Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

ридизации мРНК), однако локализация их в мембранах клеток не установлена. Чтобы отличать такие рецепторы, их обозначают малыми латинскими буквами (например, 5ht1E). Серотониновые рецепторы могут быть локализованы как на пре-, так и постсинаптических мембранах, а также могут выполнять функцию гетерорецепторов.

Семейство 5HT1 насчитывает пять разновидностей рецепторов, однако некоторые из них не найдены в мембранах клеток (5ht1E è 5ht1F). Все они взаимодействуют с Gi-белком, ингибируют аденилатциклазу и снижают клеточную концентрацию цАМФ, что приводит к гиперполяризации нейронов.

Семейство 5HT2 насчитывает три разновидности рецепторов, которые через Gq-белок активируют фосфолипазу С с последующим синтезом ИФ3 и ДАГ. В результате внутриклеточных каскадов в нейронах уменьшается К+-проводимость и увеличивается Са2+-проводимость, что приводит к деполяризации. Кроме того, эти рецепторы активируют фосфолипазу А2 , которая в свою очередь инициирует каскады с участием арахидоновой кислоты. Первоначально рецептор 5HT2C был классифицирован как 5HT1C , поэтому в семействе 5HT1 отсутствует рецептор с индексом 1C.

Рецепторы 5HT3 управляют лиганд-активируемыми ионными каналами, которые пропускают Na+- è K+-токи, вызывая деполяризацию нейронов.

Рецепторы 5HT4 через Gs-белки активируют аденилатциклазу, увеличивают концентрацию цАМФ, что приводит к закрыванию К+-кана- лов и деполяризации клеток.

Существование рецепторов 5ht5 è 5ht6 подтверждается только молекулярногенетическими методами (анализ ДНК). Тем не менее, методом меченых антител рецепторы 5ht5 были найдены на мембранах глиальных клеток. Клонированные 5ht5 рецепторы связаны с Gi-белками и ингибируют аденилатциклазу. Методом гибридизации мРНК показано существование рецепторов 5ht6 в ряде структур ЦНС. Эти рецепторы через Gs-белки активируют аденилатциклазу.

Рецепторы 5HT7 через Gs-белки активируют аденилатциклазу. Существование этих рецепторов в таламусе, гиппокампе и гипоталамусе было доказано методом меченых антител и гибридизации мРНК.

5.4.2.3. Гистамин

Гистамин выполняет многие функции в организме по поддержанию гомеостаза и общей активации мозга. Гистамин участвует в регуляции сна, ослабляет восприятие боли, усиливает жажду, подавляет пищедобывательное поведение, повышает давление крови, снижает температуру тела и стимулирует гидролиз гликогена. В ЦНС он выделяется из

120

нейронов туберомамиллярных тел заднего гипоталамуса, аксоны которых диффузно проецируются практически во все отделы мозга.

Известны четыре рецептора гистамина. H1 рецептор активирует фосфолипазу С, вызывая синтез ИФ3. Это приводит к уменьшению К+-про- водимости и увеличению тетродотоксин-нечувствительной Na+-проводи- мости и, соответственно, к деполяризации нейронов. H2 рецептор через Gs-белки активирует аденилатциклазу, вызывая увеличение Са2+-тока, что в конечном итоге приводит к возбудительным эффектам во внутренних органах (желудочно-кишечном тракте, в кровеносных и лимфати- ческих сосудах). H3 рецептор является ауторецептором и через Gi-белки напрямую снижает Са2+-проводимость, тем самым уменьшая выделение гистамина из пресинаптических окончаний (отрицательная обратная связь). H3 рецептор также описан как постсинаптический рецептор в стриатуме и коре мозга. Рецептор H4 инициирует хемотаксис тучных клеток и не задействован в цепях нейронной сигнализации.

5.4.3.Медиаторы-аминокислоты

5.4.3.1.Глютамат (L-глутаминовая кислота, глутамат)

Глютамат является наиболее распространенным возбуждающим медиатором в мозге животных, а также в нервно-мышечных синапсах ракообразных и насекомых, связываясь как с ионотропными, так и метаботропными рецепторами.

Ионотропные рецепторы глютамата

Ионотропные глютаматные рецепторы подразделяют на три типа по их чувствительности к специфическим агонистам:

—NMDA (N-метил-D–аспартат, англ. N-methyl-D-aspartate), обеспечивает Na+-, K+- è Ca2+-проводимости;

—AMPA (α-амино-3-гидрокси-5-метилизоксазоле-4-пропионовая кислота, англ. α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid), обеспечивает Na+-, K+- è Ca2+-проводимости;

—каиновая кислота (каинат, kainic acid), обеспечивает Na+- è K+- проводимости.

Глютамат широко распространен в ЦНС, что отчетливо показано при использовании его главных агонистов AMPA и NMDA, меченных тритием. AMPA и каиновые рецепторы объединяют в группу так называемых не-NMDA рецепторов, которые при активации глютаматом открывают Na+/K+-каналы.

NMDA-рецепторы характеризуются более сложными свойствами, поскольку их проводимость зависит от уровня мембранного потенциа-

121

ла. При потенциале покоя (-75 мВ) NMDA-рецептор блокирован ионами Mg2+. При деполяризации, возникающей при активации не-NMDA рецепторов, магниевый блок снимается, и через канал течет смешанный Na+/K+/Ca2+-ток, вызывающий более продолжительную деполяризацию. Активация NMDA-рецептора может вызвать продолжительный ток. NMDA-рецептор имеет несколько участков, взаимодействующих аллостерически (рис. 5.16):

1)участок связывания медиатора;

2)регуляторный, или коактивирующий, глициновый участок;

3)внутренний участок, связывающий фенциклидин;

4)потенциал-зависимый Mg2+–связывающий участок;

5)тормозной участок связывания двухвалентных катионов (например, Zn2+).

Ðèñ. 5.16. Структура и функциональные участки NMDA-рецептора. NMDAрецептор имеет несколько участков, взаимодействующих аллостерически: 1) уча- сток связывания медиатора; 2) регуляторный, или коактивирующий, глициновый участок; 3) внутренний участок, связывающий фенциклидин; 4) потенци- ал-зависимый Mg2+–связывающий участок; 5) тормозной участок связывания двухвалентных катионов (например, Zn2+).

122

Глицин не вызывает ответа, но усиливает активацию NMDA-рецеп- тора, увеличивая частоту открывания канала. При отсутствии глицина рецептор не активируется L-глутаматом. Наибольшие токи при активации рецептора возникают при деполяризации от –30 до –20 мВ и существенно уменьшаются при гиперполяризации или деполяризации. Ионы Mg2+ селективно блокируют рецептор при таких сдвигах потенциала. Ионы Zn2+ также ингибируют ответ рецептора, но не имеют потенциалзависимого действия.

Метаботропные рецепторы глютамата

Четвертый тип глютаматных рецепторов представляют метаботропные рецепторы (mGluR). По химическому строению их подразделяют на три группы, включающие вместе 8 различных рецепторов, но при этом пока не найдены их специфические антагонисты, необходимые для выявления их функциональной роли. Группа I включает mGluR1 è mGluR5 рецепторы, которые через активацию Gq-белков активирует каскады деградации мембранных фосфолипидов с образованием ИФ3, что в конечном итоге приводит к увеличению концентрации внутриклеточного Са2+ и увеличению Na+/K+-проводимости. Рецепторы группы 2 (mGluR2, mGluR3) и группы 3 (mGluR4, mGluR6-8) через Gi-белки ингибируют аденилатциклазу.

5.4.3.2. Тормозные медиаторы в ЦНС — ГАМК и глицин

ГАМК (γ-аминомасляная кислота) как тормозный медиатор широко распространена в ЦНС. Например, клетки Пуркинье мозжечка выделяют из своих синапсов ГАМК, которые они образуют на нейронах ствола мозга. Тормозные интернейроны в коре мозга, выделяющие ГАМК, формируют обширные аксонные коллатерали, обеспечи- вая возвратное и латеральное торможение в нейронах коры. Кроме того, ГАМК обнаружена в горизонтальных и амакриновых клетках сетчатки. Нейроны, выделяющие в качестве медиатора глицин, расположены в стволе мозга и спинном мозге. Например, глицин выделяется из аксонных терминалей клеток Реншоу и вызывает торможение мотонейронов.

ГАМК рецепторы подразделяют на три типа: ГАМКÀ è ÃÀÌÊÑ являются ионотропными, а ГАМКB — метаботропными. ГАМКÀ, ÃÀÌÊÑ и глициновый рецепторы являются лиганд-управляемыми ионными каналами, активация которых приводит к открытию Cl–-каналов и к гиперполяризации нейронов.

123

ÃÀÌÊÀ рецептор

ÃÀÌÊÀ рецепторы обеспечивают постсинаптическое торможение во всех отделах ЦНС. В мозге человека выделено большое число различ- ных изоморфных субъединиц (6 α, 3 β, 3 γ, δ, ε, π и θ). Наиболее типичный в мозге ГАМКÀ рецептор состоит из пяти субъединиц (2 α-, 2 β- и 1 γ-субъединиц, α2β2γ), окружающих центральную ионную пору (рис. 5.17). При активации анионного канала две молекулы ГАМК взаимодействуют с двумя α–субъединицами рецептора. Антагонистами ГАМКÀ рецептора являются бикукуллин и пикротоксин, а агонистами — бензодиазепин, барбитураты, а также некоторые нейроактивные стероиды. Агонисты неконкурентно связываются с отдельными участками рецептора: бензодиазепины — с γ–субъединицей, а барбитураты — с двумя β–субъединицами.

Ðèñ. 3.17. Гипотетическая модель ГАМКÀ рецептора. Рецептор состоит из пяти субъединиц (2 α-, 2 β- и 1 γ-субъединиц, α2β2γ), окружающих центральную ионную пору. ГАМК связывается с α-субъединицами. барбитураты — с β-субъединицами, а бензодиазепины — с γ-субъединцей.

Все субъединицы рецептора влияют на состояние Cl–-канала. Так, бензодиазепины усиливают эффект ГАМК, однако при этом проводимость отдельных Cl–-каналов не изменяется, т.е. бензодиазепины увеличивают эффективность связывания ГАМК с рецептором и увеличи- вают вероятность открытия Cl–-каналов. Антагонисты бензодиазепинов

124

устраняют их дополнительный эффект, не влияя на эффект самой ГАМК. Антагонисты ГАМК существенно снижают Cl–-проводимость, несмотря на присутствие бензодиазепинов.

В отличие от бензодиазепинов барбитураты увеличивают время открытого состояния Cl–-канала. В больших концентрациях барбитураты активируют Cl–-каналы даже в отсутствие ГАМК. Эффект барбитуратов сохраняется в присутствии антагонистов бензодиазепинов, что подтверждает существование специфического участка связывания для барбитуратов.

Некоторые нейроактивные стероиды действуют на ГАМКÀ-рецеп- тор подобно барбитуратам, открывая Cl–-каналы. Предполагается, что эндогенные стероиды действуют на те же участки рецептора, что и барбитураты.

ÃÀÌÊÑ рецептор

ÃÀÌÊÑ рецептор нечувствителен к агонистам (аллостерическим медиаторам) ГАМКÀ рецептора — к бензодиазепинам, барбитуратам и нейроактивным стероидам, а также к антагонисту ГАМКÀ рецептора бикукуллину, но блокируется пикротоксином. Имеет свои специфи- ческие агонисты и антагонисты.

ÃÀÌÊÑ рецептор состоит из трех изоморфных ρ-субъединиц, которые формируют три различных гомопентамера (ρ15 , ρ25 , ρ35) или несколько гетеропентамеров (ρ1mρ2n , ρ2mρ3n , ãäå m+n=5). ÃÀÌÊÑ рецептор обнаружен на мембранах горизонтальных и биполярных клеток сетчатки позвоночных. Кроме того, этот рецептор локализован в некоторых синапсах, образованных амакриновыми клетками на пресинаптических мембранах палочковых биполяров. Активация этих рецепторов уменьшает выделение глютамата биполярами.

ÃÀÌÊÑ рецептор обеспечивает меньшую Cl–-проводимость, чем ГАМКÀ рецептор, и вызываемые им Cl–-токи медленнее затухают после удаления ГАМК.

ÃÀÌÊB рецептор

ÃÀÌÊB рецепторы обнаружены в ЦНС (в гиппокампе, мозжечке, коре) и вегетативной нервной системе. Большинство этих рецепторов образовано двумя субъединицами (GABABR1 è GABABR2), они найдены как на пре-, так и на постсинаптических мембранах. Агонистом ГАМКB рецепторов является баклофен, а антагонистами — саклофен и факлофен.

125

ÃÀÌÊB рецепторы на пресинаптических мембранах блокируют по- тенциал-зависимые Са2+-токи, уменьшая выброс различных медиаторов, в том числе и самой ГАМК.

Ñà2+-проводимость блокируется в результате действия βγ-субъеди- ницы G-белков.

Ðèñ. 5.18. ÃÀÌÊB рецептор образован двумя субъединицами GABABR1 è GABABR2. В постсинаптических мембранах субъединица GABABR1 активирует G-белки, и βγ-субъединица напрямую активирует К+-канал (слева). Субъединица GABABR2 активирует G-белки, и α-субъединица ингибирует аденилатциклазу (АЦ) (справа).

В постсинаптических мембранах ГАМКB рецепторы активируют G- белки, βγ-субъединица напрямую активирует К+-канал, а α-субъедини- ца ингибирует аденилатциклазу (рис. 5.18). Увеличение К+-проводимо- сти и уменьшение концентрации цАМФ в цитоплазме приводит к гиперполяризации, в чем проявляется тормозный эффект ГАМКB рецепторов.

Глициновый рецептор

Глициновые рецепторы в основном локализованы в спинном мозге на мембранах мотонейронов. Однако они найдены также и в высших мозговых центрах, включая гиппокамп, кору и мозжечок. Агонистами этих рецепторов являются β-аланин и таурин, а антагонистами стрихнин и пикротоксин. Глициновый рецептор, типичный лиганд-активиру- емый ионный канал, является пентамером и состоит из трех α- и двух β-субъединиц (в спинном мозге), которые формируют ионный канал,

126

проницаемый для анионов Cl– è HCO3-. Субъединицы глицинового рецептора отличаются от субъединиц ГАМКÀ рецептора. В отличие от ГАМКÀ глициновые рецепторы не чувствительны к бензодиазепинам и барбитуратам, но блокируются некоторыми стероидами.

5.4.4. Пуриновые нуклеотиды

Аденозинтрифосфат

Аденозинтрифосфат (АТФ) был обнаружен в высоких концентрациях в синаптических везикулах. Выделяясь в синаптическую щель, он демонстрирует медиаторную функцию, взаимодействуя с пуринерги- ческими ионотпропными и метаботропными рецепторами. Впервые нейромедиаторная функция АТФ была описана в гладкой мускулатуре. Пуринергические рецепторы найдены также в ЦНС и вегетативной нервной системе (вегетативных ганглиях), где они осуществляют разнообразные модуляторные воздействия. Выделяют несколько семейств АТФ-чувствительных рецепторов.

Семейство P2X рецепторов насчитывает 7 ионотропных рецепторов, вызывающих активацию различных нейронов ЦНС и клеток внутренних органов. Эти рецепторы инициируют катионную проводимость (Na+ è Ca2+), вызывая деполяризацию клеток-мишеней. В основном АТФ содержится в везикулах с другими медиаторами, например, с норадреналином в посганглионарных нейронах симпатического отдела вегетативной нервной системы. В этом случае АТФ является комедиатором норадреналина и, взаимодействуя с рецептором P2X1, вызывает быструю деполяризацию и фазическое сокращение гладкой мускулатуры (например, кишечника и мочевого пузыря), в то время как норадреналин запускает медленное тоническое сокращение за счет освобождения Са2+ из внутриклеточных депо в результате активации фосфолипазы С с последующим синтезом ИФ3.

Семейство P2Y включает 6 метаботропных рецепторов, осуществляющих свои эффекты, главным образом, через Gq-белки (активация фосфолипазы С), реже через Gi- è Gs-белки, соответственно, ингибируя и активируя аденилатциклазу.

Медиаторная роль АТФ отчетливо показана в периферических органах и сенсорных ганглиях, однако роль АТФ как медиатора в ЦНС в настоящее время остается малоизученной. Тем не менее способность АТФ активировать через ионотропные P2X рецепторы Са2+-токи может указывать на ее роль в длительных эффектах, таких, как пластичность и нейрогенез.

127

Еще два семейства Р2 рецепторов найдены в мембранах тромбоцитов (P2T) и тучных клеток (P2Z). Эти рецепторы не задействованы в механизмах межнейронной сигнализации.

Аденозин

Аденозин рассматривают скорее как модулятор нейронной активности, реализующий свои функции через три рецептора: А1, А2 и А3.

Через пресинаптические А1 рецепторы, ингибирующие через Gi-белки аденилатциклазу, аденозин может уменьшать синаптическое выделение ряда медиаторов, например ГАМК, что приводит к уменьшению торможения в постсинаптических нейронах.

Активируя А2-рецепторы, аденозин через Gs-белки активирует аденилатциклазу. В результате синтеза цАМФ в нейронах активируются Са2+-зависимые К+-каналы, что приводит к усилению следовой гиперполяризации и значительному тормозному эффекту на центральные нейроны.

Аденозиновые рецепторы А3 не задействованы в механизмах межнейронной сигнализации.

5.4.5. Пептидные медиаторы в ЦНС

Давно известно, что некоторые нейроны в мозге могут секретировать пептидные гормоны в локальное циркуляторное русло. Например, нервные клетки гипоталамуса выделяют релизинг-факторы, которые достигают эндокринных клеток передней доли гипофиза, что приводит к секреции разных гормонов в общий кровоток. Пептиды, обнаруженные сначала в энтеральной нервной системе, также широко распространены в головном и спинном мозге. Современные иммунологические, цитохимические и физиологические методы анализа продемонстрировали присутствие разных кишечных гормонов в ряде областей ЦНС. Многочисленные исследования показали, что пептиды могут высвобождаться вследствие активации определенных отделов интактного мозга или срезов мозга.

Вещество Р

Первым пептидным медиатором, представленным в ЦНС, оказался медиатор, известный как вещество Р. Вещество Р состоит из 11 аминокислотных остатков и является представителем семейства тахикининов. Были выделены три рецептора нейрокининов (NK1, NK2, NK3), которые сопряжены с G-белками. Оказалось, что в спинном мозге ве-

128

щество Р является медиатором в окончаниях сенсорных аксонов дорзальных слоев, связанных с восприятием боли (рис. 5.19).

Ðèñ. 5.19. Нейронная передача ощущения боли в спинном мозге. Нейроны ганглия заднего корешка, которые отвечают на болевые стимулы, высвобождают вещество Р и глутамат в синапсах, образованных ими на интернейронах заднего рога спинного мозга. Интернейроны желатинозной субстанции заднего рога, содержащие энкефалин, блокируют передачу, ингибируя высвобождение медиатора из окончаний нейронов ганглия заднего корешка.

Опиоидные пептиды

В мозге и кишечнике найдены рецепторы, которые с высокой специфичностью связываются с морфином. Эти рецепторы также специфично связываются с эндогенными опиоидными пептидами — энкефалинами (Met-энкефалин и Ley-энкефалин). Опиоидные пептиды и их рецепторы сконцентрированы в отделах мозга, связанных с восприяти-

129