Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_5555_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана
.pdf
8. Медиаторные системы мозга 201
допсина, который также подвергается фосфорилированию GRK1 и связывает
β-аррестин. Сайты фосфорилирования GRK2 располагаются в С-концевом ци-
топлазматическом домене рецептора βAR и отличаются от сайтов фосфорили-
рования ПКА.
Цикл событий гомологической десенситизации начинается с активации ре-
цептора GPCR и последующей активации G-белка, что приводит к диссоциации
последнего на α-субъединицу и димер субъединиц
βγ. Полагают, что по край-
ней мере одна из функций βγ-димера состоит в связывании с GRK, что приводит
к направлению последних в область мембраны клетки, в которой находятся
активированные рецепторы. Привлеченные таким образом GRK активируют-
ся, фосфорилируют рецептор и создают необходимое условие для связывания
β-аррестина. β-аррестин связывается при этом с тем же самым доменом рецеп-
тора, в котором происходит взаимодействие с G-белком, препятствуя присоеди-
нению последнего. Фосфорилирование рецептора и присоединение β-аррести-
на приводит к последующей секвестрации рецептора.
Десенситизация рецепторов GPCR может также происходить за счет их
удаления с клеточной поверхности. Данный процесс может иметь как об-
ратимый (секвестрация), так и необратимый характер (даунрегуляция). Под
секвестрацией понимается быстрый (в течение нескольких минут), но обра-
тимый процесс удаления рецепторов с поверхности клеточной мембраны пу-
тем эндоцитоза, после того как к рецептору присоединился нейромедиатор
(рис.8.6).
Взаимодействие рецептора с G-белком, также как и фосфорилирование ре-
цептора, не являются необходимыми условиями для секвестрирования рецеп-
тора. Тем не менее, фосфорилирование рецептора GRK и связывание β-аррести-
на достоверно увеличивают скорость данного процесса (Ferguson etal., 1996).
Таким образом, представляется вероятным, что связывание β-аррестина при-
водит не только к разобщению процессов активации рецепторов и G-белков, но
также запускает процесс десенситизации за счет секвестрирования рецепто-
ров. Поскольку быстрая десенситизация рецептора может быть достигнута по-
средством его фосфорилирования и разобщения взаимодействия с G-белком,
функциональное значение процесса десенситизации может, с одной стороны,
показаться неочевидным. Тем не менее, снижение количества рецепторов, экс-
понированных на клеточной поверхности, также вносит значительный вклад
в регуляцию интенсивности межклеточной сигнализации. С другой стороны,
фосфорилированные рецепторы, подвергшиеся секвестрации, попадая в цито-
плазму клетки, дефосфорилируются в составе клеточных органелл, что являет-
ся сигналом к возвращению их на клеточную поверхность и восстановлению
функциональной активности.
202 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Рис. 8.6 — Дополнительные внутриклеточные механизмы десенситизации рецепторов
GPCR (Kobilka, 1992).
8. Медиаторные системы мозга 203
Внутриклеточные домены рецепторов фосфорилируются ПКА, ПКС, GRK и
другими протеинкиназами. Фосфорилированные рецепторы могут быть удале-
ны с клеточной поверхности путем секвестрации при участии белка β-аррести-
на, что приводит к снижению сайтов связывания нейромедиатора на клеточной
поверхности. Во внутриклеточных компартментах рецептор может подвергаться
дефосфорилированию, что приводит к его возвращению на клеточную поверх
-
ность и восстановлению способности к трансдукции сигнала. С другой стороны,
фосфорилированные рецепторы могут подвергаться деградации в составе лизо-
сом (даунрегуляция). В последнем случае восстановление пула рецепторов на
клеточной мембране требует активации экспрессии соответствующих генов и
синтеза новых молекул рецептора.
Эффект даунрегуляции проявляется более медленно по сравнению с секве-
страцией и в отличие от нее является необратимым (рис.8.7). Ранние стадии это-
го механизма могут включать в себя как ПКА-зависимые, так и ПКА-независимые
процессы и связаны с деградацией интернализированных молекул рецепторов в
лизосомах. Поздние стадии даунрегуляции могут быть связаны со снижением
скорости транскрипции генов, отвечающих за синтез рецепторов данного типа, а
также со снижением стабильности соответствующих мРНК, что в конечном счете
приводит к снижению скорости синтеза рецепторов de novo.
Рис. 8.7 — Филогенетическое дерево, построенное на основе сравнения гомологии
последовательностей трансмембранных доменов рецепторов разных типов
(приводится по: Squire et al., 2003).
204 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Рецепторы семейства GPCR, как и многие другие белки клеточной поверх-
ности, представляют собой гликопротеины. Сайты гликозилирования располага-
ются во внеклеточном N-концевом домене молекулы рецептора. Относительно
роли углеводных детерминант в функционировании рецепторов GPCR известно
сравнительно немного. По всей видимости, гликозилирование не является обя-
зательным условием для правильного формирования сайта связывания нейро-
медиатора (Strader etal., 1994). Тем
не менее, нарушение процесса гликозилиро-
вания может препятствовать встраиванию рецептора в клеточную мембрану, а
также нарушать внутриклеточный транспорт рецепторов.
Другой важной структурной особенностью рецепторов GPCR является нали-
чие дисульфидной связи, которая образуется между двумя остатками Cys, при-
сутствующими во внеклеточных петлях е2 и е3 (см.рис.8.2 и8.3). По-видимому,
эта дисульфидная связь стабилизирует конформацию зрелого рецептора, необ-
ходимую для проявления высокого сродства к соответствующему лиганду, по-
скольку ее разрыв нарушает это взаимодействие (Kobilka, 1992). Третий остаток
Cys, который расположен в С-концевом домене рецептора GPCR (на рис.8.3 от-
мечен крайним справа кружком), по-видимому, участвует в ковалентном присо-
единении молекулы жирной кислоты, чаще всего пальмитиновой. Полагают, что
остаток жирной кислоты выполняет роль якоря и необходим для стабилизации
взаимодействия рецептора с мембраной клетки. Тем не менее, функциональное
значение данной ковалентной модификации до конца не ясно, поскольку замена
остатка пальмитоил-Cys на аминокислоту, которая не может быть подвергнута
ацилированию, не влияет на эффективность взаимодействия рецептора со сво-
им агонистом. С другой стороны, предполагается, что такая замена может сни-
жать эффективность взаимодействия рецептора с G-белком.
В настоящее время получены доказательства того, что метаботропные и
ионо тропные рецепторы могут вступать в прямое взаимодействие друг с другом
(Liu et al., 2000). Было показано, что ионотропные рецепторы ГАМК
А
способны
образовывать комплексы с метаботропными дофаминовыми рецепторами D5
(нонеD1). В этом взаимодействии принимает участие 2-я внутриклеточная петля
γ-субъединицы рецептора ГАМК
А
и С-концевой домен рецептора D5. Содной сторо-
ны, связывание дофамина с рецептором D5 приводит к закрытию ионного канала
ГАМК
А
. Сдругой стороны, ингибирование рецептора ГАМК
А
фармакологическими
антагонистами приводит к подавлению синтеза цАМФ при стимуляции клеток
дофамином. Впоследствии было показано, что для стабильного взаимодействия
этих двух рецепторов необходимо связывание обоих лигандов, ГАМК и дофамина,
с соответствующим рецептором. Внастоящее время остается открытым вопрос о
том, является ли такой способ регуляции активности рецепторов уникальным для
ГАМК
А
и D5, или же он представляет собой универсальный регуляторный механизм.
Между различными представителями семейства рецепторов GPCR имеется
структурное сходство, что позволяет проследить степень эволюционного род-
ства между ними (рис.8.7).
8. Медиаторные системы мозга 205
Длина ветвей отражает степень эволюционного родства рецепторов кры-
сы(r), собаки (d), человека (h), тура и мухи. SRL представляет собой предполо-
жительный рецептор серотонина. Например, было показано, что рецепторы до-
фамина D1 и D5 более близки по строению к α2-адренорецептору по сравнению
с рецепторами D2, D3 и D4.
8.3. Медиатор ацетилхолин. Общая характеристика
Первым нейромедиатором, который обнаружили нейробиологи, был ацетил-
холин (АХ, англ. Ach). Он был открыт вначале ХХ века Генри Дейлом во время
работы со спорыньей. Дейл обнаружил, что ацетилхолин влиял на работу раз-
ных внутренних органов. В 1921году Отто Лёви сформулировал гипотезу строе-
ния химического синапса, изучая эффекты ацетилхолина. Он установил, что при
раздражении симпатического нерва изолированного сердца лягушки, перфузи-
руемого раствором Рингера, в перфузате появляется вещество, стимулирующее
сокращения другого изолированного сердца, соединенного с первым трубочкой;
а при раздражении сердечной ветви блуждающего нерва образуется вещество,
тормозящее деятельность сердца (Лёви назвал его вагус-веществом). Данный
эффект стал первым доказательством химической передачи сигнала в нервной
системе. Лёви обнаружил, что это ацетилхолин. Ацетилхолин является важней-
шим медиатором периферической нервной системы. В 1936г. Отто Лёви и Генри
Дейл получили Нобелевскую премию за «открытие химического механизма си-
наптической передачи».
Холинергическая система представлена нейронами (рис.8.8), расположенны-
ми в базальных ганглиях и секретирующими ацетилхолин. От базальных ганглиев
отходят аксоны холинергических нейронов, которые проецируются в лимбиче-
скую, окололимбическую области, а также во все слои коры мозга, особенной в
первый, второй и верхнюю часть третьего слоя. Известно восемь областей мозга,
имеющих холинергические нейроны, участвующие в холинергической инервации
коры головного мозга и таламуса: базальное ядро Мейнерта, медиальное ядро пе-
регородки, вертикальное ядро диагонального пучка, гиппокамп, поясная извилина,
обонятельная луковица, гипоталамус, миндалевидные ядра.
Наименьшее количество АХ содержится в мозжечке. Свободный АХ находит-
ся во внеклеточном пространстве, лабильно связанный— в цитоплазме, а проч-
но связанный— в синаптических везикулах (Бонь, 2021). Медиатор ацетилхолин
представлен сложным эфиром холина и уксусной кислоты. Жизненный цикл АХ
начинается с синтеза в цитозоле нервных терминалей, затем медиатор поступает
в синаптические пузырьки и высвобождается в синаптическую щель (рис.8.9).
Вхолинергических нейронах находится фермент холинацетил-трансфераза (ХАТ),
участвующий в синтезе АХ. В мышечных волокнах синтез ацетилхолина осущест-
вляется с помощью митохондриального фермента карнитинацетилтрансфе-
разы (Tucek, 1982). Синтез ХАТ происходит в теле нейрона, откуда с помощью
206 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
аксонального транспорта белок перемещается в нервное окончание (Oda, 1999).
Втерминали ХАТ или связывается с мембраной, или же находится в растворимой
форме. Для синтеза молекулы АХ этот фермент использует ацетил-коэнзимА
(ацетил-СоА) и холин, захваченный из внеклеточного пространства специальны-
ми транспортерами системы обратного захвата холина высокого сродства или
полученный в результате расщепления
фосфатидилхолина, одного из основных
фосфолипидов клеточной мембраны (Okuda etal., 2000).
Рис. 8.8 — Основные холинергические структуры головного мозга
(приводится по: Дзяк с соавт., 2019).
Скорость синтеза АХ в холинергических нервных окончаниях зависит от
следующих факторов: доступность холина, доступность ацетил-СоА и скорость
работы ХАТ. Большая часть синтезированного АХ закачивается в синаптические
везикулы по механизму вторично активного транспорта. Происходит накопление
медиатора в везикулах нервных окончаний вплоть до момента его высвобожде-
ния в синаптическую щель посредством экзоцитоза везикул (Абрамочкин, 2016).
Ацетилхолин взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны
или с ауторецепторами пресинаптических терминалей. Существует 2типа рецеп-
торов к АХ. Разделение холинергических рецепторов основано на характере их
взаимодействия с алкалоидами никотином и мускарином.
8. Медиаторные системы мозга 207
Рис. 8.9 — Схема холинергической нервной терминали мозга (приводится по:
Абрамочкин, 2016): 1 — пресинаптическая мембрана; 2 — постсинаптическая мембрана;
ацетил-СоА — ацетил-коэнзим А, АХ — ацетилхолин, ХАТ — холинацетилтрансфераза;
ВТАХ — везикулярный транспортер АХ; АДФ — аденозин 5-дифосфат;
АТФ — аденозин 5-трифосфат; АХЭ — ацетилхолинэстераза.
Н-холинорецепторы активируются никотином и блокируются кураре,
М-холинорецепторы активируются мускарином и блокируются атропином.
Н-холинорецепторы находятся на постганглионарных нейронах вегетативных
ганглиев, клеток коры больших полушарий, гиппокампа, таламуса, гипоталамуса,
ядер моста (Бонь, 2021).
М-холинорецепторы находятся на нейронах коры больших полушарий, гип-
покампа, миндалины, полосатого тела, обонятельной луковицы, постганглионар-
ных нейронах вегетативных ганглиев и кардиомиоцитах (Chen etal., 2019).
Холинергическая система мозга представлена тремя основными скоплени-
ями нейронов:
мотонейроны спинного мозга— формируют нервно-мышечные соедине-
ния, коллатерали этих клеток образуют возбуждающие синапсы на мелких вста-
вочных нейронах промежуточного вещества;
интернейроны базальных ядер— преимущественно локализованы в обла-
сти стриатума (полосатого тела);
проекционные нейроны образуют синапсы с клетками, расположенными
на значительном расстоянии от мест локализации скопления их тел. Отростки
проекционных нейронов способны образовывать как возбуждающие синапсы,
так и тормозные синапсы (Бонь, 2021).
208 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Холинергические нейроны в небольшом количестве присутствуют в коре
больших полушарий, гиппокампе и обонятельной луковице (Picciotto etal., 2012;
Vogt, 2018; Chen et al., 2019; Rand, 2007). Ацетилхолин выполняет следующие
важные функции: обеспечивает работу внутренних органов, уменьшает частоту
и силу сердечных сокращений, увеличивает секреторную и моторную активность
кишечника, расслабляет непроизвольный сфинктер мочевого пузыря, способ-
ствуя выведению мочи, сокращает гладкие мышцы бронхиол
и глаза (сфинктер
радужки) и др.
Ацетилхолин участвует в работе нейронных систем мозга. В головном моз-
ге больше встречаются М-холинорецепторы, а в спинном мозге преобладают
Н-холинорецепторы. В малых концентрациях никотин оказывает умеренное воз-
буждающее действие на нейроны гиппокампа и коры больших полушарий, а в
высоких концентрациях угнетает работу холинергических систем.
Ацетилхолин контролирует двигательную активность, а также принима-
ет участие в процессах, связанных с обучением и памятью. Дисфункция холи-
нергической системы наблюдается при нейродегенеративных заболеваниях
(болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, хорея Гентингтона). При болезни
Альцгеймера уменьшается активность ацетилхолина в нейронах коры больших
полушарий, гиппокапма и миндалины, а также снижается биосинтез АХ и обрат-
ный захват холина, отмечается разрушение холинергических нейронов базаль-
ных ядер и уменьшение количества Н-холинорецепторов в нейронах гиппокампа.
Болезнь Паркинсона сопровождается гиперактивностью нейронов полосатого
тела и снижением активности дофаминергических структур среднего мозга.
Хорея Гентингтона сопровождается гибелью нейронов corpus striatum.
Холинергические нейроны передних рогов спинного мозга участвуют в обра-
зовании нервно-мышечных синапсов со скелетной мускулатурой (Picciotto etal.,
2012; Vogt, 2018; Rand, 2007).
8.4. Ионотропные рецепторы
8.4.1. Строение и функции ацетилхолинового рецептора
Все ионотропные рецепторы представляют собой интегральные мембрано-
связанные белки, образующие ионные каналы в мембране клетки, сходные по
первичной структуре. Выделяют два семейства ионотропных рецепторов. Первое
семейство включает в себя никотиновый рецептор ацетилхолина (nAChR), рецеп-
тор γ-аминомасляной кислоты (ГАМК
А
-рецептор), рецептор глицина, а также один
из подклассов серотониновых рецепторов (5НТ3). Второе семейство образовано
множеством типов рецепторов глутаминовой кислоты (Glu).
Наиболее детально исследованным примером ионотропного рецептора яв-
ляется никотиновый рецептор ацетилхолина nAChR, получивший свое название
благодаря способности связывать никотин, представляющий собой алкалоид
8. Медиаторные системы мозга 209
растительного происхождения. Никотин, таким образом, является агонистом
ацетилхолина, способным связываться с его рецептором и вызывать открытие
в нем ионного канала. Напротив, вещества, способные связываться с рецепто-
рами и вызывать подавление их активности, получили название антагонистов.
Антагонисты и агонисты представляют собой удобный инструмент для исследо-
вания структуры и функционирования различных рецепторов. Рецептор
nAChR
был выделен в высокоочищенной форме из электрического органа ската рода
Torpedo с помощью аффинной хроматографии, и его структура в настоящее время
детально изучена методом рентгеноструктурного анализа. Согласно полученным
данным, рецептор nAChR представляет собой белок, состоящий из 5субъединиц
(α
2
βγδ) с молекулярной массой 40–65кДа каждая и общей молекулярной массой
порядка 290кДа. Субъединицы nAChR представляют собой интегральные гомо-
логичные белки, ориентированные в мембране клетки в форме кольца, окружаю-
щего центральный канал (рис.8.10).
Рис. 8.10 — Строение ионотропного никотинового ацетилхолинового рецептора (nAChR)
(приводится по: Squire et al., 2003).
Ионотропный рецептор связывает лиганд, что приводит к открытию ионно-
го канала посредством конформационных перестроек в структуре рецептора.
Каждая из пяти субъединиц, из которых состоит рецептор, представлена четырь-
мя трансмембранными доменами.
Внеклеточные домены субъединиц образуют воронкообразное отверстие
с внутренним диаметром порядка 20–25 Å, выступающее примерно на 100 Å с
внешней стороны мембраны. Полагают, что воронкообразная форма отверстия
способствует проведению ионов и взаимодействию нейромедиатора с амино-
кислотными остатками, экспонированными на внешней стороне ионного ка-
нала, не создавая при этом стерического препятствия для прохождения ионов.
Воронка ионного канала сужается к центру липидного бислоя, где располага-
ется домен рецептора, регулирующий открытое и закрытое состояния канала.
Внутриклеточный домен рецептора формирует выходное отверстие для ионов,
поступающих в клетку, а также входное отверстие для ионов, выходящих в меж-
клеточное пространство. Кроме того, внутриклеточный домен отвечает также за
210 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
взаимодействие рецептора с другими клеточными белками, регулирующими суб-
клеточную локализацию nAChR.
Исследования структуры рецептора nAChR показали, что каждая из пяти
субъединиц включает в себя 4трансмембранных домена, обозначаемых ТМ1–
ТМ4 (рис.8.11). Каждый из этих доменов состоит преимущественно из остатков
гидрофобных аминокислот, что способствует стабилизации пространственной
структуры рецептора в гидрофобном окружении липидного бислоя мембраны
.
Все 4трансмембранных домена ориентированы антипараллельно друг другу и
пронизывают липидный бислой. N-концевой и С-концевой домены каждой из
субъединиц ориентированы в межклеточное пространство. Также в межклеточ-
ное пространство ориентирован участок полипептидной цепи, образующей ко-
роткую петлю, соединяющую домены ТМ2 и ТМ3. Участки полипептидной цепи,
соединяющие домены ТМ1 и ТМ2, а также ТМ3 и ТМ4, тоже образуют короткие
петли, расположенные на цитоплазматической стороне мембраны.
Рис. 8.11 — (А) пространственное расположение ТМ-доменов (вид сбоку) одной из
субъединиц рецептора nAChR; N- и C-концевой домены ориентированы в межклеточное
пространство; (Б) взаимное расположение субъединиц рецептора nAChR (вид сбоку);
(В) взаимное расположение субъединиц и ТМ-доменов рецептора nAChR (вид сверху);
(Г) общий план строения рецептора nAChR в сагиттальном разрезе
(приводится по: Squire et al., 2003).
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана