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 211
Каждый из ТМ-доменов образован α-спиралью, пересекающей мембра-
ну клетки насквозь. Домен ТМ2 формирует центральный ионный канал.
Центральный канал рецептора на внешней стороне мембраны открывается во-
ронкообразным отверстием, переходящим в канал, сужающийся в центральной
части, формируя «ворота канала». На обеих сторонах канала формируется кольцо
из отрицательно заряженных аминокислот, обеспечивая селективную
проницае-
мость ионного канала для катионов. Положение сайта связывания нейромедиа-
тора показано относительно ворот канала и клеточной мембраны.
Субъединицы рецептора nAChR представляют собой цилиндрические структу-
ры, вместе образующие центральный ионный канал. Полость ионного канала об-
разована доменами ТМ2, по одному от каждой из субъединиц. Аминокислотные
остатки домена ТМ2 организованы таким образом, что боковые радикалы отри-
цательно заряженных аминокислот оказываются обращенными в сторону поры
центрального канала и образуют три кольца, которые обеспечивают селективную
проницаемость ионного канала исключительно для катионов и препятствуют
прохождению через него анионов. Рецептор nAChR проницаем преимущественно
для Na
+
, K
+
и отчасти Ca
2+
. Однако предпочтение отдается однозарядным катио-
нам. Селективная проницаемость ионного канала преимущественно для Na
+
иK
+
во многом обеспечивается его физическими размерами, которые в открытом со-
стоянии составляют 9–10Å. Кроме того, определенный вклад в избирательную
проницаемость вносят отрицательно заряженные аминокислотные остатки, рас-
положенные вокруг входного отверстия канала (рис.8.12).
На цитоплазматической стороне мембраны ионы непосредственно не выхо-
дят из центральной поры и не попадают в нее. Домены рецептора, обращенные
в цитоплазму, формируют два латерально расположенных канала, через которые
ионы могут попадать в цитоплазму или же, напротив, проникать из внутриклеточ-
ной среды в центральную пору (рис.8.13).
От каждой субъединицы книзу отходят α-спиральные участки, образующие
структуру, напоминающую пятигранный конус, которая и формирует боковые
отверстия рецептора. Несмотря на достаточно большие размеры (8×15Å), эти
боковые отверстия могут также служить дополнительным фильтром для прохож-
дения различных ионов. Вместе физические характеристики поры рецептора, а
также трансмембранный электрохимический градиент ионов определяют харак-
тер ионного тока через мембрану. Таким образом, когда пора рецептора nAChR
открыта, анионы не могут пройти ионный канал и пересечь мембрану, в то время
как катионы движутся по электрохимическому градиенту, обеспечивая входящий
ток Na
+
и Ca
2+
и исходящий ток K
+
.
Каждый рецептор nAChR содержит два сайта связывания АХ, которые нахо-
дятся в доменах, обращенных в межклеточное пространство, и располагаются
примерно на 30 Å выше уровня мембраны. Основная часть сайта связывания
АХ образована шестью аминокислотными остатками, расположенными в α-субъ-
еди ни цах.
212 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Рис. 8.12 — Взаимное расположение трех колец отрицательно заряженных
аминокислотных радикалов на сагиттальном разрезе рецептора nAChR
(приводится по: Squire et al., 2003): (А) отверстия, через которые ионы попадают
в цитоплазму или же, наоборот, покидают ее, расположены на боковых сторонах
основания рецептора; (Б) аминокислотные последовательности каждого из ТМ2-
доменов пяти субъединиц рецептора nAChR: цифры 1–3 соответствуют положению
аминокислот (Asp и Glu), участвующих в формировании трех отрицательно заряженных
колец, определяющих избирательную проницаемость ионного канала; (В) сетчатая
компьютерная модель, отражающая распределение электронной плотности белка во
внутриклеточной части рецептора nAChR в сагиттальном сечении: видна полость в
виде перевернутого конуса внутри цитоплазматического домена рецептора; (Г) сетчатая
компьютерная модель внутриклеточного домена рецептора nAChR (вид сверху
через канал); стрелками показаны боковые отверстия, через которые ионы выходят
в цитоплазму клетки или же покидают ее.
8. Медиаторные системы мозга 213
Рис. 8.13 — (А) Схема взаимного расположения аминокислотных остатков,
формирующих сайт связывания ацетилхолина (АХ) (вид сверху). (Б) Карта электронной
плотности nAChR в области расположения сайтов связывания лиганда (вид сверху).
(В) Сеточная компьютерная модель сагиттального сечения рецептора nAChR в месте
расположения сайтов связывания АХ на границах между α-δ- и α-γ-субъединицами
(вид сбоку) (приводится по: Squire et al., 2003).
Кроме того, в связывании АХ принимают участие некоторые из аминокис-
лот γ- и δ-субъединиц (рис.8.13, А). Мутации, приводящие к заменам ключевых
аминокислот в α-субъединицах, в значительной степени снижают эффектив-
ность распознавания лиганда. Оба сайта связывания не идентичны друг другу,
что связано с асимметрией рецептора, обусловленной различием в ближайшем
окружении аминокислотных остатков α-субъединиц со стороны соседних γ- или
δ-субъединиц. Кроме того, рецептор обладает способностью к кооперативному
связыванию АХ так, что связывание каждой молекулы лиганда облегчает связы-
вание следующей молекулы АХ. Согласно данным рентгеноструктурного анали-
за, проведенного Miyazawa etal. (1999), доступ медиатора к сайтам связывания
осуществляется через небольшие каналы, которые открываются во внутреннюю
полость поры недалеко от входного отверстия (рис.8.13,БиВ).
214 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Таким образом, молекулы АХ должны преодолевать эти каналы для того,
чтобы получить доступ к сайтам связывания. Этому, по-видимому, способству-
ют силы электростатического притяжения со стороны аминокислотных остат-
ков, выстилающих каналы, которые притягивают положительно заряженные
молекулы ацетилхолина, подобно тому как происходит притяжение катионов в
канале рецептора. Два соседних остатка цистеина (Cys-192 и
Cys-193) формиру-
ют дисульфидный мостик, который стабилизирует пространственную структуру
сайта связывания (рис.8.14, А). Примечательно, что эти остатки Cys являются
весьма консервативными и присутствуют в большинстве ионотропных рецеп-
торов, обеспечивая, по-видимому, высокое сродство рецептора к нейромедиа-
тору. α-бунгаротоксин, представляющий собой нейротоксин белково-пептидной
природы, присутствующий в составе яда змеи Bungarus multicinctus (южноки-
тайский многополосатый крайт), также связывается с α-субъединицами nAChR
вблизи этих остатков Cys, что приводит к блокировке нервно-мышечной пере-
дачи сигналов.
Рис. 8.14 — Топология сегмента ТМ2 α-субъединицы рецептора nAChR в
открытом и закрытом состоянии (приводится по: Squire et al., 2003): (А) взаимное
расположение аминокислотных остатков в сегменте ТМ2 α-субъединицы рецептора
nAChR, имеющей форму α-спирали; (Б) взаимное расположение трех ТМ2-
сегментов рецептора nAChR в закрытом состоянии (в отсутствие АХ); (В) взаимное
расположение трех ТМ2-сегментов рецептора nAChR в открытом состоянии
(после присоединения АХ).
Остатки Glu (Е), участвующие в образовании отрицательно заряженного
кольца, обеспечивающего избирательную проницаемость для катионов, показа-
ны вверху и внизу α-спирали (рис.8.14, А). В закрытом состоянии остатки Leu (L)
образуют гидрофобное кольцо в центре канала, препятствующее прохождению
ионов (рис.8.14, Б). В открытом состоянии происходит изменение конформации
8. Медиаторные системы мозга 215
сегментов ТМ2, что приводит к их повороту таким образом, что остатки Leu (L),
образующие гидро фобное кольцо, оказываются удаленными друг от друга. Это
приводит к открытию гидрофобного кольца и устранению препятствия для про-
хождения ионов через канал. С другой стороны, связывание АХ приводит к вза-
имной ориентации двух полярных остатков Ser (S) и одного остатка Thr (T)
вдоль
одной оси, что также способствует прохождению гидратированных ионов.
Связывание двух молекул АХ с рецептором nAChR вызывает практически
мгновенное открытие канала (примерно в течение 20мкс) для прохождения
ионов. Рентгеноструктурный анализ рецептора nAChR, связанного с никотином,
показал, что переход от закрытого состояния к открытому связан с вращением
сегмента ТМ2.
Сегмент ТМ2 представляет собой α-спираль с изгибом в центральной части,
что приводит к пространственному сближению гидрофобных остатков Leu и об-
разованию гидрофобного кольца в центральной части канала, препятствующе-
го прохождению полярных ионов. Когда с рецептором связывается АХ, в нем
происходят конформационные перестройки, приводящие к повороту сегментов
ТМ2 таким образом, что изгибы α-спиралей оказываются ориентированы в про-
тивоположную сторону, в результате чего остатки Leu удаляются друг от друга,
происходит разрушение гидрофобного кольца, а ионы получают возможность
свободно проходить через канал. Конформационные переходы, вызванные
присоединением молекулы АХ, также приводят к тому, что в центральной ча-
сти канала два остатка Ser и один остаток Thr оказываются ориентированными
вдоль одной оси. Такая взаимная ориентация сразу трех полярных аминокис-
лотных остатков также облегчает прохождение гидратированных ионов. Столь
подробная информация о строении рецептора nAChR открывает отличные воз-
можности для сравнительной характеристики других ионотропных рецепторов.
Основные этапы перехода рецептора nAChR от закрытого состояния к открыто-
му показаны на рис.8.15.
Молекула АХ проникает в центральную пору рецептора, откуда она попадает
в боковые каналы, ведущие к сайтам связывания. Как только оба сайта свя-
зывания оказываются занятыми молекулами АХ, происходит быстрое открытие
ионного канала, и ионы устремляются по нему вниз по электрохимическому гра-
диенту. Открытие ионного канала обеспечивается поворотом сегментов ТМ2 на
180° за счет конформационных переходов в молекуле рецептора, инициирован-
ных присоединением АХ.
В отсутствие нейромедиатора канал рецептора остается закрытым для
ионов. Молекулы АХ поступают к сайтам связывания через центральное отвер-
стие поры канала на внешней стороне мембраны. Это приводит к открытию цен-
трального канала рецептора и расширению боковых отверстий его внутрикле-
точного домена. Белок рапсин выполняет якорную функцию, взаимодействуя с
внутриклеточным доменом nAChR, и удерживает рецептор в области синапса.
216 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Рис. 8.15 — Конформационные переходы в рецепторе nAChR при связывании АХ
(приводится по: Squire et al., 2003).
В дополнение к остаткам Glu, образующим отрицательно заряженные кольца
по обе стороны центрального канала, селективный отбор положительно заря-
женных ионов (главным образом Na
+
и K
+
) происходит также в боковых каналах
цитоплазматического домена рецептора.
Описанная структура рецептора nAChR из электрического органа ската
Torpedo весьма сходна со строением рецепторов ацетилхолина, обнаружен-
ных в нервно-мышечных синапсах (электрический орган ската представляет
собой специализированную форму мышечной ткани). В электрическом органе
взрослого ската рецептор ацетилхолина имеет пентамерную структуру (α
2
βγδ).
Эмбриональная форма рецептора также имеет сходное строение— за исключе-
нием того, что γ-субъединица заменена в нем на уникальную по структуре ε-субъ-
единицу. Эмбриональная и взрослая формы рецепторов ацетилхолина из мышц
мыши и быка были клонированы в ооцитах Xenopus laevis. Было установлено,
что в обоих случаях оба типа рецепторов (эмбриональный и взрослый) харак-
теризовались различной ионной проводимостью, что, по-видимому, связано с
различиями в интенсивности передачи сигналов в формирующихся и в зрелых
нервно-мышечных синапсах.
Процесс сборки рецептора nAChR строго регулируется. Установлено, что пять
субъединиц рецептора могут образовывать порядка 208различных комбинаций,
однако в мышцах взрослых позвоночных реализуется только одна комбинация—
α
2
βγδ (в эмбриональном рецепторе— ε вместо γ), что указывает на низкий уро-
8. Медиаторные системы мозга 217
вень структурной вариабельности рецептора. Сборка рецептора осуществляется
в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) и начинается с образования αγ-димеров,
которые затем связываются с β-субъединицами и друг с другом, что приводит
к формированию целого рецептора. В процессе внутриклеточного созревания
каждая из субъединиц рецептора подвергается гликозилированию. Показано,
что нарушение процесса гликозилирования субъединиц приводит к
нарушению
сборки рецептора. Для правильной сборки зрелого рецептора важное значе-
ние имеет формирование двух высококонсервативных дисульфидных связей в
N-концевой части внеклеточного домена. Первая дисульфидная связь образу-
ется между остатками Cys-192 и Cys-193 и располагается вблизи сайта связы-
вания АХ. Вторая дисульфидная связь замыкается между двумя остатками Cys,
отстоящими друг от друга на 15аминокислотных остатков, и формирует петлю во
внеклеточном домене.
Весьма значительную роль в регуляции работы рецепторов nAChR играют
процессы фосфорилирования/дефосфорилирования. Рецептор nAChR являет-
ся субстратом фосфорилирования по меньшей мере для трех протеинкиназ.
цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А, ПКА, англ. PKA) фосфорили-
рует γ- и δ-субъединицы, Са
2+
/фосфолипид-зависимая протеинкиназа (протеинки-
наза С, ПКС, англ. PKC) фосфорилирует δ-субъединицу, а не идентифицированная
в настоящее время тирозинкиназа фосфорилирует β-, γ- и δ-субъединицы. Сайты
фосфорилирования были найдены во внутриклеточной петле, соединяющей сег-
менты ТМ3 и ТМ4. Фосфорилирование рецептора nAChR активирует быструю
фазу его десенситизации. Десенситизация рецепторов является фундаменталь-
ным механизмом, который ограничивает поток ионов через рецептор, переводя
его в закрытое состояние при продолжительном присутствии нейромедиатора
в синаптической щели. Время десенситизации рецептора nAChR составляет по-
рядка 50–100мс. Такая скорость десенситизации является, однако, слишком
медленной для того, чтобы играть существенную роль в регуляции передачи сиг-
налов в нервно-мышечном синапсе, длительность которой составляет порядка
5–10мс. Тем не менее, такая низкая скорость десенситизации не характерна для
рецепторов nAChR, обнаруженных в головном мозге.
8.4.2. Строение и функции
нейронального рецептора nAChR
Строение нейрональных рецепторов nAChR во многом сходно с описанным
выше рецептором Torpedo, однако имеет определенные особенности по сравне-
нию с ним (рис.8.16).
Ацетилхолиновые рецепторы в головном мозге разнообразны по структу-
ре и свойствам в связи с возможностью различных комбинаций субъединиц.
Например, нейрональные рецепторы AChR состоят из субъединиц только двух
типов, α и β, различные комбинации которых формируют функционально актив-
ные рецепторы, большинство из которых не связывают α-бунгаротоксин.
218 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
Рис. 8.16 — Строение рецепторов AChR из скелетной мышцы (А), одного
из нейрональных AChR-рецепторов, состоящего из α2- и β4-субъединиц (Б),
и гомопентамерного нейронального AChR-рецептора, состоящего
из пяти α7-субъединиц (В).
В настоящее время известно по меньшей мере девять подтипов α-субъеди-
ниц, из которых α1-субъединица идентична α-субъединице из мышечной ткани,
а другие являются видоспецифичными. Например, α8-субъединица найдена
только в головном мозге кур, а α9 присутствует только у крыс. Также иденти-
фицировано четыре подтипа β-субъединиц, из которых β1-субъединица также
идентична β-субъединице из мышечной ткани. Нейрональные β-субъединицы
весьма сходны с таковыми из мышц и часто обозначаются как субъединицы,
отличные от α-субъединиц. Отличительной особенностью нейрональных α-субъ-
единиц от β-субъединиц является присутствие во внеклеточном домене первых
специализированных остатков Cys, два из которых располагаются друг рядом с
другом и образуют дисульфидный мостик. В β-субъединицах такие остатки Cys
отсутствуют. Поскольку эти остатки Cys играют ключевую роль в связывании АХ,
α-субъединицы нейрональных рецепторов AChR, как и мышечные α-субъедини-
цы, содержат большую часть сайтов связывания нейромедиатора (рис.8.16). Все
гены α- и β-субъединиц кодируют белки, содержащие 4трансмембранных сег-
мента (ТМ1–ТМ4). Несмотря на то что рецепторы данного семейства описаны
не столь детально, как рецепторы Torpedo, полагают, что все они состоят из 5-ти
субъединиц.
Нейрональные рецепторы nAChR выполняют разнообразные функции.
Вчастности, считается, что данный тип рецепторов ответственен за физиоло-
гические эффекты, связанные с употреблением никотина. Основной функцией
рецепторов nAChR в головном мозге является модуляция возбудительных си-
напсов на пресинаптическом уровне. Разнообразие функций данных рецепто-
ров связано, по-видимому, с их гетерогенной структурой, обеспечиваемой боль-
шим количеством комбинаций различных α- и β-субъединиц. Полагают, что
сборка рецепторов в нейронах регулируется менее строго, чем это происходит
в электрическом органе Torpedo и в мышцах. Функционально активный нейро-
8. Медиаторные системы мозга 219
нальный рецептор nAChR может быть построен из субъединиц только одного
типа, например, α7, α8 или α9, а каждый из типов α-субъединиц может обра-
зовывать комплекс с различными типами β-субъединиц. Например, α3-субъ-
единица может образовывать комплекс либо с β2-, либо с β4-субъединицей,
либо с обеими из них. Столь большое
разнообразие не является уникальным
свойством рецепторов nAChR и характерно для большинства изученных ре-
цепторов. Все это находит свое отражение в свойствах рецепторов, таких как
скорость проведения сигнала и десенситизации. Кроме того, рецепторы раз-
личной структуры могут иметь также различную локализацию. Нейрональные
рецепторы nAChR характеризуются проводимостью порядка 5–50 пСм в за-
висимости от локализации и субъединичного состава. Многие (но не все) из
этих рецепторов блокируются нейрональным бунгаротоксином, отличным
от α-бунгаротоксина. Все нейрональные рецепторы nAChR образуют ионные
каналы для катионов, которые обеспечивают, помимо входящего тока Na
+
и
исходящего тока K
+
, также входящий ток Ca
2+
. Проницаемость нейрональных
рецепторов nAChR для Ca
2+
выше, чем проницаемость соответствующих рецеп-
торов в мышцах, и варьирует в зависимости от типа рецептора. Некоторые ре-
цепторы характеризуются очень высоким отношением проводимости Ca
2+
/Na
+
.
Например, отношение проводимости Ca
2+
/Na
+
для рецептора α7 nAChR состав-
ляет 20, в то время как другие изоформы демонстрируют отношение проводи-
мости для этих ионов, равное 1,0–1,5. Мутация только по одной из аминокислот
в сегменте ТМ2 (замена Glu-237 на Ala) лишает рецептор α7 nAChR пропускной
способности для Ca
2+
, но не оказывает заметного влияния на прочие свойства
рецептора. Остаток Glu-237 располагается внутри поры рецептора, обеспечивая
проницаемость для Ca
2+
посредством электростатического взаимодействия с
его отрицательно заряженной боковой цепью. Активация α7-рецепторов при
связывании с ними АХ может, таким образом, приводить к значительному по-
вышению внутриклеточного уровня Ca
2+
без открытия потенциал-зависимых
Ca
2+
-каналов. Субъединицы α7, α8 и α9 являются нейрональными субъединица-
ми, способными связывать α-бунгаротоксин.
В нейромышечных синапсах процесс десенситизации ацетилхолиновых
рецепторов не имеет существенного физиологического значения в отношении
определения паттерна проводимых сигналов. Напротив, десенситизация нейро-
нальных рецепторов nAChR играет, по всей вероятности, основную роль в опре-
делении эффектов ацетилхолина. Рецепторы, построенные из субъединиц типа
α7, α8 и комбинации α/β-субъединиц, характеризуются временем десенситиза-
ции 100–500мс, в то время как рецепторы других типов десенситизируются за
2–20с. Принимая во внимание высокое функциональное разнообразие нейро-
нальных рецепторов nAChR, можно предположить, что различие в скорости де-
сенситизации имеет важное физиологическое значение.
220 О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов. Основы нейробиологии
8.5. Мускариновый рецептор ацетилхолина (mAChR)
Мускарин представляет собой природный алкалоид растительного проис-
хождения, который связывается с подтипом мускариновых рецепторов ацетил-
холина (mAChR) и активирует их. Рецепторы mAChR играют основную роль в ре-
ализации эффектов ацетилхолина в головном мозге, который может обладать
как тормозным, так и возбудительным действием в различных структурах мозга
при связывании со специфическими рецепторами. Рецепторы mAChR присут-
ствуют как на пре-, так и на постсинаптической мембране, и передаваемые ими
сигналы в конечном итоге отражаются на активности различных ионных кана-
лов. Пресинаптические рецепторы mAChR участвуют в формировании петель
отрицательной обратной связи, регулирующих высвобождение ацетилхолина.
Ацетилхолин, высвобождаемый из пресинаптических нервных окончаний, может
связываться со своими рецепторами, находящимися на том же самом нервном
окончании (аутокринно). Это приводит к активации каскада ферментативных
реакций, модулирующих дальнейшее высвобождение ацетилхолина. Такой ме-
ханизм, как правило, бывает направлен на подавление высвобождения ацетил-
холина. Однако известны примеры положительной модуляции при участии аце-
тилхолиновых рецепторов типа m5. Такие ауторецепторы играют важную роль в
быстрой регуляции (от нескольких миллисекунд до нескольких секунд) высвобо-
ждения нейромедиаторов.
В настоящее время в семейство рецепторов mAChR включается 5разновид-
ностей ацетилхолиновых рецепторов (m1–m5), представляющих собой белки с
молекулярной массой 55–70кДа, каждый из которых имеет структуру, включа-
ющую 7трансмембранных доменов, типичную для рецепторов GPCR. Различия
в строении данных рецепторов наиболее отчетливо проявляются в структуре
3-й внутриклеточной петли (i3), которая отвечает за специфические взаимо-
действия с G-белками. Рецепторы m1, m3 и m5 сопряжены главным образом с
G
q
-белками, активирующими фосфолипазу С и инициирующими фосфатидили-
нозитолдифосфат-(ФИФ
2
)-зависимый сигнальный механизм. Рецепторы m2 и
m4 сопряжены с G
i
-белками, которые ингибируют аценилатциклазу, а также с
G
0
-белками, которые напрямую регулируют активность K
+
- и Ca
2+
-каналов. Также
как и в случае с другими рецепторами GPCR, центральную роль в специфическом
взаимодействии мускариновых рецепторов с G-белками выполняет N-концевой
домен внутриклеточной петли i3. Структура этого домена консервативна для ре-
цепторов m1, m3 и m5, но отличается от таковой у рецепторов m2 и m4. Кроме
того, за специфическое взаимодействие с G-белками отвечают также некоторые
аминокислотные остатки, такие как, например, остаток Asp, расположенный в
N-концевой части 2-й внутриклеточной петли i2, а также некоторые аминокислот-
ные остатки в С-концевой части внутриклеточной петли i3.
Большинство рецепторов mAChR, обнаруженных в головном мозге, отно-
сятся к подтипам m1, m3 и m4 и характеризуются диффузным распределением.
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана