Взаимодействие медиаторов с постсинаптическнми рецепторами
В начале этой главы (рис. 3.1) говорилось, что медиатор или его агонист (А), взаимодействуя с рецептором R постсинаптической мембраны, вызывает специфическое изменение ее проводимости. Эту реакцию проще всего описать уравнением
(1)
где n -число молекул агониста, связывающихся с одним рецептором, а переход от состояния RAn к (RAn)* отражает сдвиг проводимости, т. е. открывание постсинаптического ионного канала. Для многих типов рецепторов n>1; например, в концевой пластинке n около 2 [32], а в глутаматных синапсах - 4 или более (рис. 3.16,A). Когда n>1, связывание агониста с рецептором происходит кооперативно; это значит, что кривая зависимости синапти-
|
Рис. 3.17. Резкое нарастание постсинаптического тока при повышении концентрации медиатора (в данном случае глутамата), действующего на постсинаптические рецепторы (по [14] с изменениями) |
ческого тока Is от концентрации агониста (рис. 3.17) очень круто идет вверх. После достижения «пороговой концентрации», например глутамата, величина синаптического тока очень быстро нарастает и выходит на плато при концентрации примерно втрое выше пороговой. Такое радикальное изменение тока в узком диапазоне концентраций необходимо, поскольку медиаторы и некоторые их агонисты образуются в процессе не связанного с передачей возбуждения клеточного метаболизма, и их низкие концентрации вполне могут присутствовать в межклеточной жидкости. Очень резкий переход от слабого тока к сильному исключает какие-либо синаптические эффекты таких «фоновых» концентраций; во время высвобождения квантов медиатора в синаптическую щель его концентрация быстро достигает уровня насыщения (рис. 3.17).
Многие реакции между медиаторами и рецепторами сопровождаются, кроме того, десенситизацией, соответствующей инактивации Nа+-каналов (см. с. 32). Во время непрерывного воздействия медиатора, особенно его высоких концентраций, чувствительность постсинаптической клетки постепенно снижается. Для описания десенситиза-
Глава 3. Межклеточная передача возбуждения 65
|
Рис. 3.18. Токи одиночных каналов рецепторов , активируемых медиатором. А. Регистрация методом «пзтч-кламп», в микропипетке-раствор глутамата (5 мМ) (с изменениями из [16]). Б. Схема передачи возбуждения в глутаматергическом синапсе. Вверху: временной ход изменений концентрации глутамата после высвобождения его «кванта» из пресинаптического окончания (гипотетическая кривая). Пад графиком: примеры токов одиночных каналов, зарегистрированных после такого импульсного высвобождения медиатора. Внизу: сумма токов одиночных каналов- ВПСТ (один квант) |
ции в уравнение (1) следует включить неактивное состояние рецептора, полностью аналогичное «закрытому-инактивированному» состоянию на рис. 2.13 (с. 38). Поскольку в большинстве синапсов высокая концентрация медиатора сохраняется очень недолго (рис. 3.18,Б), десенситизация обычно не сказывается на передаче возбуждения, но ее следует учитывать при длительном терапевтическом применении медиаторов или их агонистов [21, 32].
Сннаптические ионные каналы. До сих пор мы
рассматривали только специфические сдвиги проводимости постсинаптической мембраны, происходящие при взаимодействии ее рецепторов с медиатором. Как говорилось в гл. 1 и 2, ионная проводимость плазматических мембран обеспечивается ка-
нальными белками: через водную фазу молекул этих белков могут проходить определенные ионы. В качестве примера была приведена схема белка Na+канала (см. рис. 2.15). Воротная функция этого канала определяется его потенциалзависимостью; открывание каналов в химических синапсах происходит в результате связывания медиатора или его агониста с комплексом рецептор-канал. Такого рода макробелок составляет основу рецепторов различных типов, а для ацетилхолинового рецептора установлена его полная аминокислотная последовательность. Молекулярная масса этого белка 258 000; он состоит из пяти очень сходных субъединиц примерно одинакового размера, группирующихся вокруг центрального канала [29, 33]. Эти данные позволяют обсуждать структуру «стенки» канала и участка (участков) связывания агонистов [34]. Токи одиночных каналов, составляющие суммарный синаптический ток, можно выявить методом «пэтч-кламп» (рис. 3.18) с помощью регистрирующего микроэлектрода, заполненного раствором агониста. Эти токи аналогичны показанным для Са2+ на рис. 2.14 (с. 38): открывания канала происходят сериями с большими паузами между такими «разрядами». Наблюдаемый ответ отражает разные этапы реакции в уравнении (1): кратковременные индивидуальные открывания соответствуют стадии RAn ⇆ (RAJ*, а «разряды»-реакции R + nA⇆RAn [11]. Обычно сила тока одиночного синаптического канала выше, чем у потенциалоуправляемых каналов. В случае канала, регулируемого глутаматом, она равна — 8 пА при потенциале покоя и возрастает пропорционально разнице между мембранным и равновес-ным (около 0 мВ) потенциалами.
Работа некоторых из подробно исследованных синаптических каналов, особенно ацетилхолиновых и глутаматных (рис. 3.18), сложнее [11, 16]. У них не просто одно открытое состояние с определенной проводимостью, а два-четыре, каждое с разной проводимостью. Более того, сочетания периодов открытого и закрытого состояния этих каналов не вполне подчиняются уравнению (1). Чтобы описать их работу, в формулу нужно ввести несколько дополнительных состояний и этапов реакции. Возможно, такая сложность обусловлена связыванием нескольких молекул медиатора или его агониста с субъединицами рецепторноканальной молекулы.
Схема на рис. 3.1.8,Б обобщает современные представления о временном ходе синоптической передачи на уровне одиночного канала. Один квант медиатора (десятки тысяч его молекул) создает на несколько миллисекунд около рецепторов его высокую концентрацию, которая затем быстро падает. Начальный подъем концентрации медиатора повышает вероятность открывания канала, причем его открытые состояния перемежаются кратковременными закрываниями. После такой вспышки открываний он окончательно закрывается, потому что концентрация медиатора становится слишком низ-
66 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
кой. Серии открываний суммируются, так что квант тока складывается из нескольких сотен токов одиночных каналов. Поскольку квант медиатора почти всегда вызывает только одну вспышку открываний, постоянная времени спада синаптического тока тоже примерно соответствует средней продолжительности такой вспышки.
Этим описанием молекулярных медиаторных механизмов мы завершим обсуждение химической синаптической передачи и теперь кратко рассмотрим электрические синаптические связи между клетками. Они не имеют такого непосредственного отношения к различным фармакологическим (и, следовательно, терапевтическим) воздействиям на работу нервной системы и других органов, однако распространены, возможно, не менее широко, чем химические.