоря, последовательность нуклеотидов АЦЦ-ТТТ-АГА в любой клеточке любого живого существа нашей планеты обозначает одно и то же: белок, построенный этим геном, где-то включает последовательность аминокислот триптофан-лизин-серин. Итак, мы познакомились с универсальной азбукой жизни на Земле.
Но как же клетки считывают информацию с гена? Как слова и предложения, написанные генетической азбукой, преобразуются в определенный белок?
Для этого клетка сначала снимает с гена копию в виде молекулы м-РНК. Делается это по принципу взаимодополняемости, на основе которого построена двойная спираль ДНК. Против каждого нуклеотида одной из цепей гена встает дополняющий его нуклеотид м-РНК. Затем специальный фермент сшивает эти нуклеотиды в цепочку м-РНК. Так с гена снимается точная копия и содержащиеся в нем сведения о белке как бы переписываются на м-РНК. Потому-то процесс этот и называется транскрипцией (транскрипцио — по-латински переписываю).
Новообразованные молекулы м-РНК покидают ядро, где находятся гены, и направляются к месту синтеза белка, к шарикам, плавающим в теле клетки и называемым рибосомами.
Аминокислотные звенья, из которых собираются цепочки белков, доставляют к рибосомам транспортные РНК (т-РНК). Состоят они из 70—80 нуклеотидов и перевозят, как персональные автомобили, каждая свою аминокислоту. Поэтому и существует около 20 различных т-РНК, столько же, сколько аминокислот.
А дальше начинается сам синтез белка. Шарики- рибосомы одна за другой нанизываются на нить м-РНК и начинают ползти по ней гуськом и короткими скачками, всегда слева направо. Все эти рибосомы синтезируют один и тот же белок, запрограммированный на этой нити м-РНК.
Как раз в тот момент, когда рибосома останавливается на нити ДНК у тройки нуклеотидов, скажем АЦЦ, к ней подходит т-РНК, несущая аминокислоту триптофан, которую как раз и кодируют эти нуклеотиды. Затем эта аминокислота «пересаживается» с т-РНК на рибосому, а т-РНК уходит за новой аминокислотой.
Рибосома же с первой аминокислотой собираемого белка перебирается по нити ДНК к следующей тройке нуклеотидов, шифрующей следующую аминокислоту. Так на рибосоме к концу ее пути по нити м-РНК постепенно накапливается, словно бусинка за бусинкой, весь белок.
Затем белок и рибосома разъединяются. Белок начинает собственную жизнь. Рибосома же ищет себе новые м-РНК.
Деятельность мозга
Труд генов — неутомимых работников нервной клетки и создателей белков воплощается в разнообразии и сложности деятельности мозга. Подобно тому как многообразие жизни нашей планеты определяется миллионами наборов ДНК в различных организмах, так и яркий мир ваших мыслей, желаний, поступков, воспоминаний и целей зависит от включения в нервных клетках тех или иных генов, создания определенных белков, а из них пептидов; звучания в мозге неких заветных слов, фраз, целых текстов на его химическом языке.
А клетки всех других органов — разве они «разговаривают» не на химическом языке и разве они не получают приказы из нервной системы?
Да, в этом смысле работа мозга сходна с любой другой тканью. Однако почему тогда, спросите вы, люди думают все-таки головой, а не ногами? Почему столь велик разрыв в сложности того, чем заняты мозг и другие органы?
Дело в особенностях генов мозга. Важнейшая из них такова. Каждая клетка организма владеет всем набором генов, присущим этому живому существу. Но в каждом органе работает для синтеза ДНК лишь небольшая часть ниточек ДНК. Поэтому, скажем, мышечная клетка, хотя и может печатать белки нервных, кровяных и любых других клеток, спускает с «конвейеров» только молекулы, нужные ей самой.
Остальные гены в мышечной клетке раз и навсегда от работы отстранены. Словно бы пожизненные наручники надели на них регуляторные белки, входящие в состав хромосом. Так вот, в нервных клетках работающих генов больше, чем во всех остальных частях тела.
В печени, почках, сердце и других органах синтезом белка занято всего лишь 2—5% генов. В генах же мозга их около 40%. И в каждой клетке они нарабатывают белки! Иначе говоря, из 100—150 тыс. генов нашего тела для обслуживания одного мозга используется в 7 с лишним раза больше генов, чем для всех остальных органов!
Другая особенность генов мозга состоит в том, что трудятся они напряженнее, чем в других органах. К тому же они необычайно отзывчивы на любые воздействия, приходящие в мозг из внешнего мира и внутренней среды организма. Это и ведет к поразительному разнообразию биохимической жизни нейронов. В результате среди нервных клеток существует такое многоцветие «племен», «лиц», «профессий», «характеров» и «повадок», какого не знает ни одна другая ткань.
Итак, большинство ученых сегодня думают, что главные свойства мозга зависят от того, как трудятся в нервных клетках их неутомимые работники — гены. Раньше считалось, что мозг работает по тем же принципам, что и электрический компьютер, и что язык мозга зашифрован в электрических импульсах, которыми обмениваются нервные клетки.
Сейчас известно, что в одних случаях мозговое электричество есть лишь дым от химического огня. В других же электрический язык имеет значение, но все-таки уступает по своей важности химическим контактам между мозговыми клетками, особенно когда речь идет о глубоких, длительных перестройках, например при запоминании и обучении.
