Нейрохимические вещества необходимы для правильного функционирования нервной системы, которая включает головной и спинной мозг, а также периферические нервы. Они играют важнейшую роль в передаче информации между нервными клетками, влияя на настроение, познание и поведение. В русском языке термин «нейрохимические вещества» обычно используется только специалистами, а в научно-популярной среде вместо него часто ошибочно применяют в обобщающем смысле термин «нейромедиаторы» или «гормоны». Но это неправильно и сразу бросается в глаза, особенно когда конкретные нейрохимикаты называют неверно — например, ацетилхолин называют гормоном, а мелатонин нейромедиатором. Давайте разберемся в различных типах нейрохимических веществ, их функциях и том, чем они отличаются друг от друга. Основные категории, которые мы обсудим, включают нейротрансмиттеры (нейромедиаторы), нейромодуляторы, гормоны, газовые трансмиттеры, трофические факторы и метаболиты. Также мы поговорим о термине «биологически активные вещества» (существующем преимущественно в русском языке) и некоторых смежных темах.
— Нейротрансмиттеры (синоним: нейромедиаторы)
Нейротрансмиттеры — это химические вещества, которые передают сигналы от одного нейрона к другому через синапсы, способствуя коммуникации в нервной системе. Они в большинстве случаев выделяются пресинаптическим нейроном и связываются со специфическими рецепторами на постсинаптическом нейроне, производя возбуждающее или тормозящее действие. По этой функции выделяют два основных типа нейротрансмиттеров: возбуждающие и тормозящие. Возбуждающие нейротрансмиттеры, такие как глутамат, аспартат, норадреналин и др., увеличивают вероятность того, что постсинаптический нейрон запустит потенциал действия. Напротив, тормозные нейротрансмиттеры, такие как гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), аденозин, глицин и др., снижают вероятность того, что нейрон «выстрелит».
О нейротрансмиттерах мы уже говорили в отдельной статье (см. https://osnauka.ru/nejrotransmittery-printsipy-raboty-zhiznennyj-tsikl-balans), так что не будем подробно повторяться, а просто приведем три примера нейрохимических веществ, которые известны в первую очередь этой функцией:
1) Глутамат является основным возбуждающим нейротрансмиттером в центральной нервной системе. Он играет важнейшую роль в синаптической передаче, синаптической пластичности, обучении и памяти. Глутамат связывается с ионотропными (например, NMDA, AMPA и каинатные рецепторы) и метаботропными глутаматными рецепторами на постсинаптическом нейроне, что приводит к деполяризации и повышению вероятности возникновения потенциала действия. (Подробнее о рецепторах см. https://osnauka.ru/kletochnye-retseptory-osnovnye-tipy-struktura-funktsii-farmakologiya).
2) Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) является основным тормозным нейротрансмиттером в центральной нервной системе. Она уравновешивает возбуждающее действие глутамата и помогает поддерживать надлежащий баланс нейронной активности. ГАМК воздействует на рецепторы ГАМК-А и ГАМК-В на постсинаптическом нейроне, что приводит к гиперполяризации и снижению вероятности возникновения потенциала действия.
3) Ацетилхолин — это нейротрансмиттер, который участвует во множестве функций, включая сокращение мышц, обучение, память, регуляцию сна и возбуждения. Он является основным нейромедиатором в нервно-мышечном соединении, где он активирует никотиновые ацетилхолиновые рецепторы на мышечных клетках, инициируя мышечное сокращение. В центральной нервной системе ацетилхолин связывается с никотиновыми и мускариновыми рецепторами, модулируя нейронную активность в различных областях мозга.
— Нейромодуляторы
Нейромодуляторы — это молекулы, которые не передают сигналы между нейронами напрямую, а косвенно влияют на передачу сигналов между нейронами. В отличие от нейротрансмиттеров, которые оказывают более прямое и быстрое воздействие, нейромодуляторы обычно действуют более медленно и могут влиять на несколько нейронов одновременно. Нейромодуляторы могут действовать путем изменения высвобождения нейротрансмиттеров, модулирования реакции постсинаптического нейрона на нейротрансмиттеры или влияния на общую активность нейронных цепей.
Важно, что в качестве нейромодуляторов могут функционировать как некоторые из нейротрансмиттеров, так и некоторых других нейрохимических типов веществ. Например, тот же глицин — может действовать и как нейротрансмиттер, и как нейромодулятор. Вот еще примеры нейромодуляторов:
1) Нейропептиды — это небольшие цепочки аминокислот, которые могут действовать и как нейротрансмиттеры, и как нейромодуляторы в нервной системе. Примерами нейропептидов являются эндорфины, энкефалины, вещество Р и окситоцин (являющийся также гормоном). Эти нейропептиды могут модулировать восприятие боли, реакцию на стресс, настроение и социальное поведение.
2) Эндоканнабиноиды — это сигнальные молекулы на основе липидов, которые действуют преимущественно как нейромодуляторы. Они участвуют в различных процессах, включая регуляцию боли, контроль аппетита и формирование памяти. Примерами эндоканнабиноидов являются анандамид и 2-арахидоноилглицерин (2-АГ).
3) Аденозин — так же, как и глицин, он может действовать и как тормозной нейротрансмиттер, и как нейромодулятор. Как нейромодулятор, аденозин может модулировать возбудимость нейронов и синаптическую передачу, связываясь со специфическими аденозиновыми рецепторами, такими как рецептор A2A.
4) Оксид азота — это газотрансмиттер, который действует как нейромодулятор. Он синтезируется и высвобождается нейронами в ответ на определенные стимулы и может свободно диффундировать через клеточные мембраны. Оксид азота модулирует нейронную коммуникацию, влияя на высвобождение нейротрансмиттеров, синаптическую пластичность и активность ионных каналов.
— Гормоны
Гормоны не следует путать с нейротрансмиттерами, потому что они различаются по происхождению, способу действия и клеткам-мишеням. Гормоны вырабатываются эндокринными железами и выделяются в кровь, откуда они попадают в клетки-мишени или органы, в то время как нейротрансмиттеры вырабатываются нейронами и высвобождаются локально. Гормоны могут влиять на функции различных органов и систем во всем организме, включая нервную систему. Их действие обычно более медленное, длительное, и глобальное, чем у нейротрансмиттеров, поскольку оно зависит от циркуляции гормона в кровотоке.
Гормоны действуют на широкий спектр клеток-мишеней и тканей во всем организме, а не только в нервной системе. Их действие часто носит системный характер, оказывая влияние на несколько органов и систем одновременно. Рецепторы гормонов находятся на поверхности или внутри клеток-мишеней, что позволяет гормону вызывать специфический ответ. Нейротрансмиттеры, напротив, действуют в основном только в нервной системе, нацеливаясь на конкретные нейроны и модулируя их активность.
Приведем примеры некоторых гормонов, выступающих в роли нейрохимических веществ:
1) Кортизол — это глюкокортикоидный гормон, вырабатываемый надпочечниками в ответ на стресс. Он регулирует различные процессы, включая метаболизм, иммунный ответ и кровяное давление. В головном мозге кортизол может влиять на настроение, познание и высвобождение таких нейромедиаторов, как серотонин и дофамин (которые, кстати говоря, оба могут действовать и как нейромодуляторы).
2) Окситоцин — это пептидный гормон, вырабатываемый в гипоталамусе и выделяемый задней долей гипофиза. Он играет ключевую роль в социальной связи, материнском поведении и реакции на стресс. В мозге окситоцин влияет на высвобождение нейротрансмиттеров и модулирует нейронные цепи, участвующие в социальном поведении, доверии и эмпатии.
3) Вазопрессин (антидиуретический гормон) — это пептидный гормон, который вырабатывается в гипоталамусе и выделяется задней долей гипофиза. Он регулирует водный баланс в организме, способствуя задержке воды в почках. В головном мозге вазопрессин может модулировать нейронные цепи, связанные с социальным поведением, агрессией и реакцией на стресс.
4) Мелатонин — гормон, вырабатываемый шишковидной железой и участвующий в регуляции циклов сон-бодрствование (циркадные ритмы). В головном мозге мелатонин может модулировать активность нейронов и влиять на высвобождение нейротрансмиттеров, способствуя регуляции сна, настроения и познания.
5) Гормоны щитовидной железы (трийодтиронин (Т3) и тироксин (Т4)) — эти гормоны вырабатываются щитовидной железой и регулируют обмен веществ, рост и развитие. В мозге гормоны щитовидной железы влияют на развитие нейронов, синаптическую пластичность и высвобождение нейротрансмиттеров, что может повлиять на познание, настроение и общую функцию мозга.
6) Инсулин — это пептидный гормон, вырабатываемый поджелудочной железой и регулирующий уровень глюкозы в крови. В мозге инсулин может модулировать активность нейронов, синаптическую пластичность и высвобождение нейротрансмиттеров, влияя на такие процессы, как обучение, память и регуляция аппетита.
7) Лептин — это гормон, вырабатываемый жировой тканью, который играет роль в регуляции энергетического баланса и аппетита. В головном мозге лептин воздействует на специфические рецепторы в гипоталамусе, модулируя высвобождение нейротрансмиттеров и влияя на нейронные цепи, связанные с голодом, сытостью и расходом энергии.
8) Грелин — это гормон, вырабатываемый желудком, который стимулирует аппетит и способствует отложению жира. В мозге грелин может модулировать высвобождение нейротрансмиттеров и влиять на нейронные цепи, связанные с голодом, мотивацией и вознаграждением.
Подводя итог, снова отметим, что гормоны, функционирующие как нейрохимические вещества, оказывают широкое и мощное влияние на нейронные функции и поведение, подчеркивая сложные связи между эндокринной и нервной системами. Их действие в мозге помогает регулировать различные физиологические процессы, такие как реакция на стресс, сон, метаболизм и социальное поведение.
Но еще раз повторим, что хотя большинство гормонов можно считать нейромодуляторами, но их нельзя называть нейротрансмиттерами (нейромедиаторами). И наоборот.
— Газовые трансмиттеры
Газовые трансмиттеры, также известные как газотрансмиттеры, представляют собой уникальный класс нейрохимических веществ, обладающих свойствами как нейротрансмиттеров, так и нейромодуляторов. Эти газообразные молекулы вырабатываются и высвобождаются клетками нервной системы и других тканей и могут свободно диффундировать через клеточные мембраны. Они участвуют в различных физиологических процессах и модулируют функции белков, таких как ионные каналы, ферменты и факторы транскрипции. Из-за своей газообразной природы газовые трансмиттеры не хранятся в везикулах и не следуют традиционному механизму синаптической передачи.
Вот три основных примера газовых трансмиттеров:
1) Оксид азота (NO) — это газообразная молекула, синтезируемая из аминокислоты L-аргинин ферментом синтазой оксида азота (NOS) в ответ на специфические стимулы, такие как повышение уровня внутриклеточного кальция. NO может действовать как нейротрансмиттер и нейромодулятор. Он играет важную роль в различных физиологических процессах, таких как вазодилатация (расслабление кровеносных сосудов), иммунный ответ и синаптическая пластичность. В нервной системе NO модулирует нейронную коммуникацию, влияя на высвобождение нейротрансмиттеров, синаптическую пластичность и активность ионных каналов. NO также может модулировать функцию белков посредством процесса, называемого S-нитрозилированием, который включает ковалентное присоединение NO к определенным остаткам цистеина в целевых белках.
2) Монооксид углерода (CO) — это еще одна газообразная молекула, которая может действовать как газотрансмиттер. Он вырабатывается клетками эндогенно в качестве побочного продукта метаболизма гема под действием фермента гемоксигеназы. СО играет несколько физиологических ролей, таких как вазодилатация, противовоспалительное действие и модуляция активности нейронов. В нервной системе СО может влиять на высвобождение нейротрансмиттеров и модулировать активность ионных каналов, таких как калиевые и кальциевые каналы. Подобно NO, СО может модулировать функции белков посредством процесса, называемого карбонилированием металлов, который включает связывание СО со специфическими металлоцентрами в целевых белках.
3) Сероводород (H2S) — это газообразная молекула, которая может действовать как газотрансмиттер в различных тканях, включая нервную систему. Он вырабатывается клетками эндогенно в результате метаболизма аминокислот L-цистеина и L-гомоцистеина под действием таких ферментов, как цистатионин β-синтаза (CBS) и цистатионин γ-лиаза (CSE). H2S играет несколько физиологических ролей, включая вазодилатацию, цитопротекцию и модуляцию воспаления. В нервной системе H2S может модулировать активность нейронов, влияя на высвобождение нейротрансмиттеров и активность ионных каналов, таких как калиевые каналы и NMDA-рецепторы. H2S также может модулировать функцию белков посредством процесса, называемого S-сульфгидратацией, который включает ковалентное присоединение H2S к определенным остаткам цистеина в целевых белках.
Вторая часть этой статьи будет опубликована завтра. Спасибо за внимание и интерес к нейробиологии!
См. также:
— «Клеточные рецепторы (основные типы, структура, функции, фармакология)»
https://osnauka.ru/kletochnye-retseptory-osnovnye-tipy-struktura-funktsii-farmakologiya
— «Нейротрансмиттеры (принципы работы, жизненный цикл, баланс)»
https://osnauka.ru/nejrotransmittery-printsipy-raboty-zhiznennyj-tsikl-balans
— «Нейроны: крошечные супергерои (строение, принципы работы, типы)»
https://osnauka.ru/nejrony-kroshechnye-supergeroi-stroenie-printsipy-raboty-tipy
— «Строение и функции клеток»
https://osnauka.ru/stroenie-i-funktsii-kletok
— «10 шагов к углубленному изучению нейробиологии без специального высшего образования»
https://osnauka.ru/10-shagov-k-uglublennomu-izucheniyu-nejrobiologii-bez-spetsialnogo-vysshego-obrazovaniya
