/
Автор: Ашмарин И.П. Стукалов П.В.
Теги: физиология сравнительная физиология биофизика, биохимия и физиология животных и человека биохимия нервная система нейрохимия
ISBN: 5-900760-02-2
Год: 1996
Текст
УДК 612
ББК 28.91Я 73
Н46
Нейрохимия:
Учебник для биологических и медицинских вузов
Подред. акад. РАМН И.П.Ашмарина и проф. П.В.Стукалова.
И.П.Ашмарнн, А.Е.Антипенко, В.В.Ашапкин, Г.Г.Вольский,
С.А.Дамбинова, Н.Д.Ешенко, М.А.Каменская, Е.П.Каразеева,
Л.М.Осадчая, П.В.Стукалов, С.А.Титов, С.Ю.Туманова, МА.Флеров;
Москва: Изд. Института биомедицинской химии РАМН, 1996, 470 с
ISBN 5-900760-02-2
В книге изложены основные разделы биохимии нервной
системы. Рассматриваются состав, энергетические пластические
процессы, биохимия синапсов, нейромедиаторов, нейропептндов,
электрохимические процессы, функциональная биохимия отделов
мозга и нервных проводников, биохимия памяти, элементы
нейрохимии патологических состояний мозга.
Издание осуществлено при финансовой поддержке Р<£фи
по гранту Nq 95-04-2^^?
ISBN 5-900760-02-2
© И.П.Ашмарнн, А.Е.Антипенко,
В.В.Ашапкин, Г.Г.Вольский,
С.А.Дамбинова, Н.Д.Ешенко,
М.А.Каменская, Е.П.Каразеева,
Л.М.Осадаая, П.В.Стукалов, САЛигов,
С.Ю.Туманова, М-А.Флеров
Предисловие
Познание механизмов деятельности мозга, в том числе хи-
мических, является не только важнейшей биологической зада-
чей. Оно имеет особое значение в общем стремлении человека
к пониманию его места и роли на Земле и во Вселенной.
Нервная система, головной мозг, особенно высших живот-
ных и человека, — это наиболее изысканные создания процесса
эволюции. Поэтому нейрохимия — самая сложная из биохими-
ческих дисциплин. Студенты, аспиранты и зрелые ученые, при-
ступающие к изучению нейрохимии, должны быть уже воору-
жены основательными знаниями по общей биохимии. Только
опираясь на эту базу, можно усвоить ряд качественно новых
построений нейрохимии. Бесполезно также пытаться изучать
нейрохимию, не имея представления об основах морфологии и
физиологии нервной системы, а также о болезнях нервной сис-
темы, ибо при этом с особенной яркостью вырисовывается важ-
ность нейрохимии для решения практических задач медицины
и для повышения эффективности умственного труда. Все это
обусловливает целесообразность преподавания нейрохимии на
старших курсах соответствующих факультетов биологических и
медицинских ВУЗов и определяет особенности изложения ней-
рохимии в настоящем издании.
Авторы учебника стремились максимально использовать опыт
преподавания нейрохимии на кафедре биохимии Ленинград-
ского Государственного Университета и на кафедре физиоло-
гии человека и животных Московского Государственного Уни-
верситета им.М.В.Ломоносова. Учитывался также опыт созда-
ния ряда зарубежных учебников.
Книга делится на две большие части. Первая включает изло-
жение ряда традиционных разделов статической биохимии нерв-
ной системы — описание белков, нуклеиновых кислот, липи-
дов, углеводов и таких надмолекулярных образований, как мем-
браны нейронов. В эту же часть входят разделы динамической
биохимии, в частности характеристика энергетического мета-
болизма центральной нервной системы.
Вторая часть включает описание синаптического аппарата
медиаторных систем и рецепторов, механизмов проведения нерв-
ных импульсов, ряда постсинаптических процессов в нейронах
и систем их модуляции.
В завершающих главах книги изложены современные пред-
ставления о биохимических механизмах высших функций цен-
3
тральной нервной системы, в том числе памяти, и продемонст-
рированы достижения нейрохимии в раскрытии механизмов
некоторых болезней головного мозга.
Главы книги, особенно 7 и 11, содержат материалы, распо-
ложенные в порядке возрастающей сложности. В силу тесной
взаимосвязи материалов, изложенных в различных главах, не-
избежными являются отдельные повторы. Однако они облегча-
ют восприятие в тех случаях, когда читатель хочет воспользо-
ваться не книгой в целом, а отдельными ее разделами.
Коллектив авторов книги состоит из сотрудников: кафедры
биохимии ЛГУ — Н.Д.Ещенко (гл.3,5), Г.Г.Вольского (гл.З),
А.Е.Антипенко (гл.10), Л.М.Осадчей (гл.2), С.Ю.Тумановой
(гл.4), М.А.Флерова (гл.6); кафедры физиологии человека и жи-
вотных МГУ — И.П.Ашмарина (гл.9,11,12), Е.П.Каразеевой
(гл.3,9,12); лаборатории нейрохимии Научно-исследовательского
института экспериментальной медицины АН СССР — С.А.Дам-
биновой (гл.8); лаборатории молекулярной биологии МГУ —
В.В.Ашапкина (гл.1); Всесоюзного научно-исследовательского
института системных исследований АН СССР — С.А.Титова
(гл.11); Всесоюзного института научной и технической информа-
ции — М.А.Каменской (гл.7,8); Клинического центра Сербии
П.В.Стукалова (гл. 12).
Важной особенностью книги является тот факт, что в ее соз-
дании приняли научное и научно-организационное участие
югославские специалисты — профессор П.Стукалов, доктор
Ж.Вуйович. Книга, таким образом, отражает сотрудничество
ученых Югославии и России в обобщении последних достиже-
ний нейрохимии и подготовке кадров нейрохимиков.
Авторы обращаются к читателям книги с просьбой направ-
лять им замечания и пожелания с целью учета их при после-
дующих переизданиях.
4
Введение
Основные биохимические особенности нервной
системы
И. П. Ашмарин
Нервная система представляет собой уникальную биологиче-
скую структуру, главные функции которой состоят в прямом или
косвенном управлении важнейшими внешними функциями организ-
ма, а также в регуляторной и интегрирующей роли по отношению
к процессам, протекающим внутри целостного организма челове-
ка или животного. Естественно, нейрохимия — самая сложная
из областей современной биохимии. Перед тем как приступить
к изучению ее по разделам, полезно иметь представления о наи-
более общих особенностях нервной системы, причем не только
биохимических, но и некоторых морфологических и функцио-
нальных.
1. Нервная система — это наиболее сложная и гетерогенная
организация различных структурных элементов по сравнению с
другими тканями организма человека и животных. Основной
структурно-функциональной единицей ее является нейрон. Су-
ществует несколько типов нейронов, отличающихся по своим
размерам, числу отростков, ряду функциональных и биохими-
ческих свойств. Характерно, что нейроны “работают” не в оди-
ночку, независимо друг от друга, а, напротив, образуют слож-
ные межнейрональные комплексы или ансамбли по функцио-
нальному принципу. Число нейронов в ЦНС высших живот-
ных составляет 1Q12 _ 1015.
Наряду с нейронами в нервной ткани большую роль играют
различные нейроглиальные клетки — астроциты, олигодендро-
циты, клетки эпендимы и микроглии. Лишь благодаря тесному
морфофункциональному и метаболическому взаимодействию
нейрональных и глиальных клеток обеспечивается функциональ-
ная деятельность нервной ткани.
Сложный характер межклеточных взаимодействий в функ-
циональных ансамблях нейронов и в системе нейрон-нейрог-
лия выражается и в сложности анатомической организации нерв-
ной системы и особенно ее центральных отделов, в первую оче-
редь головного мозга.
2. Сложнейшая система межнейрональных и перифериче-
ских связей осуществляется через специфические образования
5
— синапсы, обеспечивающие передачу и модуляцию сигнала с
помощью химических и электрических механизмов. На одном
нейроне может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч
синапсов. Именно благодаря синаптическим образованиям про-
исходит формирование временных и стабильных функциональных
ансамблей нейронов, осуществляется межнейрональный, нейромы-
шечные и нейросекреторные контакты.
3. Особую роль в функционировании нервной системы иг-
рает специфика в строении нейрональных мембран, способных к
генерации и распространению электрического потенциала.
Наличие миелиновых оболочек обеспечивает надежную элек-
трическую изоляцию тел нейронов и их отростков для исклю-
чения неадекватного взаимодействия между нейронами при
распространении возбуждения, чем гарантируется высокая ско-
рость проведения нервного импульса.
4. Уникальное строение нейронов, для большинства из ко-
торых характерна значительная разница между размерами и объ-
емом центральной части клетки и длиной отростков (в первую
очередь аксона), делает понятным существование в нервных
клетках специфических транспортных систем, осуществляющих
перенос метаболитов, ионов, предшественников для образова-
ния структурных элементов и др. Прямой и обратный (ретро-
градный) аксональный ток является обязательным условием
нормального функционирования нейрона. Аксоплазматический
ток обеспечивает постоянное обновление компонентов синап-
тических структур, осуществление обратной связи между отро-
стками и телом нейрона, а также между отдельными компар-
тментами клетки.
5. Обмен и функции нуклеиновых кислот клеток нервной сис-
темы характеризуются особенным разнообразием экспрессируе-
мых уникальных генов. Среди них есть гены, определяющие син-
тез большого числа нейроспецифических белков. Временные и
стабильные перестройки систем экспрессии генов являются важ-
ным элементом механизмов памяти и других высших функций
центральной нервной системы.
Многочисленные нейроспецифические белки, многие из кото-
рых представляют собой глико- или липопротеины, выполня-
ют важные функции, в частности, участвуют в формировании
рецепторных участков клеточной поверхности, в процессах ад-
гезии клеток, в перестройке межклеточных контактов в онтоге-
незе. Некоторые нейроспецифические белки вовлечены в про-
цессы синаптической передачи и формирования долговремен-
ной памяти.
6
6. Нервная ткань характеризуется высоким содержанием и
необычайной гетерогенностью липидов. Это существенно от-
личает нервную ткань от других органов и тканей. Именно спе-
цифические липиды в значительной мере определяют сложность
и своеобразие мембран и надмолекулярных образований (та-
ких, как миелин) в нервной системе.
На долю липидов приходится до 50% сухой массы нервной
ткани; при этом фосфолипиды составляют около половины, а
холестерин и гликолипиды — примерно до 25% от общего ко-
личества липидов. Для нервной ткани характерно наличие спе-
цифических липидов: ганглиозидов, галактоцереброзидов, полифос-
фоинозитидов, которые в других тканях либо отсутствуют, либо
обнаруживаются в ничтожных количествах.
7. Характерная особенность нервной ткани — высокая ин-
тенсивность энергетического метаболизма. По потреблению ки-
слорода и глюкозы мозг занимает первое место среди крупных
органов животного или человека. Существенно, что глюкоза слу-
жит преимущественным субстратом окисления в нервной тка-
ни и не может быть заменена другими субстратами окисления.
Собственные углеводные резервы мозга весьма незначительны
и этим объясняется чрезвычайная чувствительность нервной
ткани, прежде всего, коры больших полушарий, к гипоглике-
мии и гипоксии. Высокая интенсивность энергетического об-
мена является основным фактором, обеспечивающим протека-
ние таких специфических процессов, как передача нервных
импульсов, хранение и переработка поступающей информации,
интегративная деятельность мозга и др.
8. Метаболизм аминокислот имеет в нервной ткани ряд спе-
цифических черт. Особую роль играют дикарбоновые аминокис-
лоты, содержание и интенсивность метаболизма которых в мозге
заметно выше, чем в других тканях. Наряду с участием в био-
синтезе пептидов и белков, с возможностью служить дополни-
тельными энергетическими субстратами ряд аминокислот вы-
полняет и особые функции, выступая в роли нейромедиаторов
или их непосредственных предшественников.
9. Важное значение в нервной ткани имеют специфические
альтернативные пути превращений ряда “ключевых ” метаболи-
тов, например а-кетоглутарата, пирувата и др. Так, ГАМК-шунт
является характерной только для нервных клеток разновидно-
стью цикла трикарбоновых кислот. Физиологическая роль это-
го альтернативного пути заключается в образовании нейроме-
диатора — у-аминомасляной кислоты.
10. Для нервной ткани характерна отчетливо выраженная
7
компартментализация метаболизма, т.е. пространственная ра-
зобщенность отдельных метаболических процессов — как в раз-
ных отделах мозга, так и в различных субклеточных структурах
нейрона или в элементах системы нейрон-нейроглия. Особен-
но ярко это продемонстрировано на примере метаболизма ами-
нокислот и на примере реакций энергетического метаболизма
— существование “большого” и “малого” энергетических ком-
партментов, отличающихся по скорости, по субстратам окисле-
ния и по направлению протекания отдельных реакций.
Важным примером компартментализации метаболических
процессов служат специфические биохимические реакции, ко-
торые протекают в синаптических окончаниях и лежат в основе
функциональной деятельности синапсов.
11. Мозг содержит чрезвычайно большое число регулятор-
ных пептидов (нейропептидов); в настоящее время идентифици-
рованы уже сотни пептидов-регуляторов. Они являются участ-
никами синаптической передачи’сигналов и дистантными ре-
гуляторами, обеспечивающими широкий круг функций ЦНС и
психосоматические взаимодействия.
12. Для метаболизма мозга характерна высокая степень авто-
номии по отношению к другим областям организма. Существует
гематоэнцефалический барьер, который играет очень большую
роль в обеспечении постоянства внутренней среды мозга, в ча-
стности в поддержании ионного и осмотического баланса, в
избирательном активном транспорте ряда питательных и регу-
ляторных веществ и т.д.
Перечисленные особенности биохимии нервной системы
являются важнейшими, но не исчерпывающими. В последую-
щих разделах будет представлено детальное их описание.
8
Часть I
Состав и метаболизм головного мозга
и периферической нервной системы
Глава 1
Особенности нуклеиновых кислот и хроматина
нервной ткани
В. В. Ашапкин
Геном клетки является средоточием наследственных потен-
ций и определяет ее функциональную специфичность. Однако
в целом генетические и регуляторные последовательности ядер-
ной и митохондриальной ДНК нервных клеток идентичны или
очень близки к таковым клеток большинства других тканей.
Кажется, на первый взгляд, кощунственным утверждение, что
ДНК нейрона качественно не отличается от ДНК клеток кожи,
желудка и т.п. Однако это так. Отличие состоит не в ДНК, а в
том, что значительная часть функционирующих, “включенных”
генов нервных клеток — это не те гены, которые функциониру-
ют в других тканях. Кроме того, набор генов, которые действу-
ют в нервных клетках, гораздо многообразнее, чем в клетках
других тканей. Это соответствует представлению о нервных клет-
ках как высшем создании эволюционного процесса, но требует
раскрытия механизмов, которые определяют избирательное и
многообразное раскрытие функций их генома.
1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДНК В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ.
ПРОБЛЕМА “ИЗБЫТОЧНОЙ” ДНК
В большинстве областей головного мозга клетки являются
диплоидными. У человека, в частности, на обеих парах хромо-
сом каждой клетки содержится около 6 пг ДНК, т.е. около 4-10В * * * 12
Д или 6109 пар нуклеотидов (н.п.). Общая длина молекул ДНК
диплоидного набора хромосом клетки человека близка к 1,5 м.
В целой клетке ДНК больше, но ненамного, — за счет мито-
хондриальной ДНК. Это превышение достигает нескольких де-
9
сятков процентов — для средних и больших по размеру нейро-
нов.
В конце 1960-х — начале 1970-х годов в результате много-
численных исследований методом цитофотометрии ДНК по
Фельгену получило широкое распространение представление о
существовании избыточной по сравнению с диплоидным набором
ДНК в клетках мозга млекопитающих и птиц. Особенно попу-
лярной была точка зрения о тетраплоидности (в ряде случаев —
и полиплоидности более высокого порядка) крупных нейронов
— таких, как клетки Пуркинье мозжечка и пирамидные нейро-
ны гиппокампа.
Применение более совершенных методов в последующие годы
показало, что большинство “подозреваемых” нейронов в дей-
ствительности содержит диплоидное количество ДНК, хотя в
ограниченных популяциях нейронов определенных типов со-
держание ДНК может быть более высоким. Наиболее достовер-
но гипердиплоидизация обнаружена в клетках Пуркинье моз-
жечка, в небольшой части которых выявлено избирательное ум-
ножение (амплификация) генов рибосомальной РНК (В.Я.Брод-
ский и др., 1985). Общепринятое почти до недавнего времени
представление о накоплении избыточной ДНК в ядрах нейро-
нов неокортекса млекопитающих в первые недели постнаталь-
ного онтогенеза не подтвердились при исследовании более со-
вершенными методами ( R. Hobietal., 1984) .
В нейронах некоторых беспозвоночных явление полиплои-
дизации распространено очень широко: в ЦНС брюхоногих
моллюсков, например, полиплоидными являются практически
все крупные нейроны.
Выше мы обращали внимание на отсутствие качественных от-
личий ДНК клеток мозга от ДНК других клеток организма, имея
в виду одинаковый набор генов, но в то же время глубокие разли-
чия в наборе работающих и неработающих генов. В течение по-
следних четырех лет появились данные об особой роли в функци-
ях мозга ряда монотонно повторяющихся тринуклеотидных по-
следовательностей в ДНК. Например, тринуклеотид CAG содер-
жится в различных частях генома группами по 8-33 копий. Уве-
личение числа копий в 3-10 раз ассоциируется с рядом тяжелых
нервных болезней (болезни Хантингтона, спинальной и бульбар-
ной мышечной атрофией, спиноцеребеллярной атаксией и др.).
Аналогичная ситуация установлена для последовательностей CGG,
GCC и CTG. Это служит яркой иллюстрацией того, как велико
значение точной организации всех элементов ДНК нейронов, даже
относительно простых и монотонных.
10
1.2. РЕПЛИКАТИВНЫЙ СИНТЕЗ ДНК И ПРОЛИФЕРАЦИЯ
НЕРВНЫХ КЛЕТОК
Формирование нейрональных популяций в головном мозге крыс
и мышей в основном завершается к моменту рождения. Ис-
ключение составляют популяции зернистых нейронов обоня-
тельных луковиц, зубчатой фасции гиппокампа и коры моз-
жечка, формирование которых наиболее активно протекает в
первые три недели после рождения, а в небольших масштабах,
по-видимому, происходит и у взрослых животных. Попытки
доказать возможность митотического деления полностью диф-
ференцированных нейронов большинством цитологов призна-
ны неубедительными. Лишь при создании определенных весь-
ма специфических условий in vitro (длительная деполяризация)
возникает репликация ДНК и митозы в мотонейронах из спин-
ного мозга цыплят.
Источником образования нейронов в период активного нейрогенеза слу-
жат камбиальные клетки специальных герминативных зон (вентрикулярной и
субвентрикулярной) . При этом миграция нейробластов в соответствующие
зоны созревающего мозга весьма упорядочена. Так, для неокортекса млекопи-
тающих, имеющего хорошо выраженную микроколончатую организацию, то-
пография микроколонок определяется топографией пролиферативных единиц
вентрикулярного слоя (P.Rakic, 1988). Последние представляют собой морфо-
логически обособленные группы камбиальных клеток (3-12 шт. >, которые,
претерпевая ряд клеточных делений, дают начало соответствующей обособ-
ленной группе нейронов в определенной зоне неокортекса, т е. микроколон-
ке.
В мозге взрослых теплокровных животных нейрогенез чрезвычайно огра-
ничен. У приматов нейро генез, по-видимому, полностью заканчивается в пер-
вые месяцы после рождения, т е. задолго до полного функционального созре-
вания мозга.
У беспозвоночных животных формирование нейрональных популяций ЦНС
может продолжаться, по-видимому, на протяжении всей жизни. Так, у апли-
зии нейрональные популяции всех центральных ганглиев многократно умно-
жаются в первые месяцы постметаморфного онтогенеза, причем выделяется
ограниченная во времени стадия позднего ювенильного развития, на которой
происходит бурное увеличение численности нейронов одновременно во всех
ганглиях. Еще более стремительно при этом возрастает объем нейропиля. Од-
новременно с этим у аплизии появляется способность к наиболее сложной для
нее форме обучения — сенситизации.
Формирование популяций клеток глии в головном мозге млекопитающих
наиболее активно протекает в первые недели постнатального онтогенеза и в
ограниченных масштабах продолжается в течение всей жизни. Основным ис-
точником глиальных клеток, как и нейронов, служат плюрипотентные клетки
герминативных зон. Однако в отличие от нейронов, которые утрачивают спо-
собность к митотическому делению до миграции из герминативной зоны, гли-
альные клетки сохраняют ее и в местах своей будущей конечной дифференци-
ровки.
И
1.3. РЕПАРАЦИЯ ДНК В МОЗГЕ ЖИВОТНЫХ
Действие систем “ремонта”, репарации ДНК в любой клетке
является необходимым условием нормального функционирова-
ния ее генетического аппарата. Этот процесс особенно важен
для клеток долгоживущих, медленно обновляющихся популя-
ций, классическим примером которых являются именно клет-
ки нервной системы. Замечено, что прогрессивные нарушения
функционирования нервных клеток в стареющем мозге челове-
ка и животных коррелируют с постепенным накоплением по-
вреждений в их ДНК. При действии умеренных доз гамма-об-
лучения в нейронах и глиальных клетках наблюдается стимуля-
ция репаративного синтеза ДНК. Вместе с тем в нейронах моз-
жечка гамма-облучение in vivo сопровождается накоплением
каких-то нерепарируемых повреждений ДНК, которые в конце
концов приводят к деградации ДНК и гибели нейронов. Оче-
видно, существует определенная пороговая доза повреждений,
после которой системы репарации ДНК в клетках уже не спо-
собны справиться с их дезорганизующим действием.
Большая часть синтеза ДНК в мозге интактных взрослых крыс
(-60%) обусловлена именно процессами репарации. Скорость
репарации многих экспериментально индуцированных повре-
ждений ДНК мозга очень невелика. Относительно быстрое уда-
ление части таких повреждений в первые часы после их индук-
ции обычно сменяется фазой гораздо более медленной репара-
ции (В.А.Иванов, 1989). В первую очередь репарируются по-
вреждения транскрипционно активных, важных для выжива-
ния и полноценного функционирования клеток генов, тогда
как в репрессированных областях хроматина повреждения мо-
гут накапливаться. В основе такой избирательности может ле-
жать более высокая доступность транскрибируемых участков
хроматина ферментам репарации и совместное расположение
транскрипционных и репаративных ферментов в определенных
участках ядерного матрикса.
В мозге млекопитающих обнаружены практически все фер-
менты, необходимые для эффективной репарации поврежде-
ний ДНК. Так, в мозге крыс и кроликов имеются основные
ферменты, необходимые для синтеза дезоксинуклеозидтрифос-
фатов, — рибонуклеотидредуктаза и тимидинкиназа. Активность
этих ферментов особенно высока в мозге эмбрионов и новоро-
жденных животных. У взрослых животных она сохраняется на
довольно низком уровне, соответствующем невысоким потреб-
ностям в пополнении фондов дезоксинуклеозидтрифосфатов для
12
репаративного синтеза ДНК. Содержание различных ДНК-по-
лимераз в мозге млекопитающих также зависит от возраста.
Функциональное значение различных ДНК-полимераз в клет-
ках эукариот довольно хорошо исследовано.
Главной репликативной ДНК-полимеразой является поли-
мераза а. Ведущую роль в репликации ядерной ДНК наряду с
а-полимеразой выполняет ДНК-полимераза б: предполагается,
что 5-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирую-
щей цепи ДНК, а а-полимераза — синтез фрагментов Оказаки
“запаздывающей” цепи. ДНК-полимераза р не участвует в реп-
ликации ДНК и является целиком репаративным ферментом, а
ДНК-полимераза у реплицирует митохондриальную ДНК.
В ядрах нейронов неокортекса взрослых крыс ДНК-полиме-
раза а не обнаруживается, что вполне согласуется с полной ут-
ратой этими нейронами пролиферативной активности, а основ-
ной является ДНК-полимераза р (-99,2% от всей ДНК-полиме-
разной активности); небольшой вклад в общую активность
(-0,8%) вносит ДНК-полимераза у. ДНК-полимераза р осуще-
ствляет стимулируемый ультрафиолетовым облучением репара-
тивный синтез ДНК в изолированных ядрах нейронов и явля-
ется, таким образом, главной, если не единственной, репаратив-
ной полимеразой в зрелых нейронах.
ДНК-полимераза р является конститутивным ферментом, синтезируемым
в клетках всех типов на более или менее одинаковом уровне, не зависимом от
их пролиферативной активности. Это самая часто “ошибающаяся” из всех
эукариотических ДНК-полимераз: при копировании ДНК in vitro она делает
одну ошибку на каждые 103 — 104 нуклеотидов. По-видимому, существуют
какие-то дополнительные факторы, повышающие точность ее работы in vivo.
В мозге млекопитающих обнаружены также и другие фер-
менты, принимающие участие в репликативном и репаратив-
ном синтезе ДНК. Наиболее подходящей по своим каталитиче-
ским свойствам на роль репаративной экзонуклеазы является
ДНКаза ВШ, которая, по-видимому, относится к мозгоспеци-
фическим ферментам. В ядрах нейронов и глии мозга взрослых
морских свинок выявлена ДНК-лигаза, участвующая в завер-
шающих этапах репаративного синтеза. Непонятной остается
функция обнаруженной в мозге человека терминальной дезок-
синуклеотидилтрансферазы, способной к нематричному синте-
зу ДНК. Интересно, что этот широко распространенный у мле-
копитающих фермент обнаруживается только в клетках тимуса
и нервной системы. Высказываются предположения, что его
роль связана с уникальной способностью этих клеток запасать
и хранить ненаследуемую информацию.
ДНК-топоизомеразы I и II, участвующие в различных мат-
13
ричных процессах регуляции топологической структуры ДНК,
обнаружены в ядрах нейронов и глиальных клеток.
В заключение остановимся на гипотезе о так называемой метаболической
ДНК. Предполагается, что, помимо стабильной геномной ДНК, в дифферен-
цированных клетках существует специфическая фракция относительно быст-
ро обменивающейся ДНК, которая, по-видимому, представлена экстракопия-
ми наиболее активных генов. В целом эта концепция до сих пор не получила
достаточного обоснования, хотя сообщения о существовании быстро обмени-
вающихся фракций ДНК в тех или иных клетках время от времени появляют-
ся в научной литературе. Наиболее убедительны данные о существовании та-
ких ДНК в эмбриональных фибробластах цыпленка, где ей приписывается
роль межклеточного переносчика информации.
Вопрос о существовании метаболически лабильной ДНК в клетках мозга
животных и ее природе остается спорным. Быстрое включение радиоактивных
предшественников в ДНК мозга и последующее быстрое исчезновение их из
этой ДНК наблюдали многие исследователи Однако имеются и сообщения о
высокой стабильности радиоактивной метки, включившейся в ДНК мозга. В
литературе приводятся убедительные аргументы в пользу того, что быстрый
обмен вновь синтезированной ДНК является артефактом, связанным с ее ра-
диоактивной деградацией вследствие включения меченых предшественников.
Полагают также, что метаболическая нестабильность этой ДНК обусловлена
быстрой гибелью значительной части активно делящихся клеток. Тем не ме-
нее некоторые исследователи считают, что метаболически лабильная ДНК в
клетках мозга действительно существует и может выполнять какие-то особые,
хотя пока и не выясненные функции.
Недавно стабильность ДНК в клетках коры мозжечка человека исследова-
ли по соотношению в ней природных изотопов углерода. Оказалось, что ос-
новная масса ДНК в этих клетках чрезвычайно стабильна (время ее полужиз-
ни — более 71 г). Ясно, что если метаболическая ДНК в мозге человека и
существует, она составляет ничтожно малую от суммарной ДНК долю.
1.4. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМАТИНА
В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ
Хроматин всех эукариот организован в виде серии повто-
ряющихся нуклеопротеидных частиц — нуклеосом. Каждая нук-
леосома состоит из так называемого кора, содержащего октамер
гистонов Н2А, Н2В, НЗ, Н4 (по 2 молекулы) и обернутый во-
круг него участок ДНК ~14б н.п., а также линкерной области,
ассоциированной с гистоном HI, играющим особую роль в со-
единении нуклеосом друг с другом и в образовании наднуклео-
сомных уровней организации хроматина.
Нуклеосомная и наднуклеосомная организации, несомненно,
играют важную, хотя и во многом еще не выясненную роль в
функциональной активности хроматина. Укладка двуспираль-
ной ДНК в нуклеосоме сопровождается сильными искажения-
ми ее вторичной структуры и кардинально изменяет условия ее
взаимодействия с различными регуляторными белками. Пока-
14
зано, что наличие нуклеосом в промоторной области генов пре-
пятствует инициации транскрипции РНК-полимеразой II. В то
же время наличие нуклеосом в кодирующей области не препят-
ствует элонгации уже инициированных цепей мРНК. Поэтому
начальные реакции транскрипции генов in vivo обеспечиваются
специальными механизмами, исключающими образование нук-
леосом в критических участках промоторной области. В коди-
рующей же области активно транскрибируемых генов отмеча-
ется лишь частичное нарушение нуклеосомной структуры, объ-
ясняемое временным вытеснением гистонов движущейся РНК-
полимеразой.
Образование локальных наднуклеосомных структур с уча-
стием гистона Н1, по-видимому, является универсальным са-
моподдерживающимся механизмом выключения генов. Иссле-
дования последних лет показали также, что тканеспецифиче-
ская транскрипция генов обеспечивается сложными взаимодей-
ствиями различных негативных и позитивных регуляторов, уз-
нающих специфические последовательности в промоторах ин-
дивидуальных генов. Характерными особенностями структуры
активных участков хроматина являются: частичное или полное
нарушение нуклеосомной и наднуклеосомной организации, при-
сутствие особых вариантов гистонов или их постсинтетическая
модификация, существование локальных торзионных напряже-
ний в доменах хроматина и избирательная ассоциация с ящер-
ным матриксом.
Преобладающая часть ядерной ДНК мозга организована в
типичную нуклеосомную структуру (В.В.Ашапкин, Б.Ф.Ва-
нюшин, 1984). Однако по сравнению с хроматином печени хро-
матин мозга более гетерогенен по длине линкерных участков и
обладает более разнообразным набором негистоновых белков.
Длина нуклеосомных единиц в большинстве эукариотических
клеток близка к 200 н.п. Некоторые вариации этой величины
связаны с изменчивостью в длине линкерных участков, тогда
как с кором нуклеосом всегда ассоциирован фрагмент ДНК
длиной 146 н.п. В дифференцированных нейронах неокортекса
нуклеосомная ДНК необычно короткая и составляет -160—162
н.п., а клетки неастроцитарной глии неокортекса и нейроны
мозжечка имеют обычные по длине нуклеосомы. Переход в
нейронах неокортекса к атипично коротким нуклеосомам кор-
релирует с окончательной дифференцировкой этих нейронов: у
кроликов, мышей и крыс он проходит в первую неделю постна-
тального онтогенеза, а у более зрелорождающихся морских сви-
нок — между 32-м и 44-м днями эмбриогенеза. Аналогично, в
15
пренатально дифференцирующихся нейронах гипоталамуса крыс
короткие нуклеосомы присутствуют уже за два дня до рожде-
ния.
Укорочение нуклеосом не всегда сопровождает процесс морфофункцио-
нального созревания нейронов. Например, укорочения не наблюдается при
созревании постмитотических нейронов неокортекса, изолированных из мозга
16-дневных эмбрионов крыс и культивируемых на селективной среде до воз-
раста, соответствующего второй неделе постнатального онтогенеза. В мозжеч-
ке созревание зернистых нейронов в первый месяц постнатального онтогенеза
сопровождается не уменьшением, а даже увеличением длины нуклеосом. Во-
обще усредненные данные о длине нуклеосом не следует автоматически пере-
носить на всю сложную популяцию нервных клеток. Так, в мозге крыс про-
цесс укорочения нуклеосом характерен только для нейронов глубоких (IV-VI)
слоев неокортекса. Существенная разница в длине нуклеосом существует и у
различных глиальных клеток.
Функциональное значение описанного перехода к коротким
нуклеосомам при созревании нейронов неокортекса до настоя-
щего времени остается невыясненным. Предположение о том,
что укороченные нуклеосомы обеспечивают укладку полинук-
леосомной цепи в более открытую, способствующую транскрип-
ции наднуклеосомную структуру, является упрощенным.
Исследования этого вопроса на более широком круге объек-
тов подтверждают, что однозначной связи между транскрипци-
онной активностью генов и длиной нуклеосом не существует.
Транскрипционная активность хроматина определяется, как уже
отмечено выше, большим числом факторов. Возможно, суще-
ствование коротких нуклеосом в хроматине нейронов лишь ка-
ким-то образом облегчает действие этих факторов. В частно-
сти, могут изменяться условия взаимодействия линкерных уча-
стков хроматина с гистоном Н1 и негистоновыми белками. В
хроматине нейронов неокортекса содержание гистона Н1 со-
ставляет —0,5 молекулы на 1 нуклеосому, что примерно в два
раза ниже, чем его содержание в хроматине глиальных клеток и
клеток соматических тканей. Это хорошо согласуется с данны-
ми о более высокой доле активного хроматина в мозге по срав-
нению с соматическими тканями и в нейронах по сравнению с
глиальными клетками.
Фракция активного хроматина нейронов практически не
содержит гистона Н1, а аналогичная фракция хроматина из
клеток неастроцитарной глии содержит его в очень малом ко-
личестве. Напротив, фракции неактивного хроматина нейро-
нов и глии содержат сравнительно высокие количества Н1.
Снижение доли активного хроматина в нейронах и глиальных
клетках мозга человека при болезни Альцгеймера также корре-
лирует с повышением содержания гистона Н1.
16
Таким образом, роль гистона Н1 в образовании наднуклео-
сомных уровней организации хроматина, а также его избира-
тельное вытеснение из активных участков хроматина в настоя-
щее время уже не вызывают сомнений. Менее изучена роль раз-
личных вариантов гистона Н1. Известно, что из шести обнару-
женных в клетках млекопитающих вариантов гистона Н1, Н1а и
Н1в в значительных количествах обнаруживаются лишь в актив-
но делящихся клетках, Шс, -d, -е — в делящихся и неделящихся
(последний обычно накапливается в неделящихся клетках), а гис-
тон Н1° характерен для терминально дифференцированных не-
делящихся клеток. Прекращение пролиферативной активности
нейронов коррелирует с накоплением гистона Н1е, а терминаль-
ная дифференцировка нейронов — с накоплением HI °.
Коровые гистоны в хроматине нейронов неокортекса (Н2А,
Н2В, НЗ и Н4) представлены большим числом вариантов, для
многих из которых обнаружены формы, конъюгированные с
убиквитином. Одна из форм гистона Н2В, по-видимому, явля-
ется мозгоспецифической. Высокое содержание соединенных с
убиквитином форм гистонов в хроматине обычно связывают с
высокой матричной активностью.
Хроматин нервных клеток является динамичным, активным
образованием, состояние которого изменяется в ходе нормального
развития и при действии различных внешних и внутренних стиму-
лов. В первые недели постнатального онтогенеза в хроматине
нейронов неокортекса крыс происходит заметное уменьшение
числа участков с повышенной чувствительностью к ДНКазе!.
В мозге стареющих животных эти изменения еще более выра-
жены, что свидетельствует об уменьшении матричной активно-
сти хроматина в ходе старения.
Одним из механизмов регуляции матричной активности хро-
матина является обратимое ацетилирование гистонов. В ядрах
нейронов ацетилирование гистонов более выражено по сравне-
нию с глиальными клетками. Это коррелирует с более высокой
активностью эндогенных РНК-полимераз нейронов и с боль-
шим числом активных участков инициации транскрипции. С
другой стороны, в первые дни постнатального онтогенеза сте-
пень ацетилирования гистонов в неокортексе крыс быстро умень-
шается.
Процессы энзиматических модификаций гистонов регу-
лируют общую степень компактизации хроматина, влияющую
на протекание всех матричных процессов, но вряд ли могут
выполнять роль специфических регуляторов акшвносПТдгнцв.
Ведущая роль в этом отношении прин^лежиТ'Негис'то'йЪЪь!м
17
белкам хроматина. Обнаружено, что конечная дифференциров-
ка нейронов неокортекса и мозжечка крыс в первые недели
постнатального онтогенеза сопровождается изменениями в на-
борах негистоновых белков хроматина, наиболее примечатель-
ным из которых можно считать появление белков ~35 и ~38 кД,
имеющих специфическое сродство к однонитчатой ДНК. Свое
влияние на матричные процессы они оказывают, способствуя
локальному расплетению двойной спирали ДНК.
В ядрах нейронов неокортекса обнаружены также белки,
имеющие сродство к специфической левоспиральной форме
ДНК — Z-ДНК. В последние годы такие Z-ДНК-связываюшие
белки привлекают большое внимание как возможные регулято-
ры транскрипции и других генетических процессов.
При терминальной дифференцировке нейронов происходят
также изменения в наборах особой фракции негистоновых бел-
ков, прочно связанных с ДНК, некоторые из которых являются
мозгоспецифическими.
Важную роль в регуляции транскрипции генов могут играть,
наконец, процессы фосфорилирования, метилирования и, возмож-
но, другие посттрансляционные модификации негистоновых
белков хроматина. Заметные изменения в наборах фосфорили-
руемых и метилируемых негистоновых белков наблюдаются в
ядрах нейронов и глиальных клеток неокортекса крыс в первые
недели постнатального онтогенеза. При этом главное различие
между ядрами нейронов и глиальных клеток состоит в большем
метилировании группы специфических для нейронов негисто-
новых белков -100 кД. В ядрах нейронов и глии мозга мышей
обнаружены протеинкиназная и метилазная активности, зна-
чительная часть которых прочно ассоциирована с хроматином.
Протеинкиназа осуществляет цАМФ-независимое фосфори-
лирование белков хроматина. Ее активность в ядрах нейронов
значительно выше, чем в ядрах глиальных клеток. При дейст-
вии ряда нейромедиаторов на нейроны мозга крыс наблюдается
фосфорилирование ядерных белков и стимуляция синтеза РНК.
Фосфорилирование части негистоновых (так называемых HMG)
белков индуцируется в клетках верхнего шейного ганглия при
действии фактора роста нервов. В хромаффинных клетках над-
почечников фосфорилирование негистоновых белков хромати-
на нАМФ-зависимой протеинкиназой является центральным
звеном в транссинаптической регуляции синтеза тирозин-3-мо-
нооксигеназы ацетилхолином. Показано, что фосфорилирова-
ние негистоновых белков хроматина повышается при выработ-
ке оборонительных условных рефлексов.
18
1.5. РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ МОЗГА
Общее содержание РНК в большинстве нервных клеток очень
велико. Среднее отношение РНК: ДНК достигает 50(!) и срав-
нительно редко бывает ниже 3. Это превышает отношение, ха-
рактерное для особенно интенсивно метаболирующих клеток
секреторных тканей (печени, поджелудочной железы, почек и
др.), где оно составляет 2-4,5. В мотонейронах головного мозга
и в спинальных ганглиях количество РНК в одной клетке дос-
тигает 500-2500 пг. (Напомним для сравнения, что в диплоид-
ной клетке человека содержание ДНК близко к 6 пг). Такое
обилие РНК обусловлено главным образом наличием мощного
рибосомального белоксинтезирующего аппарата в цитоплазме
нейрона. Быстро обменивающаяся мессенджер-PHК (мРНК),
тоже относительно широко представленная в нейронах, зани-
мает в количественном отношении скромное место (доли про-
цента) по сравнению с рибосомальной РНК.
Рибосомальная РНК мозга и аппарат трансляции не имеют
принципиальных отличий от других тканей и органов. Поэто-
му, отметив особую мощность последнего, сосредоточим далее
внимание на особенностях синтеза и многообразии мРНК моз-
га, обусловливающих качественное своеобразие белков и мно-
гих других компонентов нервных клеток.
1.6. МОЗГОСПЕЦИФИЧЕСКАЯ ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ
Так же как и во всех дифференцированных клетках и тканях
организма, в нейронах и глиальных клетках мозга “работает”
лишь часть генов. Это, с одной стороны, гены, ответственные
за продукцию белков, необходимых для обеспечения метаболи-
ческих процессов, более или менее сходных в разных клетках и
тканях, а с другой стороны, гены, участвующие в синтезе бел-
ков, регулирующих специфические функции данной ткани.
Активность остальных генов, не нужных для функций данных
клеток, подавлена. Доля активных генов в каждой данной тка-
ни обычно невелика — менее 10% — и неодинакова в разных
клетках и тканях (в большинстве тканей 2 — 4%). В мозге эта
доля выше, чем в других органах, что отражает особую слож-
ность его функций. К сожалению, точные значения этих пара-
метров пока не установлены.
В последние годы проводится систематическое исследова-
ние характера экспрессии большого числа индивидуальных ге-
19
нов в мозге млекопитающих (R.Milner, G.Sutcliffe, 1984). Для
этого случайно выбранные из коллекции кДНК клонов мозга
крысы последовательности гибридизуются с препаратами
поли(А)+РНК из разных тканей в так называемых Нозерн блот-
тах (препараты РНК фракционируются по длине электрофоре-
зом в денатурирующих условиях в агарозных гелях и перено-
сятся из, геля на нитроцеллюлозные или нейлоновые мембра-
ны). По результатам гибридизации можно судить о присутст-
вии соответствующих данному клону последовательностей РНК
в исследуемых тканях, их количестве, гетерогенности и т.д.
Анализ таким методом 191 случайно выбранного клона позво-
лил авторам разбить все экспрессируемые в мозге поли(А)+РНК
на четыре класса: I — “нерегулируемые” (-18% от всех исследо-
ванных клонов), т.е. одинаково экспрессируемые во всех ис-
следованных тканях (мозг, печень, почка) и, скорее всего, ко-
дирующие так называемые белки “домашнего хозяйства”, не-
обходимые для жизнедеятельности любой клетки; II — регули-
руемые (-26%), т.е. экспрессируемые в клетках всех трех тка-
ней, но в разной степени; III — мозгоспецифические (-30%),
т.е. экспрессируемые только в клетках мозга; IV — редкие (-26%),
т.е. присутствующие в мозге в количестве, недостаточном для
строго воспроизводимого обнаружения использованным мето-
дом. Если считать мозгоспецифическими РНК III и IV классов,
в эту категорию попадает более половины синтезируемых в мозге
мРНК, что хорошо согласуется с оценками, полученными с
помощью методов суммарной ДНК-PH К-гибридизации.
Важно отметить, что определение нуклеотидной последова-
тельности клонированных мозгоспецифических мРНК позволяет
воспроизвести аминокислотную последовательность кодируемого
белка.
Такой анализ был осуществлен Сатклиффом, например, для одного из кло-
нов, кодирующих РНК III класса (р!В236) . Этот клон гибридизуется с моз-
госпецифической мРНК, присутствующей в разных отделах мозга крысы, но в
разном количестве. Кодируемый этой РНК полипептид не содержит участков
гомологии с ранее изученными белками.
С помощью антител к синтетическим фрагментам этого полипептида изу-
чена его локализация в мозге. Он обнаружен в аксонах, иннервирующих клет-
ки Пуркинье в мозжечке, пирамидные нейроны поля САЗ гиппокампа; в ра-
диальных волокнах глубоких слоев цингулярной и соматосенсорной коры; в
группах волокон свода, стриатума, латерального обонятельного тракта и дру-
гих структур. Источником этих волокон являются нейроны медиального ядра
трапециевидного тела, центральной покрышки моста, вентромедиального и
базальноаркуатного ядер гипоталамуса, а также нейроны, разбросанные по
другим структурам.
Эту работу Сатклиффа и соавторов можно считать образцом технически
выполнимой и универсальной методологии поиска новых мозгоспецифиче-
20
ских мРНК и исследования первичной структуры, мест синтеза и функцио-
нальной роли кодируемых ими мозгоспецифических белков.
Особый интерес в этом отношении представляют мРНК III
и IV классов, имеющие ограниченную локализацию внутри мозга
и его отдельных структур. Судя по содержанию наиболее ред-
ких мозгоспецифических мРНК (0,1-0,01 молекул на клетку),
они должны транскрибироваться в ограниченных популяциях
нервных клеток и, возможно, связаны с узкой функциональной
специализацией этих популяций.
Для избирательного клонирования таких РНК в последние
годы используют процедуру “вычитания”, суть которой заклю-
чается в удалении из суммарных препаратов кДНК последова-
тельностей, общих для разных отделов мозга, и последующем
клонировании такого “вычтенного” препарата кДНК. Так, уже
клонированы мРНК, имеющие ограниченное распространение
в нсокортексе обезьян, но их изучение еще только начинается.
В 1991 г. в лаборатории J.С.Venter (США) начато составле-
ние всеобъемлющего каталога генов, экспрессирующихся в мозге
человека. Для этого авторы, осуществляют крупномасштабное
сиквенирование клонов из библиотек кДНК мозга человека и
его частей. К настоящему времени они получили частичные
последовательности для примерно 3000 клонов, большинство
из которых (около 2500) являются ранее не известными. Бли-
жайшей задачей является картирование соответствующих генов
в хромосомах человека и использование полученных данных
для идентификации генов, ответственных за различные наслед-
ственные заболевания.
1.6.1. Характеристическая последовательность нуклеотидов
в РНК мозга
Несколько мозгоспецифических клонов из коллекции Сатк-
лиффа и соавторов проявляли необычный характер гибридиза-
ции с препаратами поли(А)+РНК, узнавая в них общую корот-
кую (—160 нуклеотидов) мозгоспецифическую РНК (ВС1). Эта
малая РНК найдена во всех отделах мозга крыс, хотя и в неоди-
наковых количествах. Анализ нуклеотидной последовательно-
сти нескольких клонов показал, что единственным общим для
них элементом является консервативная 82-нуклеотидная после-
довательность, которая и ответственна за гибридизацию с ВС1
РНК (рис.1.1). Инвариантными в этой последовательности яв-
ляются 57 нуклеотид', еще 24 нуклеотида одинаковы в 90% про-
анализированных клонов. Справа эта последовательность со-
21
седствует с олигонуклеотидами, содержащими в основном ос-
татки аденина. Остальные примыкающие или близкие к ней
последовательности в разных клонах совершенно различны.
Присутствие одной и той же или сходной нуклеотидной после-
довательности в разных мозгоспецифических РНК как бы мар-
кирует их, что и послужило основанием для ее обозначения как
характеристической (“identifier (ID) seguence”). Эта последова-
тельностьприсутствует в некодирующих областях многих генов
и соответствующих пре-мРНК и в большинстве случаев удаля-
ется при процессинге последних. Ее функция до сих пор неиз-
вестна, хотя есть основания полагать, что она служит неспеци-
фическим стимулятором транскрипции содержащих ее генов. В
любом случае ID-последовательность не является нейроспеци-
фическим регулятором транскрипции, поскольку она присут-
ствует и в многих пре-мРНК соматических тканей.
GGGGYTGGGGATTTAGCTCAGTGGTAGAGCGCTTRCCTAGGAAGCRCAAGGCCCT
.......... .. ......АА . .
GGGTTCGGTCCCCAGCTCCGAAAAAAARAA ААА
------------- СС
Рис. 1.1. Прототипная ID-последовательность крысы: подчеркну-
ты элементы внутреннего промотора РНК-полимеразы III;
звездочками помечены инвариантные нуклеотиды
В препаратах цитоплазматической РНК мозга также обнару-
жены короткие молекулы РНК, содержащие ID-последователь-
ность: ВС1 (160 нуклеотидов), ВС2 (100-110 нуклеотидов) и ТЗ
(75 нуклеотидов). Синтез этих малых РНК осуществляется РНК-
полимеразой III, узнающей консервативные участки в ID-по-
следовательности, гомологичные внутреннему промотору генов
РНК-полимеразы III (см. рис. 1.1.). Обнаруженные в клетках
эукариот малые РНК, как показано в последние годы, играют
важнейшую роль в таких процессах, как сплайсинг и 3'-про-
цессинг пре-мРНК, трансляция и трансмембранный транспорт
секретируемых белков и т.п.
1.6.2. Альтернативный процессинг пре-мРНК в мозге
Альтернативный процессинг заключается в образовании раз-
личных зрелых мРНК из одного первичного транскрипта в резуль-
тате соединения различных комбинаций экзонов (альтернативный
сплайсинг) и/или использования различных сигналов полиаденили-
рования (альтернативный 3'-процессинг). Одним из наиболее
22
хорошо изученных случаев использования альтернативного
сплайсинга для образования различных продуктов в разных клет-
ках является система синтеза регуляторных пептидов, кодируе-
мых геном кальцитонина (СТ). Этот ген кодирует небольшое
семейство пептидов, два из которых (кальцитонин и катакаль-
цин) преимущественно образуются в клетках щитовидной же-
лезы, а третий (CGRP-calcitonin gene-related peptide) — в клетках
нервной системы (см. о нейропептидах гл.9).
Исследование структуры гена кальцитонина и зрелых мРНК,
кодирующих эти пептиды у крысы и человека, показало, что I-
III экзоны являются общими для этих мРНК. IV экзон, коди-
рующий кальцитонин и катакальцин, присутствует только в
мРНК кальцитонина и содержит специфический для нее сиг-
нал полиаденилирования, а V и VI экзоны, содержащие CGRP-
кодирующую и 3'-некодирующую последовательности, вклю-
чая специфический для CGRP-mPHK сигнал полиаденилиро-
вания, присутствуют только в CGRP-mPHK (рис. 1.2). Меха-
низмы выбора различных путей сплайсинга первичного транс-
крипта CT/CGRP-гена в клетках щитовидной железы и нейро-
на пока еще остаются неясными и сейчас интенсивно изучают-
ся.
Общие экзоны СТ-кодиру- CGRP-кодиру- CGRP-3-некоди-
ющий экзон ющий экзон рующий экзон
поли (А|
А-
поли(А)
CGRT
Транскрипция, полиаденилирование, сплайсинг
поли (А)
Рис.1.2. Тканеспецифический альтернативный сплайсинг в
экспрессии гена кальцитонина крысы
Альтернативный сплайсинг первичных транскриптов обес-
печивает также разнообразие белков миелина в ЦНС млекопи-
тающих. В частности, показано, что различные основные белки
миелина (21,5, 18,5, 17 и 14 кД) у мыши кодируются одним
геном shi-локуса: при этом белок 21,5 кД кодируется мРНК,
содержащей последовательность всех 7 экзонов гена, белок
23
18,5 кД — всех, кроме II экзона, белок 17 кД — всех, кроме VI
экзона, а белок 14 кД — всех, кроме II и VI экзонов. При этом
образующиеся белки идентичны по аминокислотным последо-
вательностям, кодируемым общими экзонами.
Еще одним примером служит так называемый РРТ ген кры-
сы, который кодирует препротахякинины а- и р-типов — пред-
шественники целого семейства нейропептидов — тахикининов.
Первый из них содержит последовательность вещества Р, а вто-
рой — вещества Р и вещества К. Анализ первичной структуры
показал, что эти РНК образуются в результате альтернативного
сплайсинга по экзонам, кодирующим вещество К.
Разнообразие потенциал-зависимых и лиганд-зависимых
ионных каналов в мембранах нервных клеток обеспечивается
существованием кодирующих такие каналы мультигенных се-
мейств (например, потенциал-зависимые Na-каналы) и опять-
таки альтернативным сплайсингом (потенциал-зависимые К-
каналы). Один и тот же ген у дрозофилы кодирует четыре по-
липептидные цепи, участвующие в формировании функциональ-
но активного К-канала. Эти полипептиды имеют одинаковые
центральные домены, содержащие характерные для потенциал-
зависимых каналов элементы.
Как и в описанных выше системах, разные полипептидные
цепи К-канала возникают в результате альтернативного сплай-
синга одного первичного транскрипта. Для формирования функ-
ционально активного К-канала необходима ассоциация четы-
рех одинаковых или разных полипептидов: очевидно, что ком-
бинирование различных полипептидов может обеспечить ши-
рокое разнообразие различающихся по физиологически значи-
мым параметрам (например динамике инактивации-реактива-
ции) каналов.
Еще один яркий пример использования альтернативного
сплайсинга — образование семейства синаптических рецепто-
ров глутаминовой кислоты. Каждый из четырех рецепторов этого
семейства (GluR-A, -В, -С, -D) существует в двух вариантах,
различающихся лишь коротким (38 аминокислотных остатков)
сегментом, предшествующим четвертому трансмембранному до-
мену. Согласно существующей топологической модели рецеп-
тора этот сегмент имеет цитоплазматическую локализацию. В
генах каждого из рецепторов альтернативные варианты 38-ами-
нокислотного сегмента кодируются двумя соседними экзона-
ми, а сами варианты рецепторов образуются в результате аль-
тернативного сплайсинга пре-мРНК по этим экзонам. Доба-
вим, что существование альтернативных вариантов для каждого
24
из рецепторов функционально значимо: они имеют различные
фармакологические и кинетические свойства и по-разному рас-
пределены в отделах ЦНС.
Наконец, роль альтернативного сплайсинга показана при об-
разовании четырех форм тирозингидроксилазы у человека, трех
форм ацетилхолинэстеразы в электрическом органе ската, трех
форм периферина (белок промежуточных нейрофиламентов) у
мыши, полипептидов у аплизии, специфических для нейрона
R15, и в ряде других случаев.
Очевидно, альтернативный сплайсинг является эволюцион-
но древним и широко распространенным в клетках нервной систе-
мы способом увеличения качественного разнообразия синтезируе-
мых в них полипептидов.
1.7. ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОМА И ОНТОГЕНЕЗ МОЗГА
ЖИВОТНЫХ
Выше уже отмечено, что общее число транскрибируемых в
мозге генов в 1,5-2 раза выше, чем во всех остальных тканях, и
составляет, по-видимому, несколько десятков тысяч. Многооб-
разие экспрессируемых в целом мозге генов объясняется двумя
причинами: 1) разнообразием таковых в каждом индивидуаль-
ном нейроне (или группе нейронов) и 2) различиями в наборах
генов, экспрессируемых в разных нейронах (или их группах) .
Именно налагаясь друг на друга, эти два фактора являются при-
чиной исключительного разнообразия образующихся мРНК и
соответствующих белков. Следует подчеркнуть, что разнообра-
зие синтезируемых в любой ткани последовательностей РНК
связано преимущественно с относительно редко встречающи-
мися молекулами, которые составляют небольшую долю (3-7%)
от общей массы РНК. К мозгу это приложимо в большей мере,
чем к любому другому органу или ткани. Поэтому измерения
суммарного синтеза РНК и ее общего количества практически
не позволяют судить о качественных характеристиках транс-
крипции генома.
Транскрибируемость уникальных последовательностей ДНК
в мозге млекопитающих прогрессивно возрастает в позднем
эмбриогенезе и раннем постнатальном онтогенезе, достигая
максимума к моменту функционального созревания. Обнару-
жено, что транскрибируемость генома в различных отделах мозга
человека неодинакова: в гностических областях коры больших
полушарий она выше, чем в проекционных, в лобной коре ле-
вого полушария значительно выше, чем правого, в мозжечке и
25
стволовых отделах мозга уровень транскрипции — промежу-
точный. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что разви-
тие сложных гностических функций в мозге человека связано с
прогрессивным увеличением генетического разнообразия составляю-
щих его клеточных элементов.
В последние годы появились работы, позволяющие сделать
прямые оценки степени генетической специализации клеток
мозга. Они основаны на исследовании локализации различных
мозгоспецифических антигенов с помощью моноклональных анти-
тел и локализации индивидуальных мРНК с помощью комплемен-
тарных клонированных последовательностей. Главным недостат-
ком этих методов является их низкая представительность: в ка-
ждой работе исследуется ничтожная доля от всех синтезируе-
мых в клетках мозга мРНК и белков. Добавим также, что в
сфере этих исследований в большинстве случаев оказываются
белки и мРНК, присутствующие в мозге в относительно высо-
кой концентрации и уже в силу этого обстоятельства экспрес-
сируемые в обширных популяциях нервных клеток. Так, обна-
ружены антигены, специфические для основных типов нерв-
ных клеток (нейронов, астроцитов I и II типа, олигодендроци-
тов), а также для нейронов определенных отделов мозга (перед-
ний мозг, лимбическая система, мозжечок, зрительные области
коры и таламуса).
В рамках соответствующих отделов антигены могут иметь
еще более выраженную клеточную специфичность (клетки Голь-
джи II в слое зернистых клеток коры мозжечка, клетки Пурки-
нье и неидентифицированные нейроны в зернистом слое чер-
вя, флоккулюса и парафлоккулюса мозжечка). Известны анти-
гены, которые экспрессируются в перекрывающихся популя-
циях нейронов в одних отделах ЦНС и неперекрывающихся
популяциях — в других. Аналогичные, хотя пока и не столь
многочисленные данные получены при исследовании локали-
зации мозгоспецифических мРНК гибридизацией in situ. Судя
по морфологическим, нейрофизиологическим, нейрохимиче-
ским и другим критериям, в мозге млекопитающих минималь-
ными единицами такой специализации являются группы из
десятков-сотен клеток, число которых в мозге крысы ~7 104, а в
мозге человека ~5Ю7 (T.Bullock, 1984). Это заведомо превыша-
ет общее число экспрессируемых в них генов. По-видимому,
морфофункциональная специфичность клеток в мозге опреде-
ляется уникальностью всей комбинации экспрессируемых в них
генов и положением этих клеток в специфических нейронных
ансамблях. В то же время тот факт, что такие группы насчиты-
26
вают десятки-сотни клеток с одинаково экспрессируемым ге-
номом, может объясняться необходимостью повышения надеж-
ности работы всей системы в целом. Однако в ЦНС некоторых
беспозвоночных такая специализация распространяется на ин-
дивидуальные нейроны.
1.7.1. Экспрессия генов в ЦНС беспозвоночных
С помощью ДНК-РНК-гибридизации показано, что в ЦНС
моллюска-кальмара экспрессируется 46% уникальных последо-
вательностей генома, что достаточно для кодирования несколь-
ких десятков тысяч различных мРНК (C.Perrone Capano et. al.,
1986). Следовательно, генетическая сложность клеточных эле-
ментов в ЦНС высокоорганизованных беспозвоночных сопос-
тавима с таковой в ЦНС млекопитающих. В отличие от млеко-
питающих, однако, у кальмара не обнаружено специфической
для ЦНС популяции молекул поли(А)+РНК.
Уникальную возможность для исследования экспрессии ге-
нов в индивидуальных нейронах представляет ЦНС брюхоно-
гих моллюсков, состоящая из небольшого числа (—2104) круп-
ных, во многих случаях легко идентифицируемых нейронов,
сосредоточенных в нескольких ганглиях (R. Scheller et.al., 1984).
У аплизии некоторые нейроны достигают размеров 0,5 мм и
содержат -0,25 мкг ДНК и -5 нг поли(А)+РНК, что вполне дос-
таточно для анализа методами молекулярного клонирования.
С помощью процедуры дифференциальной гибридизации кло-
нированы гены и мРНК, специфически экспрессирующиеся в
отдельным нейронах ЦНС аплизии. В их число входят гены,
продукты которых хорошо идентифицированы; например ген,
кодирующий гормон откладки яиц, и четыре родственных ему
гена. Будучи активными в разных нейронах, они кодируют синтез
нескольких физиологически активных пептидов, секреция ко-
торых индуцирует стереотипный поведенческий репертуар от-
кладки яиц (прекращение локомоции, подавление пищевого по-
ведения, повышение респираторной и сердечной активности,
собственно откладка яиц). При этом один и тот же пептид мо-
жет действовать как нейрогормон на клетки соматических тка-
ней и нейромедиатор на определенные нейроны. Экспрессия
других генов этого семейства (ELN) в клетках атриальных же-
лез приводит к синтезу нейроактивных пептидов, вызывающих
активацию сумчатых клеток, а также секретируемых во внеш-
нюю среду пептидов, обладающих активностью половых феро-
монов (калифины А, В и С). Таким образом, кодируемые этим
27
семейством генов пептиды регулируют различные компоненты
одного сложного поведенческого репертуара.
Очень интересен также ген аплизии, участвующий в регуля-
ции водно-соленого баланса. Он кодирует две мРНК, образую-
щиеся в результате альтернативного сплайсинга. Одна из них
является преобладающим продуктом экспрессии гена в одном
из нейронов, тогда как укорочения форма мРНК преимущест-
венно синтезируется в некоторых других нейронах. Следова-
тельно, у аплизии существуют механизмы выбора различных
путей сплайсинга в разных нейронах.
Изучение экспрессии генов в индивидуальных нейронах этого
моллюска позволяет сделать некоторые принципиальные вы-
воды, которые могут быть применимыми и к ЦНС позвоноч-
ных животных. Главный из этих выводов состоит в том, что
присутствие множества “редких." молекул РНК в суммарных пре-
паратах поли(А)+РНК, изолированных из целой ЦНС или ее круп-
ных отделов, является следствием активной экспрессии этих РНК
в небольших популяциях нервных клеток, а не их экспрессии на
одинаково низком уровне в обширных популяциях клеток.
Сравнение популяций мРНК, синтезируемых в нейронах, ис-
пользующих один и тот же классический медиатор, но функ-
ционально различных (например, в холинергических нейронах
R2, L10 и L11), показывает, что такие нейроны обычно разли-
чаются экспрессией нескольких мРНК, каждая из которых спе-
цифична лишь для одного из сравниваемых нейронов. Очевид-
но, общее разнообразие синтезируемых в ЦНС мРНК склады-
вается из перекрывающихся, но не одинаковых популяций
мРНК, образуемых в индивидуальных нейронах. Остается до-
бавить, что рассмотренные исследования охватывают лишь от-
носительно часто встречающиеся (—0,1%) молекулы мРНК. Не
исключено, что в действительности различия в популяциях син-
тезируемых мРНК между индивидуальными нейронами носят
более сложный характер.
К популярным объектам нейрогенетики из числа беспозво-
ночных относится и одна из свободно живущих нематод —
Caenorhabditis elegans. Одним из важных результатов ее исследо-
вания является обнаружение так называемых селекторных ге-
нов. Последние играют ключевую роль в онтогенезе нейронов
нематоды: их продукты индуцируют включение серии “генов-
реализаторов”, формирующих фенотип нейронов. Примером
селекторного гена может служить ген INS-4, детерминирую-
щий специфичность синаптических контактов идентифицируе-
мого мотонейрона VA. При мутациях этого гена мотонейрон
28
VA образует синаптические контакты, в норме ему не свойст-
венные. Никаких других заметных нарушений в развитии ЦНС
при этом не обнаруживается. Продуктом гена INS-4 является
гомеобокс-содержащий ДНК-связывающий белок. Очевидно, он
регулирует транскрипцию группы генов-реализаторов, непосред-
ственно участвующих в установлении специфических для дан-
ного мотонейрона синаптических контактов.
Наконец, классический объект генетических исследований
— дрозофила — позволил получить обширную информацию о
сложных процессах онтогенеза центральной нервной системы.
Эту информацию можно обобщенно представить в виде модели
многоступенчатой генетической детерминации нейрогенеза,
основные положения которой, по-видимому, сохраняют силу и
для позвоночных животных. В соответствии с этой моделью
существует четыре класса генов, регулирующих последователь-
ные этапы нейрогенеза. Первый, наименее изученный класс,
включает гены, ответственные за преобразование части клеток
недифференцированной вентральной эктодермы в предшест-
венники нервных клеток (нейробласты и глиобласты). Ко вто-
рому классу относятся гены, детерминирующие свойства кле-
ток-предшественников в соответствии с их положением в той
или иной части ЦНС. Среди этих генов — многие из так назы-
ваемых гомейотических или сегментарных генов, которые де-
терминируют также и формирование общего плана строений
организма в целом. При этом одни и те же гены обычно детер-
минируют и формирование определенного сегмента организма,
и специфические свойства локализованного в нем сегмента ЦНС.
Заметим, однако, что сегментарная и нейроспецифическая экс-
прессия гомейотических генов контролируется разными меха-
низмами. Гены третьего класса детерминируют свойства инди-
видуальных нейробластов (в том числе, их способность диффе-
ренцироваться в ту или иную группу нейронов) в зависимости
от их локализации внутри данного сегмента ЦНС. Представи-
телем этого класса, по-видимому, является ген prospero, экс-
прессирующийся только в определенных нейробластах каждого
сегмента ЦНС, но не в образующихся из них нейронах. Мута-
ции этого гена приводят к выпадению из развивающейся нерв-
ной системы нескольких специфических клеточных линий.
Наконец, гены четвертого класса детерминируют индивидуаль-
ные свойства каждого из нейронов, образующегося при деле-
нии одного нейробласта. Представителями этого класса явля-
ются гены fushi tarazu (ftz) и even-skipped (eve). Интересно, что
один и тот же ген может участвовать в контроле разных этапов
нейрогенеза. Так, ген ftz является типичным гомейотическим
29
геном, участвующим в формировании общего сегментарного
плана строения ЦНС и организма в целом, т.е. входит во вто-
рой класс генов. На более поздних этапах он участвует в детер-
минации свойств индивидуальных нейронов: в каждом сегмен-
те ЦНС он экспрессируется в группе из 30 идентифицируемых
нейронов, являющихся потомками ~8 нейробластов. При этом
ни в одном из нейробластов ген ftz не экспрессируется, а про-
цент экспрессирующих его клеток в потомстве индивидуаль-
ных нейробластов варьирует от 0 до 100%. Заметим, однако,
что сегментарная и нейроспецифическая экспрессия гена ftz
контролируется разными механизмами. Еще один фундамен-
тальный вывод описанных исследований состоит в том, что
индивидуальная специфичность элементов нервной системы
определяется не уникальными генами, количество которых за-
ведомо меньше числа самих элементов, а уникальными комби-
нациями взаимодействующих генов, надежность которых обес-
печивается чертами функциональной избыточности.
Гены, ответственные за формирование специфического фе-
нотипа функционально зрелых нейронов, изучены главным об-
разом для относительно просто устроенных нейронных струк-
тур, например сетчатки глаза дрозофилы. Каждый элемент сет-
чатки — омматидий — состоит из 8 четко различимых по мор-
фологии и локализации фоточувствительных нейронов (R1-R8)
и 12 ненейрональных клеток. Дифференцировка нейронов в
развивающихся омматидиях протекает в строго фиксированной
последовательности (R8 -> R2, R5 -> R3, R4 -> Rl, R6 -> R7)
(рис. 1.3). Недифференцированные клетки в зачатках оммати-
диев являются эквипотенциальными, а судьба дифференцирую-
щихся клеток определяется не их происхождением, а индуци-
рующими стимулами со стороны соседствующих с ними ранее
дифференцированных клеток.
ген sevenless
boss
Рис. 1.3. Дифференцировка фоторецепторных нейронов
в омматидиях дрозофилы
ген rough
30
Некоторые из генов, ответственных за генерацию и рецепцию этих стиму-
лов, хорошо изучены: ген sevenless кодирует мембранный рецептор, необходи-
мый для индукции дифференцировки нейрона R7, а ген bride of sevenless (boss)
— за образование в нейроне R8 лиганда, действующего на этот рецептор. Ген
seven in absentia (sina) кодирует ядерный белок, интерпретирующий сигнал,
воспринимаемый рецептором sevenless. Ген rough кодирует транскрипцион-
ный фактор, необходимый для возникновения в нейронах R2 и R6 сигнала,
индуцирующего дифференцировку соседних клеток в нейроны R3 и R4. Дру-
гой транскрипционный фактор, необходимый для дифференцировки нейро-
нов Rl, R3, R4 и R6, кодируется геном seven-up (svp). Ключевым элементом в
реализации генетических программ функционального созревания фоторецеп-
торных нейронов является ДНК-связываюший белок, кодируемый геном glass,
а специфическими для индивидуальных фоторецепторных нейронов компо-
нентами этих программ — гены, кодирующие разные формы фоторецептор-
ных белков.
Важную роль в окончательной морфологической дифферен-
цировке нейронов играют гены, кодирующие молекулы избира-
тельной межклеточной адгезии. Одной из разновидностей таких
молекул у насекомых являются фасциклины, обеспечивающие
взаимное узнавание и ассоциацию растущих аксонов в разви-
вающейся ЦНС и, в конечном итоге, формирование стереотип-
ной системы аксонных пучков. В эмбриональной ЦНС разные
фасциклины экспрессируются в разных популяциях нейронов
и их отростков: каждый фасциклин экспрессируется в аксонах
~5 из ~30 аксонных пучков передних и задних комиссур каждо-
го ганглия и -15 нейронах каждого полусегмента. В эмбриоге-
незе экспрессия фасциклинов наблюдается уже в отдельных
клетках морфологически недифференцированной вентральной
нейроэктодермы, сохраняясь в образующихся из этих клеток
нейробластах, ганглионарных материнских клетках и нейронах.
По-видимому, фасциклины входят в число наиболее ранних мо-
лекулярных маркеров индивидуальных нейрональных линий. Об-
наруженные закономерности при исследовании относительно
просто устроенной ЦНС беспозвоночных не всегда находят
прямые аналогии в более сложно организованных ЦНС выс-
ших позвоночных животных. Тем не менее с известной осто-
рожностью их можно использовать при интерпретации данных
по экспрессии генов в мозге позвоночных.
1.7.2. Экспрессия генов в развивающейся нервной системе
позвоночных
Возникновение ЦНС из недифференцированных клеток эк-
тодермы до настоящего времени остается одним из самых зага-
дочных процессов в эмбриогенезе позвоночных. Считается, что
31
исходно клетки эктодермы не имеют самостоятельного нейро-
генного потенциала, а их дифференцировка в нервные клетки
индуцируется какими-то сигналами, поступающими из ниже-
лежащих клеток эмбриональной мезодермы. Молекулярная при-
рода этих сигналов и их первичных эффектов в клетках экто-
дермы до последнего времени была совершенно неизученной.
Совсем недавно обнаружено, что, например, компонентом та-
кого первичного эффекта в эмбрионах шпорцевых лягушек яв-
ляется индукция гена Х1Н Ьохб, содержащего характерную для
многих генов, регулирующих онтогенез, эволюционно консер-
вативную последовательность, так называемый гомеобокс. Он
тесно связан с определением локализации групп клеток и тка-
ней, с “географией” клеток и функций в организме.
Экспрессия этого гена характерна для наиболее ранних ста-
дий нейрогенеза. Ген ХШЬохб имеет четко выраженный сег-
ментарный характер экспрессии в эмбриональной ЦНС: его
транскрипты обнаруживаются только в задних двух третях нерв-
ной трубки. Подобно многим гомейотическим генам дрозофи-
лы ген ХШЬохб перестает экспрессироваться на поздних ста-
диях эмбриогенеза.
Ген XlHboxl экспрессируется в спинном мозге, причем пе-
редняя граница экспрессирующей его области — очень резкая
и в точности совпадает с границей спинного и головного мозга.
При инактивации кодируемого этим геном белка специфиче-
скими антителами нарушается развитие передних отделов спин-
ного мозга: они трансформируются в структуру, морфологиче-
ски идентичную продолговатому мозгу.
Очевидно, кодируемые этими генами белки являются специ-
фическими транскрипционными факторами, регулирующими ге-
нетическую детерминацию клеточных линий в определенных
отделах эмбриональной ЦНС. Они обеспечивают реализацию
позиционной информации в общем процессе нейрогенеза.
В геноме мыши обнаружено четыре комплекса тесно сцеп-
ленных гомеобокс-содержащих генов, Нох-1, -2, -3, и -4. Ин-
дивидуальные гены каждого комплекса аналогично гомейоти-
ческим генам дрозофилы экспрессируются в различных отно-
сительно передне-задней оси тела областях ЦНС. Морфологи-
чески различимые сегменты в эмбриональной ЦНС позвоноч-
ных обнаруживаются лишь на ранних стадиях развития заднего
мозга в виде так называемых ромбомеров, тогда как на более
поздних стадиях и в мозге взрослых животных рудиментом сег-
ментарного строения остается лишь распределение ядер череп-
но-мозговых нервов (рис. 1.4.).
32
Средний мозг
2.5 24 23 2.2 2.1 2.6 2.7 2.8 2.3
Рис. 1.4. Экспрессия генов комплекса Нох-2 в заднем мозге
эмбрионов мыши:
в нижней части — порядок расположения генов в локусе Нох-2
хромосомы II мыши; римские цифры — ганглии черепно-мозговых
нервов; rl — г8 —ромбомеры
Индивидуальные гены Нох-2 комплекса имеют общую об-
ласть экспрессии в каудальных отделах эмбриональной нерв-
ной трубки, тогда как передние границы экспрессирующей об-
ласти у них различны: чем ниже данный ген расположен в Нох-
2 локусе хромосомы, тем выше расположена эта граница.
Сейчас интенсивно накапливаются и обобщаются новые дан-
ные в этой области. Эволюционная консервативность регуля-
торных генов, экспрессируемых в сегментарных отделах эмбрио-
33
нальной ЦНС позвоночных, и явные аналогии в характере их
экспрессии с гомейотическими генами дрозофилы делают весьма
привлекательной гипотезу об их роли в детерминации общего
плана строения и идентичности отдельных клеточных линий в
развивающейся ЦНС.
Ни один из исследованных генов Нох комплексов не экс-
прессируется в передних отделах головного мозга позвоночных
в эмбриогенезе. Эти отделы не проявляют явных признаков сег-
ментарного строения. Являясь относительно эволюционно но-
выми приобретениями, они, по-видимому, имеют специфич-
ные механизмы генетической детерминации. Показано, в част-
ности, что в детерминации отделов переднего и промежуточно-
го мозга существенную роль играет ген Dlx, гомологичный го-
мейотическому гену D11 дрозофилы (интересно, что последний
не участвует в детерминации нейрогенеза у самой дрозофилы).
Аналогично, в детерминации среднего мозга и, возможно, пе-
редних отделов мозжечка участвует протоонкоген Wnt-1 и го-
меобокс-содержащие гены Еп-1 и -2.
Имеются данные, заставляющие по-новому взглянуть на вопрос о функци-
ях гомеобокс-содержащих генов у высших животных. Клонирование генов,
кодирующих транскрипционные факторы Oct-1, Oct-2 и Pit-1, показало, что
они являются членами особого подсемейства гомеобокс-содержаших генов, в
которое входит также ген Unc-86 нематод. Обшим признаком, объединяющим
эти гены, является длинная консервативная последовательность, POU-домен
(Pit, Oct, Unc), частью которой является гомеобокс. Ген Unc-86 участвует в
детерминации нейронных линий у нематод. Несколько генов POU-подсемей-
ства специфически экспрессируются в отделах мозга млекопитающих: Вт-1, -
2, -3 и Tst-1. Все четыре гена экспрессируются в эмбриональной нервной сис-
теме, включая клетки герминативных зон.
Динамика экспрессии индивидуальных генов в развивающем-
ся мозге очень различна и по мере развития отделов мозга при-
обретает черты, отражающие их паттерн экспрессии в мозге
взрослых животных. Экспрессия этих генов в клетках гермина-
тивных зон может означать, что судьба индивидуальных кле-
точных линий в нервной системе предопределена уже до нача-
ла их миграции из герминативной зоны.
По-видимому, кодируемые гомеобокс-содержащими генами
транскрипционные факторы могут регулировать экспрессию
генов не только в формирующихся клеточных линиях в раннем
эмбриогенезе млекопитающих, но и в дифференцированных
клетках взрослого организма, причем на очень разных уровнях
клеточной специфичности.
Наконец, особого рассмотрения заслуживает тот факт, что в
мозге млекопитающих есть ряд генов, особенно быстро реаги-
рующих на разнообразные экстремальные воздействия. Их вклю-
34
чение в ряде ситуаций, в частности, сопровождающихся повы-
шением уровня внутриклеточного Са2+, служит как бы первым
относительно неспецифичным звеном реакции генома нейро-
на. Далее следует включение более специфичных участков ге-
нома. В число таких генов “первоочередного реагирования” (im-
mediate-early genes) входят гены, открытые ранее в связи с ис-
следованием протоонкогенов. В частности, гены c-fos и c-jun
кодируют факторы — регуляторы транскрипции других генов,—
белки Fos и Jun. Последние входят, в свою очередь, в состав
белка АР-1, связывающегося с определенными локусами ДНК,
— например возле 5'-конца гена, кодирующего фактор трофи-
ки нейронов — NGF. В экстремальных ситуациях — при эпи-
лептических судорогах, требующих срочного усиления трофи-
ки нейронов,— этот механизм включает синтез NGF. Анало-
гичные механизмы с участием генов c-fos и c-jun срабатывают
под влиянием болевых импульсов и других экстремальных воз-
действий на ЦНС, включая целые каскады транскрипции ге-
нов, кодирующих, например, такие противоболевые факторы,
как опиодные пептиды и другие регуляторы. В последнее время
c-fos и другие гены раннего реагирования нередко называют
“третьим мессенджером”. Наконец, появляется все больше дан-
ных об участии генов этого типа в механизмах запоминания
(см. также соответствующий раздел гл. 9).
Выводы
1. Большинство нейронов ЦНС позвоночных являются дип-
лоидными; небольшая доля нейронов в некоторых отделах ЦНС
может содержать избыточное по сравнению с диплоидным ко-
личество ДНК.
2. Репликативный синтез ДНК в дифференцированных ней-
ронах отсутствует; в мозге взрослых млекопитающих реплика-
ция ДНК связана главным образом с ограниченными процесса-
ми размножения глиальных клеток.
3. В клетках мозга млекопитающих имеются активно функ-
ционирующие системы репарации ДНК, поддерживающие це-
лостность и эффективность генетического аппарата.
4. Хроматин нервных клеток имеет типичную для эукарио-
тических клеток нуклеосомную организацию. Особенностями
хроматина нейронов неокортекса млекопитающих являются
необычно короткие нуклеосомные единицы, присутствие ред-
ких вариантов гистонов, высокое разнообразие негистоновых
белков и высокая матричная активность.
35
5. В мозге млекопитающих экспрессируется несколько де-
сятков тысяч уникальных генов, из которых не менее полови-
ны имеют мозгоспецифический характер экспрессии.
б. Огромное разнообразие экспрессируемых в мозге генов
складывается из перекрывающихся, но не одинаковых популя-
ций генов, экспрессируемых в отдельных нервных клетках.
7. Наряду с разнообразнейшими мозгоспецифическими мес-
сенджер-РНК в центральной нервной системе синтезируется
ограниченное число особых малых РНК с последовательностя-
ми нуклеотидов, общими для всех отделов мозга.
8. Разнообразие белков и регуляторных пептидов, синтези-
руемых в мозге, определяется не только большим набором экс-
прессируемых генов, но и системой альтернативного сплайсин-
га пре-мРНК.
36
Глава 2
Свободные аминокислоты нервной системы
Л.М. Осадчая
Свободные аминокислоты нервной ткани или так называе-
мый аминокислотный пул на протяжении многих лет были объ-
ектом тщательного изучения. Это объясняется не только ис-
ключительной ролью аминокислот как источников синтеза боль-
шого числа биологически важных соединений, таких, как бел-
ки, пептиды, некоторые липиды, ряд гормонов, витаминов,
биологически активных аминов и др. Аминокислоты или их
дериваты участвуют и в синаптической передаче, в осуществле-
нии межнейрональных связей в качестве нейротрансмиттеров и
нейромодуляторов. Существенной является также их энергети-
ческая значимость, ибо аминокислоты глутаминовой группы не-
посредственно связаны с циклом трикарбоновых кислот.
2.1. СОДЕРЖАНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ТРАНСПОРТ
АМИНОКИСЛОТ
Транспорт аминокислот в мозг и из мозга, скорости их мета-
болических превращений, включения в белки и катаболизма
определяют их концентрацию в этом органе. Состав пула сво-
бодных аминокислот при нормальных физиологических усло-
виях довольно стабилен и характерен для мозга. Он лишь не-
значительно варьирует в мозге различных видов позвоночных.
Нервная ткань обладает уникальной способностью поддержи-
вать относительное постоянство уровней аминокислот при раз-
личных физиологических и даже некоторых патологических со-
стояниях. Аминокислотный фонд мозга человека составляет в
среднем 34 мкмоль на 1 г ткани (табл. 2.1), что значительно
превышает их содержание как в плазме крови, так и в спинно-
мозговой жидкости.
Характерны высокая концентрация глутаминовой кислоты, глу-
тамина, аспарагиновой, N-ацетнласпарагиновой и у-аминомас-
ляной (ГАМК) кислот, а также их интенсивный метаболизм. Эти
пять аминокислот составляют 75% фонда всех свободных ами-
нокислот головного мозга, причем ГАМК и N-ацетиласпараги-
новая кислоты локализованы почти исключительно в нервной
ткани. Высокие концентрации дикарбоновых аминокислот и
37
глутамина обнаружены в мозге всех изученных видов живот-
ных.
Таблица 2.1
Содержание свободных аминокислот в мозге, плазме крови и
спинномозговой жидкости (СМЖ) человека (мкмоль/г ткани)
(G.Guroff, 1972)
Аминокислоты Мозг Плазма крови СМЖ
Глутаминовая 10,6 0,05 0,225
N-Ацетиласпарагиновая 5,7 — —-
Глутамин 4,3 75% 0,70 23% 0,030 60%
ГАМК 2,3 — —
Аспарагиновая 2,2 0,01 0,007
Цистатионин 1,9 - -
Таурин 1,9 0,10 —
Глицин 1,3 0,40 0,013
Аланин 0,9 0,40 0,017
Глутатион 0,7 0,10 0,010
Серин 0,7 0,10 0,010
Треонин 0,2 0,15 0,025
Триптофан 0,05 0,05 0,010
Валин 0,2 0,25 0,013
Лизин 0,1 25% 0,12 77% 0,014 40%
Лейцин 0,1 0,15 0,004
Пролин 0,1 0,10 -
Аспарагин 0,1 0,07 -
Метионин 0,1 0,02 0,003
Изолейцин 0,1 0,10 0,080
Аргинин 0,1 0,10 0,060
Цистеин 0,1 0,10 0,002
Фенилаланин 0,1 0,10 0,010
Тирозин 0,1 0,10 0,006
Гистидин 0,1 0,10 0,003
38
Постоянство суммарного аминокислотного пула головного
мозга сопровождается региональной неоднородностью их содер-
жания, что отражает морфологическую, физиологическую и
функциональную гетерогенность этого органа (табл.2.2). Наи-
более неравномерно распределены аминокислоты, выполняю-
щие функцию нейротрансмиттеров, такие, как глутаминовая
кислота, таурин, ГАМК, глицин и др.
Таблица 2.2
Содержание аминокислот в различных областях мозга кошки
(мкмоль/г ткани) (L.Batisttin et al., 1969)
Аминокислоты Таламус Средний мозг Мозолис- тое тело Кора ви- сочной доли Мозжечок
Глутаминовая 12,36 9,71 10,58 12,93 12,63
Аспарагиновая 2,71 4,06 1,41 3,09 2,85
Таурин 1,06 Г62 2,99 1,89 3,12
Глицин 1,72 2,77 0,614 1,25 1,49
Аланин 0,591 1,09 0,704 0,863 0,895
ГАМК 3,65 5,81 0,961 1,39 1,49
Тирозин 0,05 0,059 0,049 0,039 0,06
Валин 0,145 0,152 0,096 0,117 0,097
Лизин 0,278 0,379 0,268 0,194 0,219
Различные органеллы клеток головного мозга контролируют
уровень аминокислот, накапливая их часто против концентра-
ционных градиентов.
Постоянство качественного и количественного состава ами-
нокислот в метаболических фондах мозга обеспечивается таки-
ми взаимосвязанными процессами, как поступление аминокис-
лот из циркулирующей крови, отток их из мозга в кровь и уча-
стие в реакциях внутриклеточного метаболизма. В организме
все эти процессы сбалансированы слаженным функционирова-
нием гомеостатических механизмов, гематоэнцефалического барь-
ера и мембранным транспортом.
Транспорт аминокислот в мозг — многоступенчатый про-
цесс. Прежде всего происходит транспорт через гематоэнцефа-
лический барьер, локализованный в эндотелии мозговых ка-
пилляров, затем осуществляется транспорт из внеклеточной жид-
39
кости в клетки мозга, а далее — в субклеточные органеллы.
Существуют системы активного транспорта аминокислот не
только в мозг, но и из него, — обе они энергозависимы.
Исследование конкурентных отношений в транспорте ами-
нокислот выявило наличие восьми классов транспортных сис-
тем (A.Lajtha, 1972), которые существуют для аминокислот с
родственной структурой и зависят от ионного заряда и разме-
ров их молекул. В ряде случаев одна аминокислота может транс-
портироваться с участием нескольких транспортных систем, вы-
бор той или иной системы определяется составом аминокис-
лотного пула. Для мембранного транспорта аминокислот ха-
рактерен ряд особенностей: а) перенос аминокислот часто про-
исходит против высоких концентрационных градиентов; б) этот
процесс энергозависим; в) на него влияют температура и pH
среды; г) он ингибируется анаэробиозом и ферментными яда-
ми; д) перенос аминокислот связан с активным мембранным
транспортом ионов, в частности, он Na-зависим; е) обнаруже-
но конкурентное торможение мембранного транспорта одних
аминокислот другими и др. Такие конкурентные взаимодейст-
вия играют важную роль в патологии, когда изменяется уро-
вень индивидуальных аминокислот в крови. Ниже мы приве-
дем примеры таких патологических состояний.
Уровень специфичности транспортных систем для разных
аминокислот неодинаков. Особенно велика специфичность и
мощность систем для аминокислот, выполняющих роль ней-
ротрансмиттеров (глицин, ГАМК, таурин, глутаминовая кисло-
та и т.д.). Эти системы не только обеспечивают пластические и
энергетические нужды клетки, но служат такие для специфиче-
ского процесса быстрого снижения концентрации нейротранс-
миттера в зоне синаптической щели. Высокоизбирательное по-
глощение нейротрансмиттера осуществляется как пресинапти-
ческой областью, так и клетками окружающей глии. Подробнее
значение этого процесса будет рассматриваться в гл. 7 в связи с
анализом механизмов синаптической передачи.
Еще один своеобразный механизм транспорта аминокислот
связан с метаболизмом широко распространенного во всех тка-
нях, в том числе и в нервной, трипептида глутатиона, цикл син-
теза и деградации которого известен под названием у-глута-
мильного цикла (рис.2.1). Наиболее интересным и ключевым фер-
ментом этого цикла является у-глутамилтранспептидаза (КФ
2.3.2.2), прочно связанная с клеточной мембраной. Этот энзим
способен переносить у-глутамильную группу глутатиона, нахо-
дящегося внутри клетки, на аминокислоту, локализованную с
40
наружной стороны мембраны, и переносить образующийся ди-
пептид внутрь клетки. Следующий фермент этого цикла — у-
глугамилциклотрансфераза (КФ 2.3.2.4) высвобождает амино-
кислоту. Таким образом, у-глутамилтранспептидазная реакция
является одним из механизмов транспорта аминокислот внутрь
клетки.
Рис. 2.1. Цикл метаболизма глутатиона
При нормальных условиях скорость транспорта аминокис-
лот не лимитирует непосредственно их метаболизм, так как
скорости синтеза и деградации ниже скорости транспорта. По-
этому аминокислоты и аккумулируются мозгом, формируя пул
свободных аминокислот. Без пополнения извне пул свободных
аминокислот довольно быстро истощается. Так, количество ами-
нокислот, которое используется для синтеза белков мозга, ней-
ропептидов и нейромедиаторов в течение 30 мин, равно обще-
му церебральному пулу большинства свободных аминокислот.
Активность систем транспорта аминокислот, так же как и
состав их пула, изменяется в процессе развития мозга. Амино-
кислоты проникают в мозг молодых животных быстрее и дос-
тигают более высоких концентраций, чем у взрослых.
В литературе отсутствуют сообщения о болезнях, вызванных
нарушением транспорта аминокислот в мозг, вероятно, пото-
му, что они детальны. Даже дефекты транспорта аминокислот в
другие ткани ведут к заболеваниям, имеющим неврологические
41
последствия.
Наряду с неопасным для жизни синдромом Хартнупа, вызванным дефектом
транспорта триптофана в малый кишечник и почки и схожим клинически с
пеллагрой, известен ряд недугов с тяжелыми неврологическими последствия-
ми, также обусловленных дефицитом поступления аминокислот. Среди них —
цистиноз — нарушение транспорта цистина в клетки, особенно почек; цисти-
ноз сопровождается фотофобией и повреждением глаз. Тяжелым, нередко ле-
тальным заболеванием, связанным с транспортом аминокислот в кишечник,
является окулоцеребральный синдром (синдром Лоува). Он сопровождается глау-
комой, катарактой, слепотой. Перечень этих болезней, вызванных нарушени-
ем транспорта триптофана, метионина, нейтральных и других аминокислот в
кишечнике и других органах, довольно велик, причем все они косвенно затра-
гивают уровень аминокислот в мозге и имеют поэтому неврологические про-
явления.
2.2. МЕТАБОЛИЗМ ДИКАРБОНОВЫХ АМИНОКИСЛОТ
И ГЛУТАМИНА
Выше указывалось, что более 2/3 аминоазота аминокислот
приходится на долю глутамата и его производных; эти амино-
кислоты доминируют в количественном отношении в мозге всех
изученных видов животных. В спинном мозге наблюдается ана-
логичная картина, а периферическая нервная система содер-
жит значительно меньше глутамата, глутамина, N-ацетиласпар-
тата, чем головной мозг, а ГАМК почти отсутствует в перифе-
рических нервах позвоночных. При высоком уровне этих ами-
нокислот в головном мозге метаболизм их также чрезвычайно
быстрый.
2.2.1. Глутамат и аспартат
Особенностью метаболизма глутамата в нервной ткани яв-
ляется его тесная связь с интенсивно функционирующим в этом
органе циклом трикарбоновых кислот (ЦТК), что и позволяет
считать его промежуточным продуктом энергетического метабо-
лизма. Так, уже через 30 мин после инъекции меченой глюкозы
более 70% радиоактивности растворимой фракции приходится
на долю глутамата и его производных. Этому способствует чрез-
вычайно быстрое взаимопревращение глутамата и а-кетоглута-
рата в ЦНС. Высокий процент включения радиоактивности из
глюкозы в аминокислоты мозга явился основанием для пред-
положения, что утилизация глюкозы в этом органе в значитель-
ной степени происходит через биосинтез и окисление аминокис-
лот.
Непосредственным предшественником для синтеза глутама-
42
та в мозге является а-кетоглутаровая кислота (схема 2.1), кото-
рая может превращаться в глутамат или путем прямого восста-
новительного аминирования с участием глутаматдегидрогеназы
(КФ 1.4.1.2, 1.4.1.З.), или путем переаминирования.
Схема 2. L Образование и окисление глутамата в головном мозге
(1—глутаматдегидрогеназа; 2 — аспартатаминотрансфераза;
3 — аланинаминотрансфераза; 4 — тирозинаминотрансфераза;
5 — трансаминаза ГАМК)
ацетил-КоА
янтарная
кислота
лимонная кислота
ЦТК-J----------------------.
I Д-КЕТОГЛУТАРОВАЯ КИСЛОТА |
NH3
аспараги-
новая
кислота
2
тирозин
/Х-НАДН2
< (НАДФН2)
Ч^НАД
(НАДФ)
кси мети л-
| пируват
1 г и *Т‘А‘ J
{глутаминовая кислота |
Глутаматдегидрогеназа катализирует реакцию:
а-Кетоглутарат + НАДН2(НАДФН2) + NH3 5 Глутамат + Н2О + НАД+(НАДФ+)
43
Энзим менее активен в мозге, чем в печени, присутствует в
митохондриях, требует в качестве кофакторов пиридиннуклео-
тидов и активируется АДФ. Км этого энзима для аммония бли-
зок к 8 мМ . Реакция обратима, однако равновесие сильно сдви-
нуто в сторону прямой реакции, т.е. синтеза глутаминовой ки-
слоты.
Таким образом, в головном мозге глутаматдегидрогеназ-
ная реакция участвует не столько в окислении глутамата, сколько
в синтезе его из а-кетоглутаровой кислоты, обеспечивая тем
самым непрерывное превращение свободного аммиака в ами-
ноазот аминокислот. Основной же путь окисления глутамата в
мозге — через переаминирование.
В митохондриях мозга 90% глутамата подвергается переами-
нированию с образованием аспартата. Фермент, катализирую-
щий переаминирование глутамата с щавелевоуксусной кисло-
той (ЩУК), — аспартатаминотрансфераза (КФ 2.6.1.1) является
наиболее мощной трансаминазой головного мозга. Выделены
два изоэнзима аспартатаминотрансферазы, локализованных в
митохондриях и цитоплазме. Функциональная роль их различ-
на. Митохондриальный фермент связан в основном с функцио-
нированием ЦТК, цитоплазматический определяет интенсив-
ность глюконеогенеза.
Как уже отмечалось, путь метаболизма глутамата через пере-
аминирование намного активнее дегидрогеназного. В регуля-
ции соотношения между этими двумя путями, конкурирующи-
ми за один субстрат, важная роль принадлежит макроэргическим
соединениям. В интактных митохондриях энзим взаимодейству-
ет по преимуществу с НАДФ+ и интенсивность реакции про-
порциональна отношению НАДФ+/НАДФН2. Макроэргические
соединения способствуют превращению НАДФ+ в НАДФН2 и
тем самым подавляют дезаминирование глутамата. Наоборот,
трансаминазный путь требует расходования макроэргических со-
единений. Поэтому выбор между этими двумя реакциями оп-
ределяется энергетическими возможностями митохондрий.
При нормальном функционировании ЦТК дегидрогеназный
путь окисления глутамата подавлен, а трансаминазный активно
протекает. В результате уменьшения количества макроэргиче-
ских соединений, например при добавлении к митохондриям
разобщителя окислительного фосфорилирования 2,4-динитро-
фенола, подавляется трансаминазный путь при одновременном
резком усилении дегидрогеназного пути окисления глутамата.
Взаимопревращение а-кетоглутарата и глутамата происхо-
дит чрезвычайно быстро. В мозге был идентифицирован мета-
44
болический путь такого взаимопревращения, получивший на-
звание аспартат-малатного шунта, служащего для транспорта
восстановительных эквивалентов из цитозоля в митохондрии
(схема 2.2).
Схема 2. 2. Метаболические компоненты аспартат-малатно-
го шунта (1—малатдегидрогеназа; 2 — аспартатаминотрансфе-
раза)
Уже упоминалось, что различные органеллы клеток мозга
могут индивидуально контролировать уровни аминокислот, на-
капливая их против градиента концентрации. Примером этого
могут служить изолированные из ЦНС митохондрии, которые
быстро поглощают глутамат и малат, освобождая соответствую-
щие количества аспартата и а-кетоглутарата. Это означает, что
ток аспартата через митохондриальную мембрану связан с то-
ком глутамата в обратном направлении; также реципрокно свя-
заны ток малата и а-кетоглутарата. Энзимы, катализирующие
отдельные реакции малат-аспартатного шунта, превалируют в
тканях ЦНС. В нейронах малат-аспартатный шунт является
преобладающим механизмом переноса восстановительных эк-
вивалентов в митохондрии.
Таким образом, глутаминовая кислота выполняет чрез-
вычайно важную функцию в энергетическом обеспечении го-
ловного мозга, которая заключается в поддержании метаболи-
тов ЦТК на определенном и довольно высоком уровне, а также в
снабжении митохондриальных синтетических процессов восста-
новительными эквивалентами.
Большое значение имеет образование аммиака из глутамата. В головном
мозге обнаружены многочисленные аминотрансферазы основных, кислых, ней-
45
тральных и ароматических аминокислот. При участии этих ферментов амино-
группы различных аминокислот переносятся в конечном счете на глутамино-
вую кислоту. Последняя переаминируется с ЩУК при участии аспартатами-
нотрансферазы с образованием аспартата. Образование аммиака из аспартата
происходит различным образом в митохондриях и цитоплазме. В митохондри-
ях этот процесс связан с аминированием дезаминоформ НАД+ (ДНАД) и вклю-
чает в себя три ферментативных реакции (схема 2.3).
Схема 2.3. Образование аммиака в цикле реаминирования
Д-НАД (1 — НАД-сукцинатсинтетаза; 2 — НАД-сукцинатлиаза;
3 — дезаминаза НАД)
аминокислоты^*" "^гл у та мат’♦—►аспартат
фумарат
НАД- сукцинат
2
Д-НАД
3
НАД-
NH3
Вне митохондрий действует другой циклический процесс образования аммиа-
ка, в котором аспартат реаминирует инозинмонофосфат (схема 2.4).
Схема 2.4. Образование аммиака в цикле реаминирования ИМФ
(1—аденилсукцинатсинтетаза; 2 — аденилсукцинатлиаза; 3 —
аденилатдезаминаза)
аминокислоты— — -х путам ат^аспартат
фумарат--*--сукциниладенилат
з
21
АМФ
NH3
Для удаления аммиака в ЦНС служит глутаминсинтетазная
46
реакция. Глутаминсинтетаза (КФ 6.3.1.2 ) катализирует реак-
цию:
NH.+АТФ
Глутаминовая кислота-'-► Глутамин+АДФ+Фн+Н>0
Mg2‘
Этот энзим в мозге животных находится в более высокой кон-
центрации, чем в других органах, составляя 0,2% от общего белка
мозга. Энзим требует АТФ и Mg2+ и подавляется глицином и
аланином. Км для аммония — порядка 0,39 мМ, т.е. при нор-
ма '.ной концентрации аммония в мозге (0,16 мМ) фермент
работает в режиме полунасыщения. В нормальных физиологи-
ческих условиях, когда имеется достаточный уровень АТФ, глу-
таминсинтетазная реакция направлена в сторону связывания ам-
миака.
Образование глутамина является важным механизмом деток-
сикации аммония, к которому мозг чрезвычайно чувствителен
и накопление которого губительно для ЦНС. В частности, по-
вышение аммиака в мозге до концентрации 0,6 мМ сопровож-
дается судорогами. Системное введение солей аммония вызы-
вает конвульсии и увеличение содержания глутамина в мозге. В
случае серьезных повреждений печени повышается концентра-
ция аммония и глутамина в спинномозговой жидкости — в этих
случаях наблюдается кома. Симптомы печеночной комы смяг-
чаются введением глутамата. Основная часть глутаминсинтета-
зы локализована в глиальных клетках и лишь небольшая часть
ее представлена в нервных окончаниях.
Дезаминирование глутамина катализируется глутаминазой
(КФ 3.5.1.2), ферментом, наиболее активным в нейронах, где
он локализован в митохондриях. Следует отметить, что актив-
ность этого фермента в головном мозге невелика; продукты ре-
акции — глутаминовая кислота и аммоний — тормозят актив-
ность фермента.
Предполагается участие этого фермента в мембранном транс-
порте глутамата. Известно, что биологические мембраны более
проницаемы для глутамина, чем для глутамата, и глутаминаза
может участвовать в превращении глутамина крови во внутри-
клеточный глутамат. Глутаминаза играет важную роль также в
регуляции содержания глутамата в нервных окончаниях. Тот
факт, что глутаминсинтетаза локализована в основном в гли-
альных клетках, а глутаминаза наиболее активна в нейронах, а
также то, что глутамин оказался главным предшественником
глутамата и ГАМК, выполняющих трансмиттерную функцию,
послужил основанием для концепции о существовании глута-
47
минового цикла. Глутамат, поглощаясь глиальными клетками,
превращается в глутамин в синтетазной реакции, последний
входит в нейроны, образуя там глутаминовую кислоту. Таким
образом, глутамин служит глиально-нейрональным транспорте-
ром глутамата.
Другой важной функцией глутамата является его участие в
синтезе белков и биологически активных пептидов. Глутамат и
глутамин составляют вместе от 8 до 10% общих аминокислот-
ных остатков в гидролизате белков мозга. В частности, два хо-
рошо изученных мозгоспецифичных белка — S-100 и 14-3-2 —
содержат особенно высокую долю глутаминовой кислоты. Глу-
тамат является также составной частью ряда малых и средних
регуляторных пептидов мозга. Это прежде всего глутатион и ряд
у-глутамильных дипептидов. Некоторые нейропептиды содер-
жат циклическое производное глутамата — пироглутамат в ка-
честве N-терминального остатка, который предохраняет эти
пептиды от протеолиза. К таким пептидам относятся люлибе-
рин, тиролиберин, нейротензин, бомбезин и др. (см. гл.9).
Введение глутамата в различные районы мозга приводит либо
к судорожной активности, либо к распространяющейся депрес-
сии, даже если количество его мало по сравнению с нормаль-
ной концентрацией глутамата в мозге. Глутамин не вызывает
такого эффекта. При внутривенном введении глутамат может
вызвать гибель клеток в определенных районах ЦНС, особенно
вокруг желудочков мозга, где менее развит гематоэнцефаличе-
ский барьер. Нейроны незрелых животных, у которых еще от-
сутствует высокоразвитый гематоэнцефалический барьер, так-
же очень чувствительны к глутамату. Оральное введение боль-
ших количеств глутамата не действует на ЦНС большинства
людей, а соли глутамата широко используются в качестве пи-
щевой приправы. Однако у некоторых лиц обнаруживается по-
вышенная чувствительность к глутамату натрия, он вызывает
сенсорные и моторные нарушения, включая ощущение жже-
ния, напряжение лица, боль в грудной клетке и головную боль.
Эти симптомы известны как “синдром китайских ресторанов”,
так как глутамат натрия широко используется в китайской кух-
не. Многие аналоги глутамата токсичны.
Остановимся на некоторых сторонах нейротрансмиттерной
функции глутамата (более подробно она рассматривается в гл. 7
и 8) . Для того чтобы глутамат эффективно функционировал в
качестве нейротрансмиттера, его модальная внеклеточная кон-
центрация должна быть ниже той, которая вызывает деполяри-
зацию мембран. В действительности она колеблется от 1 до 10
48
мкМ; такая низкая внеклеточная концентрация глутамата под-
держивается активным транспортом в нейроны и особенно в
глиальные клетки.
В процессе выхода глутамата в синаптическую щель концен-
трация его там значительно повышается — до 1 мМ. Последую-
щий обратный захват глутамата нейронами и астроцитами осу-
ществляется с участием Na-зависимых высокоаффинных пере-
носчиков, из синаптической щели глутамат удаляется в основ-
ном путем захвата астроцитами. Для функционирования глута-
мата в качестве нейротрансмиттера необходимо постоянное
пополнение его пула в нервных окончаниях.
Предшественниками трансмиттерного пула глутамата могут
быть глюкоза и а-кетоглутарат. Глутамат может также образо-
вываться из орнитина и аргинина (через глутамат-полуальде-
гид). Но основным источником нейротрансмиттерного глута-
матного пула, по данным изотопных исследований, оказался
глутамин, который синтезируется в основном в астроцитах, где
локализована глутаминсинтетаза. Далее он легко транспорти-
руется через мембрану астроцитов и с помощью активных пе-
реносчиков достигает нервных окончаний.
2.2.2. N-Ацетиласпарагииовая кислота
Одним из доминирующих компонентов пула свободных ами-
нокислот мозга является N-ацетиласпарагиновая кислота (АцА)
СООН-СН2-СН-СООН
NH-CO-CHj
Ее концентрация у большинства видов животных в два раза
превышает таковую аспарагиновой кислоты. В ненейрональной
ткани обнаружены только следы АцА. Она находится в более
высокой концентрации в сером веществе по сравнению с бе-
лим, представлена также в периферической нервной системе, в
сетчатке. Ее концентрация низка при рождении и повышается
в процессе развития животного.
АцА образуется с участием ацетил-КоА. Энзим, катализи-
рующий эту реакцию, очищен и изучен. Точная функция АцА в
мозге еще не ясна, хотя имеются предположения, что она явля-
ется частью внутриклеточного фиксированного пула анионов
или резервуаром ацетильных групп, а также источником N-аце-
тилированных конечных групп для синтеза определенных бел-
49
ков и пептидов мозга. Показано, что ацетильные группы экзо-
генной АцА кислоты служат предпочтительным источником
углерода для синтеза жирных кислот в развивающемся мозге. В
головном мозге оказалось два пространственно разобщенных
фонда АцА: малый, высокоактивный, локализованный в глии,
и большой, медленно обменивающийся, — в нейронах.
2.2.3. Гамма-аминомасляная кислота
Одним из главных компонентов пула свободных аминокис-
лот головного мозга различных животных является у-аминомас-
ляная кислота (ГАМК), продукт а-декарбоксилирования глута-
миновой кислоты. Цикл превращений ГАМК в мозге включает
три сопряженных энзиматические реакции, получившие назва-
ние ГАМК-шунта (схема 2.5).
Схема 2.5. Схема ГАМК-шунта (1 — глутаматдекарбоксила-
за; 2 — ГАМК-трансаминаза; 3 — дегидрогеназа янтарного полу-
альдегида)
Он является ответвлением ЦТК на участке от а-кетоглутарата
до сукцината. При участии фермента глутаматдекарбоксилазы
(ГДК, КФ 4.1.1.15) отщепляется первый карбоксил L-глутами-
новой кислоты с образованием ГАМК.
Этот энзим присутствует только в ЦНС и главным образом в
сером веществе. ГДК синтезируется в нейрональной соме, а затем
50
очень быстро транспортируется вдоль аксона. ГДК нуждается в
пиридоксальфосфате в качестве кофактора, как большинство
других декарбоксилаз аминокислот. Кофактор прочно связан с
энзимом. Молекулярная масса энзима 85 кД, К^ для глутамата
около 0,7 мМ, а Км для пиридоксальфосфата 0,05 М. ГДК спе-
цифичен для глутамата, слабо взаимодействует с аспарагиновой
кислотой. Скорость ГДК-реакции — лимитирующая ступень
синтеза ГАМК. Уровень ГАМК в различных областях нервной
системы регулируется действием ГДК и при нормальных усло-
виях мало зависит от действия энзимов деградации ГАМК. ГДК
является маркером ГАМК-ергических синапсов.
Энзимы катаболизма ГАМК локализованы отдельно от ГДК.
ГАМК-трансаминаза (ГАМК-Т, КФ 2.6.1.19) находится в сером
веществе мозга, но встречается также и в других тканях. Она
также требует пиридоксальфосфат в качестве кофактора и свя-
зана с ним прочно. ГАМК-Т обнаружена в митохондриях, в то
время как ГДК и ГАМК локализованы в синаптосомах. Км
ГАМК-Т для всех субстратов очень высока.
Конечный энзим шунта — дегидрогеназа янтарного полуаль-
дегида — превращает янтарный полуальдегид в янтарную ки-
слоту. Он распространен в ЦНС там же, где и ГАМК-Т. Это
митохондриальный энзим, который специфичен для янтарного
полуальдегида и НАД+, активируется сульфгидрильными реа-
гентами и подавляется субстратом при концентрации послед-
него выше 10~4М.
ГАМК является наиболее широко распространенным медиа-
тором торможения в нервной системе. У млекопитающих она
локализована в нервных окончаниях тормозных нейронов ЦНС.
ГАМК тормозит биоэлектрическую активность не только го-
ловного мозга позвоночных, но и нервных цепочек и ганглиев
беспозвоночных животных. Соответственно ГАМК и фермен-
ты ее обмена также локализованы в нервных структурах беспо-
звоночных, совпадающих с расположением тормозных синап-
сов. Физиологическое действие ГАМК обусловлено взаимодей-
ствием со специальными рецепторами и рассматривается далее
в гл.7 и 8.
2.3. КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА
АМИНОКИСЛОТ
Компартментализация метаболизма является ключевым фак-
тором взаимоотношений между глутаматом, глутамином и
ГАМК. Впервые это явление было открыто в лаборатории Вэл-
51
ша в конце 50-х — начале 60-х годов и известно под названием
эффекта Вэлша. При определенных условиях в опытах с ис-
пользованием меченых предшественников специфическая ра-
диоактивность продукта, образованного в короткий промежу-
ток времени, превышает специфическую активность предшест-
венника (выделенного из ткани в тех же условиях) иногда в
несколько раз. Эти наблюдения позволяют сделать заключение,
что метаболизм имеет место в малом, высокоактивном пуле, а
меченый предшественник разбавляется при выделении боль-
шим количеством немеченого предшественника из другого,
малоактивного пула.
Инъекция меченого глутамата, аммония, бикарбоната, аце-
тата, бутирата, цитрата и других, как правило, приводила к тому,
что специфическая радиоактивность глутамина была выше пред-
шественника, изолированного вскоре после инъекции. Этот
эффект не был обнаружен после инъекции меченой глюкозы,
пирувата, лактата, глицерина. Данные позволили заключить, что
глюкогенные субстраты метаболируют до аминокислот в ком-
партментах (пулах, отсеках), отличных от тех, в которых обме-
ниваются кетогенные субстраты.
Эффект Вэлша — специфическое свойство нервной системы
и демонстрируется в опытах как in vitro, так и in vivo. В дальней-
шем кинетическими исследованиями с различными метаболиче-
скими предшественниками было показано наличие в головном
мозге различных метаболических компартментов цикла трикар-
боновых кислот и аминокислот, связанных с этим циклом. Не-
которые исследователи ограничивают число компартментов дву-
мя — большим и малым, другие описывают до шести метаболи-
ческих компартментов. Очевидным является факт, что каждый
компартмент является суммой большого числа микрокомпартмен-
тов с более или менее сходными метаболическими свойствами .
“Большой” компартмент включает в себя относительно боль-
шие пулы промежуточных соединений, которые быстро обме-
нивается с большим пулом глутамата и малым пулом глутами-
на. Глюкоза используется во всех компартментах, но в “боль-
шой” компартмент включается до 90% гликолитического пото-
ка и большая часть общего потока через ЦТК. Глюкогенные
предшественники метаболируют преимущественно в этом ком-
партменте, и глюкоза может рассматриваться как предпочти-
тельный метаболит большого компартмента. Этот же компар-
тмент содержит основную часть общего глутамата и аспартата.
Однако скорость синтеза глутамина в нем относительно низка.
Полагают, что “большой” компартмент расположен главным
образом в нейронах и участвует преимущественно в энергети-
52
ческих процессах. Предположение о нейрональной локализа-
ции “большого” метаболического компартмента подтверждает-
ся, например, исследованиями на животных с различным ти-
реоидным статусом. Так, удаление щитовидной железы при
рождении животного выливается в недоразвитие нейрональных
систем. Одновременно наблюдается недоразвитие “большого”
метаболического компартмента. Напротив, обработка тиреоид-
ными гормонами ускоряет созревание мозга и развитие метабо-
лической компартментации.
“Малый” метаболический компартмент включает в себя ЦТК,
но с малыми пулами его компонентов, которые быстро обме-
ниваются с малым пулом глутамата, находящимся, в свою оче-
редь, в равновесии с большим пулом глутамина. “Малый” ком-
партмент является главным источником глутамина. Окислитель-
ная способность “малого” компартмента низка; вероятно, он
не богат структурами, вовлекаемыми в синтез белка, и мито-
хондриями. Морфологическая характеристика астроглии (ма-
лая плотность митохондрий и рибосом) соответствует биохи-
мическим свойствам “малого” метаболического компартмента.
Пул глутамата, связанный с синтезом глутамина, составляю-
щий малую долю общего пула глутамата, находится в астроци-
тах. Последние составляют лишь около четверти от общего объ-
ема ткани мозга, причем концентрация глутамата в них ниже,
чем в ткани ЦНС в целом. Коммуникация между “малым” и
“большими” компартментами осуществляется через транспорт
глутамина и ГАМК, а также путем аксонального тока белков из
нейронального перикариона к нервным окончаниям.
Значение метаболических компартментов состоит в простран-
ственном отделении биосинтетических процессов от тех мета-
болических путей, которые строго контролируются энергетиче-
скими нуждами. Это явление характерно именно для нервной
ткани, которая отличается большой функциональной гетеро-
генностью составляющих ее элементов, большой долей круп-
ных и средних клеток с разнообразными системами органелл и,
наконец, большой протяженностью отростков нервных клеток,
что затрудняет возможность смешивания метаболитов.
Метаболическая компартментализация аминокислот, в ча-
стности аминокислот глутаминовой группы, особенно ярко про-
является в субклеточной локализации ферментов в ГАМК-ер-
гическом нейроне (рис.2.2) и в астроцитах. Так, пируваткар-
боксилаза локализована преимущественно в астроцитах, в то
время как пируватдегидрогеназный комплекс более активен в
нейронах, чем в астроцитах. Преимущественная локализация
53
пируватдегидрогеназы в нейронах ответственна в конечном счете
за низкое включение углерода глюкозы, лактата и глицерина в
глутамин. Глутамин-синтетаза преимущественно локализована
в астроцитах, а глутаминаза — в нейронах. Глутамат, поглоща-
ясь астроцитами, превращается в глутамин в глутамин-синте-
тазной реакции. Глутамин, выйдя из астроцитов и входя в ней-
роны, образует глутамат и далее ГАМК. Таким образом, глута-
мин и ГАМК осуществляют коммуникацию между большим и
малым метаболическими компартментами.
Рис. 2.2. Схема ГАМК-ергического ингибиторного нервного
окончания:
I — глутаматдекарбоксилаза; 2 — трансаминаза ГАМК; 3 —
высокоаффинный захват; 4 — трансаминаза ГАМК; 5 — глута-
минсинтетаза; 6 — глутаминаза
54
Помимо нейронально-глиального транспорта аминокислот
в последние годы установлена возможность перемещения сво-
бодных аминокислот от проксимального к дистальному концу ней-
рона. Так, глутамат, введенный в мозг, передвигается вдоль ак-
сонов двигательных нейронов и оказывается в мышечных нерв-
ных окончаниях.
2.4. ГЛИЦИН И ПУТИ ЕГО ОБМЕНА
Глицин участвует не только в биосинтезе белков, но и в дру-
гих многочисленных биосинтетических процессах, таких, как
образование пуринов, порфиринов, креатина, этаноламина,
холина, глутатиона и др. Глицин функционирует также в каче-
стве ингибиторного трансмиттера главным образом в спинном
мозге.
Так как потребление глицина в нервной ткани относительно
велико, а поступление его из крови происходит медленно, зна-
чительная часть глицина синтезируется в мозге de novo. Глюко-
за и серин являются главными источниками глицина в ЦНС.
Серин может образовываться из глюкозы через 3-фосфоглице-
риновую кислоту (схема 2.6). Кроме того, серин сравнительно
быстро поступает из циркулирующей крови.
Синтез глицина de novo происходит в нервной ткани из се-
рина путем обратимой N5, ^^-метилентетрагидрофолат-тет-
рагидрофолатзависимой трансформации при участии фермента
серингадроксиметилтрансферазы (КФ 2.1.2.1).
Реакция катализируется серингидроксиметилтрансферазой и
протекает следующим образом:
НО-СНг-НС-СООН
| + тетра гидрофолат «-----►
NH2
серин
◄-----► СН2-СООН
I + №,М'°-метилентетрагидрофолат
NH2
глицин
55
Схема 2.6. Пути метаболизма глицина в ЦНС
(1 — серингидроксиметилтрансфераза; 2 ™ глицинаминотранс-
фераза)
глюкоза
I
*
креатин
Этот фермент относится к пиридоксальзависимым\ при опти-
мальной активности в нем содержится 6 молекул пиридоксаль-
фосфата. Активность фермента в метаболических пулах голов-
ного мозга относительно постоянна, высокая активность его
56
обнаружена в спинном мозге и в мозжечке. Активность в сером
веществе спинного мозга больше, чем в белом, причем в вен-
тральном сером веществе она значительно выше, чем в дор-
зальном. Это коррелирует с содержанием глицина.
Другим источником синтеза глицина в нервной системе яв-
ляется глиоксиловая кислота, однако вклад ее в синтез глицина
в головном мозге in vivo не может быть значительным, так как
ее уровень в мозге низок.
В нервной ткани существует по крайней мере три пути ка-
таболизма глицина. Первый состоит в том, что реакция превра-
щения серина в глицин легко обратима в ткани мозга и серин-
гидроксиметилтрансфераза может выступать в качестве энзима
деградации глицина. Кроме того, в ЦНС представлены оксида-
зы аминокислот (КФ 1.4.3.2, 1.4.3.3), которые могут использо-
вать в качестве субстрата наряду с другими аминокислотами
глицин:
СН2-СООН+О2+Н2О -> HC-COOH+NH3+H2O2
I II
nh2 о
Третья система распада глицина локализована исключитель-
но в митохондриях и является нетипичной декарбоксилазой ами-
нокислот, так как зависит и от НАД+, и от тетрагидрофолата
(ТГФ). Расщепление глицина на одноуглеродные фрагменты
протекает по схеме:
СН2МН2СООН+ТГФ -» метилен-ТГФ + CO2+NH3
Метилен-ТГФ------------> СО2+ТГФ
Важно отметить образование в этих реакциях метилентетра-
гидрофолата, который может быть использован в мозге как ис-
точник одноуглеродных фрагментов. То же следует подчерк-
нуть применительно к описанной серингидроксиметилтранс-
феразной реакции.
При участии глицин-расщепляющей системы глицин распа-
дается на метилентетрагидрофолат, диоксид углерода и амми-
ак, затем происходит окисление метилен-ТГФ с образованием
СО, — окончательного продукта распада глицина.
Как уже упоминалось, глицин является ингибиторным транс-
миттером в спинном мозге (подробнее см. гл. 7 и 8). В других
районах депрессорное действие глицина проявляется слабо.
Поэтому спинной мозг имеет высокоаффинную и низкоаффин-
ную систему захвата глицина (Км < 50 мкМ и > 100 мкМ соот-
57
ветственно), в то время как кора головного мозга содержит только
низкоаффинную систему.
Интересно отметить, что повышенный уровень глицина об-
наружен в эпилептогенных районах мозга человека, удаленных
хирургическим путем. Он накапливается также в эпилептоген-
ных районах' мозга у животных с вызванными кобальтом при-
падками, причем тяжесть припадков пропорциональна накоп-
лению глицина. Возможно, это — компенсаторные процессы.
Высокий уровень глицина в плазме крови или в моче обыч-
но свидетельствует о нарушении мозговых функций. Гипергли-
цинемия развивается в раннем возрасте и сопровождается эпи-
зодическими рвотами, подавлением двигательной активности,
нарушением ЭЭГ и часто кончается смертью. Известны два типа
гиперглицинемии — кетотическая (или идиопатическая) и не-
кетотическая, которая в большинстве случаев тоже детальна.
Кетотическая гиперглицинемии сопровождается губчатой деге-
нерацией белого вещества мозга и задержкой миелинизации.
2.5. СЕРУСОДЕРЖАЩИЕ АМИНОКИСЛОТЫ
Метионин представляет особый интерес как источник метиль-
ных групп. Полученный с пищей, а также образованный в дру-
гих тканях, метионин поступает в мозг через систему активного
транспорта больших нейтральных аминокислот. Концентрация
метионина в целом мозге сравнительно низка — от 10 до 100
нмоль/г сырой массы у различных видов животных. Региональ-
ные различия в концентрации метионина невелики. Влияние
диеты на концентрацию метионина в мозге также незначитель-
но из-за конкурентных отношений с нейтральными аминокис-
лотами за транспортные системы. Метионин в пуле свободных
аминокислот утилизируется на 80% для синтеза белка.
Метаболизм свободного метионина до цистеина начинается
с образования S-аденозилметионина (схема 2.7), реакция ката-
лизируется метионин-аденозилтрансферазой (КФ 2.4.2.13). S-
Аденозилметионин является главным донором метильных групп
в мозге, необходимых для метилирования катехоламинов, гис-
тамина, фосфатидилэтаноламина, нуклеиновых кислот.
• Процессам метилирования отводится важная роль: в про-
ведении сигнала через мембрану, в регулировании жидкостно-
сти мембраны и, наконец, в процессах метилирования ДНК.
Последние считают вероятными участниками механизмов дол-
говременной памяти. В то время как первая половина цикла
превращения метионина (схема 2.7) связана главным образом с
58
метилированием, вторая часть его (особенно синтез таурина)
ассоциирована в основном с нейротрансмиттерной и нейромо-
дуляторной функцией. Оказалось, что 20% серусодержащих ами-
нокислот локализовано в синаптосомах.
Схема 2.7. Пути метаболизма метионина (A.Lajtha, 1983)
(1 — метионинаденозилтрансфераза; 2 — N5-метилтетрагидро-
фолат-гомоцистеинметилтрансфераза; 3 — N5, 191(,-метилентет-
рагидрофолатредуктаза; 4 — серингидроксиметилтрансфераза, 5
— цистатионинсинтетаза; 6 — цистатионаза; 7 — декарбокси-
лаза цистеинсульфоновой кислоты; ФН4 — тетрагидрофосфат;
MX — митохондрии)
Цистатионин — продукт конденсации гомоцистеина и сери-
на. Фермент, участвующий в этом процессе, — цистатионин-
синтаза (КФ 4.2.1.21). Цистатионин является промежуточным
59
продуктом метаболизма таких серусодержащих аминокислот, как
метионин, цистеин и таурин (схема 2.7.) . Будучи промежуточ-
ным метаболитом в обмене серы, он важен для синтеза сульфа-
тидов и сульфатированных мукополисахаридов. Содержание цис-
татионина выше в белом веществе, чем в сером.
У человека высокие концентрации цистатионина обнаруже-
ны в мозге и гораздо меньшие — в других тканях. Интересно
отметить, что мозг человека содержит значительно более высо-
кие концентрации цистатионина, чем мозг животных. Концен-
трация цистатионина в мозге человека повышается в процессе
развития, а в мозге крысы, напротив, снижается. Биологиче-
ская роль цистатионина не выяснена. При некоторых психиче-
ских заболеваниях, а также при действии нейротоксинов со-
держание цистатионина в мозге резко возрастает. В то же время
у некоторых умственно отсталых больных с врожденными на-
рушениями обмена серусодержащих аминокислот содержание
цистатионина в мозге было чрезвычайно низким.
Генетическая потеря цистатионинсинтазы ведет к болезни
— гомоцистинурии, которая сопровождается экскрецией гомо-
цистеина с мочой, повышением содержания гомоцистеина и
метионина в крови и дефицитом цистатионина и цистатионин-
синтазы в мозге и печени. Гомоцистинурия является второй по
распространенности аминоацидурией после фенилкетонурии с
ярко выраженным действием на ЦНС. Одной из характеристик
болезни является фиброз и утончение кровеносных сосудов. Те-
рапевтическое средство — снижение в диете метионина и доно-
ров метильных групп — таких, как холин. Для таких больных
необходимо включение цистина в диету, так как они не могут
образовывать его из метионина. Клиническая картина у детей
выражается в эпизодических судорожных припадках, тяжелом
физическом и умственном отставании.
Таурин образуется в мозге посредством окисления цистеина
до цистеинсульфоновой кислоты, которая декарбоксилируется
с образованием гипотаурина с последующим окислением его до
таурина. Он обнаружен в высоких концентрациях в нервной
системе беспозвоночных и позвоночных животных. Высокие
концентрации таурина найдены в мозге эмбрионов, а также в
ранний период постэмбрионального развития. Так, у мышей в
первые дни жизни концентрация таурина выше, чем концен-
трация аминокислот глутаминовой группы, в 3 раза, а у взрос-
лых это отношение уменьшается.
Региональное распределение таурина неравномерно. Он со-
держится в нейронах и в глии, причем большая часть его обна-
60
ружена в растворимой фракции. В мозге крыс синаптосомаль-
ные фракции полосатого тела, коры мозга и мозжечка содержат
наиболее высокое количество таурина. Интересно, что таурин
— наиболее распространенная аминокислота сетчатки некото-
рых видов животных.
Подобно другим короткоцепочечным омега-аминокислотам
(глицин, 0-аланин, ГАМК) таурин подавляет нейрональную
возбудимость, вызывая гиперполяризацию. Таурин — предпо-
лагаемый трансмиттер в коре и стволе мозга (подробнее см. гл.
7 и 8). По последним сведениям, он может быть нейротранс-
миттером в некоторых районах гиппокампа. Инактивация тау-
рина в мозговых синапсах осуществляется с помощью высоко-
аффинного обратного захвата. Описан также захват таурина гли-
альными клетками, что указывает на роль глии в модуляции его
синаптической функции.
Таурин связан с регуляцией транспорта кальция в нервной
ткани. Многие авторы склонны объяснять высокую концентра-
цию таурина в мозге именно участием его в контроле уровня
Са2+. Модуляция таурином внутриклеточной концентрации
Са2+, в свою очередь, регулирует нейрональную возбудимость.
Таурин подавляет захват и освобождение Са2+ синаптосомами
мозга. Более того, он подавляет связывание Са2+ микросомами
мозга в условиях, стимулирующих деполяризацию. Хотя моле-
кулярный механизм взаимодействия таурина с кальций-регу-
лирующими системами еще не ясен, приведенные данные сви-
детельствуют о том, что роль таурина в организме не ограничи-
вается только нейромедиаторной функцией.
Интересен факт обнаружения нейропептидов, содержащих
таурин (глутаурин, гаммаглутамилтаурин и др.), которые оказы-
вают гормоноподобные эффекты.
Таурин является слабым fi-адренергическим агонистом, он ак-
тивирует К+-стимулированное освобождение норадреналина из
коры мозга, не влияя на спонтанное освобождение. Интравен-
трикулярное введение таурина повышает синтез дофамина и но-
радреналина во всех изученных районах мозга. Влияние его на
двигательную активность и регуляцию температуры животного
подтверждает медиацию этих эффектов через катехоламинерги-
ческую систему. Таурин оказывает антиконвульсивное действие
при эпилепсии, блокирует агрессивные реакции у крыс-килле-
ров. Однако следует иметь в виду, что содержание таурина в
мозге трудно корректировать — он плохо проникает через ГЭБ.
Клинически тауриновый дефицит может выражаться в эпи-
лептических припадках, наследственной атаксии Фридрейха
61
(развивающейся на почве недостаточной реабсорбции таурина
в почках), куриной слепоте и др.
2.6. АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНОКИСЛОТЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ
И ИХ МЕТАБОЛИЗМ
Ароматические аминокислоты — триптофан, фенилаланин и
тирозин — важны как предшественники 5-гидрокситрилтамина
(5-НТ, серотонин) и катехоламинов, играющих чрезвычайно
важную роль в нейрональных процессах.
Триптофан является незаменимой аминокислотой и не синте-
зируется в мозге высших животных В мозге триптофан может
переаминироваться с использованием щавелевоуксусной кисло-
ты в качестве акцептора аминогруппы, а также декарбоксилиро-
ваться. Физиологическое значение первой реакции неизвест-
но. Наиболее интересный нейрональный путь метаболизма трип-
тофана, которой составляет всего 5% от общего метаболизма
триптофана в организме — это образование серотонина и мела-
тонина (схема 2.8).
Схема 2.8. Метаболизм триптофана в головном мозге
(1 — триптофандекарбоксилаза; 2 — триптофангидроксилаза;
3 — 5-окситриптофандекарбоксилаза; 4 — ацетилтрансфераза;
5 — ацетилсеротонинметилтрансфераза)
триптамин 5-окситриптофан
5-окситриптамин
(серотонин)
N-ацетилсеротонин
мелатонин
Первая ступень этого процесса — гидроксилирование трип-
тофана в 5-м положении — катализируется трииггофан-5-падро-
ксилазой (КФ 1.99.1.4). Энзим требует молекулярного кислоро-
62
да и тетрагидробиоптерина в качестве кофактора. Этот фер-
мент локализован исключительно в серотонинергических ней-
ронах мозга. Он не полностью насыщен своим субстратом в
мозге, Км для триптофангидроксилазы заднего мозга — 50 мкМ,
а содержание триптофана там — 30 мкМ. Поэтому даже физио-
логические вариации уровня триптофана мозга влияют на син-
тез серотонина, а нагрузки триптофаном изменяют поведенче-
ские реакции животных. Катехоламины являются сильными ин-
гибиторами энзима, что говорит о тесной взаимосвязи между
катехольными и индольными путями образования биоаминов.
Вторая ступень катализируется 5-окситривтофандекарбокси-
лазой (КФ 4.1.1.28.) и ведет к образованию серотонина. В эпи-
физе серотонин при участии специфической ацетилтрансфера-
зы ацетилируется с образованием N-ацетилсеротошша; послед-
ний подвергается О-метилированию с участием фермента ме-
тилтрансферазы, используя в качестве донора метильной груп-
пы S-аденозилметионин. При этом образуется гормон эпифиза
мелатонин. Активность двух последних ферментов ответственна
за изменение светового — темнового цикла у животных и зави-
сит от циркадного ритма.
На содержание триптофана, а следовательно, и серотонина в
мозге оказывает влияние характер используемой пищи; оно воз-
растает при приеме полноценных белков и богатой углеводами
пищи. Углеводы стимулируют освобождение инсулина, кото-
рый способствует поступлению в мышцы, а следовательно, уда-
лению из циркуляции разветвленных аминокислот — конку-
рентов ароматических аминокислот за транспортные системы
ГЭБ мозга. Таким образом, снижение уровня разветвленных
аминокислот в плазме крови приводит к повышению транс-
порта ароматических аминокислот в мозг. Влияние пищи на
поведение людей многие исследователи связывают отчасти с
изменением уровня ароматических аминокислот в мозге, а от-
сюда и уровня биогенных аминов.
Запасы триптофана у животных составляют лишь 2-4% от
дневной нормы, поэтому небольшие различия в скорости син-
теза и катаболизма белка в зависимости от диеты или гормо-
нального состояния могут вызвать большие изменения в уров-
не свободного триптофана. В регуляции уровня триптофана, а
следовательно, и серотонина в мозге большую роль играет так-
же кинурениновый путь катаболизма триптофана, реализующий-
ся в печени. Этот путь инициируется триптофанпирролазой (L-
триптофан-2,3-диоксигеназа, КФ 1.13.11.11) — печеночным
ферментом, который использует главным образом триптофан
63
из пищи и индуцируется как своим субстратом триптофаном,
так и глюкокортикоидами. Гормон роста, напротив, предотвра-
щает индукцию триптофанпирролазы триптофаном. Таким об-
разом, триптофанпирролаза печени способствует удалению из-
бытка триптофана из плазмы крови, что, в свою очередь, мини-
мизирует изменение содержания триптофана в мозге.
Фенилаланин также является незаменимой аминокислотой и
не синтезируется в мозге высших животных. В мозге происходит
трансаминирование и декарбоксилирование фенилаланина. Эти
реакции катализируются Ь-тирозин-2-оксоглутаратаминотранс-
феразой (КФ 2.6.1.5) и ДОФА-декарбоксилазой (КФ 4.1.1.26).
Главный путь метаболизма фенилаланина в целом организ-
ме — его гидроксилирование до тирозина с участием фермента
фенилаланин-4-гидроксилазы (КФ 1.99.1.2) — не обнаружен в
мозге. Другие энзимы, присутствующие в мозге, могут катали-
зировать гидроксилирование лишь небольшой части фенилала-
нина. Печеночная система гидроксилирования фенилаланина
тщательно изучена, так как ее нарушение ведет к самому рас-
пространенному и тяжелому заболеванию, связанному с мета-
болизмом аминокислот, — фенилкетонурии. Система состоит из
самой гидроксилазы, неконъюгированного птеридинового ко-
фактора и пиридин-связанной редуктазы для рециклизирова-
ния птеридинового кофактора. Гидроксилаза — сложный желе-
зосодержащий белок — является классической монооксигена-
зой, требующей молекулярного кислорода в качестве окислите-
ля, и L-эритротетрагидробиоптерина в качестве восстановите-
ля. Второй энзим системы — дегидроптеринредуктаза — катали-
зирует рециклизацию окисленного кофактора, используя
НАДФН как источник электронов.
Фенилкетонурия — это следствие генетически обусловлен-
ного отсутствия фенил гидроксилазной активности в печени, она
проявляется аминоацидурией с нарушениями нервной систе-
мы. Уровень фенилаланина в крови таких больных возрастает в
несколько сотен раз по сравнению с нормой.
Заболевание сопровождается серьезными неврологическими
нарушениями, включая конвульсии, тремор, умственные дефек-
ты, необратимое и глубокое недоразвитие. Большинство боль-
ных детей гиперактивны и агрессивны, многие из них являются
микроцефалами со слабой пигментацией кожи, волос, глаз. Из
биохимических нарушений характерным является генерализо-
ванный дефицит миелина, сопровождающийся снижением уров-
ней холестерина, цереброзидов, изменением отношения насы-
щенных и ненасыщенных жирных кислот.
64
Стандартная терапия фенилкетонурии — снижение доли
фенилаланина в диете.
Тирозин — один из важнейших источников нейромедиаторов
— катехоламинов. Превращение тирозина в катехоламины яв-
ляется главным путем метаболизма тирозина в мозге и надпо-
чечниках. Первая ступень, катализируемая тирозин-3-пвдрокси-
лазой (КФ 1.14.16.2), лимитирует скорость всего процесса. Эн-
зим является оксидазой со смешанными функциями, требую-
щей кислорода, восстановленного птеридина и Fe2+. Под дей-
ствием фермента тирозин превращается в 3,4-дигидроксифени-
лаланин (ДОФА) . Активность его подавляется катехоламина-
ми. Естественно, этот энзим служит надежным цитохимиче-
ским маркером нейронов, способных синтезировать катехола-
мины.
Декарбоксилирование ДОФА до дофамина выполняется
ДОФА-декарбоксилазой (КФ 4.1.1.26), которая требует в каче-
стве кофактора пиридоксальфосфат. В мозге энзим неспеци-
фичен, действует на широкий спектр ароматических аминокис-
лот, включая 5-гидрокситриптофан.
Дофамин-p-гидроксил аза (КФ 1.14.17.1), необходимая для его
превращения в норадреналин, также присутствует в мозге. По-
казана необходимость молекулярного кислорода и аскорбино-
вой кислоты для его действия. Энзим содержит ионы меди и
стимулируется фумаровой кислотой. Он неспецифичен и ката-
лизирует гидроксилирование боковых цепей большого количе-
ства p-фенилэтиламинпроизводных; в частности, тирамин яв-
ляется лучшим субстратом для энзима, чем дофамин.
Основной путь деградации тирозина в организме млекопи-
тающих — через р-гидроксифенил пируват, гомогентизиновую
кислоту и расщепление кольца — не встречается в головном
мозге. В мозге присутствует Ь-тирозин-2-оксоглутаратами-
нотрансфераза (КФ 2.6.1.5.), которая осуществляет активное пе-
реаминирование тирозина в нейрональной ткани. Тирозин мозга
является также субстратом для неспецифической декарбокси-
лазы ароматических аминокислот.
Хотя известен рад нарушений во всех путях деградации ти-
розина, ни один из них не вызывает тяжелых неврологических
повреждений.
Гиствдин не синтезируется в головном мозге, но он активно
транспортируется через гематоэнцефалический барьер. В мозге
гистидин может декарбоксилироваться, образуя гистамин —
важный нейромедиатор и нейромодулятор. Декарбоксилирова-
ние гистидина могут выполнять два энзима. Первый из них —
65
специфическая гистидин-декарбоксилаза (КФ 4.1.1.22,), энзим,
требующий пиридоксальфосфат в качестве кофактора. Он очень
активен в ряде периферических нервов и в симпатических ганг-
лиях. В то же время в головном и спинном мозге активность его
мала; для гистидина в нормальных условиях — порядка
410~4 NT Фермент индуцируется при стрессе.
Вторым энзимом, который осуществляет декарбоксилирова-
ние гистидина, является неспецифическая декарбоксилаза аро-
матических аминокислот (КФ 4.1.1.28), действующая на ДОФА,
5-гидрокситриптофан, а также на гистидин. Представлено боль-
шое количество доказательств, что именно этот энзим является
ответственным за декарбоксилирование гистидина в ЦНС.
Разрушение гистамина в целом организме происходит в ос-
новном при участии гистаминазы (КФ 1.4.3.6.), но этот фер-
мент отсутствует в мозге. Главный путь катаболизма гистамина
в мозге — метилирование в 4-м положении с использованием
S-аденозилметионина в качестве донора метильной группы при
участии специфического энзима гястамин-метилтрансферазы
(КФ 2.1.1.8.). При подавлении этого энзима уровень гистамина
в мозге сильно возрастает. Образованный метилгистамин затем
окисляется до соответствующего альдегида и до метилимидазо-
луксусной кислоты, которая экскретируется.
Концентрация гистамина в головном и спинном мозге низ-
ка, но он присутствует в значительных количествах в некото-
рых постганглионарных нервах. Его концентрация велика в
переднем гипофизе и гипоталамусе. Субклеточно гистамин ло-
кализован преимущественно в синаптосомах.
2.7. ОСНОВНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ
Лизин пока мало исследован в аспекте его значения для нерв-
ной системы. Пути деградации лизина в мозге точно не уста-
новлены, но они отличаются от локализованных в печени. Ли-
зин в мозге может катаболировать через образование пипеколо-
вой кислоты.
Интересно и важно, что нервная система исключительно чув-
ствительна к нарушению метаболизма лизина в других тканях.
Последнее приводит к тяжелым деструктивным и демиелини-
зационным процессам в ЦНС, сопровождающимся умственной
отсталостью.
Аргинин в целом организме ассоциируется прежде всего с
процессом синтеза мочевины. Однако в головном мозге не су-
ществует полного цикла образования мочевины, хотя некото-
66
рые энзимы этого метаболического пути, такие как аргинино-
сукцинатсинтетаза (КФ 6.3.4.5), арганиносукциназа (КФ 4.3.2.1)
и аргиназа (КФ 3.5.3.1), найдены в этом органе. Центральный
фермент цикла — орнитинкарбамоилтрансфераза (КФ 2.1.3.3 )
— не обнаружена в мозге.
Недавно выявлена еще одна важная функция аргинина. Он
является источником образования окиси азота — мощного со-
судорасширяющего фактора и нейромедиатора. Синтез NO осу-
ществляется с помощью фермента аргинат-синтазы. Образую-
щийся при этом цитруллин включается в известный цикл обра-
зования мочевины. Функции NO рассматриваются в гл. 7.
Генетические дефекты, связанные с метаболизмом аргинина
и образованием мочевины вне нервной ткани, сопровождаются
неврологическими последствиями. Все эти генетические забо-
левания, такие как цитруллинемия, аргининосукцинатацидурия,
аргининемия, сопровождаются накоплением в плазме крови и в
тканях отдельных метаболитов аргинина. Но, вероятно, наибо-
лее серьезным последствием таких метаболических блоков яв-
ляется сопутствующее им повышение концентрации ионов ам-
мония — гипераммониемия, особенно опасная для растущего моз-
га и часто ведущая к коме. При аргининосукцинатацидурии ум-
ственная отсталость может был» очень тяжелой. Это заболева-
ние сопровождается дегенеративными изменениями в белом
веществе мозга, дефектами миелинизации и недоразвитием кор-
тикальных слоев.
Метаболизм орнитина — диаминокислоты, являющейся бли-
жайшим родственником аргинина, в нервной ткани открывает
еще одну важную функцию аминокислот — они являются пред-
шественниками полиаминов, соединений, которые выполняют
пока мало изученный комплекс регуляторных функций.
Выводы
1. Аминокислоты широко используются для синтеза многих
белков, пептидов, нейромедиаторов и других биологически важ-
ных соединений. Некоторые аминокислоты сами служат ней-
ромедиаторами .
2. Состав пула свободных аминокислот в нормальных фи-
зиологических условиях отличается постоянством, отдельные
районы мозга имеют свои характерные метаболические пулы.
3. Разнообразные активные транспортные процессы служат
для поддержания уровней и распределения метаболитов как в
целом органе, так и в отдельных его районах. Многообразие
67
систем транспорта аминокислот ЦНС (низко- и высокоаффин-
ные, Na-зависимые и независимые и т.д.) отражает полифунк-
циональность этих соединений.
4. Пространственная разобщенность отдельных ступеней ме-
таболизма аминокислот (так называемая метаболическая ком-
партментализация) создает условия для пространственного ра-
зобщения энергетического метаболизма и не связанных с энер-
гетикой функций и превращений аминокислот.
5. Головной мозг характеризуется высокой концентрацией
аминокислот глутаминовой группы. Глутаминовая кислота, глу-
тамин, ГАМК, аспарагиновая и N-ацетиласпарагиновая кисло-
ты составляют в сумме 75% пула свободных аминокислот мозга.
6. Метаболизм аминокислот глутаминовой группы также чрез-
вычайно интенсивен. Эти аминокислоты выполняют ряд важ-
ных функций в ЦНС: энергетическую, служат для образования
и устранения аммиака, выполняют роль нейромедиаторов и
нейромодуляторов.
7. Ароматические аминокислоты имеют особое значение как
предшественники катехоламинов и серотонина.
8. Нарушения, особенно генетические, в энзиматической
системе метаболизма аминокислот часто имеют тяжелые нев-
рологические последствия. Нарушение транспорта аминокис-
лот в других органах часто также сопровождается неврологиче-
скими расстройствами.
68
Глава 3. Белки нервной системы
Г.Г.Вольский, Н.Д.Ещенко, Е.П.Каразеева
Значительная часть белков нервной системы идентична бел-
кам других органов и тканей в силу общности ряда базовых
процессов жизнедеятельности. Однако существует обширная ка-
тегория нейроспецифических белков (НСБ), связанных с осо-
бым устройством и функциями нервной системы. Поскольку
эта система функционирует как единое целое, невозможно в
ряде случаев рассматривать только нейроспецифические белки,
отвлекаясь от других белков. Можно лишь, стремясь акценти-
ровать биохимические особенности нервной системы, уделить
особое внимание нейроспецифическим белкам, не исключая из
описания и некоторые другие белки в той мере, в которой это
необходимо для полной характеристики белковых комплексов.
Это и является задачей настоящей главы.
Специфичность белков для нервной ткани определяется кри-
териями: а) наличием их преимущественно в нервной ткани,
причем их количество должно существенно превышать таковое
в остальных тканях животного организма, — условный, но об-
щепринятый критерий; б) участием этих белков в реализации
специфических функций нервной системы, например процес-
сах генерации и проведения нервного импульса, установлении
межклеточных контактов в нервной ткани, регуляции прони-
цаемости ионных каналов, в механизмах обучения и формиро-
вании памяти; в) тесной взаимосвязью между биоактивностью
нейроспецифических белков и функциональным состоянием
нервной системы.
Изучение физико-химических свойств, локализации в отде-
лах мозга, клетках и субклеточных структурах нервной ткани,
особенностей метаболизма нейроспецифических белков или
сроков появления их в процессе онтогенеза позволяет прибли-
зиться к пониманию фундаментальных механизмов функцио-
нирования мозга. Установлена связь нейроспецифических бел-
ков с некоторыми патологическими состояниями организма,
главным образом с развитием нервно-психических заболеваний.
Обнаружение некоторых нейроспецифических белков в спин-
номозговой жидкости или сыворотке крови может рассматри-
ваться в качестве индикатора повреждения нервной ткани.
Идентификация нейроспецифических белков может быть осу-
ществлена различными способами:
69
1) сравнением белкового спектра мозга с белковыми спек-
трами других органов, в том числе путем наложения электро-
фореграмм (пептидных карт) после двумерного электрофореза;
при этом могут быть выявлены как новые белки, характерные
только (или преимущественно) для нервной ткани, так и их
изоэлектрические точки, молекулярные массы, субъединичный
состав и даже примерное количество;
2) с использованием иммунохимических методов, позволяю-
щих определить нейроспецифические антигенные детерминан-
ты, в том числе методом моноклональных антител и с помо-
щью истощенных антисывороток (т.е. с использованием анти-
сывороток к белковым экстрактам мозга, предварительно аб-
сорбированных экстрактами других органов с целью удаления
антител к детерминантам, общим для мозга и других органов);
обработанные таким образом антисыворотки содержат антите-
ла только к нейроспецифическим антигенным детерминантам;
3) с помощью направленного .поиска нейроспецифических
белков в различных участках и отделах мозга, в клеточных по-
пуляциях (нейронах и глие) и в субклеточных структурах;
4) с помощью направленного поиска нейроспецифических
изоферментов путем выявления ферментативной активности уже
известных ферментов у вновь выделенных нейроспецифических
белков;
5) с использованием методов генной инженерии, когда в
качестве исходного материала применяется м-РНК мозга, с ко-
торой транскрибируется характерный нейроспецифический бе-
лок;
6) посредствам “дедуктивного” определения аминокислот-
ных последовательностей белков нервной ткани — по нуклео-
тидным последовательностям генетической ДНК и м-РНК.
К настоящему времени различными методами идентифици-
ровано более двух сотен нейроспецифических белков, однако
информация о большинстве из них сводится в основном к со-
общению об их выявлении и описанию ряда физико-химиче-
ских и антигенных свойств. Описание всех известных нейрос-
пецифических белков не является задачей данной главы. Пред-
ставлены примеры наиболее изученных их них, классифициро-
ванных по функциональным и химическим характеристикам. В
особых случаях, когда это полезно для восприятия путей позна-
ния биохимии мозга, приведены сведения об истории их от-
крытия и изучения. В частности, описание белков, модулирую-
щих состояние мембран и эффекты ионов Са2+, неслучайно
представлено первым, так как к ним относится первый из от-
70
крытых и обстоятельно изученных нейроспецифических бел-
ков — S-100.
3.1 . НЕФЕРМЕНТНЫЕ НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ Са2+-
СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ
Очень многие белки ЦНС так или иначе взаимодействуют с
ионами Са. Однако особо выделяют группу белков с очень вы-
соким сродством к Са2+, которые регулируют перемещения и
концентрации Са2+ и, благодаря способности менять конфор-
мацию при связывании Са2+, участвуют в разнообразных спе-
цифических процессах. Многие из белков этой группы называ-
ют калбиндинами По особенностям структуры различают ан-
нексины, содержащие длинные консервативные последователь-
ности аминокислот, преимущественно дикарбоновых, и белки,
обладающих так называемой “ЕР-рукой", — петлей из 12-14-и
аминокислот, образующих как бы гнездо для Са2+, фланкиро-
ванные a-цепями (число таких “EF-рук” — от 2 до 6).
К аннексинам относится первый открытый нейроспецифи-
ческий белок — S-100. Белок S-100, точнее, как было установ-
лено позже, — группа белков S-100, был открыт в 1965 г. Б.М-
уром и Мак-Грегором при сравнении белковых карт водорас-
творимых белков мозга и печени. После хроматографии и элек-
трофореза был выявлен первый специфический белок нервной
ткани, названный белком Мура или белком S-100, поскольку
он остается в растворе при 100%-ном насыщении (NH4)2SO4
при pH 7,2 (а высаливается при pH 4,2). В дальнейшем белок8-
100 был выделен в препаративных количествах из головного
мозга человека, обезьяны, собаки, кролика, свиньи, крысы,
мыши. В других тканях животных этих же видов — печени,
почках, мышцах, в эритроцитах и сыворотке крови — он прак-
тически отсутствовал. Установлено, что S-100 может содержаться
в других органах и тканях, но в количествах, в 103-104 раз мень-
ших, чем в нервной ткани. Интересно, что в 1984 г. белок S-100
был обнаружен японскими исследователями в жировой ткани,
из которой он высвобождался при действии адреналина in vitro.
Кроме того, его присутствие иммунологически выявлено на
поверхности клеток Лангерганса и родственных им клеток лим-
фоузлов.
S-100 является гетерогенным кислым Са-связывающим бел-
ком. Он состоит из двух главных фракций: S-100 А и S-100 В,
субъединичный состав которых соответственно аа и ар. Инте-
ресно, что аминокислотная последовательность р-субъединицы
71
близка к таковой других Са-связывающих белков (кальмодули-
на, тропонина С).
В зависимости от способа выделения может быть выявлено
различное количество фракций и подфракций этого белка, что
отражает как его природную гетерогенность, так и различные
артефакты, связанные с методами выделения. Например, при
электрофорезе с использованием высокой концентрации ПААТ
обнаруживалось 5 фракций, причем все они реагировали с ан-
тисывороткой к белку S-100. На сефадексе G-100 белок S-100
может быть разделен также на 5 фракций, обозначаемых как f t,
f2, f3, f4, f5, причем до 85% этого белка приходится на долю
первой фракции. Последующие стадии очистки приводят к раз-
делению этой первой фракции на подфракции f1A, f]B, fjr; ос-
новная масса белка была сосредоточена в последней подфрак-
ции, молекулярная масса которой составляла 19-22 кД. Кроме
указанных субфракций в эту же группу включают в настоящее
время еще около десятка родственных белков, содержание ко-
торых относительно невелико.
Своеобразен аминокислотный состав белка S-100: характер-
но высокое содержание кислых аминокислот — около 36% при-
ходится на остатки глутаминовой и 22% — на остатки аспараги-
новой кислоты, т.е. более половины аминокислотного состава
белка приходится на моноаминодикарбоновые аминокислоты.
Этим определяются кислые свойства и низкая изоэлектриче-
ская точка белка S-100.
Из оставшихся 42% аминокислотных остатков основная масса
приходится на гидрофобные алифатические аминокислоты, ко-
торые придают глобулам белка S-100 частично гидрофобный
характер. Наконец, можно отметить, что 3-4% от общего ами-
нокислотного состава приходится на цистеин. Часть SH-rpynn
цистеина (8-10%) свободна и способна к взаимодействию с иона-
ми Са2+. Такое взаимодействие приводит к значительному из-
менению конформации молекул белка S-100. Меняется про-
странственное расположение гидрофильных и гидрофобных
участков. В конечном счете изменяется способность S-100 к
миграции через мембраны клетки.
Белок S-100 сосредоточен преимущественно в астроцитах —
до 85-90% от общего содержания в нервной ткани. В олигоден-
дроцитах его количество невелико. В нейронах обнаружено не
более 10-15% от общего количества белка S-100.
С помощью радиохимических, цитохимических и иммуно-
химических методов установлена внутриклеточная локализация
белка S-100. Основная масса (до 85%) этого белка сосредоточе-
72
на в цитоплазме клеток и 15% — в мембранных структурах, в
пре- и постсинаптических мембранах, ящерной мембране и плаз-
матической мембране олигодендроглии. В ядрах нейронов его
содержание крайне мало, несколько больше белка S-100 найде-
но в ядрышках.
В то же время, недавно обнаружено, что в поясничном отде-
ле спинного мозга крыс а-субъединица белка S-100 локализо-
вана преимущественно в нейронах, а р-субъединица — в сател-
литных глиальных и шванновских клетках.
Интересен вопрос об интенсивности биосинтеза белка S-100
и появлении его в структурах мозга в онтогенезе. В мозге эм-
бриона человека он появляется на 10-15 неделе в мозжечке,
Варолиевом мосту, стволе мозга, среднем и спинном мозге. К
концу 30-й недели происходит отчетливое накопление белка S-
100 во всех отделах ЦНС, кроме лобной доли коры больших
полушарий, где повышение количества этого белка совпадает
во времени с появлением биоэлектрической активности мозга.
Подробно изучено накопление белка S-100 на различных эта-
пах онтогенеза у грызунов. Показано, что в мозге мышей с 3-го
до 15-го дня постнатального развития уровень этого белка оста-
ется относительно низким, а с 16-го до 22-го дня происходит
быстрое возрастание его содержания примерно в 4 раза.
Содержание белка S-100 в мозге повышается при обучении,
тренировках и формировании условных рефлексов у животных.
В период обучения происходит усиление биосинтеза белка S-
100, что подтверждается более интенсивным включением в него
меченых аминокислот. Известный нейрохимик Х.Хиден и его
сотрудники обнаружили, что наиболее интенсивный биосинтез
данного белка происходит в пирамидальных клетках гиппокам-
па. При интрацистернальном (т.е. непосредственно в желудоч-
ки мозга) введении антисыворотки к белку S-100 процесс обу-
чения у животных нарушается.
Корреляция количества белка S-100 в головном мозге со спо-
собностью к обучению показана и иным способом. У мышей
некоторых инбредных линий, характеризующихся лучшей обу-
чаемостью, содержание S-100 выше.
Однако вопрос о непосредственном участии белка S-100 в
формировании и хранении памяти нельзя считать окончатель-
но решенным. Не исключена возможность, что его участие яв-
ляется опосредованным.
На основании экспериментального материала и косвенных
данных выдвинуто несколько предположений о возможных мо-
лекулярных механизмах участия белка S-100 в специфических
73
функциях нервной системы. Большинство авторов отдает пред-
почтение гипотезе о роли упомянутых выше конформацион-
ных изменений молекул белка S-100, наступающих при взаи-
модействии его SH-групп с ионами Са2+ с последующим воз-
растанием на поверхности белковой глобулы количества гидро-
фобных (липофильных) групп. При проведении нервного им-
пульса важным лимитирующим фактором служит проницаемость
ионных каналов; в присутствии свободных ионов Са2+ ряд ка-
налов становится непроницаемым для ионов К+ и Na+ . В этом
случае функциональная роль белка S-I00, по-видимому, связа-
на с регуляцией проницаемости ионных каналов посредством
связывания свободных ионов Са2+.
В нервной ткани велико содержание кальмодулина (60 мкМ)
— одного из важнейших регуляторов и посредников эффектов
Са2+. Он присутствует и в других тканях и включение его в
категорию нейроспецифических белков условно, однако его роль
в нервной ткани велика: он участвует в активации Са2+-ионами
многих ключевых протеинкиназ и ряда других ферментов. От-
носительно низкомолекулярный белок — 17 кД — он консерва-
тивен по первичной структуре, высокостабилен и содержит че-
тыре центра связывания Са2 \ Интересно, что активность каль-
модулина подавляется хлорпромазином — одним из нейролеп-
тиков, применяемых при подавлении синдрома шизофрении.
В свою очередь функции кальмодулина контролируются, по
крайней мере, двумя белками. Первый — кальцинейрин. Он со-
стоит из двух субъединиц — 15 и 61 кД и, обладая высоким
сродством к кальмодулину, ингибирует его активность. Кроме
того, кальцинейрин обладает протеинфосфатазной активностью
и как бы обращает результаты действия протеинкиназ, вклю-
чаемых кальмодулином.
Второй белок (Мг 27-32 кД), способный связывать и как бы
резервировать кальмодулин, является липопротеином. Это так
называемый фосфомиристин. В его молекулу входит жирная
кислота — миристиновая. Кроме того, в нем велика доля гид-
рофобных аминокислотных остатков (30% аланина). Все это оп-
ределяет его способность встраиваться в мембраны. В то же
время он может фосфорилироваться под действием протеинки-
назы С. В дефосфорилированном состоянии он связывает, ре-
зервирует кальмодулин, а после фосфорилирования — освобо-
ждает его. Содержание его в ткани мозга также велико (12
мкМ).
Неизвестны пока функции другого связывающего кальций
белка сиалогликопротеина GP-350. Он имеет небольшую моле-
74
кулярную массу — 11,6 кД; характерной его особенностью яв-
ляется высокое содержание остатков глутаминовой и аспараги-
новой кислот, что и обусловливает взаимодействие с ионами
Са2+. Растворимая форма гликопротеина GP-350 сосредоточе-
на в перикарионе нейронов и в аксонах; иммунологическая иден-
тичная мембранная форма обнаружена в синаптосомах.
Обширные исследования посвящены функциям и свойствам
мембранного нейроспецифического белка В-50. В-50 — один
из основных фосфорилируемых белков плазматических мембран
синапсов. Иммунохимически показано, что он локализован пре-
имущественно в пресинаптических мембранах. Молекулярная
масса белка 48 кД. Он является эндогенным субстратом диа-
цилглицерол-зависимой и Са2+-зависимой протеинкиназы С.
Активаторы протеинкиназы С стимулируют процесс синапти-
ческой передачи в срезах гиппокампа. Фосфорилирование бел-
ка В-50 приводит к относительно продолжительному измене-
нию заряда и состояния каналов постсинаптической мембраны
и состоянию “проторенности” синапса. Одной из причин этого
может быть влияние фосфорилированного В-50 на метаболизм
фосфоинозитидов и, таким образом, на отношение белок/ли-
пид в синаптической мембране. Интересно, что в процессе ста-
рения интенсивность такого фосфорилирования снижается, чем,
возможно, обусловлено снижение пластичности синапсов при
старении.
Особо следует отметить высокую чувствительность процесса
фосфорилирования белка В-50 к адренокортикотропину (АКТГ),
неодинаково выраженную в разных структурах мозга. Так,
АКТГ(_24 в 10 раз более эффективен в торможении фосфорили-
рования белка В-50 в синаптических мембранах из септальной
области мозга, чем в мембранах из целого мозга. На основании
этих наблюдений сделано заключение об участии белка В-50 в
функционировании пептидергических синапсов.
В процессах синаптической передачи принимает участие еще
один нейроспецифический белок — фодрин. Это — структур-
ный белок постсинаптических мембран глутаматергических си-
напсов. Молекулярная масса его очень велика — 230 кД. Функ-
циональная роль фодрина связана с тем, что он блокирует ре-
цепторы глутамата. Г.Линч и М.Бодри предложили гипотезу,
согласно которой повышение концентрации ионов Са2+ вбли-
зи постсинаптической мембраны активирует мембранную Са-
зависимую протеиназу калпеин, которая расщепляет фодрин.
Результатом этого является освобождение активных рецепто-
ров глутамата, ранее экранированных фодрином, и повышение
75
проводимости синапса, которое наблюдается в течение 3-6 су-
ток (см. также гл. 11).
Недавно методом иммунохимического скрининга с помощью
моноклональных антител к компонентам поверхности синап-
тосом идентифицирован новый фосфопротеин F 1-20 (Мг = 190
кД), который локализуется в синапсах головного мозга, причем
его содержание начинает резко возрастать после 7 дня постна-
тальной жизни животного. Показано, что этот фосфопротеин
является так же, как и фодрин (см. раздел 3.1), субстратом для
калпеина нейронов.
Некоторые нейроспецифические белки, модулирующие со-
стояние мембран, не являются кислыми белками. Часть их об-
ладает выраженными катионными свойствами. В течение по-
следнего десятилетия были основательно изучены так называе-
мые синапсины. Они составляют 0,2-0,4% от общего белка моз-
га и образуют целое семейство фосфопротеинов — la, 1b, Па,
ПЬ — с молекулярным весом 55000-86000 и изоэлектрической
точкой в зоне pH 10,5 (la, 1b) и 6,7-6,9 (Па, ПЬ). Процессы
фосфорилирования-дефосфорилирования синапсинов тесно
сопряжены с функциями везикул в нервном окончании. Де-
фосфорилированный синапсин связывается с мембранами ве-
зикул и повышает их сродство к актиновым филаментам. Вези-
кулы, вступившие в соединение с актином, образуют недея-
тельный, резервный пул. Фосфорилирование синапсинов, про-
исходящее при повышении концентрации Са2+ в терминали с
помощью кальмодулин-зависимой протеинкиназы, снижая срод-
ство синапсинов к мембранам везикул, ведет и к уходу их от
актиновых филаментов и облегчает “плавление” везикул, необ-
ходимое для выброса медиатора.
После того как в результате фосфорилирования синапсина
везикула переходит из “резерва” в активное состояние, целый
каскад нейроспецифических белков обеспечивает ее контакт с
пресинаптической мембраной, плавление и выход медиатора.
Среди них опять-таки ключевая позиция принадлежит Са ,
он воздействует на сложный комплекс синаптических белков —
синаптобревин, синаптофизин, синтаксин, синаптогамин, на фос-
фолипиды мембран, регулирующих плавление везикулы, и, на-
конец, на синаптопорин, который, собственно, и формирует пору,
канал, через который истекает содержимое везикулы. Деталь-
ные характеристики этих белков еще требуют уточнения. Инте-
ресно, однако, что именно они повреждаются под действием
самых мощных из известных токсинов — столбнячного и боту-
линического.
76
3.2 . НЕФЕРМЕНТНЫЕ НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ,
ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА ПРОЦЕССЫ АДГЕЗИИ И
МЕЖКЛЕТОЧНОГО УЗНАВАНИЯ
В эту группу входят преимущественно гликопротеины. Они
представляют собой исключительно гетерогенную группу бел-
ков. Гликопротеины являются важнейшими участниками меж-
клеточных контактов, обеспечивая взаимное узнавание и адге-
зию определенных нейронов, участвуют в синаптической пе-
редаче, рецепторных реакциях, формировании и хранении па-
мяти. Они входят в состав сложных надмолекулярных образо-
ваний синаптических мембран и других цитоструктурных об-
разований.
Интенсивно исследуются особенности биосинтеза гликопро-
теинов. Установлено, что их пептидная часть синтезируется на
рибосомах независимо от биосинтеза углеводных компонен-
тов. Далее полипептидная цепь транспортируется через эндо-
плазматический ретикулум в аппарат Гольджи, где происходит
последовательное присоединение отдельных углеводных ком-
понентов при участии гликозилтрансфераз. При этом N-аце-
тилнейраминовая кислота и фукоза присоединяются послед-
ними.
Ввиду гетерогенности и большого разнообразия гликопро-
теинов до сих пор не разработан единый принцип их класси-
фикации. Более того, как уже отмечалось в начале предыдуще-
го параграфа, они не очень четко дифференцируются с кислы-
ми белками, некоторые из которых трудноотделимы от угле-
водного компонента. Обычно гликопротеины делят на две ос-
новные группы по количеству белков и углеводов в составе их
молекул.
Первая группа содержит от 5 до 40% углеводов и их произ-
водных. Белковая часть сходна с альбуминами и глобулинами.
Между пептидными и углеводными компонентами гликопро-
теинов существуют не только ковалентные, но и водородные,
гидрофобные и ван-дер-ваальсовы связи.
Вторая группа гликопротеинов содержит большое количест-
во углеводов — от 40 до 85%; в состав представителей этой
группы иногда входят липидные компоненты. В последнем слу-
чае образуются более сложные комплексы — гликолипопротеи-
ны. Например, в состав одного из гликолипопротеинов, выде-
ленных из серого вещества головного мозга человека (Мг — 180
кД), входят 208 остатков галактозы, 26 — глюкозы, 36 — галак-
77
тозамина, 150 — нейраминовой кислоты, 100 — лигноцерино-
вой кислоты, 100 — сфингозина. Пептидная часть состоит из
61 а.о.: 13 — глутамата, 10 — глицина, 10 — пролина, 8 —
серина, 6 — аланина; остальные аминокислоты содержатся в
незначительных количествах. Как видно, пептидная часть мо-
лекулы довольно монотонна по составу, даже по сравнению с
углеводным компонентом.
Интересно, что углеводный компонент, в первую очередь
N-ацетилнейраминовая кислота и N-ацетилгалактозамин, игра-
ет важную специфическую роль, определяя, по-видимому, свое-
образие внешних участков пространственной структуры гли-
копротеинов. Обнаружено существенное различие в содержа-
нии N-ацетилнейраминовой кислоты как в отдельных глико-
протеинах, так и в различных мембранных субклеточных струк-
турах мозга. Пептидная же часть представляет собой стабиль-
ную основу (каркас) молекулы, которая фиксирована непосред-
ственно в мембране, в то время как углеводный компонент
расположен на поверхности мембраны (рис.3.1). Все это дает
основания считать, что в значительной мере именно углевод-
ный компонент в молекуле гликопротеинов определяет их спе-
цифичность и функциональную роль. Это представление осно-
вывается, в частности, на аналогии с молекулярной структурой
ганглиозидов, в которой каркасом служит церамидная часть
(жирнокислотный эфир сфингозина), а углеводные компонен-
ты и их производные (галактозамин, N-ацетилнейраминовая
кислота и др.) являются наиболее вариабельной и специфич-
ной частью молекулы.
Следует отметить, что значительная часть (до 90%) всех уг-
леводов и их производных, содержащихся в головном мозге в
связанном виде, приходится на долю гликопротеинов. В этих
белках углеводный компонент характеризуется более высокой
метаболической активностью по сравнению с пептидной ча-
стью молекулы. Обращает на себя внимание тот факт, что гли-
копротеины, содержащие гиалуроновую кислоту, хондроитин-
сульфат, гепаринсульфат, сосредоточены в перикарионе ней-
рона, в аксоне и нейроглии (астроцитах, олигодендроцитах),
но отсутствуют в мембранах синаптосом и митохондрий.
Первыми нейроспецифическими гликопротеинами, изоли-
рованными из мозга, были цитозольные (растворимые) глико-
протеины; однако по мере накопления информации о них было
выяснено, что многие из них существуют и в мембранно-свя-
занной форме.
78
Гидроцмм-*-
НЫй
Гидрофиль-
ный
Рис.3.1. Конформационные изменения структуры гликопротеина
(по Р.Финеан и др., 1977)
Особый интерес представляют поверхностные гликопротеи-
ны, участвующие в клеточной адгезии. Довольно хорошо ис-
следованы 6 таких белков: D2 (139 кД), N-CAM, К4, BSP-2 (се-
мейство белков с Мг 120-180 кД), Ng-CAM и L-1. Первые четы-
ре обеспечивают гомотипическую адгезию между нейронами.
Характерной особенностью их является модификация структу-
ры в ходе онтогенеза, которая затрагивает в основном углевод-
ную часть молекулы. В эмбриональный период во время интен-
сивной миграции нейронов и постнатально в стадии активного
синаптогенеза нейроспецифические белки клеточной адгезии
представлены в значительной мере полисиалогликопротеинами.
В мозге взрослых животных они модифицируются в олигосиа-
79
ло- или асиалогликопротеины, состоящие из 2-3 полипептид-
ных цепей. Предполагается, что модуляция адгезии происходит
именно за счет изменения числа остатков сиаловых кислот в
полисиалогликопротеине.
Гетеротипическая Са2+-независимая адгезия между нейро-
нами и глиальными клетками опосредована специфическим гли-
копротеином Ng-САМ, имеющим Мг — 135 кД. По сравнению
с гликопротеином N-CAM, влияющим на межнейрональные
контакты, белок Ng-CAM содержит меньшее количество сиа-
ловых кислот. Он локализован исключительно на поверхности
плазматической мембраны нейронов и в ходе онтогенеза появ-
ляется на более поздних стадиях, чем гликопротеин N-CAM.
В постсинаптических уплотнениях и в участках синаптиче-
ских соединений обнаружен целый ряд других гликопротеинов
((NSA-3, MBA-2, Thy-1), которые могут служить субстратами
для протеиназ и сиалидаз, под действием которых происходят
локальные модификации структуры гликопротеинов в ответ на
изменение функционального состояния синапса. Интересно, что
аминокислотная последовательность гликопротеина Thy-1 об-
наруживает гомологию с вариабельными доменами иммуногло-
булина. Роль этого гликопротеина на поверхности нейронов
остается невыясненной, хотя весьма важно учитывать эти дан-
ные в связи с гипотезой об иммунохимических основах нейро-
логической памяти.
На поверхностных мембранах мозга обнаружены также от-
носительно низкомолекулярные гликопротеины, которые об-
ладают способностью ингибировать клеточное деление и син-
тез белка в культуре нормальных клеток мозга. По своей струк-
туре это — фукозосодержащие гликопротеины с Мг = 30 и 45
кД и небольшие гликопротеиды (Мг = 6-10 кД).
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о боль-
шой роли, которую играют гликопротеины в осуществлении
специфических функций нервной ткани, особенно в формиро-
вании специфических контактов между различными нейрона-
ми.
Из числа многих белков поверхности нейронов особое вни-
мание в связи с участием в патогенезе тяжелой (старческой)
патологии мозга — болезни Альтцгеймера — привлекает в на-
стоящее время так называемый белок р-АРР (p-amyloid precur-
sor protein), являющийся предшественником пептида р-амилои-
да, появляющегося в изобилии на поверхности нейронов боль-
ного мозга. В здоровом организме р-АРР — белок, состоящий
из 695 аминокислотных остатков, фиксирован в мембранах ней-
80
ронов так, что его N-концевой фрагмент из 625-630 остатков
расположен на поверхности клетки. Он участвует, по-видимо-
му, в организации межнейрональных контактов, особенно в
области нервных окончаний. Кроме того, выстоящая над по-
верхностью часть р-АРР в норме отщепляется специфическими
протеинами и, как недавно установлено, стимулирует развитие
отростков, участвуя в формировании памяти. При болезни Альц-
геймера отщепляется несколько более короткий участок (около
610 аминокислотных остатков), так что на поверхности нейро-
на остается упомянутый выше небольшой р-амилоидный пеп-
тид.
В настоящем разделе мы не касаемся ряда белков мембран
синапсов, являющихся рецепторами нейромедиаторов и ней-
ропептидов. Многие из них относятся к категории нейроспе-
цифических. Они рассматриваются далее в главе, посвященной
структуре и функциям рецепторов.
3.3 . СОКРАТИТЕЛЬНЫЕ И ЦИТОСКЕЛЕТНЫЕ БЕЛКИ
НЕРВНОЙ ТКАНИ
Рассматривая сократительные и цитоскелетные белки, вхо-
дящие в состав нейрональных и нейроглиальных клеток, в дан-
ной главе, посвященной нейроспецифическим белкам, следует
отметить, что не все они отличны от сократительных белков
других тканей.
Пока нет достаточных оснований, например, считать ней-
роспецифическими миозин и актин нервной ткани. В то же
время, композиция и функции надмолекулярных образований
ЦНС, в которые они входят, столь своеобразна, что описание
их в настоящей главе представляется оправданным.
Специфические сократительные белки обеспечивают дина-
мичность вообще и механическую подвижность нервной ткани,
участвуя в самосборке и распаде специфических структур —
микротрубочек (нейротубул), нейрофиламентов и других пре-
синаптических и постсинаптических образований, в переносе
различных соединений между разными областями нейрона, а
также в поддержании и модуляции пространственного положе-
ния частей нейрона.
Микротрубочки и нейрофиламенты являются важнейшими
структурными образованиями нервных клеток, обладающими
как скелетными, так и сократительными свойствами. Они при-
нимают непосредственное участие в прямом и ретроградном
транспорте клеточных органелл, нуклеиновых кислот, белков,
81
сложных липидов, липо- и гликопротеинов и их предшествен-
ников, а также ряда других метаболитов по аксону от тела ней-
рона до синаптических окончаний. Кроме того, они участвуют
в движении метаболитов в различных субклеточных структурах
тела нейронов. Они претерпевают изменения при различных
функциональных состояниях и, являясь динамическими струк-
турами, могут влиять на топографию поверхности нейрона и на
мозаичность нейрональных мембран. Не менее важно и их зна-
чение в самосборке микроструктур и надмолекулярных ком-
плексов, а также в поддержании определенной конфигурации
микроструктур.
Микротрубочки (нейротубулы) представляют собой образо-
вания цилиндрической формы, диаметр которых достигает 24
нм, а наибольшая длина соизмерима с длиной отростков ней-
ронов. Основная масса белка, входящего в состав микротрубо-
чек, приходится на долю нейротубулина. Его количество дости-
гает 15% от суммы растворимых белков мозга. В период форми-
рования и увеличения размеров мозга содержание в нем нейро-
тубулина еще выше.
Нейротубулин является димером, в его состав входят 2 субъ-
единицы — а-тубулин и р-тубулин. Молекулярная масса моно-
меров (субъединиц) тубулина составляет соответственно 53 и 57
кД.
Нейротубулин является кислым белком, в его составе содер-
жится около 20% глутаминовой и аспарагиновой кислот.
В микротрубочках нейротубулин находится в виде спираль-
ных полимеров, состоящих из 10-14 молекул нейротубулина.
Формирование полимерной трубчатой структуры протекает с
потреблением макроэргов — за счет ГТФ. Сам нейротубулин
обладает ГТФазной активностью. В полимеризации тубулина
принимает также участие специальный белок сборки тубулина
— Т-фактор. Сборка и разборка микротрубочек in vivo проис-
ходит очень быстро (минуты — десятки минут). Подавляется
сборка микротрубочек известными ядами (используемыми при
лечении некоторых форм рака) — колхицином, винбластином
и винкрестином.
Нейротубулин даже при высокой степени очистки обладает
фосфокиназной и протеинкиназной активностью, так как эти
ферменты, по-видимому, являются обязательными компонен-
тами нейротубулина.
Сравнение пептидных карт тубулинов, выделенных, напри-
мер из микротрубочек мозга куриного эмбриона и спермато-
зоидов морского ежа, показало значительную степень их иден-
82
точности. Это дает основание считать тубулины относительно
стабильными (консервативными) белками в эволюционном пла-
не.
Нейрофиламенты образуются из спирально скрученных ни-
тевидных образований, диаметр их колеблется в пределах 5-12
нм. Филаменты размером 5-6 нм называются микрофиламента-
ми. Нейрофиламенты содержат сравнительно много актомио-
зинподобных белков, особенно актина в нитевидной, F-форме.
Образование актиновых нитей в нейрофиламентах состоит в
полимеризации молекул глобулярного G-актина с Мг 46 кД,
протекает за счет энергии гидролиза АТФ до АДФ и подавляет-
ся алколоидом — цитохалазином В. В состав нейрофиламентов
входит также коллаген, который может быть удален с помощью
коллагеназы. Обнаружена видовая специфичность белков ней-
рофиламентов в мозге человека по сравнению с мозгом живот-
ных (быка, крыс).
Актомиозинподобные белки можно отнести к сократительным
белкам нервной ткани. Они были извлечены различными спо-
собами из целого мозга и отдельных частей нервной системы. В
развивающемся мозге и в культуре нейронов содержание акти-
ноподобных белков достигает 8%, а миозинподобных белков —
0,5%. У взрослых животных количество последних несколько
меньше. По аминокислотному составу и первичной структуре
актиноподобный белок близок к актину из мышц.
Актомиозинподобные белки участвуют в аксональном токе
и освобождении трансмиттеров в синапсах. Кроме того, они
были обнаружены в конусе роста, где их содержание довольно
высоко в отличие от низкого содержания этих белков в культу-
ре нейробластов. Имеются косвенные данные о том, что в на-
тивном состоянии часть актиноподобных белков находится в
комплексе с миозинподобными белками, причем эти комплек-
сы чувствительны к митогенетическим ядам, в то время как в
отдельности указанные белки малочувствительны к этим аген-
там.
К актомиозинподобным белкам ЦНС относится нейросте-
нин. Он состоит из двух белков — нейрина и стенина. Взаимо-
действуя между собой, они образуют комплекс — нейростенин
с Мг = 47-50 кД. Он имеет много общего с актомиозином мыш-
цы по структуре и по функциям, хотя и не идентичен ему.
Нейростенин обладает АТФазной активностью и активиру-
ется ионами Са2+ и Mg2+. Количество нейростенина составля-
ет около 1-1,5% от общего белка мозга; однако в синаптических
образованиях его содержание достигает 8-10%. Нейрин локали-
83
зован преимущественно в пресинаптических мембранах, а сте-
нин — на наружной поверхности мембран везикул. С формиро-
ванием нейростенина в присутствии АТФ и ионов Са5+ связы-
вают предположительно контакт везикул с пресинаптическими
мембранами. Полагают, что сократительные белки мозга, в том
числе нейростенин, участвуют в раскрытии везикул и выходе
нейромедиатора в цитоплазму и синаптическую щель. В “плав-
лении” мембраны везикул, происходящем при выбросе медиа-
тора, важную роль играют также синапсины и другие Са-связы-
вающие белки, описанные выше.
Большой интерес представляет другой сократительный бе-
лок нейронов — кинезин. Этот недавно открытый цитоплазма-
тический транслокатор является “механохимической” АТФа-
зой, способной обеспечивать скольжение внутриклеточных ор-
ганелл вдоль микротрубочек. Он служит одним из двигателей
антероградного аксонального тока.
Кинезин из мозга крупного рогатого скота состоит из двух
полипептидных цепей (с Мг = 120 и 62 кД соответственно),
неодинаковых по первичной структуре. Он образует прочный
комплекс, в котором субъединицы связаны нековалентно. Мо-
лекула нативного кинезина состоит, по-видимому, из двух пар
указанных субъединиц с Мг = 384 кД. В клетке обе субъедини-
цы связаны с микротрубочками. Чистый кинезин обладает сла-
бой АТФазной активностью, которая, однако, возрастает в не-
сколько раз в присутствии микротрубочек. Молекулы АТФ со-
единяются с тяжелой субъединицей кинезина, которая являет-
ся каталитически активной. Энергии, высвобождающейся при
гидролизе АТФ кинезином, достаточно для обеспечения пере-
движения даже крупных внутриклеточный органелл в аксонах.
В последнее время описан белок, подобный кинезину, но не-
идентичный ему, обеспечивающий ретроградный аксональный
ток, — динеин.
Другой белок — спектрин, обнаруженный сначала в мембра-
нах эритроцитов, где он составляет до 30% всех мембранных
белков, а затем и в клетках многих органов и тканей, представ-
ляет собой компонент цитоскелета клетки. Длинная фибрил-
лярная молекула спектрина состоит из двух полипептидных
цепей (Мг = 220 и 240 кД). Такие молекулы образуют субмем-
бранную сеть филаментов на внутренней поверхности цитоплаз-
матической мембраны (спектриновый скелет), которая через
молекулы другого белка — анкирина взаимодействуют с други-
ми белками цитоскелета, что снижает подвижность белков в
плоскости мембраны. В ткани головного мозга спектрин участ-
84
вует также в распределении ионов К+ и Na+ по поверхности
мембран возбудимых клеток.
Белок клатрин впервые был выделен из мембран так назы-
ваемых окаймленных пузырьков, принимающих участие в эн-
доцитозе и быстром внутриклеточном транспорте веществ. Этот
фибриллярный белок (Мг = 180 кД} образует характерный мно-
гоячеистый чехол а виде корзиноподобной сети из пяти- и шес-
тиугольных пептидных цепей на поверхности окаймленных пу-
зырьков. Эта сеть формируется в результате нековалентных свя-
зей между “трехлопастными” молекулами клатрина, состоящи-
ми каждая из трех идентичных тяжелых и трех легких полипеп-
тидных цепей двух типов. Легкие цепи клатрина активно свя-
зывают ионы Са^+ в молярном соотношении 1:1.
Помимо клатрина в состав “клатринового чехла” входит и
так называемый “белок сборки чехла” с Мг = 50 кД, который
может подвергаться фосфорилированию-дефосфорилированию.
Функция клатрина состоит в обеспечении некоторых форм
эндоцитоза, в особенности процесса так называемой интерна-
лизации — вхождения в цитоплазму больших групп пептидных
рецепторов, связавшихся со своим лигандом. В последнее вре-
мя эта форма введения информации через мембрану в цито-
плазму клетки привлекает все большее внимание.
Представленные данные свидетельствуют о существенном
вкладе сократительных белков в обеспечение специфических
функций нервной ткани. Среди рассмотренных выше цитоске-
летных белков не охарактеризованы белки миелина, т.к. кроме
скелетных, они выполняют ряд функций, связанных с проведе-
нием импульса по аксону. Они описаны далее в подразделе 3.6
настоящей главы.
3.4 НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ - ФЕРМЕНТЫ
Первым ферментным нейроспецифическим белком, откры-
тым в 1968 г. Б. Муром и Р. Пересом в мозге крупного рогатого
скота, оказался белок 14-3-2; название он получил по номерам
хроматографических и электрофоретических фракций. 14-3-2
оказался ферментом — енолазой. В настоящее время показано,
что енолаза, встречающаяся во всех тканях и органах животных
и человека, построена из двух типов субъединиц — а и у, при-
чем именно у-субъединица является нейроспецифической. В
нервной ткани встречаются следующие изоформы енолазы: аа-
неспецифическая енолаза, идентичная енолазе печени (локали-
зована в глиальных клетках); ау — гибридная форма, обозначае-
85
мая как белок 14-3-1, и уу — нейроспецифический изоэнзим ено-
лазы (белок 14-3-2), локализованный только в нейронах.
Молекулярная масса белка 14-3-2 близка к 80 кД. Как и бе-
лок S-100, он содержит относительно много дикарбоновых ки-
слот (изоэлектрическая точка около pH 5). Интересно, что эта
изоформа термостабильна до температуры 50°С. Значительно
различаются и периоды полужизни изоферментов енолазы: для
уу-димера он равен 320 мин, а для аа-димера — 15 мин.
Белок 14-3-2 широко распространен в ЦНС и ПНС млеко-
питающих и птиц. Его количество составляет около 1,5% от
общих растворимых белков мозга. В отличие от белка S-100 он
локализован главным образом в нейронах, а в клетках нейрог-
лии его содержание незначительно.
Белок 14-3-2 сосредоточен в сером веществе больших полуша-
рий. В других органах и тканях человека этот белок отсутствует
или содержится в количествах, в 50-100 раз меньших. Иммуно-
химическим методом показано, что в постнатальный период
развития головного мозга крыс белок 14-3-2 наиболее интен-
сивно синтезируется в гиппокампе и синаптических мембра-
нах. В опытах с дегенерацией зрительного нерва было обнару-
жено снижение содержания и интенсивности метаболизма бел-
ка 14-3-2.
По своей внутриклеточной локализации белок 14-3-2 явля-
ется в основном цитоплазматическим и присутствует в цито-
плазме как нейронов, так и периферических нервов. Он транс-
портируется с помощью медленного аксотока. Обнаружено три
типа нейронов: а) приобретающие белок 14-3-2 раньше других
в ходе онтогенеза и сохраняющие его постоянно; б) имеющие
белок 14-3-2 только в определенный период онтогенеза; в) не
имеющие этого белка (к таковым относятся нейроны моторной
зоны коры больших полушарий).
Открытие нейроспецифического белка 14-3-2 явилось в свое
время важным событием, поскольку, во-первых, был обнару-
жен новый специфический нейрональный белок (в отличие от
преимущественно глиального белка S-100), во-вторых, показа-
но, что нейроспецифические белки могут представлять собой
мозговые изоферменты уже известных энзимов.
В настоящее время идентифицирован целый ряд нейроспе-
цифических изоферментов; среди них можно назвать мозговые
формы альдолазы (тетрамер С4), арилсульфатазы (Вм), ВВ-изо-
зим креатинкиназы и многие другие. Часть нейроспецифиче-
ских белков-ферментов рассматривается в других разделах кни-
ги при описании процессов синтеза и деградации медиаторов и
86
нейропептадов в связи с образованием и действием вторичных
мессенджеров, а также при анализе ряда высших функций ЦНС.
3.5 СЕКРЕТИРУЕМЫЕ РЕГУЛЯТОРНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ
НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ
л
Особо необходимо остановиться на секретируемых белках,
выполняющих функцию транспорта и защиты от разрушения
пептидных регуляторов, вырабатываемых ЦНС. Из них наибо-
лее изучены нейрофизины (НФ), локализованные преимущест-
венно в задней доле гипофиза и гипоталамуса. Они представля-
ют собой гетерогенную группу низкомолекулярных кислых бел-
ков. Нейрофизины головного мозга человека и ряда животных
достаточно хорошо исследованы. Выделены три фракции этих
нейроспецифических белков — НФ1, НФП, НФШ, а также че-
тыре минорные фракции. Суммарная фракция НФ имеет моле-
кулярную массу около 10 кД. Содержание НФ в задней доле
гипофиза относительно очень велико и составляет у крыс в сред-
нем 0,15 нМ, а в гипоталамусе 0.01 нМ. В небольших количест-
вах (в 20-30 раз меньших) НФ обнаружены также в плазме кро-
ви.
Пептидная цепь НФ состоит из 91-95 а.о. Интересно, что
85-90% аминокислотных остатков в составе нейрофизинов иден-
тичны у человека и исследованных видов животных. Иммуно-
химическими методами установлено, что фракция НФ1 синте-
зируется в паравентрикулярных ядрах, а НФП — а супраопти-
ческом ядре.
В интактном состоянии нейрофизины находятся в прочном
комплексе с окситоцином или вазопрессином. Связь НФ с эти-
ми гипофизарными гормонами нековалентная и осуществляет-
ся фрагментом молекулы, находящимся в пределах 37-54-го
аминокислотных остатков полипептидной цепи НФ. В нормаль-
ных условиях существует определенное молярное соотношение
между НФ и гипофизарными гормонами. Так, в гипофизе это
соотношение между НФ и окситоцином равно 1:10, а в гипота-
ламусе — 1:14.
Применение метода ЯМР позволило показать, что происхо-
дит очень быстрый (в пределах 5-10“8 с) обмен между комплек-
сами НФ-окситоцин или НФ-вазопрессин и свободным гормо-
ном.
В последнее пятилетие обнаружено, что нейрофизины от-
нюдь не являются единственными представителями белков-но-
сителей пептидных регуляторов. Установлено существование
87
разнообразных по структуре белков, которые находятся в тес-
ной, но нековалентной связи с опиоидными пептидами, корти-
колиберином, тафиином и др., защищая их от расщепления
протеазами в жидкостях организма.
На примере гликопротеинов симпатических нейронов в куль-
туре показана возможность их секретирования вв среду после
ряда модификаций как белковой, так и углеводной части моле-
кул. Содержащие маннозу и несиалированные гликопротеины
PI и РЗ после сиалирования и включения в плазматическую
мембрану модифицируются в гликопротеины В1 и ВЗ, которые
в ходе дальнейших модификаций превращаются, соответствен-
но, в гликопротеины В2 и В4 а затем секретируются в форме
растворимых производных S2 и S4. Процессы модификации
гликопротеинов ускоряются при выбросе медиаторов. Производ-
ные гликопротеина В1 иммунологически идентичны большому
поверхностному гликопротеину различных типов нейронов цен-
тральной и периферической нервной системы, увеличение кон-
центрации которого индуцируется фактором роста нервов.
К секретируемым белкам относятся и некоторые из эпенди-
минов — а, р и у. Нейроспецифичны только р и у (Мг = 32 и 26
кД соответственно). Они обнаружены в мозге рыб, амфибий,
крыс. Под действием специфической протеазы эпендимин р
превращается в эпендимин у и секретируется из нейронов. В
опытах с золотыми рыбками показано, что этот процесс усили-
вается при адаптации рыб к новым условиям плавания, что
позволило предположить участие эпендиминов в механизмах
формирования долговременной памяти.
Приводя примеры регуляторных белков нервной ткани, сле-
дует особо остановиться на нейротрофинах. Нейротрофины оп-
ределяются вообще как факторы, стимулирующие дифферен-
циацию нейронов, поддерживающие их выживание (in vitro и
in vivo), индуцирующие рост дендритов и аксонов в направле-
нии клеток-мишеней. Перечисленные процессы управляются
большим числом факторов различной природы. Однако среди
них важную роль играют интенсивно изучаемые белковые со-
единения. Прежде всего — семейство белков — факторов роста
и трофики нервов. Отнесение их к категории нейроспецифиче-
ских белков не безоговорочно: их содержание велико, напри-
мер, в слюнной железе самца мыши, ядах некоторых змей и в
некоторых других периферических тканях. Тем не менее, их
содержание и функции в нервной ткани настолько специфич-
ны, что они требуют краткого рассмотрения в данном разделе.
К настоящему времени наиболее изучены три нейротрофи-
88
на, близких друг другу по структуре: NGF (nerve growth factor),
BDNF (brain-derived neurotrophic factor) и NT-3 (neurotrophin-
3). Они представляют собой относительно небольшие белки. В
частности, минимальная по размеру активная форма NGF со-
стоит из двух субъединиц по 13.25 кД (правда, описано образо-
вание и более сложных субъединичных ассоциаций). Различ-
ные нейротрофины имеют определенную специализацию: NGF
— “опекает” нейроны периферических симпатических гангли-
ев, а также холинергические нейроны переднего мозга, BDNF
— часть моторных и сенсорных нейронов (в отношении холи-
нергических нейронов переднего мозга его активность совпада-
ет с NGF), a NT-3 — нейроны гиппокампа. Трофическая функ-
ция и стимуляция роста аксонов нейротрофинами имеют осо-
бое значение в онтогенезе, при повреждениях ЦНС, а также в
некоторых критических состояниях, например при эпилепти-
ческих судорогах. В онтогенезе мозга достижение тем или иным
аксоном клетки-мишени ведет к ретроградному сигналу, осу-
ществляемому нейротрофином, который обеспечивает выжива-
ние соответствующего нейрона, Нейроны, аксоны которых не
достигают мишени, погибают.
Нейросекреторные гранулы гипоталамуса продуцируют ряд
гликопротеинов, выполняющих специфические регуляторные
функции. А.А. Галояном и сотр. в 1971г. выделены и далее все-
сторонне исследованы гликопротеины, являющиеся коронаррас-
ширяюпщми и коронарсуживающими гормоноподобными факто-
рами с молекулярным весом около 20-30 кД. Они не имеют стро-
гой мозговой специфичности: в небольших количествах они об-
наружены в сердце, скелетных мышцах, надпочечниках, печени.
В гипоталамусе вырабатывается и секретируется также ряд
относительно низкомолекулярных пептидных регуляторов — так
называемых рилизинг-гормонов. Последние будут охарактери-
зованы ниже — в главе о нейропептидах. Здесь заметим лишь,
что нейропептиды имеют в качестве предшественников пепти-
ды, которые по размерам следует относить к белкам, — так на-
зываемые протопептиды с Мг 20-50 кД. Многие из них глико-
зилированы.
Наконец, описанный в разделе 3.2 белок поверхности ней-
ронов р-АРР также является источником белка-регулятора. От-
щепляемая внешняя часть белка выходит в межклеточную жид-
кость и индуцирует образование новых отростков и нервных
окончаний, участвуя в формировании памяти. При болезни
Альцгеймера этот процесс искажается (см. также главу о нейро-
химических основах психических болезней).
89
3.6 БЕЛКИ МИЕЛИНА
Белковый состав миелина своеобразен, но существенно про-
ще, чем в нейронах и глиальных клетках.
В миелине велика доля катионного белка — КБМ (около 30
процентов). Он представляет собой относительно небольшой
полипептид с Мг - 16-18 кД. КБМ содержит значительную долю
диаминокислот (около 20 процентов) и в то же время около
половины составляющих его аминокислот — неполярные. Это
обеспечивает, с одной стороны, тесный контакт с гидрофобны-
ми компонентами липидов миелина, а с другой стороны, опре-
деляет его способность к образованию ионных связей с кислы-
ми группировками липидов. Подробнее функции КБМ будут
рассмотрены в главе о липидах в связи с общим анализом струк-
туры миелиновых мембран.
Необычайно высокой гидрофобностью характеризуются так
называемые протеолипидные белки Фолча, составляющие боль-
шую часть остальных белков миелина. В свою очередь, главный
из этих белков — липофилин (Мг = 28 кД), в котором 2/3 со-
ставляющих аминокислот — неполярные. Интересна опреде-
ленная избирательность контактов липофилина с липидами,
например, вытеснение холестерина из его окружения. Полага-
ют, что это связано с особенностями вторичной структуры ли-
пофилина. Подробнее его роль в формировании миелиновых
оболочек рассмотрена опять-таки в главе о липидах.
Довольна велика также доля так называемого белка Вольф-
грама (около 15% белков) — кислого протеолипида, довольно
богатого остатками дикарбоновых аминокислот, и, в то же вре-
мя, содержащего около половины остатков неполярных амино-
кислот.
Наконец, из нескольких десятков других белков миелина от-
метим миелинассоциированный гликопротеин (МАГ), располо-
женный на экстрацеллюлярной поверхности мембран; он встре-
чается, кроме того, в олигодендроцитах до миелинизации и в
миелине периферической нервной системы. В ЦНС человека
он представлен тремя полипептидными цепями с Мг=92, 107,
113 кД, а в периферической нервной системе — одним белком
с Мг=107 кД. МАГ относится к гликопротеинам с относитель-
но низким содержанием углеводных остатков — около 30% от
массы молекулы, но содержит характерный для гликопротеи-
нов набор углеводов: N-ацетилглюкозамин, N-ацетилнейрами-
новая кислота, фукоза, манноза и галактоза. Для белковой час-
ти молекулы характерно высокое содержание глутаминовой и
90
аспарагиновой кислот.
Функции белка Вольфграма и МАГ неизвестны, если не счи-
тать общих соображений об их участии в организации структу-
ры миелиновых оболочек.
3.7 НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ ГЛИИ
Подробно описанный в разделе 3.1 белок S-100 содержится
и в нейронах, и в глиальных клетках, причем доля его в послед-
них велика — около 85%.
В 1967 г. из а2-глобулинов мозга был выделен нейроспеци-
фический а2-гликопротеин с молекулярной массой 45 кД. В мозге
человека он появляется на 16-й неделе эмбрионального разви-
тия. Углеводные компоненты его включают глюкозамин, ман-
нозу, глюкозу, галактозу, галактозамин и N-ацетилнейрамино-
вую кислоту. а2-гликопротеин локализован только в астроци-
тах, но отсутствует в нейронах, олигодендроцитах и в клетках
эндотелия. Поэтому его можно рассматривать как один из спе-
цифических маркеров астроцитов.
Другой белок опять-таки характерен только для клеток глии.
Он был выделен из богатых фиброзными астроцитами областей
головного мозга человека, а впоследствии — в значительно боль-
ших количествах — из мозга больных множественным склеро-
зом (фибральным глиозом). Это вещество было названо глиаль-
ным фибриллярным кислым белком (GFA). Он специфичен толь-
ко для ЦНС, а в ПНС он не обнаружен. Содержание его в белом
веществе головного мозга превышает таковое в сером веществе.
В онтогенезе мышей максимальное содержание GFA наблюда-
ется между 10-м и 14-м днями постнатального развития, т е. сов-
падает по времени с периодом миелинизации и пиком диффе-
ренцировки астроцитов. Молекулярная масса белка составляет
40-54 кД. Глиальная локализация этого белка также позволяет
использовать его как “маркерный” белок для этих клеток.
Функции а2-гликопротеина и белка GFA неизвестны.
Что касается белков микроглии, то следует иметь в виду уча-
стие этих клеток в построении миелина. Многие из белков мие-
лина. описанные в предыдущем разделе, выявлены в микро-
глии.
В глии представлены также многие рецепторные и фермент-
ные белки, участвующие в синтезе вторичных мессенджеров,
предшественников нейромедиаторов и других регуляторных со-
единений, которые могут быть отнесены к нейроспецифиче-
ским. Часть из них охарактеризована в следующих главах.
91
3.8 ИНТЕНСИВНОСТЬ МЕТАБОЛИЗМА БЕЛКОВ В
РАЗЛИЧНЫХ ОТДЕЛАХ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Современное представление о динамическом состоянии бел-
ков в нервной ткани было установлено благодаря применению
изотопов А.В.Палладиным, Д.Рихтером, А.Лайтой и другими
исследователями. Начиная с конца 50-х и в течение 60-х годов
при изучении метаболизма белка использовались различные
предшественники их биосинтеза (аминокислоты, глюкоза, аце-
тат и другие), меченые 14С, 3Н, 35S. При этом было показано,
что белки и аминокислоты в головном мозге взрослого живот-
ного метаболируют, в общем, более интенсивно, чем в других
органах и тканях.
Например, в опытах in vivo при применении в качестве пред-
шественника равномерно меченой 14С-1 -6-глюкозы оказалось, что
по интенсивности образования аминокислот за счет глюкозы
ряд органов можно расположить в следующем порядке:
головной мозг > кровь > печень > селезенка и легкие > мышца.
Аналогичная картина наблюдалась при использовании и других
меченых предшественников. Показано, что из 14С-ацетата в го-
ловном мозге интенсивно синтезируется углеродный скелет
аминокислот, особенно моноаминодикарбоновых кислот и пре-
жде всего глутамата; из моноаминомонокарбновых кислот доста-
точно интенсивно образуются глицин, аланин, серин и др. Сле-
дует отметить, что особое место в метаболизме аминокислот за-
нимает глутамат. В опытах in vitro с использованием меченого
глутамата показано, что если в реакционную среду гомогената
мозга добавить только одну глутаминовую кислоту, то она мо-
жет быть источником образования 90-95% аминокислот.
Были проведены многочисленные исследования по изуче-
нию различий в интенсивности метаболизма суммарных и ин-
дивидуальных белков с помощью меченых предшественников.
В опытах in vivo при использовании 14С-глутамата было пока-
зано, что он включается в 4-7 раз интенсивнее в белки серого
вещества, чем белого. Во всех случаях интенсивность обмена
суммарных белков серого вещества больших полушарий мозга
и мозжечка оказалась значительно выше, чем белого вещества
тех же отделов мозга, какой бы предшественник ни применялся
при исследовании. При этом различие интенсивности обмена
суммарных белков серого вещества по сравнению с белками
белого вещества имеет место не только в норме, но, как прави-
ло, и при различных функциональных состояниях организма.
Проводились также исследования по изучению различий в
92
интенсивности включения меченых предшественников в сум-
марные белки центральной и периферической нервной систем.
Оказалось, что несмотря на существенные различия в составе,
метаболизме и функциональной деятельности различных отде-
лов ЦНС и ПНС, а также на сложность и гетерогенность бел-
ков, входящих в их состав, суммарные белки ЦНС взрослых
животных обновляются значительно интенсивнее, чем суммар-
ные белки ПНС.
Много исследований посвящено метаболизму белков в раз-
личных отделах головного мозга. Например, при изучении рас-
пределения радиоактивности (в %) в головном мозге после вве-
дения 14С-глутамата оказалось, что на долю серого вещества
больших полушарий приходится 67,5 радиоактивности, мозжечка
— 16,4, продолговатого мозга — 4,4, на долю других отделов
головного мозга — около 11,7. В опытах in vivo при введении
взрослым животным различных предшественников, а именно
14С-глутамата, 14С-1-6-глюкозы, 14С-2-ацетата, оказалось, что
по интенсивности включения метки в суммарные белки раз-
личные отделы нервной системы располагаются в такой после-
довательности: серое вещество больших полушарий и мозжечка
> таламус > зрительный бугор > средний и промежуточный мозг
> Варолиев мост > продолговатый мозг > белое вещество боль-
ших полушарий и мозжечка > спинной мозг > седалищный нерв
> миелин.
Проводились также исследования, посвященные изучению
интенсивности обмена белков в различных отделах ЦНС с ис-
пользованием авторадиографического метода. Получена анало-
гичная картина: наиболее интенсивное включение метки имело
место в белках серого вещества больших полушарий и мозжеч-
ка, медленное — в спинном мозге и еще более медленное — в
белках седалищного нерва. Что же касается подкорковых обра-
зований, то интенсивность обмена их белков была средней ме-
жду скоростью обновления белков серого и белого вещества
больших полушарий и мозжечка. Между отдельными подкор-
ковыми образованиями наблюдаются менее существенные раз-
личия, чем между метаболической активностью белого и серого
вещества.
Исследовались также суммарные белки различных областей
(долей) коры больших полушарий — лобной, височных, темен-
ной и затылочной. По данным Вэлша и В.А.Палладина, более
высокой обновляемостью обладают белки сенсорной области
коры, а более низкой — белки височной доли коры больших
полушарий. Эти же авторы показали, что более высокая обнов-
93
ляемость белков характерна для филогенетически более моло-
дых и функционально более активных структурных образова-
ний мозга.
На фоне, в общем, высокой обновляемое™ белков мозга осо-
бого упоминания заслуживают немногие довольно инертные
белки. К ним относятся гистоны нейронов неокортекса — ка-
тионные белки хроматина этих клеток. Во взрослом организме
нейроны-неокортекса не размножаются (см. гл. 1). В соответст-
вии с этим темп обновления гистонов очень незначителен. Сред-
нестатистические сроки обновления половины молекул неко-
торых фракций гистонов измеряются десятками суток.
В головном мозге отсутствуют абсолютно инертные белки, а
индивидуальные белки и белковые комплексы нейронов пре-
терпевают непрерывную перестройку, связанную с их участием
в функциональной деятельности нейронов и нейроглии. Поми-
мо синтеза и распада целых белковых молекул происходят из-
менения в их структуре, происходящие, в частности, при ами-
нировании и дезаминировании белков мозга. Их следует рас-
сматривать как частичное обновление отдельных фрагментов
белковой молекулы.
Выводы
1. В нервной ткани обнаружены характерные только для нее
нейроспецифические белки. По химической природе они мо-
гут быть кислыми или основными, простыми или сложными,
часто они представляют собой гликопротеины или фосфопро-
теины. Многие нейроспецифические белки имеют субъединич-
ную структуру. Число открытых нейроспецифических белков
уже превысило 200 и быстро возрастает.
2. Нейроспецифические белки прямо или косвенно участву-
ют в осуществлении всех функций нервной системы — генера-
ции и проведении нервного импульса, процессах переработки
и хранении информации, синаптической передаче, клеточном
узнавании, рецепции и др.
3. По локализации в ткани нервной системы различают ис-
ключительно или преимущественно нейрональные и глиальные
нейроспецифические белки. По субклеточной локализации они
могут быть цитоплазматическими, ядерными или мембрано-свя-
занными. Особое значение имеют нейроспецифические белки,
локализованные в мембранах синаптических образований.
4. Многие кислые кальций-связывающие нейроспецифи-
ческие белки (например цитоплазматический глиальный бе-
94
лок S-100) участвуют в процессах транспорта ионов. Предпо-
лагается, что, в частности, они играют значительную роль в
формировании памяти.
5. Особую группу нейроспецифических белков представля-
ют сократительные белки нервной ткани (нейротубулин, ней-
ростенин, актиноподобные белки — кинезин и др.), которые
обеспечивают ориентацию и подвижность цитоструктурных
образований (микротрубочек и нейрофиламентов), активный
транспорт ряда компонентов нейрона и участвуют в нейроме-
диаторных процессах в синапсах.
6. К группе нейроспецифических белков, связанных с гумо-
ральной регуляцией, осуществляемой головным мозгом, отно-
сятся некоторые гликопротеины гипоталамуса, а также нейро-
физины и подобные им белки, являющиеся носителями пеп-
тидных регуляторов.
7. Разнообразные нейроспецифические гликопротеины уча-
ствуют в формировании миелина, в процессах клеточной адге-
зии, нейрорецепции и взаимном узнавании нейронов в онтоге-
незе и при регенерации.
8. Ряд нейроспецифических белков представляет собой моз-
говые изоэнзимы известных ферментов, например енолазы (бе-
лок 14-3-2), альдолазы, креатинкиназы и др.
9. Многие нейроспецифические белки весьма активно мета-
болируют в головном мозге животных, причем интенсивность
метаболизма различна в разных отделах мозга и зависит от функ-
ционального состояния нервной системы. В целом по интен-
сивности обновления белки мозга значительно превосходят белки
других тканей и органов.
95
Глава 4
Липиды центральной нервной системы и структура
клеточных мембран
С.Ю. Туманова
Липиды являются не только структурными компонентами
ЦНС, но и важнейшими участниками функциональной актив-
ности. Головной мозг характеризуется высоким содержанием
липидов (приблизительно 50% сухой массы). Мозг содержит
уникальные мембранные структуры — миелиновые оболочки, ко-
торые имеют самое высокое содержание липидов (до 80%) по
сравнению с другими тканями или субклеточными структура-
ми, за исключением адипозной ткани. Для ЦНС характерно и
наибольшее структурное разнообразие липидов по сравнению с
мембранами других органов.
Липидный состав нервной ткани практически постоянен и
остается неизменным даже под влиянием внешних факторов
(диета, гормоны, фармакологические вещества, стрессы), кото-
рые меняют липидный состав висцеральных органов и плазмы.
Это — следствие защищенности ЦНС от различных внешних
воздействий. Изменение липидного состава нервной ткани рас-
сматривается обычно как патология, хотя при этом следует пом-
нить, что существенные изменения в липидном составе нерв-
ной системы происходят в период развития.
Вся сложнейшая деятельность нервной ткани опосредуется
через мембраны, в формировании и функционировании кото-
рых липиды принимают непосредственное участие.
В клетках нервной системы представлено несколько типов вы-
сокоспециализированных мембран: соматические мембраны муль-
ти- и униполярных нейронов, мембраны дендритов, миелинизи-
рованных и немиелинизированных аксонов, аксонного холмика,
где генерируется потенциал действия, мембраны рыхлого и ком-
пактного миелина, мембраны синаптических пузырьков, пре- и
постсинаптические мембраны, мембраны макро- и микроглии.
Возбудимость этих мембран колеблется в широких пределах от
высоковозбудимых (синаптические, аксонного холмика) до отно-
сительно устойчивых мультимембранных структур миелина. В
составе, строении и функционировании мембран нервной ткани
еще очень много неясного. Для того чтобы раскрыть надмолеку-
лярную организацию этих мембран, надо иметь достаточно пол-
96
ное представление об их липидном и белковом составе. Однако
исследователи пока не владеют этими сведениями в полной мере ,
хотя ряд важных закономерностей уже намечен.
Липидный состав серого и белого вещества мозга человека
представлен в табл. 4.1, а различных клеток мозга — в табл. 4.2.
Видно, что липидный состав белого вещества ближе к миелину,
а серое вещество содержит меньше типичных миелиновых ли-
пидов (цереброзидов, сульфатидов, фосфатидилэтаноламина),
но относительно больше ганглиозидов.
Сравнивая молярное содержание основных классов липидов
в специализированных клетках мозга, можно видеть, что оли-
годендроглия и миелин наиболее обогащены цереброзидами, а
нейроны и астроглия имеют более высокое содержание фосфо-
липидов. Это лишний раз подтверждает, что плазматические
мембраны совершенно отличны от миелина.
Состав фосфолипидов обогащенных фракций нейронов и
нейроглии коры мозга крысы представлен в табл. 4.3.
Чем более анатомически дифференцированно подходить к
нервной ткани, тем больше различий обнаруживается в липид-
ном составе, поскольку функционально различные нейрональ-
ные и глиальные клетки имеют своеобразный липидный со-
став.
В состав большинства липидов входят жирные кислоты. В
мозге они гораздо разнообразнее, чем в других тканях. Это на-
много увеличивает число индивидуальных липидов мозга. Со-
держание жирных кислот в головном мозге гораздо выше, чем в
других органах, и составляет примерно 20-25% в расчете на сухую
массу ткани. Разнообразие жирных кислот в этом органе пора-
зительно. Применение газожидкостной хроматографии позво-
лило продемонстрировать наличие в головном мозге более 50
жирных кислот с длиной цепи от 12 до 26 углеродных атомов,
среди которых найдены насыщенные, ненасыщенные, нормаль-
ные, гидроксизамещенные, нечетные и др. Ненасыщенные ки-
слоты мозга могут содержать от 1 до 6 двойных связей. Особен-
ностью, липидов мозга является относительно большое содер-
жание длинноцепочечных полиеновых кислот 20:4, 22: 5, 22:6.
Отдельные классы и фракции липидов мозга характеризуют-
ся своим набором жирных кислот. Имеет место также опреде-
ленная специфичность жирнокислотного состава в липидах раз-
ных отделов мозга, разных типов его клеток, субклеточных струк-
тур. Иллюстрацией этого могут служить данные табл.4.4, где
приведен жирнокислотный состав фосфолипидов синаптосом
и миелина — двух разных типов мембранных структур ЦНС,
97
40
ос
Таблица 4.L
_________________Состав липидов белого и серого вещества мозга человека
Белое вещество Серое вещество
Липиды "'/'«о» 1 “У сухой массы мкмоль/ 100 мг сырой массы мг/100 мг сухой 1 мкмоль/ 1 100 мг массы мкмоль/ 100 мт сырой массы
Общие липиды 54,9 95,4 - 32,7 53,9 —
Холестерин 15,1 39,1 9,40 7,18 18,6 2,38
Общие галактолипиды 14,5 15,9 - 2,38 2,25 —
Цереброзиды 10,9 12,7 4,66 1,77 2.07 0,38
Сульфатиды 2,96 3,16 0,77 0,56 0,18 0,18
Общие фосфолипиды 25,2 32,5 9,70 22,7 29,3 4,31
Фосфатидилэтаноламин 8,18 10,6 4,16 7,40 9,55 2,01
Фосф атидилх один 7,03 9,07 2,36 8,73 11,3 1,66
Сфингомиелин 4,23 5,46 1,68 2,26 2,92 0,38
Фосфатидилсерин 4,34 5,60 1,94 2,84 3,66 0,66
Фосфатидилинозит 0,50 0,64 0,27 0,89 1,14 0,19
Плазмалотены 6,15 7,94 4,01 2,88 3,72 0,78
Содержание воды, % Для расчетов использовали < следующие мо. пекулярные mj 71,6 ассы: холестер! ин-386, цереб] зозиды-858, су 81,9 | льфатиды-937,
фосфолипиды-775.
Таблица 4.2.
Состав липидов основных типов нервных клеток мозга крысы
(мкмоль/мг сухой массы)
Липиды Нейроны Астроглия Олигоден- дроглия Миелин
Холестерин 6,610 14,100 10,800 54,900
Цереброзиды 0,513 0,689 2,610 22,000
Сульфатмды 0,090 0,142 0,472 2,890
Общие фосфолипиды 22,400 35,600 23,400 41,800
Ганглиозиды 0,223 0,582 0,239 0,0453
Молярное отношение: холестерин- цереброзиды- фосфолипиды 1:0,075:3,5 1:0,05:2,5 1:0,25:2,2 1:0,40:0,76
Таблица 4.3.
Содержание индивидуальных фосфолипидов
в коре мозга крысы
Фосфолипиды Нейроны Нейроглия
Лизофосфатидилхолин 3,9 1,9
Фосфатидилхолин 46,1 46,9
Сфингомиелин 6,7 9,5
Фосфатидилсерин 9,1 7,1
Фосфатидилинозит 7,7 5,9
Фосфатидилэтанол а мин 25,1 24,9
Фосфатидная кислота 1,8 3,6
резко различающихся по своему происхождению и функциям.
В синаптосомах велико содержание жирных кислот — С 22:6,
а в миелине высок процент моноеновых кислот — 18:1. Воз-
можно, что высокое содержание докозагексаеновой кислоты в
синаптосомах необходимо для активного транспорта ионов, так
как активность Na+, К+-АТФазы в них зависит от присутствия
полиеновых кислот в фосфолипидах. В мозге имеются регуля-
торные механизмы, поддерживающие степень ненасыщенности
и специфичность жирнокислотного состава в липидах.
99
Таблица 4.4.
Состав жирных кислот фосфолипидов синаптосомальных и
миелиновых мембран коры мозга обезьяны
(% от общего содержания кислот)
Шифр жирной кислоты Фосфатидил-
холин этанолам ин сери н+монофосфо - инозитид
синапто- сомы миелин синапто- сомы миелин синапто- сомы миелин
16:0 50 33,1 7,4 4,9 3,5 2,6
18:0 12,4 17 25,5 15,9 44,3 43
18:1 27,2 42,3 12,1 33,2 Н,4 38,5
20:1 0,7 0,9 1,6 ' 9,3 — 2,5
20:4 3,8 3,2 10,1 11,6 8,3 6,3
22:4 0,8 0,6 6,4 11,1 3,5 3,7
22:6 3 2,3 24,9 10,6 26,9 2,9
Изменение жирнокислотного состава приводит к нарушению
функциональной деятельности мозга.
4.1. РОЛЬ АЦИЛОБМЕННОГО МЕХАНИЗМА
В мембранах головного мозга имеет место цикл деацилирова-
ние — реацилирование, при котором происходит замена жирных
кислот в молекуле фосфолипидов, в то время как другие ком-
поненты молекулы остаются неизменными. Этот ацилобмен-
ный механизм является особенно важным для включения тех
или иных жирных кислот во второе положение остатка глице-
рина, и его рассматривают как средство локального регулирова-
ния физических и функциональных свойств мембран. Сущест-
венную роль играет и переход диацильных форм фосфолипи-
дов в моноацильные и обратно. Все это оказывает влияние на
такие мембранные процессы, как проницаемость для различ-
ных веществ, транспорт ионов и т.д.
100
Ацилобменные реакции имеют прямое отношение ко мно-
гим процессам, влияя на активность ряда ферментов (адени-
латциклазы, синтетазы жирных кислот), на синтез простаглан-
динов и чувствительность фоторецепторов . Некоторые иссле-
дователи связывают ферментативное деацилирование — реаци-
лирование с эффектом синаптической передачи. Так, под влия-
нием норадреналина в синаптосомах происходит активирова-
ние фосфолипазы А2, отщепляющей жирную кислоту во втором
положении глицерофосфолипида. Таким образом, нейромедиа-
тор модифицирует обмен фосфолипидов в синаптических мем-
бранах путем вовлечения в этот процесс реакций деацилирова-
ния. Предложена следующая схема регуляции активности аци-
лобменного цикла нейромедиаторами (схема 4.1).
Схема 4.1. Предположительная схема регуляции активности
фосфолипазы нейромедиаторами
МЕДИАТОР
4
аденила г циклаза
АТФ-------АМФ
4.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНЕ
Образование липидных молекул в ходе эволюции и выбор
именно этих молекул в качестве строительных блоков мембран
сыграли решающую роль в возникновении жизни. Липидам
принадлежит жизненно важная роль в клетке. Следующие осо-
бые физико-химические свойства липидов определяют их роль
в построении мембран:
1. Сочетание гидрофильных и липофильных свойств в струк-
туре одной молекулы, их амфифильность.
2. Способность липидов четко ориентироваться на границе
раздела фаз, так что полярные группы направлены в водные
101
среды, а неполярные экранированы от них.
3. Способность липидов самопроизвольно упаковываться в
прочные, плотные мономолекулярные слои или пленки, устой-
чивые к сжатию. Плотность такой упаковки зависит от pH, тем-
пературы и молекулярной организации липидов. Такие плот-
ные слои создают определенный барьер для диффузии молекул.
4. Способность липидов агрегировать в хорошо упорядочен-
ные сферические, цилиндрические, ламеллярные мицеллы. В
мицеллах липиды ориентированы таким образом, чтобы мак-
симальное число полярных групп находилось в контакте с во-
дой, а гидрофобная часть была максимально удалена от контак-
та с ней.
Способность липидов образовывать прочные мономолеку-
лярные слои лежит в основе молекулярной организации мем-
бран. Более 60 лет назад было высказано предположение, что в
основе мембран лежит бимолекулярный слой липидов.
В бимолекулярном липидном слое гидрофобные цепочки мо-
лекул липидов направлены друг к другу и внутренность бислоя
совершенно гидрофобна, а гидрофильные части образуют поверх-
ности внутреннего и внешнего монослоев, открытые для разнооб-
разного рода взаимодействий.
Липидный состав мембран нервной ткани и распределение
липидов по слоям генетически детерминированы. Наружный и
внутренний монослои липидов характеризуются планарной и
поперечной микрогетерогенностьнуччо создает асимметричность
мембран. Существует несколько механизмов, поддерживающих
асимметричное распределение липидов в мембране. Один из них
связан с термодинамической вероятностью размещения липид-
ных молекул с учетом их стереоконфигурации, заряда и гидрата-
ции полярных групп. Так, основная часть фосфатидилхолина,
сфингомиелина, полифосфоинозитидов, холестерина, церебро-
зидов и сульфатидов локализована в наружном слое, а амино-
фосфолипиды (фосфатидилэтаноламин и фосфатидил серин)
находятся во внутреннем, цитоплазматическом слое. Неодина-
кова степень ненасыщенности монослоев: во внутреннем обна-
руживается 2/3 двойных связей в жирных кислотах липидов, а в
наружном — только 1/3.
Асимметрия бислоя является фактором, обеспечивающим соз-
дание градиента кривизны, складок, сморщиваний, отшнуровки час-
ти мембраны в виде везикул, что существенно для обеспечения
межклеточных взаимодействий.
Другой механизм поддержания асимметрии бислоя реализу-
ется за счет различий ионного состава вне- и внутриклеточной
102
среды, что вносит вклад в создание и поддержание изгибов мем-
браны.
Асимметрия бислоя обеспечивается также ферментами ли-
пидного обмена, к ним прежде всего относятся липазы, фер-
менты обмена холестерина и метилазы фосфатидилэтанолами-
на. Метилирование фосфатидилэтаноламина с превращением
его в фосфатидилхолин осуществляется в два этапа и происхо-
дит в разных слоях липидного матрикса. Образование мономе-
тилфосфатидилэтаноламина под влиянием метилтрансферазы I
осуществляется во внутреннем слое, где и локализован фер-
мент. Монометилфосфатидилэтаноламин переходит из цитоплаз-
матического слоя на внешний, где под действием метилтранс-
феразы II завершается его превращение в фосфатидилхолин.
Фактически осуществляется так называемый ферментативный
флип-флоп (жаргонный, но общепринятый термин) .
Этот транслокационный процесс меняет жидкостность мем-
браны и рассматривается как фактор, стимулирующий функ-
ционально важные процессы в мембране: связывание рецепто-
ров с лигандами, Са2+-вызванное освобождение медиаторов из си-
наптических окончаний, активирование АТФаз.
Асимметричность билипидного слоя может поддерживаться
транспортом липидов: спонтанным, везикулярным или с уча-
стием липидпереносящих белков. Липидпереносящие белки
(низкомолекулярные, цитоплазматические) различной степени
специфичности (от высокоспецифических, обеспечивающих
обмен одного или двух компонентов, до сравнительно мало
специфических, связывающих и переносящих липиды разных
классов) “стоят на страже” асимметрии мембран, перенося ли-
пиды только в наружный или только во внутренний слой. Пе-
ренос липидных молекул осуществляется в виде комплексов с
бел ками -переносчиками.
4.3. ДИНАМИЧНОСТЬ БИЛИПИДНОГО СЛОЯ МЕМБРАНЫ
Строгая организованность липидного слоя мембраны не ли-
шает его большой динамичности, которая возникает из-за пере-
движения липидных молекул в пределах мембраны, т.е. за счет
интрамолекулярных движений липидов в пределах бислоя. Из-
вестно по крайней мере четыре типа интрамолекулярных дви-
жений липидов в пределах мембраны: латеральная диффузия,
вращательная диффузия, вертикальные колебания и упоминав-
шийся выше так называемый флип-флоп.
Для большинства липидов скорость латеральной диффузии
103
ощутима. Коэффициент латеральной диффузии для липидов
10-9 см2/с, а для белков намного ниже — 1О-10 см2/с. Враща-
тельная диффузия молекул осуществляется также легко. Ско-
рость же флип-флопа очень низка. Особенно медленно флип-
флоп происходит в чисто липидных везикулах. Даже в присут-
ствии липидпереносящих белков перемещение из наружного
слоя во внутренний занимает более 4 часов, а перемещение в
обратную сторону — более 10 часов. Не ускоряет флип-флоп
повышение температуры до 80°С. Это движение фосфолипидов
усиливается под влиянием окисленных липидов, лизолецити-
на. Как правило, холестерин подвергается более быстрому флип-
флопу, чем фосфолипиды. Следует отметить, что не только флип-
флоп запускает функционально важные события в мембране.
Латеральная и вращательная диффузия липидов оказывает ре-
гулирующее влияние на активность мембранных белков.
4.4. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНЕ
На все типы молекулярных движений липидных молекул
сильное влияние оказывает структура, в которой в данный мо-
мент находится липиды бислоя — гелеобразная или жидко-кри-
сталлическая.
Липиды обладают замечательным свойством — способностью
к фазовым переходам в физиологических условиях. При опре-
деленных температурах, строго характерных для каждого вида
липидов, липидные мицеллы могут быть в “твердом” кристал-
лическом, организованном, гелеобразном состоянии или в “жид-
ком”, мезофазном, так называемом жидко-кристаллическом со-
стоянии. Жидкие кристаллы — это анизотропные жидкости,
так как оптически они сходны с кристаллами, проявляя разные
свойства в разных направлениях, а механически сходны с жид-
костью (изотропны), они текут в зависимости от вязкости.
От состояния липидов в мембране зависит уровень молеку-
лярной организации. Липиды в кристаллическом состоянии
могут быть упакованы в кубический или гексагональный кри-
сталл. Жидко-кристаллическая организация липидов в мембра-
не очень разнообразна — это так называемые нематики, смек-
тики, холестерики.
Нематики (от греческого слова — нить) — наименее упоря-
доченная организация жидко-кристаллического состояния ли-
пидов. Молекулы нематика при умеренной температуре стре-
мятся ориентироваться вдоль одного направления. В нематике
очень многие молекулы одинаково ориентированы, их продоль-
104
ные оси параллельны друг другу, но такие области существуют
недолго и границы их размыты. Области с одинаковой ориен-
тацией молекул непрерывно рождаются и исчезают, что зави-
сит от многих условий — внешних границ, включений и раз-
личных воздействий. Магнитное и электрическое поля ориен-
тируют молекулы нематика, причем выстраивают молекуляр-
ные оси параллельно своему направлению.
Смектики (от греческого слова — мыло) — похожи на мыль-
ные пленки, они более организованы, чем нематики, их моле-
кулы образуют слои. В каждом индивидуальном слое молекулы
передвигаются вдоль плоскости, все плоскости слоев находятся
на одном и том же расстоянии. Смектики очень пластичны.
Так, смектик в нативной мембране при охлаждении превраща-
ется в нематик.
Спиральная упаковка молекул вносит новое в ориентацию
оптической оси жидкого кристалла. У холестериков (этот уро-
вень организации дает ряд производных холестерина) — слои-
стое строение с различным шагом спирали. Холестерическую
спираль обозначают нередко как твист-ориентацию. Разбавле-
ние холестерика и увеличение шага спирали приводит к нема-
тику. Оптическая активность холестериков очень велика, они
избирательно отражают свет в зависимости от температуры, ме-
ханической нагрузки, примесей, электромагнитных полей.
Жидкие кристаллы, сочетая в себе упорядоченность твердо-
го тела и подвижность жидкости, отличаются высокой чувстви-
тельностью к внешним воздействиям, температуре, примесям,
свету, внешним полям, они очень пластичны и очень долго хра-
нят информацию. Эти свойства приобретают первостепенное
значение в мембранах нервной ткани, где изменения электри-
ческих свойств лежат в основе проведения возбуждения.
Фазовый переход липидов является эндотермическим процес-
сом, сопровождающимся изменением энтропии и энтальпии.
Липидным структурам присущ лиотропный мезоморфизм (зави-
симость состояния от гидратации) и термотропный мезоморфизм
(зависимость структуры от температуры). Оба свойства связаны
между собой. Фазовый переход липидов “гель — жидкий кри-
сталл” осуществляется при температуре, значение которой за-
висит от содержания воды в системе. Оно минимально, если
общее содержание воды превышает то количество, которое мо-
гут связать липидные структуры. В то же время при температу-
ре выше критической липиды могут находиться в упорядочен-
ном состоянии при недостатке воды. Перекисное окисление
липидов, увеличивающее содержание воды в бислое, сущест-
105
венно влияет на фазовое состояние мембраны.
Термотропные фазовые переходы липидов в мембране про-
исходят в сравнительно широком температурном интервале (At
-0,2—1,0’С). Это обусловлено тем, что в бислое одна фаза (“жид-
кая”) обязательно возникает в матриксе другой (“твердой”) .
Сосуществование в липидном бислое двух фаз устанавливает
между ними сложное равновесие, приводя к снижению степени
кооперативности перехода. Обычно кооперативные фазовые
переходы липидов в мембране затрагивают несколько сотен
молекул. В нативной мембране постоянно находится большое
число кооперативных единиц той или иной фазы. Этот поли-
морфизм является мощным регулятором транспортных систем
мембраны.
Следует отметить, что на температуру фазового перехода боль-
шое влияние оказывают структура липидной молекулы, длина
углеводородного скелета, наличие цис- и транс-двойных свя-
зей, структура полярных групп.
При переходе в жидко-кристаллическое состояние имеет
место несколько одновременных событий: возрастает подвиж-
ность полярных групп липидов, увеличивается вращательная
подвижность жирнокислотных радикалов относительно С—С-
связей, увеличивается скорость латеральной диффузии. Это
приводит к изменению геометрических размеров бислоя из-за
латерального расширения площади, занимаемой каждой моле-
кулой липида. Например, площадь, занимаемая 2С]6-фосфати-
дилхолином, меняется от 0,49 до 0,58 нм2, среднее расстояние
между цепями увеличивается от 0,49 до 0,52 нм, а толщина уг-
леводородного скелета уменьшается почти на 0,5 нм, т.е. лате-
ральное расширение компенсируется утончением слоя. Гидро-
фобный объем мембраны увеличивается примерно на 1,5%.
В результате этих и ряда других изменений состояния липи-
дов в мембране создаются особые условия для проникновения
гидрофобных веществ, изменения работы ионных каналов, вне-
дрения в мембрану различных белков.
Микрогетерогенность бислоя и образование в нем кластеров
молекул липидов способствует проявлению такого явления, как
разделение (сегрегация) фаз в мембране. Латеральное разделе-
ние липидных молекул в плоскости бислоя — важная особен-
ность мембраны. Особая сегрегирующая роль в мембране при-
надлежит холестерину. При низких концентрациях его в мем-
бране происходит латеральное разделение фосфолипид-холе-
стсриновых комплексов и свободных молекул фосфолипидов.
При этом холестерин взаимодействует в первую очередь с теми
106
молекулами фосфолипидов, которые имеют низкую температу-
ру фазового перехода. Благодаря этому в бислое будут сущест-
вовать области только жидкие и только твердые, а также облас-
ти, где обе фазы сосуществуют. Наличие таких жидких и твер-
дых областей в пределах мембраны изменяет ее сжимаемость,
что сказывается на глубине погружения мембранных белков и
на эффективности работы мембранных насосов.
Необходимо отметить, что кроме сегрегирующего холесте-
рин проявляет и другое важное влияние на структуру и физиче-
ские свойства липидного бислоя. Встраивание холестерина в
фосфолипидный бислой вызывает как нарушение квазикристал-
лической упаковки цепей, так и уменьшение подвижности це-
пей. Эти эффекты холестерина называют, соответственно, “раз-
жижающим” и “конденсирующим”. При температуре, превы-
шающей точку фазового перехода фосфолипида, холестерин
уменьшает подвижность углеводородных цепей. При добавле-
нии холестерина площадь молекулы лецитина уменьшается с
0,96 до 0,56 нм2. Вот почему высокое содержание холестерина
характерно для миелина и плазматических мембран, тогда как
внутриклеточные мембраны содержат его в небольших количе-
ствах. В плотных миелиновых мембранах фосфолипиды и холе-
стерин содержатся в отношении 1:1, а в менее плотных мито-
хондриальных мембранах это отношение равно 3:1 или 8:1. Этот
уплотняющий эффект холестерина максимален в районе цен-
трального участка жирнокислотных радикалов и ослабевает в
направлении концевых метильных групп. При температуре ниже
точки фазового перехода фосфолипидов холестерин разжижает
углеводородную область бислоя.
Фазовые переходы липидов при постоянной температуре
могут быть вызваны изменениями заряда полярных групп ли-
пидов, возникающими при изменениях pH, ионной силы, кон-
центрации ионов. Доказано, что температура фазового перехо-
да есть функция величина заряда и плотности заряда на липид-
ной молекуле. Любое увеличение заряда полярных групп благо-
приятствует жидкому состоянию из-за латерального электро-
статического отталкивания, тогда как уменьшение заряда обу-
словливает переход в твердокристаллическое состояние.
Важным путем изменения поверхностного заряда липидов в
физиологических условиях является адсорбция катионов. Свя-
зывание катионов заряженными липидами сильно зависит от
поверхностного потенциала, значительно различающегося в
твердом и жидком состояниях из-за различий в молекулярной
упаковке.
107
Освобождение или адсорбция катионов на мембранной по-
верхности может запускать фазовые переходы липидов. При оп-
ределенных физиологических условиях структурные изменения
липидов могут вызывать освобождение двухвалентных катио-
нов с поверхности мембраны. Так, при переходе гель — жидкий
кристалл с липидной поверхности освобождаются ионы каль-
ция. Са2+ и Mg2+ стабилизируют организованную структуру,
увеличивая температуру фазового перехода, а одновалентные
катионы оказывают противоположный эффект. Двухвалентные
катионы благоприятствуют гелеобразному, а одновалентные —
жидкому состоянию мембраны. Поверхность липидов может
рассматриваться как резервуар катионов, который способен
регулироваться структурными изменениями.
Подводя итог вышеизложенному, можно заключить, что
в организации липидов, в их асимметричном размещении, под-
вижности, модификации внутримолекулярных взаимодействий
сокрыты многообразные регулирующие возможности.
4.5. РОЛЬ БЕЛКОВ В ДИНАМИЧНОСТИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ
Рассматривать динамичность бислоя мембраны без связи с
белками нельзя. При липидных структурных перестройках в
процесс вовлекаются интегральные, периферические и поверхно-
стные белки мембраны. Более того, белки могут выступать в роли
триггеров температурных структурных перестроек мембран, и
белку часто принадлежит ведущая роль не только в инициации,
но и в реализации структурной перестройки.
Одна из функций липидов в мембране — придание белкам
через межмолекулярные взаимодействия оптимальной конфор-
мации для функциональной активности (каталитической, транс-
портной, иммунологической). Липиды могут непосредственно
участвовать в катализе. Липидный бислой определяет размеще-
ние белков, создает условия для их латерального перемещения
и через фазовые переходы выполняет регуляторные функции.
Жидкостность липидов влияет как на вращательную, так и диф-
фузную свободу интегральных белков и их способность подвер-
гаться конформационным изменениям. Вращательная и лате-
ральная диффузия белков является отчасти следствием латераль-
ного движения мембранных липидов. Широкий спектр липид-
ных молекул делает возможным широкое разнообразие специ-
фических взаимодействий с мембранными белками.
Внедрение белка в фосфолипидный бислой упорядочивает
его — в результате структура бислоя становится более жесткой.
108
Считается, что это происходит за счет прилипания и ориента-
ции фосфолипидных молекул, примыкающих к поверхности
белка, ограничивающего подвижность этого слоя. У многих
мембранных белков те их части, которые погружены в липид-
ный бислой, особенно богаты гидрофобными аминокислотами,
что повышает устойчивость их связей с липидами и фиксирует
их ориентацию в мембране.
В бимолекулярном слое имеется два пула липидов, подвер-
гающихся существенно различным скоростям диффузии. Один
пул липидов находится в короткорадиусном взаимодействии с бел-
ками и потому подвергается ограниченной латеральной диффу-
зии. Короткорадиусные взаимодействия могут быть очень спе-
цифичными и их может осуществлять только определенный тип
липидов с особыми белками. Такие специфические липиды
необходимы, в частности, для активации (реактивации) мем-
бранных ферментов; они выступают здесь в качестве аллосте-
рических эффекторов. Так, белковую молекулу Na+, К+-АТФа-
зы окружает кольцевой слой липидов из 30-32 молекул. Приме-
нение разнообразных физических методов показало, что коль-
цевые (аннулярные) липиды могут многократно обмениваться
с общим липидным пулом мембраны. Время обмена таких проч-
но связанных липидов с соседними молекулами составляет
10-4 — 10~5 с. Это несоизмеримо меньше продолжительности
одного ферментного цикла. Кроме того, оказалось, что сама
фракция кольцевых липидов очень гетерогенна по своей обме-
ниваемости, по фазовому состоянию и по способности к реак-
тивации белка. Как минимум, роль кольцевых липидов заключа-
ется в поддержании строго определенного гидрофобного окруже-
ния данного белка.
В области температурных фазовых переходов таких липидов
отмечается изменение каталитических и транспортных свойств
белков. Общая доля кольцевых липидов довольно велика — около
20%. Доказано, что можно изменять активность мембранных
белков изменением связанных с ними липидов.
Другой пул липидов, удаленных от белков и подвергающихся
быстрой латеральной диффузии, характерной для билипидного
слоя, не пронизанного белком, составляет около 80%. Действие
этих липидов на мембранные белки аналогично растворяющему
эффекту воды на свойства растворимого белка.
Приведем примеры функциональной роли индивидуальных
липидов в мембранах ЦНС. В табл.4.5 представлены данные о
влиянии различных фосфолипидов на активность мембранных
ферментов.
109
Таблица 4.5.
Активирование отдельными фосфолипидами мембранных
ферментов
Фермент Фосфолипиды *
Na+, К>АТ4>аза ФХ, ФС, ФЭ, ФИ, ЛФХ, СМ
Протеинкиназа С ФС
Аленилатциклаза ФС, ФИ
Ацетилхолинэстераза Ненасыщенная жирная кислота в составе фосфолипидов
Моноаминоксидаза ФХ
Г алактозилиерамидаза ФС
"ФХ — фосфатилхолин; ФС — фосфатилсерин; ФЭ — фосфатилэтаноламин;
ФИ — фосфатилинозитид; ЛФХ — лизофосфатидилхолин; СМ — сфингомие-
лин.
4.6. УЧАСТИЕ ЛИПИДОВ В РЕЦЕПЦИИ И ПЕРЕДАЧЕ
ВНУТРЬ КЛЕТКИ СИГНАЛА
Межклеточные контакты, без которых немыслима деятель-
ность ЦНС, обеспечивают постоянную передачу информации че-
рез плазматическую мембрану. Эта передача не может не касать-
ся билипидного слоя. Процесс передачи информации через мем-
брану включает рецепцию внешнего химического сигнала и транс-
формацию его во внутриклеточный эффект.
Возникает вопрос, принимают ли участие липиды бислоя в
рецепции внешних сигналов. В последнее десятилетие установ-
лено, что сульфоцереброзиды (сульфатиды) играют довольно
специфическую роль в рецепции опиоидов. Частично очищен-
ный препарат рецептора опиоидов содержит высокую концен-
трацию сульфатидов. Предполагают, что сульфатная группа це-
реброзидсульфата входит в состав или соседствует с активным
центром опиатных рецепторов, который имеет белковую при-
роду. Возможно, что взаимодействие опиатов с цереброзидсуль-
фатами выполняет вспомогательную функцию, способствуя со-
средоточению лигандов в области центра белковой природы.
НО
При исследовании ряда кислых липидов только сульфатиды
проявляли наивысшее сродство к опиатам в различных физио-
логических условиях. Доказательством важной роли сульфати-
дов в рецепции опиоидов может служить и тот факт, что анти-
тела к цереброзидсульфату, введенные в мозг крысы, снимали
наркотическое действие морфина.
Если липиды бислоя могут быть участниками процесса ре-
цепции, то естественно ожидать их участия в каскаде реакций,
возникающих после активации рецепторов. М.Н.Хокин и Л.
Э.Хокин (1953) впервые связали холинергическую стимуляцию
с усилением обмена фосфатидилинозита и фосфатидной ки-
слоты. Явление получило название “фосфолипидного эффек-
та”; этот термин сейчас заменен на термин “фосфоинозитид-
ный эффект”, поскольку появилось большое число работ, по-
казывающих именно их регуляторную роль в транспорте вто-
ричного мессенджера — ионов кальция — через мембраны.
Содержание фосфоинозитидов в мембранах ЦНС не превы-
шает 0,5-2% от общих липидов, локализованы они преимуще-
ственно в плазматических мембранах, в миелине (до 95% всех
фосфоинозитидов мозга), в эндоплазматическом ретикулуме, на-
ружной митохондриальной и ядерной мембранах. В состав фос-
фоинозитидов (от 1 до 18%) входит арахидоновая кислота, яв-
ляющаяся важным источником простагландинов. Деполяриза-
ция мембраны приводит к быстрому высвобождению арахидо-
новой кислоты именно из фосфоинозитидов. Р.Митчелл (1975)
высказал гипотезу (полностью подтвердившуюся в дальнейшем)
о прямой связи расщепления фосфоинозитидов с рецепторным
аппаратом клетки и увеличением внутриклеточной активности.
В синаптосомах стимуляция части мускариновых и а] -адренерги-
ческих рецепторов обусловливает фосфоинозитидный эффект,
сопровождающийся изменением проницаемости плазматической
мембраны для ионов кальция.
Участие фосфоинозитидов и продуктов их обмена в регуля-
ции транспорта кальция осуществляется несколькими путями:
1) при распаде фосфатидилинозитидов образуется 1,2-диа-
цилглиперин, стимулирующий активность протеинкиназы С, ко-
торая, в свою очередь, фосфорилирует белок Са-каналов и не-
которые другие белки;
2) трифосфоинозитол, освобождающийся при расщеплении
фосфатидилинозитидов, обладает высокой способностью свя-
зывать двухвалентные катионы; по этой причине он индуцирует
мобилизацию мембранно-связанного кальция;
111
3) инозитол-трифосфат способен также повышать уровень
внутриклеточного кальция за счет открытия кальциевых кана-
лов эндоплазматического ретикулума. Таким образом, проис-
ходит сопряжение выброса кальция из внутриклеточных мест
хранения с входом кальция через мембраны.
До включения описанного механизма концентрация свобод-
ного кальция в цитоплазме нейрона составляет примерно
1-.10~7М. Концентрация кальция снаружи нейрона в десятки
тысяч раз выше. Мобилизация Са2+ из внутриклеточных и вне-
клеточных источников в сотни-тысячи раз повышает его уро-
вень в цитоплазме. Повышенный уровень Са2+ служит актива-
тором ряда процессов, в том числе некоторых протеинкиназ.
На молекулярном уровне передача этого сигнала через мем-
брану осуществляется цепочкой мембранных белков, последо-
вательно взаимодействующих друг с другом для передачи сиг-
нала малым молекулам, находящимся в цитоплазме. Информа-
ция от рецептора на поверхности клетки передается так назы-
ваемому G-белку, который активирует фермент фосфодиэсте-
разу, расщепляющую трифосфоинозитид до инозитол-1,4, 5-
трифосфата и 1,2-диацилглицерина. Инозитолтрифосфат рас-
творим в воде, диффундирует в цитоплазму, где и вызывает опи-
санное выше освобождение кальция. Освободившийся кальций
участвует в активации протеинкиназ.
Липофильный диацилглицерин, отличный по своему жирно-
кислотному составу от стабильного пула диацилглицеринов,
остается в мембране, изменяет ее текучесть и, как уже упоми-
налось, активирует мембранно-связанную протеинкиназу С.
Эти две различные ветви фосфоинозитидного цикла ведут в
конечном счете к фосфорилированию двух различных наборов бел-
ков. Оказалось, что с помошью активирующих веществ каждую
из ветвей цикла можно привести в действие независимо друг от
друга. С другой стороны, применение сочетанного действия фор-
боловых эфиров и кальциевых ионофоров помогло установить
синергизм двух сигнальных ветвей инозитидного цикла. В та-
ком раздвоенном сигнальном пути совместным действием ве-
ществ можно запустить большое число внутриклеточных про-
цессов.
В дальнейшем образовавшиеся 1,2-диацилглицерин и ино-
зитолтрифосфат подвергаются химическим превращениям, тре-
бующим АТФ и ЦТФ и приводящим к восстановлению три-
фосфоинозитида. Таким образом, цикл замыкается и уровень
полифосфоинозитидов в мембране восстанавливается.
112
4.7. МИЕЛИН В ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ
Мозг человека содержит 120 г миелина, что составляет одну
треть его сухой массы. Миелин — уникальное образование, ор-
ганизация которого позволяет проводить импульс в аксоне с ми-
нимальной затратой энергии. Миелиновая оболочка — высоко-
организованная многослойная структура, состоящая из сильно
растянутой и модифицированной плазматической мембраны
олигодендроглиальной клетки.
Рис. 4.1. Мезаксон и образование многослойной миелиновой
мембраны
Плазматическая мембрана олигодендроцита образует вокруг
аксона сложную мембранную структуру — мезаксон, который
является элементарной единицей миелина, имеет пятислойную
структуру, белок-липид-белок-липид-белок (рис.4.1) . Эта пя-
тислойная структура, многократно закручиваясь вокруг аксона,
113
конденсируется в компактную миелиновую оболочку. На элек-
тронных микрофотографиях миелин представляет собой серию
чередующихся липидных и белковых слоев, число таких слоев у
крупных аксонов может достигать 250. Сплав цитоплазматиче-
ских поверхностей мембраны олигодендроцита образует глав-
ный период (темная линия), а сплав экстраклеточных поверх-
ностей — половинный или промежуточный период (более свет-
лая линия), который часто виден в виде двойной линии. Это
указывает на то, что взаимопроникновение белков экстракле-
точных поверхностей мембран не было полным (рис.4.2).
Рис.4.2. Главный (md) и промежуточный (ip) период
в многослойной миелиновой мембране
Повторяющийся период миелина определяется толщиной со-
ставляющего его липидного бислоя, “зажатого” двумя белко-
выми слоями, и равен 15-16 нм (рис.4.3). Белки, частично про-
низывающие бислой, занимают 5-10% площади; распределение
его по поверхности бислоя неравномерно — есть области, не
занятые белком. Полярные группы липидов образуют слой тол-
щиной в 1 нм, а гидрофобная область занимает 3,3-3,8 нм.
114
Из всех существующих мембран миелин имеет самое низкое
содержание воды и самое высокое отношение липидов к белку.
В миелине (в %) белка — 15-30, липидов — 70-85 на сухую
Рис. 4.3. Схема структуры двойного мембранного слоя миелина
(пг - полярные группы, жест. стр. — область, где эфиры холе-
стерина повышают жесткость структуры)
115
массу, из них холестерин составляет 25-28, общие галактолипи-
ды — 27-30, а фосфолипиды — 41-45 (табл.4.6).
Таблица 4.6.
Состав миелина центральной нервной системы человека
(% от сухой массы)
Компоненты Миелин Белое вещество Серое вещество
Белок 30 39 55,3
Липиды 70 54,9 32,7
Холестерин 27,7 27,5 22
Цереброзиды 22,7 19,8 5,4
Сульфамиды 3,8 5,4 1,7
Обшие галактолипиды 27,5 26,4 7,3
Общие фосфолипиды 43,1 45,9 69,5
Фосфатидилэтаноламин 15,6 14,9 22,7
Фосфатидилхолин 11,2 12,8 26,7
Сфингомиелин 7,9 7,7 6,9
Фосфатидил серин 4,8 7,9 8,7
Фосфатидилинозитол 0,6 0,9 2,7
Плазмалогены 12,3 11,2 8,8
Доказано, что полифосфоинозитиды локализованы преиму-
щественно в миелине , предположительно в зоне главного пе-
риода, поэтому их можно считать маркерами миелина. На долю
три- и дифосфоинозитидов приходится, соответственно, 3-6 и
1-1,5% общего липидного фосфора миелина. Они характеризу-
ются высокой скоростью обмена фосфатных групп, что отража-
ет их функции в миелине. В составе миелина содержатся алка-
ны с 21-35 углеродными атомами и равным количеством чет-
ных и нечетных гомологов. Считают, что эти абсолютно гидро-
фобные вещества оказывают значительное влияние на свойства
миелина как электроизолятора. Кроме обычных галактолипи-
дов, цереброзидов и сульфатидов в миелине обнаружены моно-
и дигалактозилдиглицериды. Роль их и топографическое распре-
деление в мембране миелина не ясны, но их синтез тесно свя-
зан с процессом миелинизации.
116
Для миелина характерен очень низкий уровень ганглиозидов
— 0,15% от общих липидов миелина. Моносиалоганглиозид GM1
преобладает й, кроме того, в миелине человека обнаружен не-
обычный сиалилгалактозилцерамид G7, содержащий в основ-
ном длинноцепочечные жирные кислоты. Метаболические ха-
рактеристики миелиновых ганглиозидов сходны с липидами мие-
лина, а не с ганглиозидами коры. Ганглиозиды локализованы в
зоне промежуточного периода и роль их в структуре и функции
миелина пока не ясна.
Углеводородные цепочки жирных кислот миелина упакова-
ны плотнее, чем в других мембранах, но ближе к середине бис-
лоя они обладают большей свободой движения. Поскольку более
чем у 25% жирных кислот миелина углеродный скелет на 4-5
атомов длиннее, чем в других мембранах, то в центре бислоя
может происходить переплетение ацильных радикалов. Это осо-
бенно характерно для сфинголипидов. Цереброзиды, сульфати-
ды и полифосфоинозитиды локализованы преимущественно в на-
ружном монослое, в котором в два раза больше холестерина.
Холестерин имеет предпочтительное сродство к длинноцепо-
чечным радикалам сфинголипидов и к моноеновым оксикис-
лотам галактолипидов. Он интеркалирован между гидрофобными
цепочками и модулирует латеральную подвижность липидов и
движение ацилов внутри бислоя. В зависимости от концентра-
ции холестерин проявляет уплотняющий, сегрегирующий эффект
или увеличивает жидкостность.
Фазовые переходы и внутримолекулярные движения компо-
нентов миелина пока мало изучены.
Белковый состав миелина ЦНС относительно прост, два глав-
ных белка — сильноосновный, гистоноподобный белок и гидрофоб-
ный протеолипидный белок — составляют 60-80% от общих бел-
ков миелина. Оставшаяся часть падает на гетерогенную группу,
включающую некоторые ферменты, гликопротеины, белок
Вольфграма и неопределенное число минорных компонентов.
Гликопротеины миелина ЦНС являются минорными поверх-
ностными компонентами промежуточного периода и играют оп-
ределенную роль в нейронально-глиальном узнавании в про-
цессе миелинизации.
Для миелина характерен ограниченный набор ферментов. Мар-
керным ферментом миелина является 2,3-циклическая нуклео-
тцд-3-фосфогцдролаза, 60% от активности этого фермента в мозге
приходится на миелин. Относительно специфическим фермен-
том миелина является также гидролаза эфиров холестерина, 70-
80% его активности обнаружено в миелине. В поддержании
117
низкого содержания воды в миелине принимает участие карбо-
ангидраза. Кроме того, в миелине присутствуют в относительно
небольшом количестве зависимые и независимые от цАМФ
протеинкиназы и фосфатаза.
Белок Вольфграма олигодендроглиального происхождения
составляет менее 20% белков миелина и состоит из двух фрак-
ций с молекулярной массой 62000 и 54000. Это — кислый про-
теолипид, обогащенный дикарбоновыми аминокислотами и со-
держащий 53% полярных и 47% неполярных аминокислот.
Протеолипидная фракция Фолча-Ли гетерогенна и включает
несколько белков (среди них и минорный компонент — так
называемый белок Агравала). Наибольшей является доля липо-
филина — белка с молекулярной массой 28000, составляющего
50% от общего протеолипидного белка. Его гидрофобность очень
значительна. Он содержит 66% гидрофобных и только 18% за-
ряженных аминокислот. В состав липофилина входит 2-3% ко-
валентносвязанных жирных кислот, что еще более увеличивает
его гидрофобность. Интересной особенностью этого белка яв-
ляется его конформационная гибкость. В водной среде степень
его а-спирализации составляет 16-40%, в хлороформе-метано-
ле она выше, в совершенно гидрофобной среде липофилин имеет
100%-ную а-спиральную конфигурацию. Степень спирализа-
ции липофилина в мембране составляет 75%. Кроме того, ли-
пофилин склонен к агрегации. Из-за своей гидрофобности он
может быть погружен в углеводородную область бислоя и обра-
зовывать внутримембранные частицы. Белок прочно связыва-
ется с кислыми и нейтральными липидами и вызывает фазовое
разделение кислых и нейтральных липидов. Около 15 молекул
липидов окружают каждую молекулу липофилина. Благодаря
некоторой избирательности гидрофобных взаимодействий ли-
пофилин вытесняет из своего окружения холестерин (возмож-
но, из-за слишком жесткой конфигурации холестерина, кото-
рая не соответствует конформации поверхности липофилина).
В общем, липофилин, как и другие протеолипидные белки, под-
держивает стабильность миелиновых мембран, создавая межла-
меллярные взаимодействия между белковыми молекулами со-
седних слоев, в результате которых эти слои удерживаются вме-
сте.
Катионный основной белок миелина (КБМ) с Мг ~16-18кД
является исключительно белком миелина и локализован в зоне
главного периода. Он содержит 170 а.о., из них 30% заряжен-
ных и 52% гидрофобных. КБМ характеризуется несколькими
необычными особенностями.
118
КБМ — антиген, индуцирующий при введении со стимуля-
торами иммунитета экспериментальный аллергический энце-
фаломиелит, заболевание, сходное с рассеянным склерозом и
сопровождающееся демиелинизацией. Установлено, что трип-
тофансодержащий декапептид КБМ—Phe-Ala-Ser-Trp-Gly-Ala-
Glu-GIy-Glu-Arg близок по энцефалитогенной активности це-
лому КБМ человека. Описаны и некоторые другие олигопеп-
тидные участки КБМ, обладающие несколько меньшим, но чет-
ким энцефалитогенным действием. По-видимому, внемозговые
системы иммуногенеза воспринимают КБМ или его фрагменты
как чужеродный белок. В норме КБМ с ними не взаимодейст-
вует в силу иммуноавтономности ЦНС. Какие-то, пока неяс-
ные повреждения, нарушая эту автономию, открывают путь этим
взаимодействиям и обусловливают “агрессию” иммунной сис-
темы организма в отношении собственного миелина.
КБМ может гликолизироваться по треонину-98М-ацетил -
галактозаминилтрансферазой и в отличие от других белков
миелина может фосфорилироваться по некоторым остаткам
серина, треонина, аргинина и гистидина. Фосфорилирование
основного белка рассматривается как инициация миелиниза-
ции.
Основной белок, связывая кластеры кислых липидов через полярные груп-
пы, изменяет упаковку ацилов в области полярных группировок и не оказыва-
ет существенного эффекта на центр бислоя. Этот белок изменяет энтальпию
Т-фазового перехода кислых липидов и проницаемость бислоя. Липидный состав
мембраны определяет, какие участки основного белка будут экранированы
липидной фазой, а какие — экспонированы в водную фазу. Таким образом, от
липидного состава мембраны зависит, будет ли антигенная или энцефалито-
генная сторона подвержена атаке антителами и макрофагами. Этим, видимо,
объясняется варьирование энцефалитогенных участков основного белка от вида
к виду.
Электростатическое и гидрофобное взаимодействие основ-
ного белка с липидами близлежащих слоев, так же как и в слу-
чае липофилина, создает межламеллярные взаимодействия и под-
держивает адгезию миелиновых слоев, стабилизируя многослой-
ную структуру миелина.
Для понимания молекулярной организации мембраны мие-
лина критическим является изучение коротко- и длинноради-
усных взаимодействий между белками и липидами. Несомнен-
но, что изменение структуры белков или липидов ведет к изме-
нению такого рода взаимодействий и приводит к нестабильно-
сти миелина, в том числе к демиелинизации.
Пока мало известно о факторах, начинающих и заканчиваю-
щих образование миелиновых мембран. Возможно, что миели-
низация запускается критическим диаметром аксона или ка-
119
ким-то нейротропным фактором. В этом строго контролируе-
мом и синхронизированном процессе большую роль играют
контакты между мембранами аксона и олигодендроглии.
Ранний, рыхлый, некомпактный миелин морфологически от-
личается от зрелого миелина наличием остатков цитоплазмы
между слоями. Пластинчатые структуры рыхлого миелина хи-
мически сходны с плазматической мембраной олигодендроци-
та и не имеют физических свойств компактного миелина. Для
превращения рыхлого миелина в компактный мозг 20-дневной
крысы ежедневно синтезирует 3,5 мг миелина, т.е. каждый оли-
годендроцит производит миелина в 3 раза больше своей массы.
Компактность миелина увеличивается по мере включения ос-
новного и протеолипидного белков, холестерина, длинноцепо-
чечных галактолипидов, плазмалогенов и, соответственно, по
мере уменьшения доли высокомолекулярных белков, десмосте-
рола, исчезновения полисиалоганглиозидов.
Мало известно о месте синтеза белков миелина, их транс-
порте и модификации перед сборкой, их деградации. Скорее
всего, протеолипидный белок синтезируется на мембранно-свя-
занных, а основной — на свободных рибосомах. Белки вступают в
зреющую мембрану раньше липидов. В период активной мие-
линизации катионный и протеолипидный белки активнее всту-
пают в миелин, чем высокомолекулярные белки.
Зрелый миелин — не инертная структура, он биохимически
активен, включает экзогенный материал, обменивает свои ком-
поненты с другими мембранами. Миелин не обменивается как
единое целое, поскольку различные белки и липиды покидают
миелин и появляются в нем с различной скоростью. Наблюдае-
мая метаболическая стабильность компонентов миелина час-
тично объясняется топографическими особенностями миели-
новой оболочки. Одна глиальная клетка одновременно “одева-
ет” миелином 30-50 сегментов аксонов и создает мембрану,
которая в 620 раз больше ее собственной. Метаболизм этой об-
ширнейшей мембраны поддерживается цитоплазмой всего од-
ной клетки.
Для нормального функционирования необходимы определен-
ные соотношения и взаимодействия аксона, миелиновой оболочки
и глии. Любое повреждение одного из этих элементов нарушает
всю систему. Так, например, метахроматическая лейкодистро-
фия характеризуется почти полным отсутствием фермента суль-
фатазы, что приводит к резкому накоплению сульфатидов и
сопровождается недостатком миелина.
Глобоидно-клеточная лейкодистрофия сопровождается дефек-
120
том фермента ^-галактозидазы. Избыток цереброзидов накап-
ливается в многоядерных глобоидных клетках, обычное отно-
шение цереброзидов к сульфатццам 4:1 трансформируется в 10:1.
Наблюдается резкое изменение белого вещества, недостаточ-
ность миелина и олигодендроглии.
Болезнь Рефсума характеризуется недостаточностью а-гидро-
ксилазы фитановой кислоты. Накапливающаяся фитановая ки-
слота эстерифицирует лецитин миелина и составляет 5-8% от
всех жирных кислот миелина.
Общей чертой вышеприведенных заболеваний является ис-
кажение структуры миелина, уменьшение отношения липидов
к белку, снижение количества холестерина, плазмалогенов, га-
лактолипидов, увеличение количества воды и постепенная за-
мена миелина астроцитами, макрофагами и межклеточной жид-
костью.
Важным путем в изучении процесса демиелинизации является исследова-
ние мутантов с нарушенным или ограниченным образованием миелина.
Jumpy-мутанты — это аугосомальное рецессивное заболевание мышей, ха-
рактеризующееся почти полным отсутствием миелина.
Quaking-мутанты - рецессивное заболевание мышей, сцепленное с полом,
характеризующееся некомпактностью миелина и нарушением дифференциа-
ции олигодендроглии. У этого вида мышей резко уменьшен уровень основных
липидов миелина, особенно трифосфоинозитидов, изменен жирнокислотный
состав.
4.8. ЛИПИДЫ ВНЕШНЕЙ ЗОНЫ МЕМБРАН МОЗГА
В последние десятилетия для выяснения природы возбуди-
мости мембран нейрона обратили внимание на экстраклеточ-
ную зону. Эта зона, так называемый гликокаликс или экстра-
клеточный матрикс, занимающий слой толщиной от 10 до 50
нм, влияет на многие макромолекулярные процессы: ионный
обмен, проницаемость, эндо- и экзоцитоз, межклеточные кон-
такты, морфогенетическую и тканеспецифическую агрегацию
клеток.
Поверхностный матрикс содержит внешние компоненты
рецепторов гормонов, медиаторов, ростовых факторов, нейро-
пептидов, антигенов и других факторов. Экстраклеточный мат-
рикс — комплексная, динамичная интегративная система, в
которой изменение взаимодействия отдельных компонентов
приводит к глубоким изменениям матрикса в целом.
Специфичность экстраклеточного матрикса определяется:
1) первичной структурой олигосахаридной части гликопро-
теинов, гликолипидов, гликозаминогликанов;
121
2) их конформацией и положением на плоскости мембраны;
3) “удельной” площадью, занимаемой гликопротеинами и
гликолипидами.
Состав, структура и динамизм поверхностных гликозилиро-
ванных молекул влияют на функции деления, роста, диффе-
ренциацию и гибель клетки. Особая роль принадлежит при этом
гликолипидам и в особенности кислым гликолипидам — ганг-
лиозидам.-
4.8.1. Ганглиозиды — специфические липиды
экстраклеточного матрикса мембран мозга
Кислые гликолипиды — ганглиозиды находятся в нервной
ткани в высоких концентрациях (табл.4.7) и обогащают поверх-
ность наиболее возбудимых мембран.
Термин ганглиозиды — общее название гликосфинголипи-
дов, содержащих сиаловую кислоту, был впервые предложен
Е. Кленком в 1941 г. Они содержат гидрофобную церамидную
часть и гидрофильную, богатую заряженными группами олиго-
сахаридную часть. Ниже приводится структура моносиалоганг-
лиозида головного мозга:
Гидрофобная часть ганглиозидов включает две длинные уг-
леводородные цепочки — сфингозин и жирную кислоту, которая
связана с аминогруппой сфингозина пептидной связью. Обра-
щает на себя внимание почти полное отсутствие в ганглиозидах
мозга гидроксикислот, кетокислот и разветвленных жирных ки-
слот. Состав сфингозиновых оснований ганглиозидов головно-
го мозга не отличается большим разнообразием. Структура и
недавно принятая номенклатура сфингозиновых оснований ганг-
лиозидов представлены в табл.4.8.
122
Таблица 4.7.
Содержание ганглиозидов в тканях человека
(R.Ledeen, 1983)* Концентрация выражена в нмолях липидос-
вязанной сиаловой кислоты — характерного компонента ганг-
лиозидов — на 1 г свежей ткани
Ткани Концентрация*
Серое вещество мозга 2850—3530
Белое вещество мозга 900-1570
Серое вещество спинного мозга 751
Белое вещество спинного мозга 450
Сетчатка 366
Седалищный нерв 259
Надпочечники 407-757
Печень 214
Мышцы 52
Плазма 11,3
Спинномозговая жидкость 0,841
Таблица 4.8.
Структура и номенклатура сфингозиновых оснований
ганглиозидов
Тривиальное название Структура Новое название
Сфингозин СНэ-(СН2)12-СН^СН’СН-СН-СНгОН OH NH, 4-Сфингенин
Дигидросфингозин СН3-(СН2),2-СН2-СН2-СН-СН-СН2ОН OH nh2 Сфин ганин
См-Сфингозин СН3-(СН2),4-СН=СН-СН-СН-СН2ОН он nh2 4-Эйкозасфинге- нин
С^-Дигидросфин - гозин СНг(СНг)14~СНг-СНг-СН-СН~СН2ОН он nh2 Эйкозасфинганин
123
Таким образом, гидрофобная часть ганглиозидов мозга мле-
копитающих достаточно консервативна по длине, числу и месту
двойных связей, присутствию метильных групп. Й хотя ганглио-
зиды из различных источников отличаются по составу церамид-
ной части, но эти различия никогда не рассматриваются как
характерная особенность для классификации ганглиозидов.
Разветвленная олигосахаридная часть присоединена р-связью
к ОН-группё первого атома углерода сфингозина. Большинство
ганглиозидов мозга имеют общую нейтральную углеводную часть,
содержащую глюкозу, две молекулы галактозы, ацетилирован-
ный галактозамин и различное число молекул сиаловой кисло-
ты, прикрепленных либо к интернальной, либо к терминальной
галактозе.
Олигосахаридная часть является доминирующей в проявлении
физических, химических и иммунологических свойств молекул
ганглиозидов. Различие в строении олигосахаридной части по-
рождает исключительную гетерогенность этих соединений, ко-
торых к настоящему времени в нервной ткани млекопитающих
охарактеризовано свыше 50, причем число это быстро возраста-
ет.
Особенности строения олигосахаридной части индивидуаль-
ных ганглиозидов — важнейшая характеристика, которая дает
основу для существующей номенклатуры ганглиозидов. Единст-
ва в системе обозначений индивидуальных ганглиозидов среди
исследователей нет, но все же чаще всего используется и наибо-
лее удобна номенклатура, предложенная Свеннерхольмом. Со-
гласно ей, все индивидуальные ганглиозиды делятся на моно-,
ди-, три-, тетра- и пентасиалоганглиозиды по числу молекул N-
ацетилнейраминовой кислоты (NAHK), приходящихся на цера-
мидный остаток.
Свеннерхольм предложил буквой G обозначать ганглиозиды;
подстрочными буквами М, D, Т, Q и Р — число молекул NAHK;
цифрой 1 — основную нейтральную тетрасахаридную цепочку
(галактоза-^ацетилгалактозамин-галактоза-глюкоза); цифрой 2
— олигосахаридную последовательность без терминальной га-
лактозы; цифрой 3 — цепочку, не имеющую терминальной га-
лактозы и N-ацетилгалактозамина; цифрой 4 — цепочку с един-
ственным углеводов; а буквами “а”, “в” и “с” — разное число
молекул NAHK, связанных с интернальной галактозой.
Предложенная Свеннерхольмом номенклатура не охватыва-
ет, однако, всех открытых в последнее десятилетие индивиду-
альных ганглиозидов с очень разнообразной структурой олиго-
сахаридной цепочки. Недавно описаны гекса- и декасиалоганг-
лиозиды, имеющие, соответственно, от 6 до 10 сиаловых кислот
на церамидный остаток.
124
В настоящее время Международной комиссией по номенкла-
туре предложена новая система обозначения индивидуальных
ганглиозидов, в которой учитывается структура олигосахарид-
ной части, число молекул N-ацетил- или гликолилнейрамино-
вых кислот, место и способ их присоединения к олигосахариду.
В этой номенклатуре N-ацетилнейраминовая кислота получает
обозначение NeuAc, гликолилнейраминовая — NeuGc, римские
цифры I, II, III и IV — указывают номер сахарного остатка от
церамида, к которому присоединена нейраминовая кислота, араб-
ская цифра вверху обозначает атом углерода сахарного остатка,
к которому присоединена нейраминовая кислота кетозидной
связью. Структура трисахарида обозначается как GgOse3, струк-
тура тетрасахарида — GgOse4. Тогда, например, структура моно-
сиалоганглиозида будет записана как II3NeuAc-GgOse4Cer.
В силу большей, чем у фосфолипидов, гидрофобности угле-
водородных цепочек ганглиозиды увеличивают жесткость би-
липидного слоя и гидрофобно взаимодействуют с фосфолипидами
и интегральными белками мембраны.
Увеличение числа углеводородных атомов и ненасыщен-
ности сфингозина, изменение природы жирной кислоты ганг-
лиозидов вызывают конформационные изменения в близлежа-
щих белках. Церамидная часть участвует в обеспечении опреде-
ленного состава фосфолипидно-холестерин-белкового окруже-
ния индивидуальных ганглиозидов.
4.8.2. Локализация ганглиозидов в головном мозге
Ганглиозиды обнаружены фактически в каждом типе клеток
и большинстве субклеточных образований ЦНС.
На долю собственно митохондрий приходится менее 5% ганг-
лиозидов, на долю миелина — 28,5, а на нервные окончания —
более 67%. Основным местом локализации ганглиозидов явля-
ются синаптические мембраны, которые составляют примерно 6%
сухой массы мозга, причем обнаружена корреляция между нако-
плением ганглиозидов и синаптогенезом во время формирова-
ния мембран. Использование специальных методов показало, что
ганглиозиды расположены на наружной стороне пре- и постси-
наптических терминалей, принимающих непосредственное уча-
стие в передаче нервного импульса.
Ганглиозиды имеют отношение не только к синаптиче-
ским контактам, но локализованы и в других типах нейрональ-
ных и глиальных мембран, о чем свидетельствуют различия в
содержании и составе ганглиозидов в различных областях мозга.
125
4.8.3. Организация ганглиозидов в мембране
Молекулярная организация ганглиозидов в мембране очень
динамична, что создает, с одной стороны, некоторую локальную
неустойчивость мембраны, а с другой - поддерживает ее цело-
стность. Молекулы ганглиозидов не подвержены флип-флопу,
но способны к латеральной диффузии с широко варьирующей
скоростью.
Несмотря на большую подвижность ганглиозидов, они не
вносят хаотичность в распределение компонентов мембраны.
Это достигается, во-первых, образованием горизонтальных свя-
зей между олигосахаридными цепочкам гликопротеинов и гли-
колипидов, приводящих к устойчивому полимерному комплек-
су. Во-вторых, гликолипиды и гликопротеины могут сцеплять-
ся периферическими гликозаминогликанами, которые, как прави-
ло, не закреплены в интегральной зоне мембраны, свободно
диффундируют и взаимодействуют с гликолипидами и глико-
протеинами ионными и водородными связями, образуя своеоб-
разный латекс (рис.4.4). В-третьих, ограничение латерального дви-
жения гликолипидов достигается сосредоточением их в опреде-
ленных областях с повышенной вязкостью. В-четвертых, топо-
графию поверхности стабилизируют цитоскелетные системы
клетки.
Рис. 4.4. Распределение гликолипидов на поверхности мембраны
126
Различные поливалентные лиганды гликопротеиновой при-
роды с помощью питоскелетной системы вызывают в мембра-
нах перераспределение гликолипидов в группы, участки, по-
люса. Степень агрегации зависит от степени взаимодействия
олигосахаридных структур с лектинами, причем один и тот же
агент может вызывать агрегацию одних молекул в группы, а
других — в полюса.
Как правило, большие плотные массы олигосахаридных це-
почек гликопротеинов служат фокусной точкой, вокруг кото-
рой увеличивается степень упаковки ганглиозидов. Нековалент-
ное кооперативное взаимодействие ганглиозидов приводит к
тому, что в участках скопления ганглиозидов резко возрастает
отношение ганглиозидов к фосфолипидам. В результате возни-
кают весьма сложные эффекты. Жидкостность в этих локусах
становится ниже, ганглиозидные кластеры приобретают макси-
мальную нестабильность из-за взаимного отталкивания отри-
цательно заряженных сиаловых кислот, мембранный потенци-
ал в этом локусе становится максимальным.
Участки, занятые заряженными ганглиозидными молекула-
ми, имеют повышенное сродство к водорастворимым, экзоген-
ным лигандам, а области, свободные от ганглиозидов, осущест-
вляют гидрофобное взаимодействие с лигандами другой приро-
ды (рис.4.5). Оба рода взаимодействия вызывают кооператив-
ные и некооперативные структурные перестройки в мембране,
оказывают разнообразные влияния на состояние клетки.
Агрегация ганглиозидов и гликопротеинов на поверхности
важна для поддержания контактов между клетками, поскольку
конгломераты молекул обеспечивают более устойчивые контак-
ты, чем молекулы, случайно или дисперсно разбросанные на
поверхности. Подобные агрегаты могут содержать различные
рецепторы или несколько копий одного рецептора, или состав-
лять единый рецепторный комплекс, состоящий из гликолипи-
дов и гликопротеинов.
Таким образом, зона, где происходит кодирование и де-
кодирование информации, передача ее внутрь клетки и где реа-
лизуется прямая и обратная связь с ядром, представляет собой
обширную систему перекрестносвязанных гетерогенных гликози-
лированных молекул. Эта область является своеобразным распре-
делительным щитом регуляторных сигналов, в котором молекулы
ганглиозидов могут выполнять роль триггеров, регуляторов или
трансдукторов, функции сигнальных молекул на стадии диф-
ференциации и участвовать в определении видовой и тканевой
специфичности.
127
Рис.4.5. Важность ганглиозидных кластеров мембран
в ориентировочном связывании лигандов и последующем
внутриклеточном ответе
4.8.4. Ганглиозиды и передача информации через
мембраны
Ганглиозиды участвуют в модулировании рецепторных функ-
ций.
Диапазон рецепторных свойств ганглиозидов широк: они
связывают токсины, вирусы, медиаторы и гормоны. Есть дан-
ные о том, что ганглиозиды потенциируют действие нейроро-
стового фактора и участвуют в рецепции интерферона.
Из всего множества индивидуальных ганглиозидов только
128
для девяти строго доказана специфичность связывания. Это
прежде всего моносиалоганглиозид GM1, который высокоспе-
цифично (с низкой константой диссоциации) взаимодействует
с холерным токсином, дофамином, тиротропином; а также пен-
та-, тетра-, три- и дисиалоганглиозиды — компоненты рецеп-
торного комплекса для токсинов, вирусов, гормонов (табл.4.9),
и дисиалоганглиозид GD3, который в эквимолекулярных соот-
ношениях соединяется с серотонином.
Таблица 4.9.
Сродство ганглиозидов головного мозга к различным лигандам
Лиганды Ганглиозид, обладающий преимущественным сродством к лиганду
Холерный токсин GMP GDlb
Столбнячный токсин GQlb> GDlb* GTlb
Ботулинический токсин GTIb
Токсин Е. coli GMI
Вирус Сендай GP1’ GQlb> GTla
Вирус гриппа GTlb’ GDlb
Дофамин GM1
Серотонин GD3
Интерферон GM2> GT1
Тиротропин GTlb> GDJb> GM1
Лютеотропин GTlb> GDJb
Гонадотропин GTlb
Фибронектин GTI’ GDla
Взаимодействие ганглиозидов с холерным токсином привлека-
ет особое внимание, что обусловлено широким использовани-
ем его для изучения механизмов действия нейрорецепторов. В
настоящее время наиболее изучен механизм взаимодействия
холерного токсина с моносиалоганглиозидом GM1. Некоторое
функциональное значение в опосредовании действия холерно-
го токсина, кроме G^, имеет дисиалоганглиозцд GD|b. Уста-
новлено, что взаимодействие между ними модифицирует струк-
туру холерного токсина и нарушает бислой мембраны. Олиго-
129
сахаридная часть моносиалоганглиозида GM1 связывается с уз-
нающей молекулой холерного токсина — протомером В, что вы-
зывает увеличение локальной плотности ганглиозидов, их ми-
целлообразование. Мицеллы ганглиозидов взаимодействуют с
регуляторной единицей холерного токсина — протомером А. Этот
протомер А обладает АДФ-рибозилирующей активностью. В ре-
зультате АДФ-рибозилирования компонентов некоторых из так
называемых медленных рецепторов происходит активация аде-
нилатциклазы (см. также гл.7 и 8).
Мицеллы ганглиозидов способствуют погружению протоме-
ра А в липидную фазу и транслокации протомера А внутрь клет-
ки. Чем выше концентрация ганглиозидов и мицеллообразова-
ние, тем выше рибозилтрансферазная активность протомера А.
Ганглиозиды в немицеллярной форме не способны “погрузить”
протомер А в мембрану.
Мицеллообразование ганглиозидов способствует, таким
образом, реорганизации липидного слоя, причем это свойство
зависит от структуры комплекса токсин-ганглиозид.
4.8.5. Участие ганглиозидов в дифференциации клеток
Была предложена модель клеточного цикла, в которой кро-
ме стадии покоя Go, неустойчивой и регулируемой цикличе-
скими нуклеотидами, постулируется стадия D-дифференциации^
контролируемая ганглиозидами. По мере формирования ней-
рон-нейрональных взаимодействий меняется структура и коли-
чество ганглиозидов и увеличивается число высокоаффинных
контактов.
Участвуя в дифференциации клеток, ганглиозиды увеличива-
ют время выживания клеток и вызывают морфологические из-
менения клеток, проявляя нейритогенный эффект (рис.4.6). Ней-
ритогенный эффект экзогенных ганглиозидов обнаружен в куль-
турах клеточных линий нейронального и хромаффинного про-
исхождения, в симпатических и парасимпатических ганглиях и
в нервно-мышечных препаратах.
На рис.4.6 представлен нейритогенный эффект моносиало-
ганглиозида GM1 в концентрации 10-4М на рост отростков спи-
нального ганглия эмбриона цыпленка. Экзогенные ганглиозиды
оказывают влияние на протяженность отростков, их число на
клетку (спрутинг) и на разветвленность отростков (арборизацию).
Интересно, что моносиалоганглиозид GM1 вызывает только уве-
личение длины аксонов, а три- и тетрасиалоганглиозиды в тех
же концентрациях усиливают спрутинг и арборизацию.
130
Рис.4.6. Нейритогенный эффект GM, (10~4 М) на рост отрост-
ков спинного ганглия эмбриона цыпленка
(А, В, Д — первые три дня без добавления GMJ;
Б, Г, Е — при добавлении GM])
4.8.6. Терапевтические эффекты ганглиозидов
Ганглиозиды in vivo обладают уникальными свойствами: при
введении в организм подкожно, внутримышечно или интрапе-
ритонеально они относительно длительное время сохраняются
в кровяном русле, лишены токсичности, в небольших количе-
ствах проникают через гемато-энцефалический барьер и ак-
тивно встраиваются в нейрональные мембраны. Они способст-
вуют репарации поврежденных аксонов, обладают выражен-
ными терапевтическими эффектами при травмах головного и
спинного мозга.
В настоящее время наиболее изучена молекулярная и био-
логическая роль в этих процессах моносиалоганглиозида GM1,
который при введении in vivo:
а) восстанавливает нейрохимические параметры дофаминер-
гических нейронов после нарушения нигростриатной системы,
131
усиливает захват дофамина и активность Тирозингидроксила-
зы;
б) восстанавливает нейрохимические характеристики при
частичной холинергической и глутаматергической деафферен-
тации гиппокампа, увеличивает активность холинацетилтранс-
феразы и ацетилхолинэстеразы;
в) восстанавливает высокоаффинный захват холина в коре
больших полушарий после нарушений ядер переднего мозга;
г) нормализует дисбаланс между активностью дофамин- и
серотонинергических нейронов, вызванный введением апомор-
фина;
д) оказывает рост-стимулирующий эффект и защитное дей-
ствие против вторичной дегенерации серотонин- и норадре-
нергических нейронов, вызванной нейротоксинами;
е) уменьшает церебральный отек и восстанавливает ионный
баланс после травмы;
ж) способствует регенерации зрительного нерва после пере-
резки.
С другой стороны, введение антител к GM] вызывает у раз-
вивающихся животных нарушение дендритной арборизации и
поведения, ухудшение обучаемости, появление эпилептиформ-
ной активности.
Моносиалоганглиозид GM1 хорошо внедряется в мембра-
ны, причем особенно хорошо встраивается молекула GM|,
имеющая в своем составе С 2о-эритросфингозин. Возможно, это
объясняется его более высокой способностью к мицеллообра-
зованию. Он образует дископодобные мицеллы с Мг=500 кД,
имеющие гидродинамический диаметр около 60 нм.
Интересно, что мицеллы из моносиалоганглиозида GM1 по-
тенциируют действие ионофора грамицидина D. Ганглиозид-
ные мицеллы с заключенными в них молекулами грамицидина
включаются в модельную мембрану из фосфатидилсерина и
изменяют ее проводимость для ионов калия. После добавле-
ния мицелл с ионофором увеличивается время открытия ион-
ных каналов и изменяется их амплитуда.
Таким образом, ганглиозидные мицеллы могут участво-
вать в ионтранспортном процессе в мембране, “маркируя” входы
в селективные ионные каналы.
О механизмах и функциональной последовательности дей-
ствия ганглиозидов известно мало. Встраивание экзогенных
ганглиозидов, приводящее к перестройке мембранных ансамб-
лей, изменяет ряд внутриклеточных процессов. Вызванная ганг-
132
лиозидами дифференциация сопровождается изменением ак-
тивности №,К-АТФазы, увеличением внутриклеточного уров-
ня цАМФ, уменьшением включения меченого тимидина в ДНК
и значительным удлинением фазы G( клеточного цикла. Вне-
дрение ганглиозидов вызывает немедленную перестройку мик-
рофиламентной и микротубулиновой системы клеток.
Включение в мембрану экзогенных ганглиозидов усиливает
аксональный ток гликозилированных белков и липидов, уве-
личивает количество гликопротеинов с терминальной манно-
зой. Внедрение моносиалоганглиозида GM1 увеличивает в мем-
бране количество эндогенных моносиалоганглиозидов и изме-
няет активность гликозилтрансфераз: усиливается активность
эктофукозилтрансферазы при неизменности активностей сиалил-
и галактозилтрансфераз. Внедрение в мембрану трисйалоганг-
лиозида GTlb вызывает противоположный эффект.
Недавно выявлено влияние индивидуальных ганглиозидов
на фосфорилирование гистона Н, и тубулина, причем в отноше-
нии фосфорилирования гистона были особенно эффективны
^ддь > Чг>1а > ^Tia > ^D3> а тубулина — GTlb > GTla > Gqlb
> GDla. Показано, что тетрасиалоганглиозид Gqlb проявляет
зависимое от концентрации влияние на активность Са2+ -фос-
фолипид-, Са2+-кальмодулин-, цАМФ- и цГМФ-активируемых
протеинкиназ.
4.8.7. Межклеточное гликозирование ганглиозидов
Своеобразный процесс межклеточного гликозилирования по-
верхностных гликолипидов и гликопротеинов осуществляется
ферментами мембран. Полагают, что гликозилтрансферазы од-
ной клеточной поверхности удлиняют, надстраивают (гликози-
лируют) олигосахаридные цепочки гликолипидов и гликопро-
теинов соседней, противоположной поверхности. Важная регу-
ляторная роль в этом процессе принадлежит ионам кальция. Са2+
препятствует образованию субстрат-ферментного комплекса
между ганглиозидами и гликозилтрансферазами, а вытеснение
его другими ионами способствует межклеточному гликозили-
рованию.
Контактное гликозилирование, как предполагаемый меха-
низм модификации клеточной поверхности в нейрональных
мембранах, может быть особенно значимым в образовании си-
напсов. Вероятно, при этом происходит некая “подгонка” кон-
тактирующих мембран.
133
Роль гликозилирования в синаптической области согласу-
ется с концепцией об участии сиалогликомакромолекул в си-
наптической передаче и формировании памяти. Полагают, что
вхождение сиало гликомакромолекул в контактные зоны явля-
ется важным звеном молекулярных механизмов в проторении
определенных нейрональных путей. Возможно, именно ганг-
лиозиды способствуют образованию ансамблей нейронов, ус-
тойчиво связанных друг с другом. Возникновение таких ансамб-
лей исключительно важно для хранения и передачи информации.
4.8.8. Электрогенность ганглиозидов и ее модификация
Необычайная молекулярная вариабельность ганглиозидов со-
четается с лабильной электрогенностью. Для каждой молекулы
ганглиозидов характерен свой отрицательный заряд, обуслов-
ленный карбоксильной группой сиаловой кислоты. На 1 г тка-
ни мозга приходится не менее 1,3 1018 анионных групп ганг-
лиозидов. Число анионных групп и, следовательно, уровень от-
рицательного заряда могут быть объектом регуляции. В этом
процессе особая роль принадлежит ферментам — нейрамини-
дазам и сиалилтрансферазам. Они определяют число молекул N-
ацетнлнейраминовой кислоты, присутствующих в ганглиозидах,
и через цикл сиалирования — десиалирования — отрицатель-
ный заряд поверхности.
Сиалилтрансферазы и нейраминидазы находятся на поверх-
ности синаптических мембран там же, где и субстраты, и явля-
ются внутренними компонентами синаптической области. В
синаптосомалъных мембранах содержится около половины ганг-
лиозидов, нейраминидаз и сиалилтрансфераз. Иначе говоря,
эти мембраны содержат в 5-6 раз больше ганглиозидов и в 6,5
раз больше нейраминидаз, чем другие плазматические мембра-
ны мозга.
Существенное влияние на поверхностный заряд ганглиози-
дов в мембране оказывает конформация нейраминовой кислоты
и ближайших радикалов. Отщеплению нейраминовой кислоты
препятствует соседний N-ацетилгалактозамин. В силу этого гли-
козидный кислород нейраминовой кислоты вместе с другими
атомами, включающими и карбоксильный кислород N-ацетил-
галактозамина, лежит как бы в “кислородной клетке”:
134
Gal NAc
Такая конфигурация атомов вокруг гликозидной связи защи-
щает ее от действия фермента и способствует сохранению от-
рицательного заряда молекулы. Иная картина наблюдается с
ганглиозидами, лишенными N-ацетилгалактозамина: GT3, GD3,
GM3> GM4
Нейраминовая кислота недоступна ферментам, когда кар-
боксильные группы близлежащих ганглиозидов соединены с
Са2+:
В этом случае исключено не только устранение N-ацетил-
нейраминовой кислоты, но и присоединение дополнительного
числа ее молекул сиалилтрансферазами.
135
4.8.9. Лактонные формы ганглиозидов
Между карбоксильной группой N-аиетилнейраминовой ки-
слоты и ее гидроксильными группами могут возникать внутри-
молекулярные взаимодействия, приводящие к образованию лак-
тонов — внутренних сложных эфиров.
В создании лактонов могут участвовать гидроксилы, распо-
ложенные у 4, 7, 8 и 9-го атомов углерода нейраминовой кисло-
ты. Лактоны могут возникать и с участием гидроксильных групп
соседней галактозы, приводя к образованию 6-членного коль-
ца:
Молекулы нейраминовой кислоты, находящиеся в димерной (а
2-8) связи, также образуют лактоны, по структуре аналогичные
лактонам коломиновой кислоты, в которой карбоксильная груп-
па одной молекулы связана с гидроксилом 7-го или 9-го атома
углерода соседней нейраминовой кислоты.
Лактоны были обнаружены в ганглиозидах мозга. В нейтраль-
ной или слабокислой среде терминальная молекула нейрамино-
вой кислоты полисиалоганглиозидов спонтанно образует лак-
тон, а в более кислой среде этот процесс затрагивает и другие
молекулы нейраминовой кислоты. Установлено, что ионы каль-
ция предотвращают образование лактонов в терминальных моле-
кулах нейраминовой кислоты.
Ганглиозиды, имеющие нейраминовую кислоту в лактон-
ной форме, обладают иными физико-химическими свойства-
ми, они не заряжены, нейтральны. Поэтому образование лак-
тонов является процессом, изменяющим заряд молекулы, и в
более общем виде является примером модификации структуры
отдельного компонента ганглиозидов, приводящей к измене-
нию информационной емкости всей сложной молекулы.
136
4.8.10.О-ацетилирование ганглиозидов — один из
возможных механизмов изменения их структуры
В структуре нейраминовой кислоты очень важна боковая по-
лигидроксильная группировка, уникальная среди олигосахарид-
ных компонентов поверхности:
Эта полигидроксильная группировка может быть дополнитель-
но ацетилирована и, возможно, метилирована. В природе из-
вестно несколько производных О-ацетилнейраминовых кислот,
в которых ацетилированы гидроксилы у 4, 7, 8 и 9-го атомов
углерода:
н
I ^ооссн3
CH CONH | I он
нс®
|0 1С00Н
7^нон
8 СИОН
9СН3ОН
н
I/OH
Hs.
LCONH^f
Аон
j o соон
CHOCOCHg
снон
сн2он
н
I ✓ОН
СН2
CH3CONH^| | J0H
НС.
I XCOOH
CHOH
I
CHOH
I
CH2OCOCH3
T
H
I ^OCOCH,
H. c 3
c**^ *'s'CH
CH CONH^I I 20H
1^0 ^COOH
CHOH
I
CHOH
I
CHjOCOCH3
137
с сщ
CH-CONH^f I 2
3 .J *^0H
HC.
|xo XCOOH
CHOCOCH3
CHOH
I
CH OCOCH3
A—N -ацет и л-4 Оацетил-
Б—N - ацетил-7 -О- ацетил -
В—N-ацетил-Э-О-ацетил-
Г—N-ацетил'4,9-ди-О*ацети л
Д— Ь1-ацетил*7,9-ди*О-ацетил-
-нейрамиковая кислота
Пока неизвестно, осуществляется ли модификация ганглио-
зидов ацетилированием ферментативно и что является источ-
ником ацетила.
Появление дополнительных ацетильных групп изменяет
структуру и конформацию нейраминовой кислоты и ее внутри-
и межмолекулярные взаимодействия. Оно делает ее менее дос-
тупной сиалилтрансферазам и резко меняет способность ганг-
лиозидов связывать металлы. Увеличивается структурное раз-
нообразие индивидуальных ганглиозидов. Участки поверхно-
сти, занятые ацетилированными ганглиозидами, будут иметь
иные архитектурные и опознавательно-информационные свой-
ства.
В настоящее время считают, что N-ацетилнейраминовая ки-
слота выполняет антиадгезивную роль в гликоконъюгатах по-
верхности, маскируя специальные рецепторные стороны. Ба-
ланс между сиало- и асиалоганглиозидами определяет адгезию
и узнавание клеток. Специфическое присоединение нейрами-
новой кислоты к рецепторам является одним из механизмов, с
помощью которого клетка модулирует свой потенциал узнавания
и изменяет свое поведение.
Таким образом, ганглиозиды вносят существенный вклад
в функции нейрональных мембран. Ганглиозиды несут много-
численные отрицательные заряды, образуя поверхностный ани-
онный слой с выраженным сродством к катионам. Все струк-
турные изменения ганглиозидов за счет гликозилирования, ре-
и десиалирования, ацетилирования, образования лактонов и
взаимодействия с ионами, гликопротеинами, фосфолипидами
и белками влияют, прежде всего, на их заряд и затрагивают
электрогенную природу мембран. Сочетание необычайной струк-
турной пластичности с лабильной электрогенностью и способ-
ностью к узнаванию других молекул делает эти уникальные со-
единения участниками проведения нервного импульса в ней-
ронах и регуляции этого процесса.
138
4.8.11. Иммунологические свойства ганглиозидов
Антитела специфически реагируют с олигосахаридной ча-
стью ганглиозидов независимо от того, прикреплена ли она к
липидам, белку, нуклеиновой кислоте. В последнее время на-
чинает вырисовываться и роль церамидной части в антигенных
свойствах ганглиозидов.
Введенные интрацеребрально антиганглиозидные антитела
нарушают функции ЦНС, причем эти изменения были следст-
вием нарушения синаптических контактов. Особенно полезны-
ми в такого рода исследованиях оказались анти-ОМ| антитела,
поскольку четко доказаны рецепторные функции GM1 и его
большая экспонированность и доступность антителам на по-
верхности клетки в экстраклеточном пространстве. Введение
анти-СМ1 антител ингибирует обучение путем блокирования
стадии консолидации, задерживает развитие молодых живот-
ных, блокирует обезболивание морфином и седативное дейст-
вие резерпина, нарушает некоторые холинергические функции
в гипоталамусе.
Как уже упоминалось выше, ганглиозиды могут обеспечивать
некоторые сигнальные механизмы, регулирующие последователь-
ность процессов развития ЦНС. Это подтвердилось при иссле-
довании поведенческих, морфологических и химических изме-
нений при введении анти-ОМ1 антител новорожденным жи-
вотным. У молодых животных наблюдался дефицит в обучае-
мости, потеря пирамидных клеток, тонких корешков дендри-
тов и миелина, а в соматосенсорном кортексе на 30% снижа-
лось содержание ганглиозидов, галактозилцерамида и РНК.
Точное выяснение дифференциального участия индивидуаль-
ных ганглиозидов в этих процессах может оказаться важней-
шим ключом к синаптическим механизмам.
В последние годы накапливаются факты о роли ганглиози-
дов как физиологических модуляторов иммунного ответа лимфо-
цитов. Следует отметить, что уникальной иммунологической
роли тимуса соответствует тот факт, что в составе его ганглио-
зидов преобладает N-гликолилнейраминовая кислота, присутст-
вие которой в олигосахаридной цепочке придает ганглиозидам
более выраженные антигенные свойства. При злокачественной
трансформации В- и Т-лимфоцитов (лимфомы) опухолевые
клетки “сбрасывают” со своей мембраны большое количество
ганглиозидов, которые способны ингибировать действие мак-
рофагов и естественных киллеров. С другой стороны, встраива-
ние ганглиозидов в мембрану активирует естественные килле-
ры и помогает уничтожать опухолевые клетки.
139
4.8.12. Ганглиозидозы
Ганглиозидозы — наследственные заболевания, характеризую-
щиеся распадом психических функций вплоть до идиотии, дегене-
рацией нейронов, демиелинизацией, прогрессирующим депонирова-
нием ганглиозидов в цитоплазме нейронов.
В 1881 г. британский офтальмолог У.Тей впервые описал вро-
жденное заболевание, связанное с метаболизмом ганглиозидов.
Оно теперь известно как болезнь Тей-Сакса, или СМ2-ганглио-
зидоз. Второе нарушение обмена ганглиозидов — GMI -ганглио-
зидоз — было открыто на 84 года позже, в 1965 г. Описанные
заболевания имеют пять общих признаков: 1) прогрессирую-
щие умственные и двигательные расстройства с началом в дет-
стве и летальным исходом; 2) аутосомальное рецессивное на-
следование; 3) нейрональный липидоз с накоплением GM1 или
GM2 (иногда их содержание увеличивается в 100-300 раз); 4)
накопление структурно-родственных гликолипидов, гликопро-
теинов, полисахаридов; 5) отсутствие или серьезный дефицит
специфических лизосомальных гликогидролаз.
В последние годы к известным формам ганглиозидозов при-
бавились врожденные нарушения, связанные с дефицитом фер-
ментов сиалидаз и фукозвдаз.
4.9. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ЛИПИДОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ
Наиболее быстрое увеличение содержания липидов мозга на-
блюдается после периода интенсивного синтеза ДНК и белка,
т.е. в период, когда происходит рост нейронов, глиальный ми-
тоз, аксодендритная пролиферация, формирование синаптиче-
ских связей и, наконец, миелинизация (табл.4.10).
До миелинизации липидный состав мозга сходен с другими
органами, но миелинизация драматически изменяет состав липи-
доз мозга. Правда, даже после завершения миелинизации (у че-
ловека этот период занимает более 20 лет) содержание общих
липидов в мозге человека продолжает увеличиваться до 30 лет и
только после этого начинается их медленное снижение. При-
чем это снижение касается прежде всего фосфолипидов и жир-
ных кислот и едва ощутимо затрагивает содержание холестери-
на и цереброзидов.
Липиды развивающегося мозга подразделяют на 4 группы на
основе преимущественных изменений в период миелинизации.
Рассмотрим это на примере мозга крысы как объекта наиболее
140
изученного, у которого постнатальная миелинизация наиболее
выражена в период с 21-го по 40-й день.
Таблица 4.10.
Содержание основных ганглиозидов мозга человека (в%)
(G.O'Brien, 1978)
Ганглиозиды Серое вещество Белое вещество
новорожденные взрослые новорожденные взрослые
GM3 1 — 1 —
GM2 3,6 1,7 6,9 1,9
GM1 14,6 12,8 19,1 12,6
GDla 71,6 22,8 57,8 18,4
GDJb 1,8 23,5 2,1 30,4
GT| 7,3 31,2 3,4 27,9
Первая группа липидов — эфиры холестерина и ганглиози-
ды. Концентрация их резко меняется в первые 6 дней постна-
тального развития крыс. Содержание эфиров холестерина умень-
шается от 2 мкмолей на 1 г сырой массы до концентрации,
составляющей менее 5% от начальной. У крыс это снижение
происходит задолго до начала миелинизации, что отражает про-
лиферацию клеток или очень раннюю дифференциацию гли-
альных клеток.
Ганглиозиды на 3-й день постнатального развития составля-
ют 27% от содержания во взрослом организме. Концентрация
ганглиозидов за 24 последующих дня быстро увеличивается, дос-
тигая 90% от уровня взрослого животного. Спектр индивиду-
альных ганглиозидов также меняется: при рождении преобла-
дает моносиалоганглиозид G^y, а мтем увеличивается содер-
жание дисиалоганглиозидов. Увеличение количества ганглио-
зидов и изменение их состава связано с ростом аксонов и ден-
дритов.
Вторая группа включает цереброзиды, сульфатиды, сфинго-
миелин, трифосфоинозитиды, фосфатидные кислоты, галакто-
зилдиглицериды. На 3-й день постнатального развития их кон-
центрация невелика (менее 10% от уровня взрослого), а затем
резко увеличивается в период от 12-го до 18-го дня. Пять пер-
вых перечисленных липидов являются основными компонен-
141
тами миелиновых мембран, их низкая концентрация при рож-
дении подтверждает, что они локализованы в специальных мем-
бранных структурах, которые появляются в мозге во время мие-
линизации. Полифосфоинозитиды и фосфатидные кислоты от-
личаются от других липидов этой группы, так как они продол-
жают заметно увеличиваться и после 24 дней, когда уровень
других липидов этой группы стабилизируется.
Третья группа липидов включает фосфатидальэтаноламин,
фосфатидальхолин, холестерин, фосфатидилсерин, фосфати-
дилглицерин, концентрация которых составляет 12-34% от уров-
ня взрослого организма и увеличивается во время миелиниза-
ции, но не столь значительно, как у липидов второй группы.
Первые три представителя этой группы локализованы в мем-
бранах миелина и нарастание их связано с миелинизацией.
Четвертая группа липидов охватывает три липида мозга —
фосфатидилэтаноламин (ФЭ), фосфатидилхолин (ФХ) и моно-
фосфоинозитид, концентрация которых составляет 50-59% от
содержания взрослого мозга и очень медленно увеличивается в
период развития. Известно, что эти липиды являются повсеме-
стными компонентами большинства мембранных структур и
спектр их изменений не связан с преимущественными измене-
ниями каких-либо специфических мембранных образований.
Но в ходе онтогенеза в мембранах мозга увеличивается отноше-
ние ФЭ:ФХ и количество сфингомиелина. Диацильные формы
фосфолипидов заменяются на плазмалогенные и значительно
увеличивается микровязкость мембран.
Таким образом, различные классы липидов характеризу-
ются индивидуальным характером накопления в период созре-
вания мозга.
Выводы
1. Для нервной ткани характерно особенно высокое содер-
жание липидов — до 50% от сухой массы ткани. Наряду с этим
установлено огромное разнообразие и наличие специфических
только для мозга индивидуальных липидов.
2. Фосфолипиды нервной ткани составляют до 70% от сум-
марного содержания липидов в сером веществе и до 45-50% —
в белом веществе мозга. Обнаружена необычайно высокая гете-
рогенность фосфолипидов мозга по сравнению с висцеральны-
ми органами.
3. Основной представитель стеролов в нервной ткани — хо-
лестерин, на долю которого приходится около 25% от суммар-
142
ного содержания липидов. В то же время в мозге взрослых жи-
вотных мало эфиров холестерина.
4. Значительная часть сфинголипидов мозга представлена га-
лактоцереброзидами и галактосульфатидами, количество кото-
рых в белом веществе значительно выше, чем в сером. Для моз-
га характерна высокая концентрация и большое разнообразие
индивидуальных ганглиозидов.
5. Уровень свободных жирных кислот в мозге весьма неве-
лик; напротив, установлено высокое содержание и огромное
разнообразие жирных кислот в липидах нервной ткани. Основ-
ную массу жирных кислот липидов мозга составляют пальми-
тиновая 16:0, стеариновая 18:0, олеиновая 18:1 и арахидоновая
20:4 кислоты. В мозге идентифицировано около 40 индивиду-
альных жирных кислот, в том числе полиненасыщенных, длин-
ноцепочечных и гидрокислот, которыми особенно богаты це-
реброзиды и сульфатиды. Гетерогенность жирных кислот ли-
пидов мозга лежит в основе структурной лабильности мембран
и определяет их важнейшие физико-химические свойства.
б. Содержание и соотношение отдельных классов липидов
значительно изменяются в ходе развития и дифференцировки
мозга. Наиболее интенсивно эти процессы протекают в раннем
постнатальном онтогенезе.
7. Установлены существенные различия в липидном составе
важнейших мембранных образований нервной ткани. Обраща-
ет на себя внимание высокое содержание и чрезвычайное раз-
нообразие ганглиозидов, особенно в мембранах нервных окон-
чаний и в дендритах. Именно здесь наиболее полно проявляет-
ся функциональная роль этих специфических липидов, участ-
вующих в связывании различных катионов (Na+, К+, Са2+ и
др.), в процессах адгезии, в обеспечении иммунохимической
специфичности и др.
8. Специфическими липидными компонентами миелина яв-
ляются цереброзиды и сульфоцереброзиды; установлено высо-
кое содержание в миелине холестерина (20-25%) и фосфолипи-
дов (40-45% от суммарного содержания липидов), в том числе
плазмалогенов, доля которых в миелине составляет более 90%
от его количества в целом мозге.
9. Липиды мембран мозга организованы в бислой с планар-
ной и поперечной асимметричностью размещения липидов по
слоям. Она поддерживается механизмами, учитывающими струк-
туру липидов, их ненасыщенность, стереоконфигурацию поляр-
ных групп, специфичность липид-переносящих белков, фер-
ментативные превращения липидов.
10. Динамичность липидного бислоя определяется интрамо-
143
лекулярными движениями (латеральная и вращательная диф-
фузии, вертикальные колебания, флип-флоп) и фазовыми пе-
реходами липидов, что создает основу для структурных пере-
строек в мембранах.
11. Липиды бислоя принимают участие в передаче информа-
ции через мембрану и в осуществлении внутриклеточного отве-
та.
12. Организованная многослойная структура миелина, имею-
щая самое высокое содержание липидов, поддерживается длин-
но- и короткорадиусными взаимодействиями между липидами
и основным и протеолипидным белками. Формирование мие-
лина является сложным синхронизированным процессом взаи-
модействия аксона и глии, любое его нарушение вызывает де-
миелинизацию.
13. Экстраклеточный матрикс мембран мозга представляет
собой комплексную, динамичную систему, где происходит рас-
пределение регуляторных сигналов, передача информации внутрь
клетки, реализуется прямая и обратная связь с ядром.
14. Специфичность экстраклеточного матрикса определяет-
ся первичной структурой, организацией и площадью, занимае-
мой гликолипидами и гликопротеинами. Экстраклеточный мат-
рикс нейрональных мембран обогащен разнообразными ганг-
лиозидами.
144
Глава 5. Энергетический обмен головного мозга
Н.Д. Ещенко
Изучение энергетического обмена в головном мозге привле-
кает особое внимание нейрохимиков и нейрофизиологов. При
углубленном изучении деятельности мозга выяснено, что про-
цессы, лежащие в основе таких специфических лишь для нерв-
ной ткани явлений, как проведение нервных импульсов, возбу-
димость, способность к хранению и переработке поступающей
информации (память), а также многочисленные биохимические
и биофизические процессы, связанные с поддержанием свое-
образной пространственно-функциональной архитектоники
мозга, с непрерывным образованием функциональных ансамб-
лей нейронов, с обновлением и образованием синаптических
структур и других, протекают с очень значительными энергети-
ческими затратами.
Эти наблюдения, а также наличие теснейшей связи между
окислительными процессами и функциональной активностью
нервной ткани позволили сформулировать принципиально важ-
ное положение о том, что интенсивность энергетического обме-
на является одним из ведущих факторов, лимитирующих деятель-
ность мозга. Большой вклад в обоснование данного положения
внесен основоположниками функциональной нейрохимии —
Е.С.Лондоном, А.В.Палладиным, Г.Е.Владимировым, М.И.Про-
хоровой, Г.Мак-Ильвейном, Г.Кребсом, Л.Соколовым,
Б.Съёшио и др.
5.1. ПОТРЕБЛЕНИЕ ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ КИСЛОРОДА
Одним из важнейших показателей, характеризующих интен-
сивность энергетического обмена, служит скорость дыхания. При
определении артериовенозной разницы по кислороду, выпол-
ненном на интактных животных или людях, было установлено,
что потребление кислорода мозгом человека составляет в сред-
нем 1,5-1.7 мкмоль г-1 мин-1, а мозгом крыс — 4,6-4,9
мкмоль-г~ -мин-1.
С помощью различных методических приемов показано, что
по интенсивности дыхания головной мозг занимает ведущее
место среди крупных органов и тканей. В качестве примера
можно привести данные о среднем потреблении кислорода тка-
145
нями взрослых крыс (ммоль О2, за 1 ч в расчете на 1 г сухой
массы):
Головной мозг (кора больших полушарий) 5,43
Сердце
интенсивная работа 4,20
покой 3,06
Почки ' 2,40
Печень' 1,80
Головной мозг, составляющий не более 2% от массы тела,
потребляет до 20-25% от всего поступающего в организм коли-
чества кислорода; более того, у новорожденных животных или
человека на дыхание головного мозга может расходоваться до
50% от общего количества кислорода, потребляемого организ-
мом.
Сопоставление дыхания разных отделов мозга животных по-
казывает общую закономерность: снижение интенсивности ды-
хания по мере перехода от филогенетически более молодых перед-
них отделов мозга к более старым задним отделам. Максималь-
ная интенсивность дыхания установлена в коре больших полу-
шарий; далее по скорости поглощения кислорода отделы мозга
можно расположить в такой убывающей последовательности:
мозжечок и промежуточный мозг > средний и продолговатый
мозг > спинной мозг. Различия в интенсивности дыхания от-
дельных зон коры больших полушарий (двигательная, слухо-
вая, зрительная зоны и др.) выражены слабо.
Высокая интенсивность окислительных реакций характерна
не для всей нервной ткани; установлено, что периферические
нервы используют лишь около 3% того кислорода, который по-
требляется эквивалентным по массе количеством ткани из цен-
тральных отделов нервной системы. В литературе имеются про-
тиворечивые данные о сравнительной интенсивности дыхания
двух важнейших типов клеток нервной системы: нейрональных
и нейроглиальных. Большинство исследователей указывают на
значительно более интенсивные окислительные процессы (с раз-
ницей в 5 раз и более) в нейронах по сравнению с нейроглиальны-
ми клетками. Следует, однако, отметить, что сравнение интен-
сивности дыхания нейрональных и нейроглиальных клеток со-
пряжено с определенными методическими трудностями, по-
скольку практически отсутствуют надежные и быстрые методы
получения интактных клеток мозга, не загрязненных миелином
и другими примесями.
Учитывая парциальные объемы отдельных типов клеток и
структур мозга, а также данные об интенсивности их дыхания,
146
можно приблизительно оценить вклад нейронов и глии в об-
щее потребление (К Для коры больших полушарий крыс уста-
новлено, что около/0% от общего поглощения кислорода при-
ходится на нейроны, а примерно 30% — на глиальные клетки,
причем перикарион нейронов, занимающий около 5% объема в
коре больших полушарий, потребляет до 25% кислорода; си-
наптические окончания, занимающие около 15% объема, —
примерно 10% кислорода.
5.2. ПОТРЕБЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ
Наряду с высокой скоростью дыхания для мозга характерно
интенсивное потребление глюкозы крови. Ни один орган не
поглощает глюкозу крови с такой скоростью и в таких количе-
ствах, как мозг, и ни для одной ткани организма не отмечено
такой острой потребности в этом субстрате окисления для под-
держания нормального функционального состояния. Головным
мозгом потребляется до 70% глюкозы, образующейся в печени
и выделяющейся из нее в кровь. Потребление глюкозы мозгом
взрослого человека, рассчитанное по артериовенозной разни-
це, составляет в среднем 0,25-0,30 мкмоль-г-1 мин-1. У мелких
лабораторных животных (крыс, мышей) этот показатель выше
и в среднем равен 0,60-0,80 мкмоль-г-1-мин~1.
Эти данные позволяют считать, что глюкоза является основ-
ным субстратом окисления в головном мозге. Определение ды-
хательного коэффициента полностью подтверждает такое пред-
положение. Действительно, по данным Г.Мак-Ильвейна, для
головного мозга взрослого человека артериовенозная разница
по кислороду равна 6,7±0,8 мл О2/Ю0 мл протекающей крови,
а по диоксиду углерода — 6,6±0,8 мл СО2/100 мл крови. Други-
ми словами, количество потребляемого мозгом О2 практически
эквивалентно количеству выделяемого им СО2; дыхательный ко-
эффициент близок к единице', по расчетам Г.Мак-Ильвейна, он
составляет 0,99±0,03. Это говорит о том, что преимуществен-
ным путем метаболизма глюкозы в головном мозге является ее
окисление в реакциях аэробного гликолиза, сопряженных с ре-
акциями цикла трикарбоновых кислот.
Расчеты, проведенные на основании многочисленных экс-
периментов с глюкозой, содержащей 14С в различных положе-
ниях углеродной цепи, показывают, что около 85-90% глюко-
зы, потребляемой мозгом взрослого животного, полностью окис-
ляется до СО2 и Н2О; около 5% расходуется в реакциях гликоли-
за с образованием молочной кислоты и лишь 5-7% использует-
147
ся в других реакциях (синтез гликогена, синтез церамидной час-
ти гликолипидов и гликопротеидов, нейротрансмиттеров и др.).
В некоторых случаях, например в экспериментах на мелких ла-
бораторных животных (белые крысы, мыши) с использованием
введенной интрацистернально глюкозы 14С, показана возмож-
ность полного 100% окисления этого субстрата до СО2 и Н2О.
Необычайная зависимость функционирования головного
мозга от постоянного притока глюкозы из крови объясняется
прежде всего тем, что собственные запасы данного углевода в
мозговой ткани чрезвычайно малы по сравнению с высокой ин-
тенсивностью его окисления. По данным многих исследовате-
лей, содержание глюкозы в мозге животных и человека состав-
ляет в среднем 1,5-4,5 мкмольг-1. Даже при условии использо-
вания глюкозы только для окисления ее запасы в мозге могут
быть полностью исчерпаны за 3-6 мин.
При уменьшении уровня глюкозы в крови печень, почки,
скелетные и сердечная мышцы для. поддержания энергетиче-
ского баланса и сохранения функциональной активности спо-
собны окислять целый ряд других субстратов (аминокислоты,
лактат, жирные кислоты, кетоновые тела и др.). Головной же
мозг в этих условиях продолжает потреблять по-прежнему вы-
сокие количества глюкозы и кислорода. И лишь при снижении
концентрации глюкозы крови ниже критических величин (тя-
желая гипогликемия) значительно падает потребление мозговой
тканью как глюкозы, так и кислорода и развивается коматозное
состояние с потерей сознания.
Попытки компенсировать развитие комы и поддерживать
энергетический баланс головного мозга путем введения живот-
ным различных метаболитов глюкозы (гексозофосфатов, лакта-
та, пирувата, фруктозы, галактозы и др.) даже в весьма значи-
тельных количествах были неудачными; при гипогликемиче-
ской коме лишь внутривенные инъекции глюкозы могут нормали-
зовать энергетический метаболизм мозга и вывести животное
из коматозного состояния. Эти наблюдения указывают на весь-
ма ограниченную способность головного мозга компенсировать
уменьшенное поступление глюкозы за счет окисления других
энергетических субстратов. Основной причиной этого является
низкая проницаемость гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) в
мозге взрослых животных для других субстратов окисления.
Транспорт глюкозы в мозг осуществляется преимуществен-
но с помощью специальной системы переносчиков, активно функ-
ционирующей в широких пределах концентраций глюкозы в
крови — от 2,75 до 16,50 мкмоль мл-1. На долю пассивной диф-
148
фузии приходится не более 5% от общего потока глюкозы.
Исследования активного переноса глюкозы через ГЭБ, вы-
полненные in vitro на препаратах капилляров мозга, которые
рассматривают как анатомический локус ГЭБ, работы на куль-
туре клеток мозга, а также эксперименты in vivoc 14С-глюкозой
или ее дериватами, позволили установить основные характери-
стики этого процесса. В табл.5.1 приведены некоторые кинети-
ческие параметры транспорта глюкозы и ряда других соедине-
ний через ГЭБ. Сравнение значений Км и Vm позволяет убе-
диться, насколько активнее переносится черезТЭБ глюкоза по
сравнению с другими веществами.
Если сопоставить приведенные в табл. 5.1 Км и Vmax со сред-
ними значениями потребления этого субстрата мозгом крыс (0,6-
0,9 мкмоль-мин-1г-1), то становится очевидно, что в нормаль-
ных физиологических условиях поступление глюкозы через ГЭБ
не лимитирует ее метаболизм. Однако при гипогликемии или
усиленном использовании глюкозы, например нри интенсифи-
кации гликолиза в условиях дефицита кислорода или при судо-
рогах, скорость переноса глюкозы через ГЭБ может ограничи-
вать начальные этапы ее метаболизма.
Таблица 5.1.
Характеристика транспортных систем гематоэнцефалического
барьера (по W.Pardridge, G.Oldendorf, 1977)
Транспортируемые соединения Преимущественный субстрат Км. мМ V шах’ । 1 МКМОЛЬМИН^Г'1
Гексозы Глюкоза 9 1600
Монокарбоновые кислоты Лактат 1,9 120
Нейтральные аминокислоты Фенилаланин 0,12 30
Основные аминокислоты Лизин 0,1 6
Амины Холин 0,22 6
Пурины Аденин 0,027 1
Нуклеозиды Аденозин 0,018 0,7
Потребность мозга в кислороде и глюкозе заметно изменяется
в ходе онтогенеза, значительно повышаясь с его ростом и диф-
149
ференцировкой, а также формированием отдельных структур-
но-функциональных ансамблей нейронов. По мере развития
головного мозга скорость окисления глюкозы в нем возрастает
и одновременно увеличивается зависимость функциональной
активности нейронов от интенсивности окислительных процес-
сов как источника энергии.
5.3. ГЛИКОГЕН КАК ВОЗМОЖНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ИСТОЧНИК В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ
Сопоставление данных содержания глюкозы в мозге разных
животных и скорости ее потребления мозговой тканью показы-
вает, сколь незначительны собственные ресурсы этого метабо-
лита в мозге, и объясняет отмеченную зависимость функцио-
нальной активности головного мозга от поступления углеводов
с кровью. Возникает вопрос, в какой мере уровень глюкозы в
мозге может поддерживаться за счет гликогена.
Уровень этого полисахарида в мозговой ткани разных жи-
вотных составляет в среднем 2,5-4,5 мкмоль г-1 (в расчете на
глюкозу). Общее содержание гликогена в мозге эмбрионов и
новорожденных животных значительно выше, чем в мозге взрос-
лых. Например, в мозге у новорожденных мышей гликогена в 3
раза больше, чем в мозге взрослых животных. По мере роста и
дифференцировки мозга, а также возрастания зависимости функ-
ционального состояния мозга от скорости дыхания концентра-
ция гликогена быстро снижается и далее в мозге взрослого жи-
вотного поддерживается относительно постоянной. Эти изме-
нения связывают с быстрой активацией фосфорилазной систе-
мы в первые дни постнатального развития и с повышением ее
чувствительности к различным регуляторным воздействиям, в
частности к гормональной регуляции.
Гликоген в качестве субстрата участвует в энергетическом
обмене. В экспериментах, выполненных на кошках, к перфузи-
онной жидкости добавляли глюкозу 1-614С. Анализ СО2 в отте-
кающей от мозга крови показал разбавление 14СО2, образую-
щегося из меченой глюкозы, нерадиоактивной углекислотой,
источником которой служил окисляющийся гликоген мозга. Рас-
четы показывают, что лишь до 7-10% энергетических потреб-
ностей головного мозга могут покрываться за счет расщепле-
ния гликогена.
В качестве энергетического источника используется свобод-
ная фракция гликогена, на долю которой приходится около 20-
25% от общего содержания углевода в мозге. Остальная часть
150
гликогена находится в связанном состоянии (главным образом
с белками) — это наиболее интенсивно обновляющаяся фрак-
ция гликогена. Именно за счет связанного гликогена происхо-
дит пополнение фонда расщепляющейся (с последующим окис-
лением глюкозы) свободной фракции. Особенно важное значе-
ние этот субстрат имеет в головном мозге при экстремальных
состояниях, когда уменьшается поступление в мозг глюкозы
крови. Однако из-за небольших размеров пула гликогена в моз-
ге полное расщепление его до глюкозы с последующим окисле-
нием может произойти в течение 5-7 мин.
Таким образом, собственные углеводные запасы в нерв-
ной ткани относительно невелики и не могут обеспечить энер-
гетические потребности нормально функционирующего голов-
ного мозга в течение длительного времени. Это обстоятельство
наряду с отмеченной ограниченной способностью мозга исполь-
зовать другие субстраты окисления лежит в основе характерной
для нервной ткани зависимости от постоянного поступления
глюкозы из крови.
Для того чтобы понять, каким образом в головном мозге обес-
печивается высокий уровень энергетического обмена, за счет
чего глюкоза используется почти полностью именно в реакци-
ях окисления и для обеспечения энергетических потребностей
ткани, а не в других метаболических процессах, необходимо
более детально рассмотреть вопросы регуляции скоростей ос-
новных путей окисления — гликолиза и цикла трикарбоновых
кислот.
5.4. АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В ГОЛОВНОМ
МОЗГЕ И МЕХАНИЗМЫ ЕГО РЕГУЛЯЦИИ
В последние годы в литературе появились сведения о специ-
фичности регуляторных механизмов, контролирующих метабо-
лизм глюкозы в функционально различных органах и тканях в
условиях интактного организма. Особое внимание исследова-
телей сосредоточено на изучении соотношения активностей и
механизмов контроля над теми ферментами, которые конкури-
руют за использование субстратов, стоящих в точках перекре-
ста нескольких метаболических путей. Имеются лишь единич-
ные публикации, посвященные исследованию механизмов, обес-
печивающих высокую интенсивность энергетического обмена
мозга in vivo, а также регуляции метаболизма мозга. Это объяс-
няется сложной и гетерогенной структурой, наличием ГЭБ и
рядом других причин, затрудняющих интерпретацию экспери-
151
ментальных данных и экстраполяцию результатов, полученных
in vitro, на мозг интактного животного. Многие аспекты этой
важной и сложной проблемы требуют дальнейших углубленных
нейрохимических исследований.
5.4.1. Пути утилизации глюкозы в мозге; гликолиз и
механизмы, контролирующие его скорость
Последовательность реакций аэробного гликолиза, а также
средние значения активностей ферментов, катализирующих
отдельные стадии, приведены на схеме 5.1.
Из сопоставления активностей ферментов видно, что наибо-
лее медленными реакциями, которые могут лимитировать ско-
рость потока метаболитов по гликолитической цепи, являются
гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции.
Представление о количественном соотношении промежуточ-
ных компонентов гликолиза дают следующие средние резуль-
таты определения уровня метаболитов (мкмоль • г-1 сырой мас-
сы) в головном мозге крыс ( B.Siesjo, 1978):
Гликоген 1,9 - 3,8
УДФ-глюкоза 0,08 -0,17
Глюкоза 1,52 - 3,70
Глюкозо-6-фосфат 0,039- 0,049
Фруктозо-6-фосфат 0,017- 0,023
Фруктозо-1,6-дифосфат 0,010-0,017
Дигидроацетонфосфат 0,024
2- Глицероальдегидфосфат 0,021-0,046
З-Фосфоглицерат 0,100- 0,085
2-Фосфоглицерат 0,010- 0,016
Фосфоенолпируват 0,035- 0,097
Пируват 0,120- 0,190
Лактат 1,26 - 1,70
Гексокиназная реакция. Первым этапом на пути вовлечения
свободной D-глюкозы, поступающей в мозг из крови, в разно-
образные метаболические превращения служит реакция фосфо-
рилирования, катализируемая гексокиназой (АТФ: D-глюкоза-б-
фосфотрансфераза, 2.7.1.1). Для регуляции энергетического ме-
таболизма в головном мозге гексокиназная реакция имеет осо-
бое значение, так как она является основным поставщиком (до
90-95%) глюкозо-б-фосфата, необходимого для дальнейших пре-
вращений. В других тканях, таких как печень, сердечная и ске-
летная мышцы и др., источником большей части глюкозо-6-
152
Схема 51. Последовательность реакций гликолиза (по В.К. Siesjo,
1978; F.LeongSai et al., 1981); в скобках на схеме приведены сред-
ние значения активности ферментов в головном мозге белых крыс
(мкмоль г~^ч~})
гликоген
^фосфорилаза (660)
глюкозо-1 -фосфат
фосфоглюкомутаза' (1200)
Глюкоза глюкозо-6-фосфат
гексокиназа i
(390) I фосфогексоизомераза (10300)
фру ктозо-6- фосфат
фосфофруктокиназа (510)
фруктозе-1,6-дифосфат
^альдо/иза (720)
СЗ-фосфоглмцериновый альдегид
и
фософодиоксиацетон
^изомераза фосфо триоз
3-фосфоглицериноеый альдегид
I дегидрогеназа фосфоглицеринового
I альдегида (1000)
1,3-дифосфоглицериновая кислота
^дифосфоглицератфосфокиназа (> 1000)
3-фосфоглицериновая кислота
фосфоглицеромутаза (> 1000)
2-фосфоглицериновая кислота
^емолаза (1600)
фосфоенол пируват
фосфоенолпируеаткиназа (1400)
пируват
I лактатдегидрогеназа :(1500)
лактат
153
фосфата служит реакция растепления гликогена или реакции
глюконеогенеза.
Гексокиназная реакция является доминирующим путем по-
полнения пула метаболитов гликолиза в мозге, поскольку, как
уже упоминалось, глюкоза представляет собой основной энер-
гетический субстрат в этой ткани. Окисление иных энергетиче-
ских субстратов и ввод компонентов в гликолитическую цепь
через другие реакции (фосфотриозы и др.) в нервной ткани не
имеет существенного значения. Все это позволяет рассматри-
вать гексокиназную реакцию как первый пункт контроля над
скоростью энергетического обмена в головном мозге. Лишь в
экстремальных ситуациях — при резкой гипогликемии или в
условиях чрезвычайно интенсивного гликолиза при кислород-
ной недостаточности — лимитирующим этапом может стать
транспорт глюкозы через ГЭЕ.
Активность гексокиназы мозга относительно невелика, осо-
бенно по сравнению с активностью других ферментов гликоли-
за; в среднем она составляет 350-450 мкмоль субстрата-г^’-ч-1.
Эта величина в 5-10 раз превышает среднюю скорость поступ-
ления глюкозы в мозг. Более того, при сопоставлении активно-
сти фермента в различных тканях максимальные величины по-
лучены рядом авторов именно в экспериментах с головным
мозгом.
Распределение фермента в нервных клетках неравномерно; с
помощью гистохимических, иммунохимических методов, а также
при исследовании обогащенных препаратов установлена более
высокая активность гексокиназы в нейронах, особенно в си-
наптических окончаниях, по сравнению с олигодендроглией.
Интересная особенность отмечена при изучении распреде-
ления фермента между компартментами клетки: в отличие от
ряда других тканей в мозге основная часть (до 80%) гексокина-
зы сосредоточена не в цитоплазме, а в митохондриях. В связы-
вании фермента с внешней митохондриальной мембраной уча-
ствует специфический белоку детальные исследования свойств
которого указывают на идентичность его с белком, формирую-
щим поры. На прочность взаимодействия гексокиназы с мем-
бранным белком оказывает влияние фосфолипидный компо-
нент мембраны (наиболее активным оказался дифосфоинози-
тид). Причины такого своеобразного внутриклеточного распре-
деления гексокиназы в мозге пока не совсем ясны, но имеются
предположения, что такая локализация обеспечивает более бы-
строе и эффективное фосфорилирование глюкозы за счет АТФ,
синтезированного в митохондриях.
Необходимо отметить, что из четырех известных изофермен-
тов гексокиназы — ГКг, ГКц, ГКщ, rKIV (глюкокиназа) в моз-
ге встречается лишь первые два, причем на долю ГК[ приходит-
ся около 90% суммарной активности. Именно для этих двух
изоферментов наиболее выражена способность связываться с
внешней митохондриальной мембраной.
Связывание гексокиназы — обратимый процесс, на соотно-
шение между связанной и солюбилизированной формами фер-
мента влияет ряд факторов, в первую очередь — отношение
АТФ/АДФ, концентрация неорганического фосфата и глюко-
зо-6-фосфата, а также уровень свободных жирных кислот. Дей-
ствие указанных факторов проявляется в пределах их физиоло-
гических концентраций; это дало Вильсону основание предпо-
ложить, что изменение субклеточного распределения гексокиназы
служит важным механизмом регуляции активности фермента in
vivo.
Такое предположение очень интересно, ^поскольку мем-
бранно-связанная гексокиназа более активна, чем цитоплазма-
тическая форма: значение Км для АТФ митохондриального фер-
мента в 3 раза ниже, чем у солюбилизированного. Кроме того,
связанная форма гексокиназы в меньшей степени ингибирует-
ся глюкозо-6-фосфатом. Установлено, что значение Kj солиби-
лизированной формы гексокиназы равна в среднем (3,0-
4,0)10"6М, а митохондриальной — (8,0-9,5)40"; для срав-
нения можно привести средние значения концентрации глю-
козо-6-фосфата в цитоплазме, где в основном сосредоточен этот
метаболит — (6,0-6,5)40"5М.
Накопление в клетках аденозинтрифосфата и возрастание от-
ношения АТФ/АДФ приводит к усилению солюбилизации гексо-
киназы, что вызывает замедление скорости фосфорилирования
глюкозы и, следовательно, торможение гликолиза. Напротив, при
уменьшении уровня АТФ в клетке происходит новое связыва-
ние фермента с ионами магния в митохондриальной мембране,
которое вследствие указанной разницы значений Kj ведет к ос-
вобождению фермента от ингибирования глюкозо-6-фосфатом
и повышению скорости реакции фосфорилирования субстрата.
В мозге интактных животных гексокиназа находится пре-
имущественно в ингибированном состоянии. Исследования, вы-
полненные in vivo, показали резкое повышение количества свя-
занного фермента при усилении гликолиза и, напротив, воз-
растание доли солюбилизированной гексокиназы при сниже-
нии скорости гликолиза в условиях анестезии.
Таким образом, быстрые взаимопереходы солюбилизиро-
ванной и связанной с митохондриями гексокиназы обеспечи-
155
вают значительный “запас мощности” фермента, позволяя бы-
стро менять скорость фосфорилирования глюкозы при сдвигах
в энергетическом балансе мозга без изменения скорости синте-
за фермента. Этот механизм контроля активности гексокиназы,
чутко реагирующий на сдвиги таких балансовых показателей
энергетического обмена, как отношение АТФ/АДФ, уровень не-
органического фосфата, несомненно играет большую роль в ре-
гуляции энергетического метаболизма мозга.
Соотношение путей метаболизма глюкозо-б-фосфата в мозге.
Как известно, глюкозо-6-фосфат, образующийся в гексокиназ-
ной реакции, может быть использован в качестве исходного
субстрата в нескольких метаболических путях (схема 5.2): гли-
колиз, пентозофосфатный путь (ПФП), синтез гликогена и др.
Интенсивность использования его в той или иной последова-
тельности реакций определяется соотношением активностей
ферментов, конкурирующих за глюкозо-6-фосфат.
Схема 5.2. Основные пути метаболизма глюкозо-6-фосфата
(жирными стрелками обозначены доминирующие пути образова-
ния и утилизации глюкозо-6-фосфата в мозге; ферменты:
I — гексокиназа; 2 — глюкозо-6-фосфатаза; 3 — фосфогексоизо-
мераза, 4 — фосфофруктокиназа; 5 — глюкозо-6-фосфатдегидро-
геназа; 6 — фосфоглюкомутаза)
В табл.5.2 приведены данные об интенсивности основных
путей метаболизма глюкозо-6-фосфата в мозге и печени крыс,
рассчитанные на основании экспериментов с 14С-глюкозой и
156
анализа активностей ферментов. Несмотря на то что эти расче-
ты весьма приблизительны, они все же дают наглядное пред-
ставление о значительных отличиях в метаболизме глюкозо-6-
фосфата в головном мозге и печени. Исследования альтерна-
тивных путей метаболизма глюкозо-6-фосфата /я vivo с помо-
щью препаратов меченой глюкозы, содержащей ,4С в разных
положениях, а также результаты математического моделирова-
ния подтвердили, что вовлечение глюкозо-6-фосфата в реак-
ции гликолиза с последующим окислением в ЦТК доминирует
над другими путями использования этого субстрата в мозге взрос-
лых животных.
Таблица 5.2.
Интенсивность отдельных путей метаболизма глюкозо-6-
фосфата в головном мозге и печени крыс
(по С.И.Раппопорт, 1965)
Метаболический путь Доля глюкозо-6-фосфата, вовлекаемого в реакции, %
мозг печень
1. Окисление до С(Х и Н2О в ходе аэробного гликолиза и НТК 80-90 Около 20
2. Синтез гликогена 5-7 20-25
3. Расщепление в глюкозо-6-фосфатазной реакции до свободной глюкозы Следы До 50
4. Пентозофосфатный путь .2-3 5-15
5. Другие реакции Менее *5 5-10
Преимущественное использование глюкозо-6-фосфата в
реакциях гликолиза является характерной'чертой энергетиче-
ского метаболизма; оно обусловлено значительным превыше-
нием активности фосфогексоизомеразы и фосфофруктокиназы
над активностью других ферментов, конкурирующих за общий
субстрат. Относительная роль минорных путей метаболизма
глюкозо-6-фосфата заметно меняется в мозге .с возрастом жи-
вотного, прежде всего это относится к пентозофосфатному пути
(ПФП).
Как известно, интенсивность использования, глюкозо-6-фос-
фата в реакциях пентозофосфатного пути в значительной сте-
пени определяется активностями ферментов, катализирующих
157
начальные, наиболее медленные стадии: глюкозо-6-фосфатде-
гидрогеназы (D-глюкозо-б-фосфат: НАДФ-оксидоредуктаза,
1.1.1.49) и 6-фосфоглюконатдегадрогеназы (6-фосфо-В-глюко-
нат: НАДФ-оксидоредуктаза декарбоксилирующая, 1.1.1.44).
Установлено, что активности этих ферментов в головном
мозге молодых животных в 1,5-2 раза выше, чем у взрослых.
Максимальные значения активностей отмечаются исследовате-
лями в период наиболее интенсивной миелинизации; у крыс
этот период соответствует 20-30 дням постнатального развития.
Более высокая активность найдена в головном мозге растущих
животных и для ферментов неокислительной части пентозо-
фосфатного пути: трансальдолазы, тракскетолазы, фосфопентои-
зомеразы и др. Все эти данные свидетельствуют о том, что та-
кой путь метаболизма глюкозо-6-фосфата играет в развиваю-
щейся нервной ткани большую роль, чем в окончательно сформи-
ровавшемся мозге взрослых животных.
Определение скорости ПФП в экспериментах с глюкозой,
содержащей 14С в положении “1” или “6”, позволило рассчи-
тать, что в мозге растущих животных в ПФП используется до
10-15% поступающей в мозг глюкозы, в то время как в мозге
взрослых животных — лишь 2-3%.
В ходе окончательной дифференцировки и созревания струк-
тур головного мозга у новорожденных и молодых животных
особенно интенсивно протекают процессы синтеза специфиче-
ских липидов, в частности липидов миелиновых оболочек. За-
канчивается деление и пролиферация различных типов нерв-
ных клеток. Такие морфологические изменения в ходе созрева-
ния мозга требуют повышенного образования восстановитель-
ных эквивалентов (в первую очередь НАДФН2) для реакций
биосинтеза липидов, а также фосфопентоз как предшественни-
ков нуклеиновых кислот. Именно эти потребности покрывают-
ся за счет реакций ПФП. После окончания процессов миели-
низации и пролиферации нервной ткани интенсивность этого
пути метаболизма глюкозо-6-фосфата в головном мозге замет-
но снижается. Напротив, в ряде других тканей, где у взрослых
животных идут интенсивные процессы липогенеза (печень,
жировая ткань, кора надпочечников и др.), относительная доля
ПФП среди реакций метаболизма глюкозо-6-фосфата постепен-
но возрастает.
Сопоставление активности ферментов пентозофосфатного
пути в различных типах клеток взрослого мозга позволило сде-
лать вывод о разной его интенсивности в нейронах и нейрог-
лии. Гистохимическими методами, а также при прямом опре-
158
делении в нейроглии в отличие от нейронов найдены более
высокие значения активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы,
6-фосфоглюконатдегидрогеназы, транскетолазы и других энзи-
мов ПФП. Таким образом, в нейроглии пентозофосфатный путь
является существенным путем метаболизма глюкозо-6-фосфата,
в то время как в нейронах доминирует аэробный гликолиз, сопря-
женный с последующими реакциями цикла трикарбоновых ки-
слот.
Фосфофруктокиназная реакция. Как уже упоминалось (см.
табл. 5.2), основная масса глюкозо-6-фосфата в головном мозге
используется в реакциях аэробного гликолиза. Важнейшим эта-
пом гликолитической цепи, с точки зрения возможности кон-
троля над скоростью гликолиза, является фосфофруктокиназная
реакция. Активность фосфофруктокиназы (АТФ: D-фруктозо-
6-фосфат-1-фосфотрансфераза, 2.71.11) в головном мозге и
многих других тканях заметно ниже активности остальных фер-
ментов гликолиза (см. схему 5.1), в силу чего эта реакция может
лимитировать общую скорость потока метаболитов по глико-
литической цепи.
В отличие от гексокиназы запас каталитической мощности фосфофрукто-
киназы относительно невелик; увеличение активности этого фермента под дей-
ствием кинетических регуляторных механизмов происходит в ограниченных
пределах. Поэтому при ряде экстремальных воздействий (гиперкапния, нар-
коз, гипоксия, гипотермия) скорость потока метаболитов по гликолитической
цепи ограничивается именно на реакции фосфорилирования фруктозе-6-фос-
фата.
Фосфофруктокиназа имеет тетрамерную субъединичную
структуру и состоит из комбинаций протомеров: мышечной (М),
печеночной (L ) и мозговой или тромбоцитарной (В) форм.
В головном мозге, как и в других тканях, в регуляции скоро-
сти фосфорилирования фруктозо-6-фосфата принимают участие
одновременно несколько механизмов, однако их относитель-
ная роль в том или ином органе различна. Фосфофруктокиназа
представляет собой поливалентный аллостерический фермент, ак-
тивность которого подавляется АТФ и цитратом и стимулиру-
ется АДФ. Действие этих основных регуляторных факторов до-
полняется другими. В частности, АМФ и неорганический фос-
фат снимают ингибирующее действие АТФ; аналогичным об-
разом влияет продукт реакции — фруктозодифосфат.
Изоферменты фосфофруктокиназы отличаются по чувствительности к ре-
гуляторным факторам: В-форма наиболее, а М-форма наименее чувствительна
к ингибированию АТФ; В-форма сильно активируется фруктозодифосфатом,
в то время как М-форма почти не активируется. Определенную роль в регуля-
ции активности фермента в мозге играет кальмодулин-зависимое фосфорили-
рование; в последние годы установлено участие в этом процессе нейроспеци-
фического белка S-100.
159
Таким образом, рост отношения АТФ/АДФ как аллосте-
рических эффекторов и компонентов цикла фосфорилирова-
ния—дефосфорилирования фермента приводит к снижению фос-
фофруктокиназной активности, а уменьшение отношения АТФ/
АДФ, напротив, повышает скорость реакции. По-видимому, этот
механизм регуляции является ведущим в системе множествен-
ного контроля над активностью фосфофруктокиназы в голов-
ном мозге.
Необходимо подчеркнуть, что отношение АТФ/АДФ одно-
временно с фосфофруктокиназой контролирует и активность
гексокиназы, причем направленность изменений — стимуля-
ция или ингибирование — одинакова для обеих киназ. Это дало
основание У.Лоури и соавторам рассматривать гексокиназу и
фосфофруктокиназу в мозге как единый функциональный ком-
плекс.
Двойной контроль над активностью важнейших энзимов гли-
колиза со стороны компонентов энергетического обмена явля-
ется характерной особенностью головного мозга. Наличие син-
хронной регуляции одним и тем же фактором активности двух
ведущих ферментов гликолитической цепи позволяет быстро и эф-
фективно изменять скорость окисления глюкозы в клетках голов-
ного мозга в зависимости от изменений энергетического баланса.
Еще один механизм контроля над активностью фосфофрук-
токиназы, а именно — ингибирование фермента цитратом, в
головном мозге играет, по всей вероятности, значительно мень-
шую роль, чем в других тканях. Это может быть обусловлено
особенностями метаболизма лимонной кислоты в мозге.
Как известно, основным источником цитрата в мозге служит анетил-КоА,
образующийся при окислительном декарбоксилировании пирувата. В то же
время в других тканях (например в печени) значительные количества ацетил-
КоА для синтеза цитрата образуются при окислении жирных кислот, т.е. имеет
место конкуренция между гликолизом и липолизом. Кроме того, в головном
мозге взрослых животных лимонная кислота быстро окисляется в том же ком-
партменте, где синтезируется, - в митохондриях, в силу чего концентрация
этого метаболита в цитоплазме обычно не достигает значений, близких к
фосфофруктокиназы. Например, в головном мозге крыс расчетные концен-
трации цитрата составляют (3-5)- 10“s М; значение К^ — (1-3)10' 4М. В печени,
сердечной мышце и других ингибирование фосфофруктокиназы цитратом иг-
рает большую роль и служит одним из надежных механизмов переключения от
преимущественного окисления углеводов к окислению жирных кислот и на-
оборот.
Конечные этапы гликолиза в головном мозге. Реакции, сле-
дующие за образованием фруктозо-1,6-дифосфата, в головном
мозге катализируются ферментами, активность которых доста-
точно высока (см. схему 5.1) и в 5-10 раз превышает активность
гексокиназы и фосфофруктокиназы. Поэтому ни скорость рас-
160
щепления фруктозе- 1,6-дифосфата, ни последующие этапы
превращения фосфотриоз обычно не лимитируют общую ско-
рость аэробного гликолиза в мозговой ткани.
Рассматривая ферментативные превращения фосфотриоз, не-
обходимо отметить характерную для нервной ткани локализа-
цию изоферментов енолазы. В глиальных клетках обнаружен го-
модимер аа, идентичный енолазе печени, в то время как изо-
форма уу встречается только в нейронах. Установлена идентич-
ность нейрональной формы енолазы и нейроспецифического
кислого белка 14-3-2, описанного Б.Муром.
Как уже указывалось, в отличие от многих органов с интен-
сивным липолизом или интенсивно протекающим пентозофос-
фатным циклом в мозге взрослых животных дополнительный
поток в пул метаболитов гликолиза трехуглеродных фрагментов
(фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, глицеро-
фосфаты и др.) имеет весьма ограниченное значение. Результа-
ты экспериментов с различными 14С-предшественниками по-
казывают, что на долю промежуточных компонентов гликоли-
за, образовавшихся из 14С-глицерата, в мозге приходится не
более 2-5%. Это еще раз показывает важность для метаболизма
головного мозга гексокиназной реакции, которая служит ос-
новным путем ввода углеродных компонентов в гликолитиче-
скую цепь.
Конечным продуктом аэробного гликолиза является пирови-
ноградная кислота, основные пути метаболизма которой приве-
дены на схеме 5.3. Рассматривая их, необходимо учитывать, что
цитоплазматический пируват с помощью протон-зависимой
переносящей системы легко проникает через митохондриаль-
ные мембраны и включается в метаболические превращения в
обоих клеточных компартментах.
Что касается реакций образования пирувата из аминокислот
серина, глицина, треонина, цистина и цистеина, протекающих
в цитоплазме, то они наиболее интенсивно осуществляются в
печени и почках. В головном мозге они играют весьма малую
роль в пополнении пула пирувата из-за низкой активности фер-
ментов и очень плохой проницаемости ГЭБ для этих амино-
кислот.
Три реакции связывают пируват с ЦТК: пируватдегидроге-
назная. пируваткарбоксилазная и НАДф-малатдегидрогеназная;
если две первые протекают исключительно в митохондриях, то
реакция, катализируемая НАДФ-малатдегидрогеназой, так на-
зываемым “малик-энзимом”, протекает как в митохондриях, так
и в цитоплазме. Основным путем включения углеродного ске-
лета пировиноградной кислоты в ЦТК в мозге служит пируват-
дегидрогеназная реакция, тогда как в других тканях — печени,
сердечной и скелетных мышцах, почках и др. — большее значе-
ние имеют реакции карбоксилирования пирувата, в первую оче-
редь пируваткарбоксилазная реакция.
Схема 5.3. Пути метаболизма пировиноградной кислоты (жир-
ной стрелкой обозначен доминирующий путь утилизации пирува-
та в мозге)
Ферменты: 1 — аланинаминотрансфераза; 2 — лактатдегид-
рогеназа; 3 — НАДФ-малатдегидрогеназа (“малик-энзим’’); 4 —
пируватдегидрогеназный комплекс; 5 — пируваткарбоксилаза
Легко обратимая аланинаминотрансферазная (АлАТ) реакция
протекает в митохондриальном и цитоплазматическом компар-
тментах; в связи с тем, что активность соответствующего фер-
мента невелика, эта реакция играет относительно небольшую
роль в метаболизме пирувата в мозге. Эксперименты с 14С-пред-
шественниками позволили рассчитать, что лишь около 2% пи-
рувата превращается в аланин в физиологических условиях.
Однако участие в трансаминировании двух важнейших метаболитов нерв-
ной ткани — глутамата и а-кетоглутарата — заставило исследователей более
внимательно изучить этот минорный путь метаболизма пирувата. Высказано
предположение, что цитоплазматическая АлАТ может участвовать в регуляции
конечных этапов гликолиза и утилизации глутамата.
Среди конечных этапов гликолиза и реакций, в которых уча-
ствует пировиноградная кислота, определенный интерес пред-
ставляет лактатдегидрогеназная реакция. Подавляющая доля
лактатдегидрогеназы (ЛДГ, L-лактат: НАД-оксидоредуктаза,
1.1.1.27) в большинстве тканей связана с цитоплазмой. Однако
в головном мозге до 10% от общей лактатдегидрогеназной ак-
тивности клеток обнаруживается в митохондриях. В других тка-
нях митохондриальной лактатдегидрогеназы значительно мень-
162
ше; в печени, например, менее 1%. Предполагается, что это
способствует более полному использованию конечных продук-
тов гликолиза (лактата и пирувата) в митохондриях.
ЛДГ и ее изозимы неравномерно распределяются между ос-
новными типами клеток мозга. Общая активность ЛДГ при рас-
чете на 1 мг белка в глиальных клетках выше, чем в нейронах.
На обогащенных фракциях и на культурах клеток показано пре-
обладание “анаэробного” изофермента ЛДГ5 в глиальных клет-
ках, в то время как для нейронов характерен “аэробный” изо-
фермент ЛДГр Эти наблюдения, а также данные о меньшей
скорости поглощения кислорода глиальными клетками по срав-
нению с нейронами хорошо согласуются со сделанным Х.Хид-
еном заключением о том, что нейронам свойственен аэробный
обмен, тогда как метаболизм нейроглии адаптирован и к ана-
эробным условиям.
ЛДГ-реакция служит практически единственным путем ме-
таболизма молочной кислоты в тканях животных, и лактат по-
этому можно рассматривать как резервный фонд пирувата. Вы-
сокая активность ЛДГ, легкая обратимость этой окислительно-
восстановительной реакции определяют ее важную роль в под-
держании red-ox состояния пиридиновых нуклеотидов в клетке,
в обеспечении динамического равновесия в системе пируват
лактат.
Пировиноградная кислота, образующаяся в мозге в ходе ре-
акций гликолиза, интенсивно используется для дальнейших ме-
таболических превращений. Наглядно свидетельствует об этом
сопоставление данных о скорости утилизации мозгом глюкозы
и пирувата. Так, в экспериментах на белых крысах установле-
но, что скорость утилизации глюкозы составляет 0,65-0,70
мкмоль-мин-1, а пирувата — 1,30-1,40 мкмоль-мин-1 в расчете
на 1 г ткани. Для сравнения можно указать, что скорость ути-
лизации пирувата в печени заметно ниже и равна в среднем
0,35-0,40 мкмоль мин-1 на 1 г ткани.
Представление о соотношении активностей ферментов, ка-
тализирующих основные пути метаболизма пирувата в мито-
хондриях тканей крыс, дают результаты, приведенные в табл.5.3.
Оценивая относительное значение каждого из основных ме-
таболических превращений, в которых участвует пировиноград-
ная кислота, необходимо подчеркнуть важную роль именно
пируватдегидрогеназной реакции. Активность остальных фер-
ментов, конкурирующих за пируват в митохондриях и вовле-
кающих этот субстрат в дальнейшие метаболические превраще-
ния, значительно ниже. Подробнее особенности контроля над
процессом окислительного декарбоксилирования пирувата в
163
мозге будут рассмотрены в следующем разделе.
Таблица 5.3.
Активность ферментов, участвующих в метаболизме
пировиноградной кислоты в митохондриях головного мозга,
печени и сердце крыс (103 YE/r ткани)
Ферменты Кора больших полу- шарий головного мозга Печень Сердце
Пируватдегидрогеназа 752+40 405156 544143
Пируваткарбоксил аза 160121 530145 485137
Лактатдегидрогеназа 480135 170±9 104119
Аланинаминотрансфераза 7115 383129 784131
НАДФ-малатдегидрогеназа 8517 7814 91111
Суммируя приведенные в данном разделе сведения, не-
обходимо еще раз подчеркнуть следующие специфические для
мозга особенности реакций гликолиза и их регуляции in vivo\
1. особую важность для энергетического метаболизма мозга
гексокиназной реакции как основного пути ввода окисляемых
субстратов в гликолитическую цепь;
2. однонаправленную и синхронную регуляцию адениновы-
ми нуклеотидами скорости наиболее медленных этапов глико-
лиза — гексокиназной и фосфофруктокиназной реакций, что
позволяет объединить эти два фермента в единый функцио-
нальный комплекс;
3. специфическую для мозга внутриклеточную локализацию
лактатдегидрогеназы не только в цитоплазме, но и в митохонд-
риях, что дает возможность более полно использовать лактат и
пируват в дальнейших превращениях в митохондриях.
5. 5. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И МЕХАНИЗМЫ,
КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ЕГО СКОРОСТЬ В МОЗГЕ
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) является универсальным
окислительным механизмом клетки. Он представляет собой слож-
164
ную амфиболическую систему, имеет несколько возможных
путей ввода окисляемых метаболитов и оттока отдельных про-
дуктов реакций, основные из которых представлены на схеме
5.4.
Схема 5.4. Цикл трикарбоновых кислот и сопряженные
реакции
кетоновые тела жирные кислоты
5.5.1. Пути пополнения пула метаболитов ЦТК в мозге
Источники образования ацетил-КоА. Важнейшим соединени-
ем, за счет которого постоянно пополняется пул компонентов
ЦТК в большинстве тканей, служит ацетил-КоА — один из суб-
стратов цитратсинтазной реакции. Это вещество может образо-
вываться в целом ряде метаболических превращений. В мито-
хондриях головного мозга основным поставщиком ацетил-КоА
для окисления его в ЦТК служит реакция окислительного декар-
боксилирования пировиноградной кислоты под действием пируват-
дегидрогеназного комплекса.
В головном мозге взрослых животных до 80-90% пирувата
подвергается окислительному декарбоксилированию с после-
дующим окислением образующегося ацетил-КоА в ЦТК. В пе-
165
чени в этой реакции используется не более 15-20% субстрата,
но активно функционирует другой механизм ввода пировино-
градной кислоты в ЦТК — карбоксилирование ее под действием
пируваткарбоксилазы до щавелевоуксусной кислоты.
Важным является и то, что в митохондриях головного мозга
при самых-разнообразных воздействиях сохраняется домини-
рование пируватдегидрогеназной реакции над остальными пу-
тями метаболизма пирувата, несмотря на то, что скорость от-
дельных реакций обмена субстрата может меняться. Например,
было показано явное преобладание окислительного декарбок-
силирования пировиноградной кислоты при таких экстремаль-
ных состояниях, резко нарушающих энергетический баланс, как
гипоксия, разобщение окислительного фосфорилирования, тяжелая
форма гипертиреоза.
Напротив, в митохондриях печени, сердечной и скелетных
мышц, почках и других органах при изменении функциональ-
ного состояния, при метаболических сдвигах разной природы
преобладающим может стать любой из основных путей метабо-
лизма пирувата. Например, в митохондриях печени в условиях
интенсивного глюконеогенеза или при голодании скорость ре-
акции карбоксилирования пирувата в 5-10 раз и более превы-
шает скорость ПДГ-реакции.
Таким образом, окислительное декарбоксилирование пи-
ровиноградной кислоты, осуществляющее ввод этого метабо-
лита в ЦТК, играет в головном мозге особо важную роль.
Большое значение ПДГ-реакции для метаболизма нервной
ткани подтверждается также более высокой по сравнению с дру-
гими тканями чувствительностью ее к недостатку тиамина. На-
рушение образования тиаминпярофосфата при В j -авитаминозе
вызывает значительное угнетение окислительного декарбокси-
лирования пирувата, особенно резко проявляющееся в голов-
ном мозге и приводящее к нарушениям его функциональной
активности.
Регуляция активности сложного мультиэнзимного пируват-
дегидрогеназного комплекса осуществляется несколькими пу-
тями. В настоящее время наиболее детально исследован меха-
низм ковалентной химической модификации фермента. Этот ме-
ханизм включает АТФ-зависимое фосфорилирование с помо-
щью ПДГ-киназы, приводящее к образованию неактивного ком-
плекса, и дефосфорилирование, катализируемое специфической
фосфатазой, которое приводит, напротив, к образованию ак-
тивной формы комплекса. Реакциям фосфорилирования-дефос-
форилирования подвергается лишь один из компонентов ПДГ-
166
комплекса, а именно пируватдекарбоксилаза.
Фосфатазная реакция, т.е. активирование ПДГ-комплекса,
стимулируется высокими концентрациями ионов Mg2+, низки-
ми — Са2+. Реакция фосфорилирования, т.е. инактинация ПДГ-
комплекса, усиливается в присутствии высоких концентраций
АТФ и ионов магния, но тормозится при возрастании уровня
АДФ, который конкурирует в реакции с АТФ, т.е. важным фак-
тором в регуляции взаимопревращений активной инеактивной форм
ПДГ-комплекса является внутримитохондриальное отношение
АТФ/АДФ.
Во многих тканях это отношение сильно зависит от функ-
ционального состояния и прежде всего от типа преимущест-
венного субстрата окисления. Например, в печени, почках, сер-
дечной мышце при усилении окисления свободных жирных
кислот (в условиях голодания или при богатой жирами диете)
резко возрастает уровень длинноцепочечных ацил-КоА. Эти со-
единения нарушают перенос АТФ и АДФ через митохондри-
альные мембраны с помощью адениннуклеотид-транслоказы, что
приводит к повышению интрамитохондриального отношения
АТФ/АДФ. В свою очередь, это способствует образованию не-
активной фосфорилированной формы ПДГ-комплекса. Так, по
данным П. Виланда и соавторов, после 24-часового голодания
доля активной формы ПДГ в 2,5-5 раз снижалась во всех тканях
крыс, кроме головного мозга, где она оставалась практически
неизменной.
Большое значение ПДГ-реакции в обеспечении энергетического обмена в
мозге, а также то, что максимальная активность ПДГ-комплекса (около 1,8
мкмоль мин-1 г'1) лишь немногим выше средней скорости потока пирувата
(1,3-1,4 мкмоль мин-1 г-1) в мозге взрослого интактного животного, указыва-
ет на существование в нервной ткани тонкой и эффективной системы регуля-
ции ПДГ-комплекса. Установлено, что доля активной дефосфорилированной
формы ПДГ в мозге значительно выше, чем во многих других тканях: в мозге
активная форма составляет около 70% от обшей активности фермента в ткани;
в сердце — 40-60, в печени, жировой ткани — около 20%.
Недавно высказана гипотеза о том, что регуляция фосфорилирования ПДГ-
комплекса играет существенную роль в модуляции пластичности синапсов,
поскольку обнаружена тесная корреляция между степенью фосфорилирова-
ния ПДГ и процессами тренировки и обучения.
Значительный вклад в регуляцию скорости окислительного
декарбоксилирования пирувата вносят изменения концентра-
ции конечных продуктов реакции — ацетил-КоА и НАДН, на-
копление которых в митохондриях ведет к торможению ПДГ-
реакции. Следует отметить, что действие этих факторов включа-
ет как непосредственное ингибирование фермента продуктом
реакции, так и влияние НАДН и ацетил-КоА на взаимопревра-
щения фосфорилированной и дефосфорилированной форм ПДГ.
167
Ацетил-КоА и НАДН являются конкурентными ингибиторами
фермента по отношению к свободному КоА или НАД+ соответ-
ственно. Наряду с этим оба метаболита служат положительными
эффекторами ЦД Г-киназы, катализирующей переход фермента
в неактивную фосфорилированную форму.
Относительная роль этих факторов в регуляции ПДГ-реак-
ции в мозге неодинакова. Концентрация НАДН, а точнее —
отношение НАД+/НАДН является весьма лабильной величи-
ной, особенно в митохондриях тканей с высокой интенсивно-
стью окислительно-восстановительных процессов. Поэтому этот
фактор участвует в контролировании скорости ПДГ-реакции как
в головном мозге, так и в других тканях. Напротив, регуляторная
роль другого продукта реакции — ацетил-КоА — в головном моз-
ге меньше, чем в других тканях, которые способны к окислению
больших количеств свободных жирных кислот и, следователь-
но, к значительным изменениям в концентрации ацетил-КоА.
Таким образом, в митохондриях головного мозга домини-
рующий путь метаболизма пировиноградной кислоты — окис-
лительное декарбоксилирование — контролируются главным об-
разом изменением отношения АТФ/АДФ и НАД+/НАДН в ми-
тохондриях. Опыты с 214С-пируватом показали, что скорость
использования образующегося в ПДГ-реакции ацетил-КоА для
синтеза цитрата в головном мозге в 3,0-4,5 раза выше, чем в
печени, почках и сердце.
Свободные жирные кислоты и кетоновые тела как источники
ацетил-КоА в мозге. Образование ацетил-КоА для цитратсин-
тазной реакции может происходить также в реакциях окисле-
ния свободных жирных кислот или кетоновых тел, а также в
ходе метаболических превращений ряда аминокислот. Однако
оба эти пути пополнения фондов ацетил-КоА, имеющие боль-
шое значение для многих тканей, в мозге взрослых животных
играют весьма скромную роль.
Например, в экспериментах с ИС глюкозой и |4С пальмитиновой кисло-
той, выполненных на срезах мозга кролика, установлено, что до СО2 и Н2О
окисляется 385± 15 нмоль глюкозы и лишь 0,02-0.04 нмоль жирной кислоты в
расчете на 1 г ткани за 1 ч. Такая колоссальная разница в скорости утилизации
двух энергетических субстратов объясняется низкой активностью ферментов,
лимитирующих окисление свободных жирных кислот в мозге взрослых живот-
ных, в первую очередь — низкой активностью апил-КоА-сиитазы.
Напротив, в головном мозге растущих животных свободные
жирные кислоты и особенно кетоновые тела окисляются гораз-
до интенсивнее, чем у взрослых. Это обусловлено несколькими
факторами. Во-первых, более высокой (в 8-15 раз) концентра-
цией кетоновых тел в крови в неонатальный период, когда жи-
вотное получает в основном молочную пищу. Во-вторых, с воз-
168
растом, по мере формирования гематоэнцефалического барье-
ра, уменьшается скорость поглощения мозгом кетоновых тел из
крови. Так, при одинаковой концентрации кетоновых тел в крови
артериовенозная разница для мозга 16-20-дневных крысят в 3-
4 раза выше, чем у взрослых.
Еще одним важным обстоятельством, обусловливающим более интенсив-
ное использование кетоновых тел мозгом растущих животных, является высо-
кая активность ферментов, лимитирующих скорость этого процесса: 3-р-окси-
бутиратдегидрогеназы, КоА-трансферазы р-кислот и ацетоапетил-Ко А-тиолазы
Активность первых двух энзимов обнаруживается в мозге уже при рождении,
достигает максимума к 20-25-му дню, а затем резко снижается. У 20-25-днев-
ных крыс активность этих ферментов в 2-3 раза выше, чем у взрослых живот-
ных. Аналогичный характер имеют возрастные изменения активности мито-
хондриальной формы ацетоацетил- КоА-тиолазы. Однако общая активность
фермента в нервных клетках наиболее высока у новорожденных животных, а
затем постепенно снижается. Ранняя постнатальная индукция “ключевых”
ферментов метаболизма кетоновых тел контрастирует со значительно более
медленным возрастанием активности лимитирующих ферментов гликолиза,
ЦТК, а также пируватдегидрогеназного комплекса. Из-за значительного (в 3,5-
4,5 раза) преобладания активности ацетил-КоА-тиолазы над активностью ПДГ
в мозге растущих животных ацетилирование свободного KoA-SH происходит
главным образом в тиолазной реакции, а у взрослых — в пируватдегидрогеназ-
ной.
В головном мозге растущих животных ацетил-КоА, образую-
щийся в ходе метаболизма кетоновых тел, расходуется не толь-
ко на окисление в ЦТК, но в значительной мере идет на про-
цессы биосинтеза специфических липидов мозга. Интенсивное
окисление кетоновых тел характерно именно для периода мие-
линизации, роста аксонов и дендритов и образования функ-
циональных синаптических комплексов.
Использование кетоновых тел в качестве источника ацетил-
КоА, но уже не для биосинтетических реакций, а для окисле-
ния в ЦТК, т.е. в виде энергетических субстратов, возможно и в
мозге взрослых животных при ряде экстремальных состояний;
в частности, это имеет место при длительном голодании, когда
на фоне исчерпания углеводных ресурсов организма резко воз-
растает концентрация кетоновых тел в крови за счет распада и
окисления липидов из жировых депо. Аналогичные ситуации
наблюдаются также при тяжелых формах диабета или гиперти-
реоза. Но даже в этих условиях за счет окисления свободных
жирных кислот и кетоновых тел покрывается не более 20% энер-
гетических потребностей мозга.
Аминокислоты как источники ацетил-КоА. Реакции превра-
щения свободных аминокислот (тирозина, фенилаланина, лей-
цина, лизина, триптофана и др.), ведущие к образованию аце-
тил-КоА, у взрослых животных наиболее интенсивно протека-
ют в печени и почках, где они могут эффективно пополнять пул
169
этого метаболита. В головном мозге роль такого пути образова-
ния ацетил-КоА весьма незначительна.
Превращения этих аминокислот, а также кетоновых тел в
мозге взрослых животных сосредоточены главным образом в
“малом” (глутаминсинтезирующем) компартменте, где особен-
но ярко проявляется анаболическая функция ЦТК. Морфоло-
гически этот компартмент приурочен к глиальным клеткам.
Напротив, катаболическая, энергетическая функция ЦТК наи-
более четко проявляется в “большом” (энергетическом) ком-
партменте мозга, где интенсивно протекают реакции аэробного
окисления глюкозы (см. гл. 2).
Скорости метаболических потоков для мозга мышей состав-
ляют: 1,25 мкмоль субстрата (ацетил-КоА) или 0,30 мкмоль суб-
страта за 1 мин в расчете на 1 г сырой массы ткани для “боль-
шого” и “малого” компартментов соответственно. Обмен мета-
болитов между компартментами осуществляется относительно
медленно; скорость потока в данном случае составляет в сред-
нем 0,14 мкмоль субстрата/ мин в расчете на 1 г ткани.
Использование аминокислот в качестве предшественников компонентов ЦТК
Свободные аминокислоты, а также аминокислоты, образующиеся при расще-
плении белков, могут претерпевать окисление и превращения их в различные
компоненты ЦТК. Как известно, существует несколько путей вхождения ами-
нокислот в ЦТК, причем относительная роль их в пополнении пула метаболи-
тов ЦТК различна в разных тканях.
Наиболее интенсивно метаболизм аминокислот протекает в печени, где эти
соединения играют значительную роль в энергетическом обмене. В мозге взрос-
лых животных свободные аминокислоты, плохо проникающие через ГЭБ, не
могут рассматриваться как важные энергетические источники. Исключение в
этом отношении составляют аминокислоты глутаминовой группы. Более де-
тально их роль и пути метаболизма рассматриваются в специальном разделе
(см. гл.2. 2), здесь лишь уместно упомянуть, что для головного мозга характер-
ны высокое содержание аминокислот этой группы (табл.5.4) и значительная
активность ферментов их обмена в митохондриях.
Активность аспартатаминотрансферазы (L-аспартат; 2-оксог-
лутаратаминотрансфераза, 2.6.1.1) в митохондриях мозга взрос-
лых крыс составляет в среднем 30-35 мкмоль субстра-
та мин-1 в расчете на 1 г ткани, что в 7-10 раз превышает ак-
тивность фермента в мозге новорожденных животных и значи-
тельно выше, чем в митохондриях печени. Высокая активность
трансаминаз и глутаматдегидрогеназы в митохондриях головно-
го мозга, а также результаты опытов с 14С-аминокислотами ука-
зывают на возможность использования аминокислот этой груп-
пы в качестве дополнительного энергетического источника, что
особенно важно при различных экстремальных состояниях, когда
повышаются энергетические потребности мозга или замедляет-
ся поступление в мозг глюкозы.
170
Таблица 5.4.
Средние данные о содержании аминокислот глутаминовой
группы в головном мозге и печени крыс
(по данным Дж.Роуза, 1970, с доп.)
Аминокислоты Содержание в целой ткани, мкмолъ/г Содержание в обогащенных фракциях коры больших полу- шарий мозга, нмоль/г белка
мозг печень нейроны нейроглия
Глутаминовая кислота 7,3-9,5 1,5-1,7 14,2±2,1 23,0±2,9
Глутамин 3,8-4,7 1,8-2,3 6,9±1,4 4,8±0,6
Аспарагиновая кислота + аспарагин 4,8-5,8 0,4-0,7 6,0±1,5 6,3±0,8
ГАМК 1,9-2,4 Следы 3,1 + 1,1 4,1+0,4
Из других путей метаболизма аминокислот, которые играют относительно
небольшую роль в энергетическом метаболизме головного мозга, можно упо-
мянуть превращение аспартата и аспарагина в оксалоацетат, а также аланина и
серина — в пируват. Очень невелико и значение аминокислот как предшест-
венников компонентов ЦТК — сукиинил-КоА (изолейиин, метионин, валин)
и фумарата (тирозин, фенилаланин).
Итак, основным путем ввода окисляемых субстратов в ЦТК
в головном мозге служит образование ацетил-КоА в пируватде-
гидрогеназной реакции. Дополнительным источником для по-
полнения пула метаболитов ЦТК могут быть аминокислоты глу-
таминовой группы, в то время как кетоновые тела и свободные
жирные кислоты интенсивно окисляются лишь в мозге расту-
щих животных.
Промежуточные компоненты ЦТК для разнообразных син-
тетических реакций в мозге в отличие от других тканей исполь-
зуются в незначительных количествах. Именно этим объясня-
ется, что интенсивность потока метаболитов через ЦТК в го-
ловном мозге прямо пропорциональна потреблению кислорода
тканью.
При рассмотрении особенностей регуляции ЦТК в голов-
ном мозге прежде всего следует остановить внимание на тех его
неравновесных стадиях, которые являются лимитирующими. В
табл.5.5 приведены значения активностей ферментов ЦТК и
171
^3 Таблица 5.5.
ю Содержание основных компонентов и активность ферментов ЦТК в головном мозге и печени крыс
Компоненты ЦТК Содержание, мкмоль/г ткани Ферменты ЦТК Активность ферментов в митохондриях, мкмоль субстрата • мг белка1 за 1 мин
мозг печень мозг печень
Ацетил-КоА* 11,0±0,9 4,0-5,0 Цитратсинтаза 8,2±0,3 6,4±0,3
Оксалоацетат 7,49±0,35 9,01±0,40
Цитрат 320±12 228±9 Аконитаза** 46,0±3,1 —
Изоцитрат 27,3±3,5 24,0±3,0 НАД- изоцитратде гидрогеназа 28,3±2,2 5,6±0,4
НАДФ-изоцитратдегидрогеназа 19,6±1,5 32,0±2,4
а -Кетоглутарат 125±10 114±9 а -Кетоглугаратдегидрогснеза 58,9±3,7 64,5±4,9
Сукцинат 791±26 804±24 Сукцинатдегидрогеназа 106,0±15,7 145,2±20,1
Фумарат —• Фумараза — —
Малат 356±21 420±28 НАД-малатдегидрогеназа 407,0±35,5 385,0±40,2
* Содержание ацетил-КоА в мозге приведено по данным С.Reynolds, G.Blass, 1975, а по данным Gumaa, Me Lean, Greenbaum,
1971, — в печени
** Активность аконитазы — по данным A.G.Patel, 1974
содержание основных компонентов ЦТК в головном мозге пе-
чени крыс. Видно, что к наиболее медленным этапам, которые
могут лимитировать скорость потока субстратов через цикл в
мозге, как и в других тканях, относятся реакции синтеза и окис-
ления цитрата.
5.5.2. Цитратсинтазная реакция и регуляция ее скорости
в мозге
Скорость необратимой в физиологических условиях реакции
биосинтеза лимонной кислоты находится под контролем несколь-
ких одновременно действующих факторов. В опытах с очищен-
ными ферментативными препаратами найдено, что АТФ явля-
ется отрицательным аллостерическим модулятором цитратсин-
тазы (цитрат-оксалоацетат-лиаза, ацетилирующая КоА, 4.1.3.7).
Эффект нуклеотида обусловлен повышением константы Миха-
элиса фермента для ацетил-КоА.
Субстраты реакции — ацетил-КоА и оксалоацетат также уча-
ствуют в регуляции активности цитратсинтазы. На основании
сопоставления значений констант Михаэлиса, установленных в
опытах на очищенных препаратах ферментов и реально суще-
ствующих в тканях животных концентраций этих метаболитов,
Кребс пришел к выводу, что in vivo основным из этих двух регу-
ляторных факторов является концентрация щавелевоуксусной
кислоты.
Таким образом, in vivo скорость цитратсинтазной реак-
ции контролируется главным образом двумя факторами: кон-
центрацией отрицательного аллостерического фактора фермента
— АТФ (точнее, его долей в общем пуле адениновых нуклеоти-
дов внутри митохондрий) и концентрацией щавелевоуксусной
кислоты.
Цитратсинтазная реакция является не только важнейшим эта-
пом ЦТК, но и компонентом системы образования ацетилхолина
в холинергических нейронах. Вместе с ПДГ и цитратлиазой она
обеспечивает поставку ацетил-КоА для биосинтеза нейротранс-
миттера. О большом значении этой функции цитратсинтазы в
мозге говорят наблюдения о том, что даже незначительные изме-
нения активности фермента, еще не вызывающие сдвигов в энер-
гетическом обмене, приводят к существенным нарушениям в син-
тезе ацетилхолина и блокируют холинергическую передачу.
173
5.5.3. Изоцитратдегидрогеназные реакции и их регуляция
в мозге
Основным путем метаболизма лимонной кислоты является
окисление ее в изоцитратдегидрогеназных реакциях после пре-
вращения ее под действием аконитазы в изолимонную кислоту.
Активность аконитазы [(цитрат (изоцитрат)-гидролаза, 4.2.1.3)]
значительно превышает активность как цитратсинтазы, так и
изоцитратдегидрогеназ и не лимитирует скорость взаимопре-
вращения трикарбоновых кислот. В головном мозге взрослых
животных до 98% цитрата подвергается дальнейшему окисле-
нию и лишь около 2% расщепляется в цитратлиазной реакции
до ацетил-КоА и шавелевоуксусной кислоты. В других тканях
(печень, жировая ткань) доля лимонной кислоты, подвергаю-
щаяся расщеплению цитратлиазой, может быть в несколько раз
выше.
Окисление изолимонной кислоты осуществляется двумя ти-
пами изоцитратдегидрогеназ (ИЦДГ):
1. НАД-зависимым ферментом (Ц-изоцитрат: НАД-оксидо-
редуктаза, 1.1.1.41), который катализирует необратимую реак-
цию, протекающую исключительно в митохондриях;
2. НАДФ-специфичным ферментом (Ц-изоцитрат: НАДФ-
оксидоредуктаза, 1.1.1.42), катализирующим обратимую реак-
цию как в митохондриях, так и в цитоплазме .
Роль НАД- и НАДФ-зависимых изоцитратдегидрогеназ в
окислении изолимонной кислоты далеко не одинаково. В го-
ловном мозге основная часть (до 65-70%) субстрата окисляется
по НАД-зависимому пути, поставляющему НАДН непосредст-
венно в дыхательную цепь митохондрий и таким образом тесно
связанному с поддержанием энергетического баланса клеток.
Напротив, в печени, сердце и других тканях с помощью НАД-
зависимой ИЦДГ окисляется менее 10% изоцитрата, а основ-
ная масса субстрата используется в НАДФ-ИЦДГ реакциях,
особенно интенсивно протекающих в цитоплазме, где образую-
щийся НАДФН может быть использован для разнообразных
восстановительных биосинтезов.
Интересно, что явное преобладание НАД-зависимого пути
окисления изолимонной кислоты в митохондриях характерно
лишь для мозга взрослых животных. В то же время у растущих
животных в период интенсивного липогенеза, связанного с про-
цессами миелинизации, значительная часть изоцитрата окис-
ляется в НАДФ-ИЦДГ-реакции (рис. 5.1) и может служить ис-
точником НАДФН для биосинтеза специфических липидов
мозга.
174
U.E. /мг белка
Рис. 5.1. Возрастные изменения активности НАД- и НАДФ-
зависимых изоцитратдегидрогеназ в митохондриях головного
мозга крыс (по НД.Ещенко и др., 1976)
по оси ординат — активность ферментов, U.E./мг белка; по оси
абсцисс — возраст животных, дни; 1 — НАД-изоцитратдегид-
рогеназа; 2 — НАДФ-изоцитратдегидрогеназа
Регуляция скорости окисления изолимонной кислоты осу-
ществляется главным образом за счет изменения активности
НАД-специфичной дегидрогеназы.
В отличие от НАДФ-ИЦДГ НАД-зависимый фермент отно-
сится к числу регулируемых; положительным аллостерическим
фактором служит АДФ, а АТФ, напротив, ингибирует фермент.
Эффект АДФ обусловлен конформационными изменениями
фермента, в результате чего возрастает в 3-10 раз его сродство к
субстрату. Одновременно происходит сдвиг оптимума pH в
щелочную сторону, т.е. эффектор стабилизирует НАД-ИЦДГ,
обеспечивая высокую каталитическую активность в достаточно
широком диапазоне pH. Установлено также, что АДФ вызывает
агрегацию молекул фермента с образованием надмолекулярных
форм.
Необходимо подчеркнуть, что эффективность адениннукле-
отидного контроля активности НАД-ИЦДГ определяется не
столько абсолютными концентрациями АТФ, АДФ и АМФ,
175
сколько соотношением высоко- и низкоэнергетических компо-
нентов адениннуклеотидной системы. В значительной степени
эффективность адениннуклеотидного контроля НАД-ИЦДГ-
реакции зависит от интрамитохондриальной концентрации ио-
нов Са2+, которые изменяют Км фермента для изоцитрата. Ус-
тановлено, что низкие концентрации Са2+ [(1-30)10~6М] повы-
шают сродство фермента к изоцитрату, в то время как высокие
— ингибируют НАД-ИЦДГ. Недавно высказано предположение
о возможном участии кальмодулина в регуляции НАД-ИЦДГ
ионами Са2+.
Сопоставив механизмы регуляции НАД-ИЦДГ и цитрат-
синтазы, можно сделать вывод о существовании специфиче-
ской для мозговой ткани совместной, сопряженной регуляции
скорости этих двух лимитирующих этапов ЦТК. Действитель-
но, активность обоих ферментов согласованно и однонаправ-
ленно меняется при изменении соотношения между компонен-
тами адениннуклеотидной системы. Уменьшение доли АТФ в
общем пуле адениновых нуклеотидов и возрастание относитель-
ного содержания АДФ и АМФ вызывает повышение активно-
стей обоих ферментов. Кроме того, ускорение образования ли-
монной кислоты в цитратсинтазной реакции и сопровождаю-
щее его накопление изоцитрата в силу тысячекратных различий
в значениях Км для изоцитрата двух типов ИЦДГ, также спо-
собствует увеличению активности именно НАД-ИЦДГ. На долю
последней приходится окисление основной массы субстрата в
митохондриях головного мозга.
Такая сопряженная регуляция начальных, лимитирующих
этапов ЦТК и тесная зависимость их скорости от соотношения
основных компонентов адениннуклеотидной системы обуслов-
ливает существование в головном мозге более жесткой корре-
ляции между интенсивностью энергетического обмена и ско-
ростью ЦТК. Эта характерная особенность позволяет рассмат-
ривать цитратсинтазу и НАД-изоцитратдегидрогеназу в мито-
хондриях мозга как единый функциональный комплекс, подобно
тому как по предложению У.Лоури и соавторов объединены в
аналогичный функциональный комплекс два важнейших фер-
мента, определяющие скорость гликолиза в головном мозге, —
гексокиназа и фосфофруктокиназа.
5.5.4. Этапы окисления дикарбоновых кислот
Важной для метаболизма нервной ткани стадией ЦТК явля-
ется центральный участок цикла — реакции биосинтеза и окис-
176
ления а-кетоглушаровой кислоты. Это объясняется уже упоми-
навшимся значением а-кетоглутарата как субстрата, тесно свя-
занного с аминокислотами глутаминовой группы.
Реакцию окислительного декарбоксилирования а-кетоглута-
рата с образованием сукцииил-КоА катализирует а-кетоглута-
ратдегидрогеназа (2-оксоглутарат: липоат-оксидоредуктаза аце-
тилирующая акцептор, 1.2.4.2), относящаяся к числу наиболее
сложно организованных мультиэнзимных комплексов. По сво-
ей структуре, механизму функционирования и контроля над
активностью этот комплекс во многом сходен с рассмотренным
пируватдегидрогеназным комплексом. Регуляция его активно-
сти также осуществляется за счет циклов фосфорилирования
(образования неактивной формы фермента) и дефосфорилиро-
вания (приводящего к активации энзима). Одним из наиболее
важных факторов регуляции активности фермента в нервной
ткани служит отношение АТФ/АДФ. На препаратах из ряда дру-
гих тканей установлено, что на активность кетоглутаратдегид-
рогеназы могут также оказывать влияние изменения отношения
сукцинил-КоА/КоА, НАД+/НАДН и изменения концентрации
ацил-КоА из длинноцепочечных жирных кислот. Эффект мета-
болитов дополняется действием ионов Са2+, которые снижают
Км для а-кетоглутарата и ослабляют ингибирующее действие
НАДН.
В последние годы в литературе появился ряд публикаций, в
которых центральный участок ЦТК рассматривается как важ-
ный этап для поддержания суммарной концентрации метаболи-
тов цикла на стационарном уровне. Эта функция обеспечивается
одновременным участием а-кетоглутарата как.в ЦТК, так и в
глутаматдегидрогеназной и трансаминазной реакциях. Транспорт
а-кетоглутарата из митохондриального в цитоплазматический
компартмент осуществляется транслоказой дикарбоновых ки-
слот в обмен на малат. Окисление малата в митохондриях НАД-
малатдегидрогеназой повышает интрамитохондриальный уровень
оксалоацетата, что приводит к активации наиболее медленного
этапа ЦТК — цитратсинтазной реакции.
Специфичным для нервной ткани является участие а-кетог-
лутаровой кислоты в так называемом ГАМК-^шунте, реакции
которого приводят к образованию у—аминомасляной кислоты.
Наиболее интенсивно эти реакции протекают в синаптических
окончаниях ГАМК-ергических нейронов (см. раздел 2.2.3).
Активность ферментов, катализирующих конечные этапы
ЦТК: сукцинатдегидрогеназы [сукцинат (акцептор) — оксидо-
редуктаза, 1.3.99.1], фумаразы (L-малатгидролиаза, 4.2.1.2), ма-
177
латдегидрогеназы ( L-малат: НАД-оксидоредуктаза, 1.1.1.37) в
мозге, как и в других тканях, превышает активность ферментов
начальных стадий цикла и, следовательно, не ограничивает об-
щую скорость цикла. Расчеты, выполненные на аналоговых вы-
числительных машинах, показывают, например, что на поддер-
жание средней скорости потока метаболитов через ЦТК расхо-
дуется лишь 2-5% максимальной активности малатдегидроге-
назы и около 15-20% активности сукцинатдегидрогеназы. На-
против, скорость потока метаболитов через ЦТК требует почти
максимальной активности цитратсинтазы и НАД-изоцитратде-
гидрогеназы.
Заканчивая рассмотрение реакций ЦТК и особенностей их
регуляции в головном мозге, следует кратко остановиться на
значении сукцинатдегидрогеназной реакции. В отличие от других
дегидрогеназ ЦТК сукцинатдегидрогеназа относится к флавин-
зависимым ферментам. Она играет особую роль в энергетиче-
ском метаболизме при экстремальных состояниях, прежде все-
го таких, которые сопровождаются нарушениями на пиридин-
нуклеотидном участке дыхательной цепи, например при облу-
чении. При гипоксии, когда нарушается отношение между окис-
ленными и восстановленными формами пиридиннуклеотидов,
и в силу накопления НАДН возможно обращение конечных
этапов ЦТК (от щавелевоуксусной кислоты до сукцината), окис-
ление янтарной кислоты под действием сукцинатдегидрогеназы
также приобретает большое значение для поддержания энерге-
тического баланса ткани.
Из приведенных в настоящем разделе данных можно сде-
лать вывод о следующих характерных для головного мозга осо-
бенностях в функционировании и регуляции ЦТК:
1) активность ферментов, катализирующих наиболее медлен-
ные этапы ЦТК — цитратсинтазы и НАД-изоцитратдегидроге-
назы, в мозге значительно выше, чем во многих других тканях;
2) в головном мозге доминирующим механизмом регуляции
скорости окисления изоцитрата является адениннуклеотидный
контроль, что связано с преобладанием в митохондриях мозга
НАД-зависимого пути окисления этого субстрата;
3) в головном мозге существует единый функциональный
комплекс из двух ферментов — цитратсинтазы и НАД-изоцит-
ратдегидрогеназы, обеспечивающий однонаправленное и син-
хронное изменение скорости наиболее медленных реакций ЦТК
в зависимости от энергетических потребностей ткани, в первую
очередь — от соотношения компонентов адениннуклеотидной
системы;
178
4) на участке а-кетоглутарат—сукцинат наряду с универсаль-
ной для всех тканей последовательностью реакций в мозге воз-
можно шунтирование (ГАМК-шунт) с образованием в качестве
промежуточного продукта биологически активной у-аминомас-
ляной кислоты.
5. 6 КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МИТОХОНДРИЙ
И ИХ СООТНОШЕНИЕ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ
Созревание и окончательная дифференцировка головного
мозга животных сопровождается значительной интенсификаци-
ей окислительных реакций, при этом происходят интенсивные
процессы образования митохондрий. Число митохондрий в расче-
те на клетку у взрослых крыс вдвое больше, чем у новорожден-
ных. Подсчитано, что нейроны мозга взрослых крыс могут вос-
производить до 2000 митохондрий в день в расчете на клетку,
что свидетельствует о быстром обновлении этих важных суб-
клеточных структур.
С возрастом меняется не только общее количество митохон-
дрий, но и локализация их в нервных клетках; больше митохон-
дрий сосредоточивается в областях синаптических окончаний.
Анализ ультраструктуры митохондрий с помощью электронно-
го микроскопа показывает, что в зрелом мозге присутствует боль-
шее число относительно небольших по диаметру, но удлинен-
ных митохондрий, чем в мозге новорожденных животных. По-
явление таких митохондрий приурочено к развитию дендрит-
ных сплетений.
Наряду с увеличением количества митохондрий в головном
мозге с возрастом примерно вдвое повышается содержание ос-
новных компонентовдыхательной цепи митохондрий: цитохро-
мов и флавопротеидов (табл. 5.6).
Накопление компонентов дыхательной цепи митохондрий
мозга идет неравномерно: показано медленное нарастание уровня
цитохромов в первые 15 дней постнатального развития и более
интенсивное в интервале между 15-м и 30-м днями; к концу
последнего периода содержание основных переносчиков дыха-
тельной цепи митохондрий близко к уровню., характерному для
взрослых животных. Именно период 2-й — 4-й недели разви-
тия для крыс связан с интенсивной миелинизацией, заверше-
нием развития нейронов, появлением электрической активно-
сти коры больших полушарий и двигательных реакций при элек-
тростимуляции мозга.
Одним из наиболее важных этапов в функционировании ды-
179
хательной цепи митохондрий является передача электронов от
цитохрома а3 на кислород. Как известно, это наиболее медлен-
ная реакция среди окислительно-восстановительных реакций
цитохромов. Активность цитохромоксцдазы, как и количество
компонентов дыхательной цепи, в головном мозге с возрастом
увеличивается примерно вдвое. Активность цитохромоксидазы
несколько-большая в нейроглиальных клетках, чем в нейронах.
Таблица 5.6.
Содержание основных компонентов дыхательной цепи
митохондрий в головном мозге взрослых и растущих кроликов
(моль-10*1* мг белка; З.Д.Пигарева, 1972)
Возраст живот- ных, дни Митохондрии коры больших полушарий Митохондрии ствола мозга
флаво- про- теиды цитохромы флаво- про- теиды цитохромы
С-ЬС| b а а3 С+С( b а а3
1 0,60 0,20 0,21 0,24 0,07 1,23 0,42 0,41 0,49 0,13
15 0,76 0,20 0,22 0,45 0,06 0,85 0,48 0,31 0,54 0,09
30 1,47 0,45 0,45 0,51 0,15 2,64 0,72 0,67 0,99 0,27
Полово- зрелые 1,8! 0,67 0,64 0,78 0,20 2,48 0,90 0,90 1,23 0,27
Последовательность компонентов дыхательной цепи мито-
хондрий и характер их взаимодействия в митохондриях мозга
не отличаются от такового в митохондриях любой другой тка-
ни. Как известно, скорость окислительно-восстановительных
превращений компонентов дыхательной цепи значительно пре-
вышает скорость реакций дегидрирования субстратов, поэтому
именно дегидрогеназные реакции (в мозге это, в первую очередь,
дегидрогеназные реакции ЦТК) определяют в конечном счете
интенсивность окисления энергетических субстратов тканью.
Этим же объясняется и значение для интенсивности окисли-
тельных процессов в ткани отношения активности дегидроге-
наз к содержанию основных компонентов дыхательной цепи.
Установлено, что в тканях с высокой скоростью окисления (го-
ловной мозг, сердце, летательная мышца насекомых) соотно-
шение активности ферментов, лимитирующих ЦТК (цитрат-
синтазы и НАД-изоцитратдегидрогеназы), к содержанию цито-
хромов а+а3 или цитохрома с обычно превышает такое соотно-
шение для тканей с более низкой интенсивностью окислитель-
180
ных процессов (печень и др.).
Следовательно, существование подобного соотношения в
митохондриях головного мозга можно рассматривать как струк-
турную основу, обеспечивающую высокую интенсивность окис-
лительного и энергетического обмена.
5. 7. ФОНД МАКРОЭРГИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В МОЗГЕ;
ИНТЕНСИВНОСТЬ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Высокая скорость потребления головным мозгом глюкозы и
кислорода сопряжена с интенсивным образованием макроэрги-
ческих соединений. Среди богатых энергией соединений в мозге
основная доля принадлежит компонентам адениннуклеотидной
системы и креатинфосфату, в то время как трифосфаты гуани-
на, цитозина, уридина и других составляют менее 10% от сум-
мы макроэргов. Средние данные по содержанию в головном
мозге компонентов адениннуклеотидного пула, а также систе-
мы креатин-креатинфосфат представлены в табл.5.7.
В целом соотношение адениновых нуклеотидов в тканях моз-
га и печени примерно одинаково', основной составляющей аде-
ниннуклеотидного пула является в обоих тканях АТФ. Однако
уровень АДФ и особенно АМФ в мозге значительно ниже, чем в
печени. Распределение основных макроэргических соединений
примерно одинаково во всех отделах мозга.
Особого внимания заслуживают накопленные в последние
десятилетия данные о минорном компоненте адениннуклеотид-
ной системы — циклическом 3',5'-АМФ. Установлено, что со-
держание этого биологически важного соединения (а также цик-
лического 3',5'-ГМФ) в головном мозге значительно выше, чем
во многих других тканях, уровень цАМФ в мозге составляет в
среднем 1-2 нмоль/г, а цГМФ — до 0,2 нмоль/г. Для мозга ха-
рактерна также и высокая активность ферментов метаболизма
циклических нуклеотидов. Очень высокая активность аденилат-
циклазы и гуанилатциклазы в синаптосомальных мембранах ука-
зывает на специфическую роль циклических нуклеотидов в мозге
— они участвуют в синаптической передаче (см. гл.7 и 8).
Важную роль в энергетическом метаболизме мозга играет сис-
тема креатин-креатинфосфат. Высокое содержание креатина
и его фосфорилированного производного, более чем в 2 раза
превышающее сумму адениновых нуклеотидов, а также значи-
тельная активность креатинкиназы позволяют рассматривать
креатин-креатинфосфат как мощную систему стабилизации уров-
181
ня макроэргических компонентов адениннуклеотидного пула.
В головном мозге до 25-30% активности креатинкиназы свя-
зано с митохондриями. Фермент локализован на внешней ми-
тохондриальной мембране. Равновесие катализируемой им ре-
акции сдвинуто в сторону образования креатинфосфата в отли-
чие от цитоплазматической реакции. Вместе с АТФ-АДФ-транс-
локазой, находящейся на внутренней мембране митохондрий,
креатинкиназа принимает участие в трансформациях макроэр-
гических соединений, а также в переносе их из одного клеточ-
ного компартмента в другой.
Таблица 5.7.
Содержание некоторых нуклеотидов, креатина
и кратинфосфата в головном мозге и печени крыс, мкмоль/г*
(по В.А.Вилкова, Н.Д.Ешенко, 1977; B.Siesjo, 1978;
D.Chapman et al., 1981, и др.)
Соединение Головной мозг Печень
средние данные кора больших полуша- рий мозже- чок
АТФ 2,30-2,90 2,08 2,60 2,40-2,80
АДФ 0,30-0,50 0,12 0,16 0,80-1,00
АМФ 0,03-0,05 0,02 0,04 0,15-0,30
Значение «энергетического заряда» 0,850-0,930 - - 0,810-0,870
ГТФ 0,20-0,30 0,29 0,39 0,19-0,26
ГДФ 0,15-0,20 0,10 0,07 0,18-0,25
УТФ 0,17-0,25 0,22 0,19 0.19-0,25
Креатин 5,50-5,95 5,68 5,47 Следы
Креатинфосфат 3,50-4,75 3,90 4,21 Следы
182
5. 8. ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ
НЕРВНОЙ ТКАНИ
Изучение суммарных процессов окисления и образования
энергопродукции в мозге представляет собой одну сторону про-
блемы; другая сторона — выявление специфических процессов в
нервной ткани, требующих энергетических затрат. Характери-
стика этих процессов остается до настоящего времени во мно-
гом загадочной.
Еще в ранних работах, выполненных Г.Мак-Ильвейном и
другими исследователями на изолированных нервах, ганглиях
или срезах мозга, установлено, что электростимуляция препа-
ратов сопровождалась усилением потребления кислорода и глю-
козы, причем обнаружена прямая зависимость между частотой
электрической импульсации и степенью интенсификации окис-
лительных процессов. Электрическое раздражение вызывает
резкое и быстрое снижение уровня АТФ, вслед за которым
уменьшается содержание креатинфосфата и накапливается не-
органический фосфат; после прекращения электростимуляции
препаратов в первую очередь восстанавливается уровень АТФ.
Впоследствии аналогичные данные об изменении уровня ос-
новных макроэргических соединений при изменении функцио-
нального состояния нервной системы были получены in vivo в
экспериментах с мозгом целостных животных. Показано замет-
ное ускорение расходования АТФ и креатинфосфата при возбу-
ждении — условно-рефлекторном или вызванном фармаколо-
гическими препаратами; и, напротив, замедление использова-
ния этих соединений при торможении или наркозе. В этих экс-
периментах на интактных животных установлено, что при уси-
лении энергозатрат в мозге сначала уменьшается уровень за-
пасных энергетических субстратов — креатинфосфата и глико-
гена и лишь после исчерпания этих источников начинает быст-
ро снижаться уровень АТФ; в период восстановления уровень
АТФ первым возвращается к исходным значениям, а затем нор-
мализуется содержание креатинфосфата и гликогена.
В последние годы для исследования интенсивности энерге-
тического метаболизма различных структур мозга широко при-
меняется радиоактивный (14С- или 3Н ) дериват глюкозы — 2-
дезоксиглюкоза; теоретическое обоснование использования этого
соединения сделано в лаборатории американского нейрохими-
ка Л.Соколова. Метод основан на том, что дезоксиглюкоза по-
глощается мозгом и вступает в гексокиназную реакцию со ско-
ростью, прямо пропорциональной скорости использования глю-
183
козы. Однако дальнейшие метаболические превращения дезок-
сиглюкозо-6-фосфата в мозге практически не происходят.
Использование 14С- или JH-дезоксиглюкозы с последующей
авторадиографией срезов мозга позволило получить более де-
тальное представление о поглощении глюкозы и интенсивно-
сти энергетического метаболизма в самых разных структурах
мозга. Была установлена тесная корреляция между интенсив-
ностью энергетического обмена и функциональной активно-
стью определенных структур мозга в экспериментах, где кон-
тролем служили аналогичные структуры контрлатерального
полушария того же самого животного. Например, обнаружено
снижение на 35-60% потребления глюкозы структурами слухо-
вой системы (слуховая зона коры больших полушарий, меди-
альное коленчатое тело, кохлеарное ядро, верхняя олива и др.)
или зрительной системы (зрительная зона коры, латеральное
коленчатое тело, верхний колликул и др.) после соответствую-
щей депривации.
Подобные исследования лают представление лишь об итого-
вых, балансовых изменениях важнейших компонентов энерге-
тического обмена, оставляя неясными количественные харак-
теристики энергозатрат на специфические процессы, присущие
только нервной ткани, интенсивность которых меняется при
изменении функционального состояния. К сожалению, в на-
стоящее время нет еще исчерпывающего ответа на один из кар-
динальных вопросов нейрохимии и нейрофизиологии: какие
конкретные биохимические реакции лежат в основе целого ряда
функций нервной ткани. Многие стороны этой важной про-
блемы нуждаются в уточнениях и дальнейших углубленных ис-
следованиях. Некоторые специфические энергозависимые функ-
ции нервной ткани и биохимические процессы, лежащие в их
основе, в общих чертах суммированы в табл.5.8.
Одной из основных функций нервной ткани является пере-
дача импульсов от одного нейлона к другому. Толчком к расшиф-
ровке взаимосвязи между энергетическим метаболизмом и этой
функцией послужили работы А.Ходжкина, установившего, что
необходимым условием для прохождения импульсов по нервному
волокну служит неравномерное распределение ионов натрия и ка-
лия по разным сторонам клеточной мембраны. Поддержание ион-
ной асимметрии, восстановление ее после прохождения нерв-
ного импульса связано со значительными энергетическими за-
тратами; прежде всего это относится к транспорту ионов на-
трия против градиента концентрации в момент перехода по-
тенциала действия в потенциал покоя. Особое значение в этом
процессе принадлежит К+, №а+-стимулируемой АТФазе.
184
Таблица 5.8.
Основные энергозависимые процессы, лежащие в основе
специфических функций нервной ткани
Функции Биохимические реакции
1. Проведение нервных импульсов с последу- ющим восстановлением ионной асимметрии К+, №+-АТФазная реакция
2. Поддержание определен- ной пространственной ориентации и конформа- ции структурных единиц нейрона Фосфорилирование специфических белков нейрофиламентов и другие реакции
3. Образование синаптичес- ких структур; функци- онирование синапсов Синтез специфических белков, липо- и гликопротеидньгх комплексов; синтез и метаболизм нейромедиаторов, транспорт, вы- деление, обратный захват нейромедиаторов
4. Хранение и переработка информации (нейро- логическая память) Синтез специфических белков, нейропеп- тидов, нуклеиновых кислот, липо- и гликопротеидных комплексов
5. Трансмембранный пере- нос субстратов, нейромедиаторов Реакции, катализируемые АТФазными системами, транслоказные реакции
6. Аксональный и ретроградный ток Фосфорилирование специфических белков (тубулина и др.)
Детально изучены свойства этого важнейшего фермента, оп-
ределена роль липидов мембран в его активации. Установлено,
что активность К+, Na+АТФазы в головном мозге заметно выше,
чем во многих других тканях, причем максимальная активность
фермента обнаружена в коре больших полушарий, меньшая —
в коре мозжечка и таламусе, затем — в экстрапирамидальных
ядрах; минимальная активность найдена в белом веществе. Ак-
тивность фермента значительно возрастает в ходе формирова-
ния и окончательного созревания мозга; например, у крыс в
интервале между 5-м днем до рождения и 60-м днем постна-
тального развития она увеличивается в 10 раз.
Таким образом, обнаруживается четкий -параллелизм ме-
жду повышением энергетических потребностей в ходе созрева-
ния мозга и увеличением активности фермента, обеспечиваю-
щего энергетику усиливающейся импульсации. Следует доба-
185
вить, что энергия, требующаяся на прохождение одного нерв-
ного импульса в мозге взрослых животных, гораздо выше, чем у
новорожденных.
Сопоставление средней частоты прохождения нервных им-
пульсов и объема, требующегося для обеспечения импульсации
трансмембранного переноса ионов натрия и калия, со скоро-
стью синтеза макроэргических соединений дает возможность
приблизительно оценить затраты энергии на осуществление этой
важнейшей функции нервной ткани. По расчетам М.И.Прохо-
ровой, пр'л стационарном состоянии (“относительный покой”)
эти затраты составляют около 10-15% от общего количества АТФ,
образующегося в мозге за единицу времени; при изменении
функционального состояния, особенно при возбуждении, рас-
ход АТФ возрастает. В работах других исследователей приво-
дятся более высокие цифры; например, для коры больших по-
лушарий мозга крыс общие затраты на трансмембранный пере-
нос ионов натрия составляют около 40, для гиппокампа — 55%.
Детальные прижизненные исследования структурной орга-
низации механорецепторного нейрона рака методом “электрон-
ного зонда”, а также параллельное определение ряда метаболи-
ческих и электрофизиологических параметров показали, что
основные структурные и метаболические перестройки и значи-
тельное усиление энергозатрат связаны с изменением функцио-
нальной активности, т.е. режима работы нейрона — переход от
относительного покоя к возбуждению, смена возбуждения тор-
можением и др. Причем установлено, что торможение нейрона
характеризуется более быстрой и интенсивной активацией энер-
гетического обмена по сравнению с возбуждением. Эти наблю-
дения отражают, таким образом, энергетическое обеспечение
еще одной стороны специфической деятельности нервной клетки
— ее интегративной функции.
К специфическим функциям нервной ткани относятся так-
же процессы хранения и переработки информации, поступаю-
щей в головной мозг. Синтез специфических белков и нейро-
пептидов, компонентов липо- и гликопротеидных комплексов,
участвующих в реализации отдельных этапов хранения и пере-
работки информации, в процессе консолидации временных свя-
зей требует значительных (ориентировочно 10-20%) энергети-
ческих затрат. Интенсивность синтеза ряда белков и пептидов
мозга существенно превышает скорость биосинтеза белков в дру-
гих тканях и заметно изменяется при нарушении энергетиче-
ского обмена, вызванного недостатком кислорода.
Процессы, связанные с возникновением долговременного
186
следа памяти, наиболее выражены в областях .синаптических
контактов; именно в синаптических окончаниях зарегистриро-
вана интенсификация синтеза специфических белков при обу-
чении.
Следовательно, чем интенсивнее протекают в том или
ином образовании мозга процессы переработкой запоминания
поступающей информации, тем выше потребность в богатых
энергией соединениях и субстратах для синтетических реакций.
Кроме того, огромную роль в обеспечении функционирова-
ния синапсов играют процессы фосфорилирования белков, также
связанные с потреблением АТФ или ГТФ.’Циклы фосфорили-
рования — дефосфорилирования белков служат важным регу-
ляторным механизмом, обеспечивающим пластичность на уровне
нейронов. Процесс фосфорилирования является Са2+-кальмо-
дулин-зависимым или циклонуклеотид-зависимым; последнее
обстоятельство делает понятным высокую: концентрацию цик-
лических нуклеотидов и высокую активность ферментов их ме-
таболизма в синаптических окончаниях. ’В синапсах процесс
фосфофилирования специфических белков включается разно-
образными нейромедиаторами. Изменение степени фосфори-
лирования белков, участвующих в функционировании синап-
тических окончаний, рецепторов, ферментов синтеза и метабо-
лизма нейромедиаторов может существенно менять проводи-
мость синапса; это доказано на примере фосфорилирования
тирозингидроксилазы и ряда других белков.
Фосфорилирование специфических белков служит необходи-
мым этапом синаптической передачи, обеспечивая выход неко-
торых нейромедиаторов в синаптическую щель. Энергозависи-
мость процесса высвобождения нейромедиаторов в синаптиче-
скую щель, участие в нем АТФазных систем,:а также энергоза-
висимость процесса обратного захвата нейротрансмиттера из
синаптической щели подтверждена результатами многих иссле-
дований. Последовательность протекающих,при этом процес-
сов отражает схема 5.5.
Таким образом, осуществление такой.важной и специфи-
ческой функции нервной ткани, как синаптическая передача,
требует значительных энергетических затрат. В настоящее вре-
мя трудно оценить количественно эти затраты, однако их боль-
шой объем не вызывает сомнений, посколькучисло синаптиче-
ских контактов на поверхности нейронов необычайно велико.
По данным П.Г.Костюка, на 100 мк2 поверхности мотонейрона
кошки располагается около 15 синаптических^бутонов (у чело-
века — 23), а общее число синаптических контактов на мото-
187
нейроне достигает 15 000-20 000, занимая до 38-40% поверхно-
сти нейрона.
Схема 5.5. Участие Са2+-кальмодулинзависимого фосфорили-
рования белков в обеспечении синаптической передачи (по De
Lorenzo, 1981)
Деполяризация
(электростимуляция)
I 2 +
резкое повышение проницаемости мембраны для Са
вход Са3 +
активация кальмодулина (КМ)
I
активация КМ-зависимых протеинкиназ, осуществляющих
фосфорилирование специфических белков
г
инициация движения синаптических везикул
ЭКЗОЦИТОЗ
выход нейротрансмиттера в синаптическую щель
Еше одним важным обстоятельством, накладывающим оп-
ределенный отпечаток на энергетический обмен и многие дру-
гие стороны метаболизма нервной ткани, является необычное
для большинства других типов клеток соотношение между по-
верхностью клетки и объемом ее центральной части. Так, для
мотонейронов коры кошки средние размеры тела клетки со-
ставляют около 50 мк, в то время как длина аксона — до 104—
106 мк; общая поверхность клетки - до 105 мк2. Поверхность
дендритов клеток Пуркинье мозжечка в 80-100 раз превышает
поверхность сомы.
Подобные особенности структуры клеток нервной системы
объясняют причины значительных энергетических затрат на
транспортные нужды клетки. В первую очередь необходимо
упомянуть трансмембранный перенос субстратов, медиаторов,
различных предшественников с помощью специфических транс-
локаз или в результате конформационных перестроек мембран,
большинство из которых сопровождаются фосфорилировани-
ем-дефосфорилированием мембранах белков. Например, уста-
новлено, что не более 5% важнейшего энергетического субстрата
— глюкозы — поступает в мозг за счет пассивной диффузии;
подавляющее количество глюкозы переносится через ГЭБ с
энергетическими затратами и при участии К+, Na -АТФазы.
По мнению ряда нейрохимиков, на эти процессы расходуется в
188
среднем 7-10% АТФ, образующейся в мозге за единицу време-
ни.
В последние годы внимание нейрохимиков привлекает изу-
чение аксонального и ретроградного транспорта. Показано, что
по аксону переносятся различные белки, синтезированные в
перикарионе, ряд аминокислот, некоторые углеводы - глюко-
замины, сиаловые кислоты и др. Транспорт последних обуслов-
ливает специфические перестройки и функциональные моди-
фикации белков синаптических окончаний за счет включения в
них углеводных компонентов. Представление о соединениях,
транспортируемых по аксону с различной скоростью, дают све-
дения, приведенные в табл.5.9.
Таблица 5.9.
Характеристика аксонального транспорта
(по A.Lasek, G.Brady, 1982)
Тип аксонального транспорта Скорость, мм/день Транспортируемый материал
Прямой:
- быстрый I 200-400 Гликопротеиды, гликолипиды, бел- ки, медиаторы, ферменты, ионы Са2+
- промежуточный II 50 Митохондриальные белки
III 15 Миозиноподобные белки
IV 2-4 Актин, клатрин окаймленных пузырьков, кальмодулин, ферменты
- медленный V 0,2-1,0 Белки нейрофиламентов, тубулин, т -белки аксоплазмы
Обратный
- быстрый 100-200 Нейроростовые факторы, лизосомальные ферменты, трофические вещества, катаболиты
Несмотря на то что механизмы, обеспечивающие аксоплаз-
матический ток, не вполне ясны, его зависимость от уровня
макроэргических соединений доказана в экспериментах, где этот
процесс ингибировался в присутствии 2,4-ДНФ, цианида или
при ишемии. В возникновении перистальтических волн вдоль
аксона определенную роль играют нейротубулярные структу-
ры. Обязательным условием функционирования специфических
сократительных белков нейротубул — тубулина, кинезина и
189
других являются конформационные перестройки после присое-
динения ГТФ, а также фосфорилирование с затратой АТФ или
ГТФ под действием Са^+ -зависимых протеинкиназных систем.
Учитывая весьма значительные размеры и протяженность аксо-
нов, а также скорость аксонального транспорта, составляющую
для “медленного” тока 1-5 мм, а для “быстрого” — от 40 до 500
мм в день, можно сделать вывод, что осуществление этой спе-
цифической функции нервной ткани требует определенных за-
трат богатых энергией соединений.
Поддержание определенного конформационного состояния
белков важных структурных образований нейрональных отро-
стков — нейрофиламентов — также требует энергетических за-
трат, поскольку конформационные переходы белков нейрофи-
ламентов осуществляются за счет реакций фосфорилирования -
дефосфорилирования. Преимущественная локализация нейро-
филаментов в осевом цилиндре аксонов и дендритов обеспечи-
вает определенную пространственную ориентацию нейрональ-
ных отростков. Это обстоятельство имеет необычайную важ-
ность для осуществления нейрональных контактов, для орга-
низации функциональных ансамблей нейронов, т.е. для осуще-
ствления интегративной деятельности мозга.
Рассмотренные данные позволяют в некоторой степени
конкретизировать общее положение об исключительно высо-
ких энергетических потребностях нервной ткани и понять при-
чину тесной зависимости между функциональной активностью
мозга и интенсивностью энергетического обмена.
Выводы
1. Для мозга характерна высокая интенсивность энергетиче-
ского метаболизма; мозг взрослого животного или человека по-
требляет до 20-25% кислорода, поступающего в организм, и до
70% свободной глюкозы, выделяемой из печени в артериаль-
ную кровь.
2. Наиболее интенсивно потребление кислорода и глюкозы
осуществляется в филогенетически более молодых отделах моз-
га; максимальная скорость дыхания обнаружена в коре боль-
ших полушарий, минимальная — в спинном мозге и перифери-
ческих нервах. Интенсивность дыхания нейронов, как правило,
выше, чем нейроглиальных клеток.
3. Интенсивность энергетического метаболизма мозга заметно
возрастает в ходе постнатального онтогенеза, достигая макси-
мальных значений к периоду окончания миелинизации и за-
190
вершения процессов дифференцировки.
4. Основным энергетическим субстратом мозга служит глю-
коза, за счет окисления которой обеспечивается 85-90% энерге-
тических потребностей ткани. Относительно низкое содержа-
ние глюкозы в мозге и высокая скорость ее окисления объясня-
ют исключительно тесную зависимость энергетического мета-
болизма нервной ткани от поступления глюкозы из крови.
5. В качестве дополнительных энергетических субстратов ней-
рональные и глиальные клетки могут использовать аминокис-
лоты, в первую очередь — глутамат и аспартат. Окисление сво-
бодных жирных кислот и кетоновых тел в мозге возможно глав-
ным образом в ранний постнатальный период. Степень исполь-
зования в мозге дополнительных энергетических субстратов во
многом определяется проницаемостью для них гематоэнцефа-
лического барьера, а также активностью ферментов их метабо-
лизма. Интенсивность окисления глюкозы и дополнительных
энергетических субстратов различна в “большом” и “малом”
энергетических компартментах мозга.
6. При изучении специфических черт протекания и регуля-
ции реакций гликолиза в мозге установлены:
а) особая важность гексокиназной реакции как основного
пути ввода окисляемых субстратов в гликолитическую цепь; до-
казана более высокая активность гексокиназы в мозге по срав-
нению с другими тканями;
б) однонаправленная и синхронная регуляция адениновыми
нуклеотидами скорости наиболее медленных этапов гликолиза
— гексокиназной и фосфофруктокиназной реакций, что позво-
ляет объединить эти два фермента в единый функциональный
комплекс;
в) специфическая для мозга внутриклеточная локализация
лактатдегидрогеназы не только в цитоплазме, но и в митохонд-
риях, что дает возможность наиболее полно использовать пи-
руват и лактат в дальнейших окислительных реакциях в мито-
хондриях.
7. Для мозга характерны следующие специфические черты
функционирования и регуляции ЦТК:
а) основным путем пополнения пула метаболитов ЦТК слу-
жит пируватдегидрогеназная реакция, скорость которой суще-
ственно выше, чем в других тканях;
б) активность ферментов, катализирующих наиболее медлен-
ные этапы ЦТК (цитратсинтаза, НАД-изоцитратдегидрогена-
за), в мозге значительно выше, чем в других тканях;
в) единый функциональный комплекс из двух ферментов —
191
цитратсинтазы и НАД-изоцитратдегидрогеназы — обеспечива-
ет однонаправленное и синхронное изменение скоростей наи-
более медленных реакций ЦТК в зависимости от энергетиче-
ских потребностей ткани, в первую очередь — от соотношения
компонентов адениннуклеотидной системы;
г) наряду с универсальной для всех тканей последовательно-
стью реакций на этапе а-кетоглутарат - сукцинат в мозге воз-
можно шунтирование с образованием в качестве промежуточ-
ного продукта специфического нейромедиатора — у-аминомас-
ляной кислоты.
8. С помощью различных экспериментальных подходов про-
демонстрирована тесная корреляция между интенсивностью
энергопродукции и функциональной активностью мозга. Уста-
новлены и в общих чертах охарактеризованы специфические
функции нервной ткани, требующие высоких энергозатрат.
192
Глава 6
Биохимические особенности и взаимодействие
нейронов и нейроглии
М.А.Флеров
Одной из морфологических особенностей нервной ткани, от-
личающей ее от большинства других тканей, является крайне
выраженная гетерогенность ее клеточного состава. Нейроны,
осуществляющие специфические функции в ЦНС, составляют
лишь небольшую часть клеточного фонда последней; глиаль-
ные клетки значительно преобладают над нервными и занима-
ют весь объем между сосудами и нейронами.
Ярко выраженная гетерогенность нервной ткани заключает-
ся не только в том, что в ней присутствуют различные по мор-
фологическим и функциональным свойствам крупные клеточ-
ные популяции, но и в том, что каждая клеточная популяция
содержит клетки, резко различающиеся и по форме, и по функ-
циям. Это характерно как для нейронов, так и для нейроглии.
Нейроны по форме делятся на пирамидные, веретенообразные
и звездчатые. Каждой группе нейронов присущи свои метабо-
лические и функциональные особенности.
Нейроглия состоит в основном из двух типов глиальных кле-
ток: макро- и микроглии. Макроглия подразделяется на астрог-
лию и олигодендроглию. Отличительной морфологической осо-
бенностью нейроглиальных клеток по сравнению с нейронами
является отсутствие аксонов. Большинство центральных ней-
ронов окружено клетками нейроглии — астроцитами и олиго-
дендроцитами.
Роль нейроглиальных клеток в функциональной активности
ЦНС изучена относительно слабо. Это в первую очередь обу-
словлено методическими трудностями, так как нейроны и ней-
роглия настолько тесно переплетаются, что нередко отделить
чисто нейрональную фракцию от нейроглиальной чрезвычайно
трудно. Нейроглиальные клетки являются основным звеном на
пути продвижения веществ от кровеносных сосудов к нейро-
нам. Мембраны нейронов непосредственно не контактируют с
капиллярами, а отделены от них клетками нейроглии. Именно
поэтому долгое время нейроглии приписывалась исключитель-
но трофическая функция. Однако установлено, что глия не яв-
ляется лишь трофическим клеточным компонентом нервной
193
системы, а наоборот, принимает активное участие в специфи-
ческом функционировании нервной ткани.
Глия вносит значительный вклад в электрогенез мозга. Так,
исследование с применением антиглиальных сывороток позво-
лило заключить, что в норме способность нейронов к гиперак-
тивности может блокироваться благодаря тормозному влиянию
со стороны' глиальных клеток.
Одной из давно замеченных особенностей глии является то,
что она содержит относительно высокие концентрации ионов
калия, и глиальная мембрана менее проницаема для других ио-
нов. При прохождении нервного импульса происходит освобо-
ждение из нейронов в межклеточную щель значительных коли-
честв К+, который, однако, не накапливается вокруг нейронов.
Глия выполняет роль буфера, способного защитить нейроны от
чрезмерных влияний друг на друга, связанных с освобождени-
ем калия. Кроме того, вызываемая ионами К+ деполяризация
ведет к активации ферментов в глиальных клетках, в результате
чего они начинают вырабатывать биохимические компоненты
или их предшественники, необходимые для поддержания мета-
болизма нейрона на нужном уровне во время его активности
или нормального протекания последующего восстановительно-
го периода.
Способность глии аккумулировать ионы калия связана с ее
другой не менее важной функцией — способностью вовлекать-
ся в процесс удаления медиаторов и других сильно действующих
агентов, выделяющихся в течение нейрональной активности. В
особенности это важно в отношении такого медиатора, как глу-
таминовая кислота: превышение определенного уровня ее кон-
центрации может вызывать необратимые повреждения нейро-
нов. Глиальные клетки участвуют в механизме химической транс-
миссии в ЦНС, особенно в активном поглощении, и в метабо-
лизме возбуждающих и тормозных трансмиттеров. Клетки ней-
роглии участвуют в синтезе предшественников некоторых регу-
ляторов, передаваемых затем нейронам. Примером является
синтез ряда нейротрофинов, а также особого глиального росто-
вого фактора (GDNF), участвующего в трофике и репарации
мотонейронов.
Наконец, в последние годы установлена способность астро-
цитов к своеобразной форме передачи сигнала. Процессы воз-
буждения нейронов сопровождаются изменениями концентра-
ции Са2+ в ближнем окружении. Астроциты, отростки которых
тесно переплетены с дендритами и охватывают терминали, реа-
гируют на эти изменения реципрокными изменениями внутри-
194
клеточной концентрации Са2+. Далее следует “волна” мигра-
ций Са2+ между астроцитами, тесно контактирующими друг с
другом. В результате в определенных зонах мозга возникает ос-
цилляция концентраций Са2+, которая в свою очередь может
модулировать состояние многих нейронов.
Различия в функциональной активности нейронов и ней-
роглии во многом обусловлены особенностями химического со-
става и метаболизма этих клеточных популяций головного моз-
га.
6.1. СОСТАВ И МЕТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Содержание ДНК в нейронах колеблется в пределах 6-8 нг
на клетку, в астроцитах оно достигает 11 нг. Олигодендроциты
характеризуются меньшим содержанием ДНК (до 5,5 нг), что
свидетельствует о практическом отсутствии полиплоидии и не-
высоком содержании митохондрий в олигодендроглиальных
клетках.
Большое значение для сравнения метаболических превра-
щений и роли ДНК в глии и нейронах имеет исследование пу-
тей ее синтеза и деградации. К сожалению, таких сравнитель-
ных работ еще недостаточно, чтобы сделать окончательные вы-
воды. Однако установлены некоторые различия в каталитиче-
ских свойствах ДНК-полимераз, выделенных из нейронов и
нейроглии. Эти различия касаются предпочтительного исполь-
зования матриц, субстратной специфичности и отношения к
ингибиторам и отражают способность глиальных клеток (в от-
личие от нейронов) к интенсивному размножению.
Качественный состав РНК в основном сходен в нейронах и
нейроглии, хотя количество отдельных фракций РНК различа-
ется. Так, в глии обнаружено больше 4S РНК. Кроме того, РНК
нейронов и нейроглии отличаются по общему нуклеотидному
составу. Наибольшие различия касаются таких оснований, как
адевин и цитозин. Исследование метаболизма РНК в нейронах
и нейроглии проводится с использованием различных меченых
предшественников. Установлено, что включение 3Н-аденина и
3Н-цитозина в нуклеотиды нейроглии происходит более ин-
тенсивно по сравнению с нейронами. Удалось установить цик-
личность биосинтеза РНК нейроглии, что дает основание пред-
полагать существование в глиальных клетках двух пулов РНК,
обладающих различной метаболической активностью.
195
6.2. СОСТАВ И МЕТАБбЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ
Впервые сравнительное исследование аминокислотного со-
става нейронов и нейроглии было проведено Г. Роузом. Полу-
ченные экспериментальные данные позволили сделать заклю-
чение о том, что содержание свободных аминокислот в нейронах
выше по сравнению с нейроглией. Исключение отмечено лишь
для глутаминовой кислоты, содержание которой несколько выше
в клетках нейроглии.
Одновременно с изучением распределения свободных ами-
нокислот был исследован их метаболизм. Оказалось, что при
использовании в качестве предшественника биосинтеза амино-
кислот и14С-глюкозы или 1_114С-пирувата нейроглиальные ами-
нокислоты включают радиоактивный углерод в среднем в три
раза интенсивнее. Несмотря на то, что эти исследования, вы-
полненные в опытах in vitro, естественно, не могут в полной
мере охарактеризовать свойства нейронов и нейроглии, все-таки
можно предположить, что одной из характерных особенностей
нейроглиальных клеток является более высокий метаболизм сво-
бодных аминокислот.
Особое положение занимает вопрос о взаимопревращениях
глутамата и глутамина в клетках нейроглии и нейрона. В экспе-
риментах с интрацеребральным введением 14С-глутамата через
15-30 мин удельная радиоактивность глутамина в нейронах была
ниже, чем глутамата. Напротив, в нейроглии уровень радиоак-
тивности глутамина превышал средний уровень радиоактивно-
сти глутамата. Это были первые указания на существование не-
скольких метаболических компартментов для глутамата и на
своеобразное “разделение труда” между нейронами и глией в
отношении синтеза, распада и перемещений двух нейромедиа-
торов — глутамата и гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) .
Особенностью внешней мембраны нейрона явилась низкая про-
ницаемость для глутамата и высокая для глутамина. Пока труд-
но дать хорошо обоснованное объяснение этому факту. Можно
лишь полагать, что это связано с двойственной ролью глутама-
та в ЦНС: обычной — в качестве компонента синтезируемых
белков, и специальной - как нейромедиатора и как предшест-
венника другого нейромедиатора - ГАМК. В результате глута-
мат из внеклеточной среды поглощается глией, превращающей
его в форму, способную войти в нейроны, — глутамин. Послед-
ний, выйдя из глии и войдя в глутаматергические нейроны (см.
гл. 7), дезаминируется, образуя вновь глутамат. Далее он вклю-
чается в синаптические Цузырьки — хранители медиатора. При
196
прохождении импульса они опорожняются в синаптическую
щель, глутамат опять поступает в глию и таким образом цикл
замыкается. В нейронах другого типа — ГАМКергических -
поступивший глутамин не только вновь превращается в глута-
мат, но и декарбоксилируется, превращаясь в ГАМК. Послед-
няя, опять-таки при прохождении импульса, выходит в синап-
тическую щель, и часть ее поступает в глию, где участвует в
процессах ресинтеза глутамина. Понятны и важны в этом пла-
не данные о способности нейроглиальных клеток очень актив-
но поглощать аминокислоты из инкубационной среди против
градиента концентрации на фоне очень слабой аккумуляции
аминокислот нейронами. Наиболее активно глиальные клетки
поглощают ГАМК и глутамат. Отношение содержания ГАМК в
клетках нейроглии к ее содержанию в инкубационной среде дос-
тигает 100, в то время как для нейронов эта величина колеблется
в пределах 10. Процесс поглощения ГАМК глиальными клет-
ками зависит от таких факторов, как температура инкубацион-
ной среды и наличие ионов К+, Na+ и Mg*+. Ионы К+ стиму-
лируют высвобождение ГАМК из нейронов. Пикротоксин и
стрихнин не влияют на захват ГАМК нейронами, тогда как в
глии наблюдается усиление поступления ГАМК при действии
этих фармакологических веществ; аминазин, напротив, некон-
курентно ингибирует процесс поглощенная ГАМК глией.
Глиальные клетки наряду с активным потреблением ГАМК
из окружающей среды могут активно ее синтезировать. При
инкубации обогащенных клеточных фракций с 14С-глутаматом
радиоактивность ГАМК в нейроглии была в среднем в 40 раз
выше, чем в нейронах, при практически одинаковой активно-
сти глутаматдекарбоксилазы в нейронах и нейроглии.
Чтобы еше яснее оценить особую роль глии в отношении
обмена глутамата и ГАМК, укажем, что по способности акку-
мулировать другие нейромедиаторы, такие как норадреналин,
серотонин, дофамин, нейрональные и нейроглиальные клетки
различаются незначительно. Кроме того, активность ацетилхо-
линэстеразы (3.1.1.7), фермента, участвующего в инактивации
ацетилхолина в нейронах и нейроглии, практически одинако-
ва.
Иным является отношение глии и нейронов к другой ами-
нокислоте — триптофану — предшественнику серотонина. Ней-
роны имеют систему, которая характеризуется высоким сродст-
вом к триптофану. Психотропные вещества, в частности амина-
зин и имипрамин, оказывают тормозящее влияние на поглоще-
ние триптофана.
197
Аккумуляция ряда медиаторов глией осуществляется при
посредстве расположенных на поверхности клеток так назы-
ваемых белков-транспортеров. Они имеют много общего по
структуре с метаботропными рецепторами, описываемыми в гл.7
и 8.
Наконец, накоплено немало данных о наличии на астроци-
тах не только белков-транспортеров, но и типичных рецепто-
ров глутамата, ГАМК и норадреналина. Роль их неясна, хотя
следует иметь их ввиду, учитывая гипотезу о движении сигна-
лов через сеть астроцитов, рассмотренную выше в связи с ос-
цилляцией концентраций ионов Са2+.
Исследование особенностей количественного состава и ме-
таболизма свободных аминокислот тесно связано с изучением
белкового состава нейронов и нейроглии, которые в значитель-
ной степени определяют морфологическую и функциональную
специфику этих клеточных популяций в ЦНС.
Анализ общего содержания белка в обогащенных нейрона-
ми и нейроглией фракциях свидетельствуют о том, что в глиаль-
ных клетках содержание белка несколько выше по сравнению с
нейронами. Что касается особенностей белкового состава гли-
альных клеток, то они уже рассматривались в гл.З. Очевидны
принципиальные различия, обусловленные отсутствием в глии
аксональных транспортных систем, терминалей, органелл, на-
капливающих и выбрасывающих в синаптическую щель медиа-
торы, сложных систем межнейронального узнавания и адгезии
и т.п.
Большое значение для понимания роли белков в системе ней-
рон-нейроглия имеют исследования их метаболизма. Эти иссле-
дования позволяют изучить не только динамическое состояние
нейрональных и нейроглиальных белков, но и их взаимоотно-
шения. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что
синтез нейрональных белков протекает в 2-3 раза интенсивнее по
сравнению с нейроглиальными белками. Метаболизм белков
различен не только в зависимости от клеточной популяции, но
и внутри самой популяции. Так, установлено, что метаболизм
белков крупных нейронов имеет более высокий уровень по срав-
нению с мелкими нейронами, а белки астроцитов метаболиру-
ют интенсивнее белков олигодендроглии. Эта закономерность
прослеживается как у взрослых, так и у растущих животных.
Исследование метаболизма белков нейронов и нейроглии
проводится in vitro и in vivo, причем следует подчеркнуть, что в
опытах in vivo также прослеживается отличие в их биосинтезе
на уровне нейронов и нейроглии. Включение различных ами-
198
нокислот в белки имеет некоторую избирательность. При ин-
кубации срезов коры головного мозга кроликов с мечеными
аминокислотами с последующим выделением обогащенных
фракций оказалось, что лейцин включается в нейрональные белки
в 5-6 раз, а глицин, глутамат и фенилаланин — в 2,5 раза интен-
сивнее, чем в белки нейроглии. В отличие от аминокислот: вклю-
чение U14С-глюкозы в белки нейронов и нейроглии практиче-
ски одинаково, а в некоторых опытах даже выше в глиальной
фракции. Несомненный интерес представляют длительные по
времени наблюдения белкового метаболизма в субклеточных
фракциях нейронов и нейроглии. Установлено, что в зависимо-
сти от времени радиоактивной экспозиции наблюдается пере-
распределение радиоактивной метки между субклеточными
фракциями нейронов и нейроглии. Так, через 10 мин после
введения 14С-фенилаланина наибольшая радиоактивность об-
наруживается в микросомах, через 20 мин — в митохондриях, а
через 45 мин — в ядерной фракции. При исследовании водо-
растворимой фракции максимальная радиоактивность регист-
рируется через 15 мин, а затем она снижается и остается на
постоянном уровне, что связано с миграцией цитоплазматиче-
ских белков в аксон.
Уровень метаболизма белков нейронов и нейроглии при ис-
следовании в опытах in vitro в значительной степени зависит от
условий инкубации клеточных фракций. Так, например, включе-
ние 3Н-лейцина в нейрональные белки значительно увеличива-
ется по мере нарастания парциального давления О2, тогда как в
клетках нейроглии практически не наблюдается каких-либо
изменений.
Особый интерес для понимания механизмов, лежащих в ос-
нове работы системы нейрон-нейроглия, представляют исследо-
вания, в которых проводится изучение процессов метаболизма
белков при изменении функционального состояния ЦНС. Имею-
щиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что
изменение функционального состояния влечет за собой неоди-
наковые изменения в процессах метаболизма белков в нейронах
и нейроглии. Так, например, при 3-часовой гипоксии включе-
ние 3Н-лейцина увеличивалось в белки нейронов и уменьша-
лось в белки нейроглии. В этот период различия в уровне мета-
болизма в нейронах и нейроглии были не очень значительны-
ми. Однако на фоне 16-часовой гипоксии наблюдалось резкое
увеличение включения изотопа в белки нейронов. При локаль-
ном у-облучении коры головного мозга кролика через 2 дня
происходит уменьшение включения 3Н-лейцина в белки как
199
нейронов, так и нейроглии. В течение последующих 2 недель
наблюдалось усиление включения метки в белки нейронов на
фоне уменьшения включения в белки нейроглии. Такие воз-
действия, как алкогольная интоксикация и аноксия, вызывают
снижение синтеза белков в нейроглии, в то время как в нейро-
нах практически не происходит изменений. В то же время пря-
мые ингибиторы белкового синтеза пуромицин и циклогексимид
значительно снижают скорость включения аминокислот в ней-
рональные белки.
Рассмотренный экспериментальный материал по метаболизму
белков в экстремальных условиях показывает, что в нейроглии
происходит значительное снижение скорости метаболизма бел-
ка, в нейронах эти воздействия не вызывают снижения метабо-
лической активности белков, а даже наоборот, при облучении и
гипоксии наблюдается усиление их обмена, что, по-видимому,
обеспечивает “нормальную” работу нейронов при увеличении
функциональной нагрузки. В то же время действие прямых ин-
гибиторов белкового синтеза вызывает более значительное уг-
нетение белкового метаболизма в нейронах, что связано с боль-
шей чувствительностью белоксинтезируюших систем нейронов
по сравнению с нейроглией. Таким образом, на примере мета-
болизма белков и аминокислот подтверждается вывод о суще-
ствовании единой, но строго компартментализованной метабо-
лической системы нейрон-нейроглия, в которой процессы син-
теза и распада белков и аминокислот теснейшим образом свя-
заны и взаимообусловлены.
6.3. ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ НЕЙРОНОВ И
НЕЙРОГЛИИ
Особенности протекания метаболических процессов в ней-
рональных и нейроглиальных клетках наиболее отчетливо про-
являются при изучении активности ферментных систем, под
контролем которых они находятся. Ранние работы по исследо-
ванию активности ферментов в обогащенных фракциях нейро-
нов и нейроглии показали, что активность таких дыхательных
ферментов, как цитохромоксидаза (1.9.3.1), НАД-Н2-дегидроге-
наза, сукцинатдегидрогеназа (1.3.99.1) и малат-дегидрогеназа
(1.1.1.37) значительно выше в глиальных, по сравнению с нейро-
нальными, клетках. Позднее эти выводы получили подтвержде-
ние при изучении митохондриальных ферментов нейронов и
нейроглии.
Имеющиеся данные свидетельствуют не только о различии в
200
активностях дыхательных ферментных систем нейронов и ней-
роглии, но и о глубоких различиях путей использования источ-
ников энергии в нейронах и глии. Уровень дыхания нейрональ-
ных клеток в несколько раз превышает уровень дыхания нейрог-
лиальных клеток. В отличие от дыхательных ферментов актив-
ность гликолитических ферментов выше в глиальных клетках.
Ферментные системы нейронов и нейроглии различаются по
своим кинетическим параметрам и изоферментному составу
(табл. 6.1).
Таблица 6.1.
Изоферментный состав некоторых ферментов нейронов
и нейроглии
Название фермента Нейроны Нейроглия
Малатдегидрогеназа (1.1.1.37) 2 изофермента 3 изофермента
Лактатдегидрогеназа (1.1.1.27) Н-форма М-форма
Моноаминоксидаза (1.4.3.4) В-форма A-форма и В-форма
Енолаза уу- и, возможно, ау-формы аа-форма
Структуры а-субъединины в нейронах и нейрог-
лии различаются
Из табл. 6.1 видно, что в нейрональных митохондриях в со-
ставе малатдегидрогеназы обнаруживаются два.изофермента, в
то время как в глиальных митохондриях имеются 3 изофермен-
та. Экспериментальные исследования подтвердили ранее вы-
сказанное предположение о существовании Н-формы лактат-
дегидрогеназы в нейрональных клетках, а М-формы - в глиаль-
ных (в основном в олигодендроглии). Активность лактатдегид-
рогеназы в олигодендроцитах на порядок выше, чем в астроци-
тах.
Моноаминооксидаза нейронов представлена В-формой, ко-
торая преимущественно катализирует окислительное дезамини-
рование бензиламина и фенилэтиламина. В .'глиальных клетках
этот фермент представлен A-формой, катализирующей обмен
норадреналина и серотонина, а также В-формой. Иммунохи-
мическое исследование показало существование двух форм ено-
лазы, которые структурно различаются в зависимости от лока-
201
лизации в той или иной клеточной популяции ЦНС. Однако
позднее было установлено присутствие в нервной ткани 3 изо-
энзимов енолазы: аа, ау и ff, количество которых меняется под
действием пре- и постганглионарной стимуляции или при до-
бавлении ацетилхолина и высоких концентраций ионов К+. В
нейронах локализован у-димер енолазы, а в нейроглиальных
клетках — аа, хотя ряд авторов полагает, что в нейронах обна-
руживаются и ay-формы енолазы.
Выше уже отмечалось, что характерной особенностью обоих
типов клеток ЦНС является способность аккумулировать одно-
валентные ионы, в частности ионы К+, против градиента кон-
центрации. Это связано, в свою очередь, с ферментативными
системами, обеспечивающими транспорт ионов. В табл.6.2 пред-
ставлены данные, которые наглядно показывают зависимость
аккумуляции нейрональными и нейроглиальными клетками
ионов К+ от их концентрации во внеклеточном пространстве.
При физиологических значениях внеклеточной концентрации
ионов К+ наблюдается интенсивное поглощение К+ нейрональ-
ными и нейроглиальными клетками, причем степень поглоще-
ния в глиальных клетках в среднем в 2 раза выше, чем в нейро-
нальных. Ферментом, с помощью которого осуществляется ак-
тивный транспорт ионов К+, является Na+, К+-АТФаза (3.6.1.3).
Установлено, что общая АТФазная активность нейроглии пре-
вышает последнюю в нейронах, и наиболее отчетливо это про-
является для Na+, К+-АТФазы. При физиологических значени-
ях концентрации внеклеточного К+ активность Na+, К+ -АТФ-
азы в клетках нейроглии превышает активность нейрональной
Na+, К+-АТФазы в среднем в 4 раза (табл. 6.3).
Таблица 6.2.
Влияние концентрации ионов К+ на поглощение их
нейрональными и нейроглиальными клетками
Концентрация мМ Квн/Кк
нейроны нейроглия
5 2,25±0,2 4,80±0,6
10 2,10±0;2 4,50±0,3
25 1,60+0,3 3,0±0,5
50 1,20±0,15 1,45±0,15
100 1,00±0,1 1,60±0,35
202
Таблица 6.3.
Активность Na+, К+-АТФазы плазматических мембран
нейронов и нейроглии. Влияние концентрации ионов К+
Концентрация ионов к+ Активность Na+, К+-АТФазы (мкмоль Рн/мг белка ч)
нейроны нейроглия
5 1,00±0,50 2,0±0,5
10 2,25±0,55 8,5±1,7
29 1,50±0,75 5,0±1,0
Более высокий уровень активности Na+, К+-АТФазы в ней-
роглии по сравнению с нейронами характерен для всех стадий
онтогенеза. Так, у крыс уже к 10-му дню постнатального разви-
тия активность Na+, К+-АТФазы нейроглии превышает ее ак-
тивность в нейронах, а к 21 дню глиальная фракция обладает в
2-3 раза более высокой активностью, чем нейрональная. Это
подтверждает, что глиальные клетки играют важную роль в регу-
ляции внеклеточной концентрации ионов К+. По-видимому, по-
вышение концентрации ионов К+ во внеклеточном простран-
стве вследствие нейронного разряда является сигналом нейро-
на для нейроглии активизировать реакции, которые осуществ-
ляют контроль за движением и накоплением ионов К+. Такой
механизм позволяет клеткам нейроглии удалять избыток К+,
накапливающийся во внеклеточном пространстве при возбуж-
дении нейрона.
Не менее важное место принадлежит нейроглии и в регуля-
ции транспорта ионов Са2+, которые неразрывно связаны с про-
цессами высвобождения медиаторов, генерации и проведения
нервного импульса, т.е. процессами, определяющими функцио-
нальную деятельность нервной ткани.
Как показано в модельных опытах, нейроны и нейроглия в
среднем поглощают и высвобождают ионы Са2+ с одинаковой
скоростью, но в то же время имеются значительные различия в
Са-потоках в этих клеточных популяциях. Для нейроглии ха-
рактерна более высокая чувствительность транспорта Са2+ к из-
менению внеклеточной концентрации одновалентных ионов по
сравнению с нейронами. Повышение внеклеточной концентра-
ции ионов К+ способствует выходу Са2+ из глии во внеклеточ-
ное пространство и включению его в механизм высвобождения
203
медиаторов. Оценивая роль глии в миграции Са2+, целесооб-
разно вновь напомнить читателю гипотезу, изложенную в нача-
ле настоящей главы, о передаче сигнала в астроцитных сетях
посредством модуляции концентраций Са2+.
Таким образом, на примере анализа ферментных систем и
ионных потоков видно, что нейроны и нейроглия и в этом от-
ношении образуют единую, но частично компартментализован-
ную систему, которая во многом определяет специфичность
протекания метаболических процессов в нервной ткани.
6.4. ФОСФОЛИПИДЫ НЕЙРОНОВ И НЕЙРОГЛИИ
Биохимические процессы, отвечающие за метаболическое
единство системы нейрон-нейроглия, протекают на уровне их
плазматических мембран. В связи с этим исследование мембран-
ных компонентов нейрональных и нейроглиальных клеток при-
обретает первостепенное значение. К важнейшим мембранным
компонентам, которые принимают непосредственное участие в
их структурно-функциональной организации, относятся фос-
фолипиды.
Имеющиеся в литературе данные по распределению фосфо-
липидов в нейронах и нейроглии свидетельствуют о том, что
глиальные клетки в среднем в 2 раза более богаты фосфолипида-
ми по сравнению с нейронами. В значительной мере это обу-
словлено особенностями олигодендроглии, формирующей в он-
тогенезе миелиновую оболочку аксонов (см. гл.4).
Качественный состав фосфолипидов нейронов и нейроглии
очень сходен, хотя и имеются некоторые отличия в содержании
тех или иных индивидуальных фосфолипидов. Основную часть
фосфолипидов составляют фосфатидилхолин и фосфатидилэта-
ноламин, их доля равна ~90%.
Значительные отличия наблюдаются в распределении минор-
ных фосфолипидов. Так, нейроны богаче такими фосфолипида-
ми, как лизофосфатидилхолин, фосфатидилинозитол, а нейрог-
лия — сфингомиелином и фосфатидной кислотой. По жирно-
кислотному составу фосфолипиды нейронов и нейроглии раз-
личаются незначительно. В основном отличия касаются содер-
жания отдельных жирных кислот, что в полной мере проявля-
ется лишь при сравнении нейронов с астроглией. Олигоденд-
роглия характеризуется тем, что ее фосфолипиды отличаются
высоким содержанием С]8-жирных кислот. Кроме того, в фос-
фолипидах олигодендроглиальных клеток обнаружены значи-
тельные количества плазмалогенов.
204
Большое значение для понимания роли и взаимоотношений
фосфолипидов в системе нейрон-нейроглия имеют исследова-
ния метаболической активности последних. При изучении ме-
таболизма фосфолипидов с применением 32Р установлено, что
гидрофильная часть молекулы фосфолипидов нейронов обме-
нивается быстрее по сравнению с нейроглией. Эти результаты
получили подтверждение и в работах, где применялись пред-
шественники биосинтеза фосфолипидов, меченые 14С и 3Н. Все
компоненты молекулы фосфолипидов, как гидрофильные, так
и гидрофобные, различаются по уровню своего метаболизма.
При этом наиболее значительные отличия в метаболизме отме-
чены для таких фосфолипидов, как фосфатидилинозитол, фос-
фатидная кислота и лизофосфатидилхолин. Это связано с тем,
что фосфатидная кислота и фосфатидилинозитол принимают
самое непосредственное участие в осуществлении нейромедиа-
торных процессов, происходящих на уровне нейрональных кле-
ток (см. гл. 8, 10).
Данные по динамике включения радиоактивных предшест-
венников свидетельствуют о существовании различных систем
биосинтеза фосфолипидов в нейронах и нейроглии. По-види-
мому, биосинтез нейрональных фосфолипидов обусловлен транс-
портом предшественников из нейроглии. Большая метаболиче-
ская активность нейрональных фосфолипидов по сравнению с
нейроглиальными подтверждается и при исследовании фермен-
тов, катализирующих их превращение. Так, активность ЦДФ-
холин: 1,2-диглицерид-холинфосфотрансферазы (2.7.8.2) в ней-
ронах в 3 раза, а активность ЦДФ-этаноламин: 1,2-диглицерид-
этаноламинтрансферазы (2.7.8.1) в 2 раза выше, чем в клетках
нейроглии. Активность таких ферментов деградации фосфоли-
пидов, как фосфолипаза Ар в 8 раз, а фосфолипаза А2 в 5 раз
выше во фракции нервных клеток по сравнению с нейроглией.
Значительная часть других отличий нейронов л нейроглии по
составу и функциям липидов уже была объектом рассмотрения в
гл.4. В частности, в настоящей главе нет необходимости возвра-
щаться к особенностям, связанным с содержанием и ролью ганг-
лиозидов и цереброзидов.
Выводы
1. Нейрональные и нейроглиальные клетки отличаются друг
от друга по ряду биохимических показателей — таких, как со-
став и синтез белка и аминокислот, транспорт ионов и медиа-
торов, активность ферментов, метаболизм фосфолипидов и дру-
205
гих клеточных компонентов.
2. Экспериментальные данные свидетельствуют о существо-
вании единой, но в то же время строго компартментализован-
ной, метаболической и функциональной системы нейрон-ней-
роглия. В этой системе нейрон является ведущей функциональ-
ной единицей нервной ткани, хотя его метаболизм и функции
не могут быть обеспечены без участия глии.
3. Наиболее яркими примерами разделения функций нейро-
нов и нейроглии и в то же время их взаимодействия являются:
а) системы метаболизма глутамата-глутамина-ГАМК и не-
которых других аминокислот и медиаторов;
б) состав и миграции нейроспецифических белков;
в) распределение и особенности структуры ферментов энер-
гетического обмена;
г) регуляция уровня ионов калия;
д) состав и функции липидов.
4. Есть основания полагать, что астроциты, образуя протя-
женные системы тесно сопряженных клеток, способны переда-
вать модуляторные сигналы (например посредством волнооб-
разных изменений концентраций Са2+).
206
Часть II
Функциональная биохимия нервной системы
Глава 7
Синаптическая передача. Медиаторы
М.А.Каменская
В конце прошлого века Ч.Шеррингтон обосновал представ-
ление об отсутствии межклеточной непрерывности в нервной
системе и ввел понятие синапс для обозначения структуры, ко-
торая опосредует передачу сигнала от окончаний аксона к эффек-
торной клетке — нейрону, мышечному волокну, секреторной клетке
железы. Синапс состоит из пресинаптического окончания и пост-
синаптической мембраны, разделенных синаптической щелью,
которая заполнена рыхлым коллагеноподобным веществом.
Существуют два способа синаптической передачи — элек-
трический и химический.
Возможно и сочетание обоих механизмов, электрического и
химического, в одном смешанном синапсе, однако в нервной
системе млекопитающих преобладают чисто химические синап-
сы.
В электрических синапсах, количество которых в нервной
системе относительно невелико, потенциал действия пресинап-
тических окончаний обеспечивает ток, который деполяризует
постсинаптическую мембрану. Морфологическую основу электри-
ческой передачи составляет щелевой контакт, для которого ха-
рактерны тесное прилегание пре- и постсинаптической мем-
бран (ширина синаптической щели всего лишь 2 нм), большая
площадь контакта этих мембран, наличие ультраструктур, сни-
жающих электрическое сопротивление в области контакта, —
своего рода каналов, организованных в виде правильной сети
между пре- и постсинаптической мембраной.
Электрофизиологическими критериями электрической синап-
тической передачи являются: 1) отсутствие синаптической за-
держки; 2) проведение возбуждения в обоих направлениях (хотя
некоторые электрические синапсы обладают выпрямляющими
свойствами, т.е. коэффициент связи от пресинаптической мем-
браны к постсинаптическому нейрону больше, чем в обратном
207
направлении); 3) независимость от потенциала пресинаптиче-
ской мембраны; 4) устойчивость к изменениям концентрации
ионов кальция и магния в среде, к асфиксии, низкой темпера-
туре, некоторым фармакологическим воздействиям.
Функциональная роль электрических синапсов состоит в осу-
ществлении срочной передачи сигналов (без синаптической за-
держки), обеспечивающей синхронизацию электрической ак-
тивности группы нейронов, например группы мотонейронов во
время прыжковых движений лягушки или плавательных дви-
жений рыбы. Электрические синапсы обнаруживаются между
нервными клетками, однотипными по структуре и функциям.
Эволюция нервной системы сопровождается уменьшением чис-
ла электрических синапсов в пользу другого способа передачи
— химического. В химическом синапсе нервный импульс вызывает
освобождение из пресинаптических окончаний химического посред-
ника — нейромедиатора, который диффундирует через синапти-
ческую щель (имеющую ширину 10-50 нм) и вступает во взаи-
модействие с белками-рецепторами постсинаптической мембра-
ны. В результате происходит генерация постсинаптического по-
тенциала.
Химический механизм синаптической передачи по сравне-
нию с электрическим более эффективно обеспечивает основ-
ные функции синапса: 1) одностороннее проведение сигнала; 2)
усиление сигнала; 3) конвергенцию многих сигналов на одной
постсинаптической клетке, пластичность передачи сигналов
(обучение, память и т.д.).
Химические синапсы передают два вида сигналов — возбуж-
дающий и тормозной. В возбуждающих синапсах нейромедиа-
тор, освобождаемый из пресинаптических нервных окончаний,
вызывает в постсинаптической мембране возбуждающий пост-
синаптический потенциал — локальную деполяризацию, а в
тормозных синапсах — тормозной постсинаптический потенци-
ал, как правило, —гиперполяризацию. Снижение сопротивле-
ния мембраны, происходящее во время тормозного постсинап-
тического потенциала, ведет к короткому замыканию возбуж-
дающего постсинаптического тока, тем самым ослабляя или
блокируя передачу возбуждения.
В настоящей главе рассмотрены оргг" зация пресинаптиче-
ского окончания, механизмы экзоцитоза ейромедиаторов, хи-
мическая природа и функциональные ососзнности медиаторов.
Процессы, протекающие в постсинаптических мембранах, а так-
же биохимия рецепторов, изложены в 8-й главе.
208
7.1. МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ХИМИЧЕСКОГО СИНАПСА. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
ОСВОБОЖДЕНИЯ НЕЙРОМЕДИАТОРА
Одним из самых детально изученных химических синапсов
считается нервно-мышечное соединение скелетных мышц, в ко-
тором нейромедиатором служит ацетилхолин (АХ). Относитель-
ная доступность этого синапса и удобство для изучения позво-
лили нобелевскому лауреату Б. Катцу в 50-е годы провести мик-
роэлектрофизиологические исследования, которые вместе с дан-
ными электронной микроскопии составили основу квантовой
теории синаптической передачи, справедливой для самых раз-
ных химических синапсов.
Согласно этой теории процесс освобождения нейромедиа-
тора складывается из отдельных элементарных реакций, каждая
из которых представляет собой выход одного кванта нейромедиа-
тора. Когда потенциал пресинаптической мембраны находится
на уровне покоя, т.е. к пресинаптическим окончаниям не по-
ступают нервные импульсы, кванты нейромедиатора тоже ос-
вобождаются, но спонтанно и с низкой скоростью. Ответом
постсинаптической мембраны на отдельные кванты является
возникновение миниатюрных постсинаптических потенциалов,
в случае нервно-мышечного синапса они называются миниа-
тюрными потенциалами концевой пластинки. Деполяризация
пресинаптической мембраны во время нервного импульса ве-
дет к практически синхронному освобождению большого ко-
личества квантов — до нескольких сотен. В результате возника-
ет вызванный постсинаптический потенциалов нервно-мышеч-
ном синапсе он называется потенциалом концевой пластинки),
который, в случае достижения пороговой амплитуды, ведет к
генерации потенциала действия в постсинаптической клетке.
Освобождение индивидуальных квантов представляет собой
статистический процесс: нервное окончание содержит п эле-
ментарных единиц (порций нейромедиатора), каждая из кото-
рых имеет независимую от других единиц вероятность ответа
на нервный импульс. Если средняя вероятность ответа равна Р,
то среднее число квантов, освобожденных в ответ на нервный
импульс (квантовый состав постсинаптического потенциала),
определяется уравнением т=пР.
Повышение вероятности освобождения квантов при депо-
ляризации пресинаптической мембраны связано с открывани-
ем потенциал-зависимых Са2+-каналов мембраны и входом Са
в соответствии с их электрохимическим градиентом в преси-
209
наптиЧЬское окончание. Таким образом, ионы Са участвуют в
процессе электросекреторного сопряжения.
Квантовый характер синаптической передачи обусловлен тем,
что нейромедиатор хранится в синаптических пузырьках. При-
сутствие везикул диаметром 40-200 нм, окруженных относи-
тельно плотной для электронов мембраной толщиной 4-5 нм,
является характерной морфологической особенностью химиче-
ских синапсов. Объем синаптического пузырька в двигатель-
ных нервных окончаниях диафрагмы крысы составляет 5,2-104
нм3. Такой пузырек может содержать порядка 4103 молекул АХ,
что вполне соответствует результатам оценки молекулярного
состава кванта АХ — (2-3)-103 молекул.
Синаптические пузырьки в аксоплазме нервного окончания
сосредоточены в области, приближенной к пресинаптической
мембране, около синаптической щели, причем пузырьки рас-
пределяются неравномерно, группируясь у периодически вы-
ступающих в аксоплазму утолщений пресинаптической мем-
браны — активных зон. По-видимому, в активных зонах нахо-
дятся скопления потенпиал-зависимых Са2+-каналов, обеспе-
чивающих вход Са2+ в пресинаптическое окончание во время
потенциала действия. В активных зонах обнаружены регулярно
расположенные розеткообразные мембранные частицы диамет-
ром около 15,0 нм, количество которых возрастает во время
деполяризации пресинаптической мембраны. Можно предпо-
лагать, что эти частицы представляют собой точки слияния си-
наптических пузырьков с активной зоной, т.е. участки экзоци-
тоза нейромедиатора в синаптическую щель.
При физиологических значениях частоты и длительности сти-
муляции нерва не удается выявить изменения количества си-
наптических пузырьков, несмотря на наблюдаемые изменения
количества освобождаемого медиатора. Только при воздейст-
виях, вызывающих истощение пресинаптических запасов ме-
диатора (длительное электрическое раздражение нерва, интен-
сивная деполяризация пресинаптических окончаний ионами К,
действие токсина каракурта), отмечается некоторый паралле-
лизм изменений постсинаптических потенциалов и морфоло-
гических характеристик пресинаптических окончаний.
В период начального бурного освобождения медиатора, ко-
гда резко повышается частота спонтанных миниатюрных пост-
синаптических потенциалов, в области активных зон появля-
ются многочисленные омегаподобные впячивания пресинапти-
ческой мембраны, которые соответствуют слипанию мембраны
пузырька с участком освобождения. В фазу снижения кванто-
210
вого состава вызванных постсинаптических потенциалов наблю-
дается уменьшение количества синаптических пузырьков и уве-
личение площади поверхности пресинаптического окончания
за счет встраивания мембран синаптических пузырьков в пре-
синаптическую мембрану. В дальнейшем идет процесс рецик-
лизации синаптических пузырьков: от пресинаптической мем-
браны в нервное окончание отпочковываются мембранные
структуры, которые сливаются, образуя окруженные мембра-
ной цистерны; затем от цистерн отделяются синаптические пу-
зырьки, вновь заполняемые медиатором, синтезированном в
цитоплазме.
Процесс рециклизации синаптических пузьфьков прослежен
с помошью пероксидазы хрена. При добавлении этого маркера
в среду инкубации электрическое раздражение нерва сопрово-
ждается усиленным захватом маркера синаптическими пузырь-
ками и цистернами. Если после этого перенести препарат в среду,
не содержащую пероксидазу хрена, и вновь подвергнуть его сти-
муляции, то пероксидаза освобождается в среду при экзоцитозе
содержимого синаптических пузырьков.
Оценку динамики изменений запасов медиатора в преси-
наптическом окончании во время ритмического раздражения
нерва можно производить электрофизиологически путем изме-
рения амплитуды и расчета квантового состава постсинаптиче-
ских потенциалов. Классическими объектами для таких иссле-
дований стали нервно-мышечный синапс и симпатический ганг-
лий. Структуры центральной нервной системы, где на теле или
дендрите одного нейрона конвергируют много взаимодействую-
щих синапсов, непригодны для таких оценок. Ритмическое раз-
дражение двигательного нерва скелетной мышцы млекопитаю-
щего сопровождается быстрым снижением количества освобо-
ждаемого в ответ на каждый импульс медиатора, вплоть до не-
которого относительно постоянного уровня. Это явление, на-
зываемое депрессией, показывает, что запас медиатора, способ-
ного к освобождению, ограничен и пополняется медленнее, чем
расходуется. Депо АХ в нервно-мышечном синапсе оценивают
примерной цифрой 2105 квантов. Быстрая депрессия потен-
циалов концевой пластинки отражает расходование небольшой
части депо АХ — так называемой фракции доступного медиато-
ра, которая составляет примерно 103 квантов для нервно-мы-
шечного синапса лягушки.
Интересной особенностью метаболизма пресинаптических
окончаний является предпочтительная секреция вновь синте-
зированного в цитоплазме медиатора. После инкубации нерв-
211
но-мышечного препарата или симпатического ганглия в среде
с меченым предшественником АХрН]-холином ритмическое
раздражение нерва приводило к секреции [3Н]-АХ. Очевидно,
существует фракция расположенных у активных зон синапти-
ческих пузырьков, которые после экзоцитоза их содержимого
сразу же подвергаются рециклизации, заполняются только что
синтезированным в цитоплазме медиатором и вновь готовы к
экзоцитозу.
Следует отметить, что наряду с зависимой от ионов Са кван-
товой секрецией медиатора, которая обеспечивает передачу сиг-
нала через синапс к постсинаптической клетке, а также проис-
ходит спонтанно, в отсутствие нервных импульсов, существует
постоянная неквантовая утечка молекул медиатора из нервно-
го окончания. В нервно-мышечном синапсе лягушки и млеко-
питающих неквантовая утечка создает концентрацию АХ в си-
наптической щели порядка 1О-8-1О-7М. Общее количество АХ,
секретируемого неквантовым способом, превышает выход АХ,
обусловленный спонтанной квантовой секрецией. Предполага-
ется, что неквантовая секреция медиатора играет трофическую
роль.
Нервно-мышечный синапс является экспериментальным объ-
ектом, удобным для исследования электрофизиологическими
методами. Однако изоляция нервных окончаний и синаптиче-
ских пузырьков для биохимического исследования крайне за-
труднена вследствие того, что двигательные нервные оконча-
ния составляют слишком малую долю от объема ткани скелет-
ной мышцы. Гораздо более адекватным препаратом для изуче-
ния экзоцитоза нейромедиаторов являются синаптосомы — пре-
синаптические окончания, выделяемые из нервной ткани, как пра-
вило, вместе с веществом, заполняющим синаптическую щель, и
участком постсинаптической мембраны. Деполяризация синап-
тосом физиологическим раствором с высокой концентрацией
К+ вызывает зависимую от Са2+ секрецию нейромедиаторов.
7.2. ЭКЗОЦИТОЗ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ
В нейрохимическом плане лучше других синапсов изучен
электромоторный синапс электрического органа рыб, где нейро-
медиатором служит АХ. В начале 70-х годов в лаборатории В.Уит-
такера в ФРГ впервые удалось выделить изолированную фрак-
цию синаптических пузырьков из электрического органа ската
Torpedo marmorata. Именно на этом объекте с помощью биохи-
мических, иммуноцитохимических методов и ядерного магнит-
212
ного резонанса получены фундаментальные сведения о струк-
туре и функциях синаптических пузырьков и разработана схема
их жизненного цикла (рис 7.1).
Рис. 7.1. Схема жизненного цикла синаптических пузырьков:
СПо — пустые пузырьки, СП} — заполненные (зрелые) пузырьки,
СП2 —частично заполненные пузырьки
В аппарате Гольджи сомы нейрона формируются мембран-
ные образования в виде пузырьков, не заполненных медиато-
ром (фракция СП0). Эти пузырьки направляются в пресинап-
тическое окончание с помощью системы быстрого аксонного
транспорта. В пресинаптическом окончании пузырьки запол-
няются медиаторами (АХ и АТФ) посредством АТФ-зависимо-
го протонного насоса. Молекулы протонной АТФазы входят в
состав мембраны синаптических пузырьков и поддерживают
определенный уровень мембранного потенциала. Мембрана
213
синаптического пузырька содержит также стимулируемую каль-
модулином Са2+-АТФазу, которая обеспечивает поглощение
пузырьками ионов Са. Популяция зрелых (заполненных) пу-
зырьков (фракция СП;) подвергается экзоцитозу, освобождая
содержимое в синаптическую щель. После этого происходит
восстановление мембранной структуры синаптических пузырь-
ков путем эндоцитоза с последующим вторичным заполнением
нейромедиаторами (фракция СП2). Циклы экзоцитоз — эндо-
цитоз повторяются.
Эта схема согласуется с электрофизиологическими дан-
ными о квантовом характере секреции нейромедиатора и о чис-
ленности квантов разных размеров в одном и том же пресинап-
тическом окончании, а также с радиохимическими сведениями
о предпочтительном освобождении вновь синтезированного ме-
диатора. Таким образом, пресинаптическое окончание можно
рассматривать как систему, в определенной мере автономную
по отношению к телу нейрона.
Синаптические пузырьки диаметром 50-60 нм, так называе-
мые малые прозрачные синаптические пузырьки (в отличие от дру-
гой популяции — больших электронно-плотных пузырьков), ана-
логичные холинергическим синаптическим пузырькам из элек-
трического организма ската, выделены из разных отделов нерв-
ной системы представителей практически всех таксономических
групп животных. Эти пузырьки отличаются низкой электрон-
ной плотностью содержимого. Они заполнены низкомолекуляр-
ными нейромедиаторами (АХ, катехоламины, глутамат, ГАМК,
глицин) в отличие от больших электронно-плотных пузырьков,
заполненных медиаторами пептидной природы.
Ключевую проблему в изучении экзоцитоза нейромедиато-
ров представляет вопрос о механизмах сближения синаптическо-
го пузырька с активной зоной пресинаптической мембраны и взаи-
модействия мембраны пузырька с активной зоной. Имеются дан-
ные о том, что эти процессы зависят,от Са2+ —универсального
внутриклеточного посредника, участие которого в секреторных
процессах может быть обусловлено активацией актомиозино-
вых филаментов цитоскелета, мембранной фосфолипазы А2, аде-
нилатциклазы, Са2+/кальмодулин-зависимых протеинкиназ и
ряда других Са2+-связывающих белков.
Известно, что связывание Са2+ с кальмодулином индуциру-
ет фосфорилирование ряда белков синаптосом. Ингибиторы
кальмодулина и кальмодулинкиназы блокируют освобождение
нейромедиаторов, вызываемое деполяризацией синаптосом. При
воздействии различных факторов, влияющих на количество ос-
214
вобождаемого медиатора (деполяризация синаптосом, сдвиги
концентрации Са2+ и Mg2+ в среде) и на фосфорилирование
белков (ингибиторы кальмодулинкиназы диазепам и фенитоин,
ингибитор кальмодулина трифторперазин), выявлена корреля-
ция между изменениями секреции нейромедиаторов и фосфо-
рилированием белков синаптосом.
Независимо от того, из какого отдела нервной системы они
получены и какой нейромедиатор содержат, малые синаптиче-
ские пузырьки характеризуются специфическим набором инте-
гральных мембранных белков, к которым относятся синапсины
— фосфопротеины, фосфорилируемые цАМФ- и Са2+-зависи-
мыми протеинкиназами, синаптофизин — гликопротеин, про-
низывающий мембрану; синаптобревин — негликозилирован-
ный белок, находящийся на цитоплазматической поверхности
пузырьков; белок SNAP-25; синтаксин, синаптогамин, синап-
топорин и др.
Особая роль в сближении синаптического пузырька с актив-
ной зоной отводится синапсину. Этот белок, который состоит
из двух полипептидов с молекулярной массой 86 и 80 кД, ассо-
циирован с цитоплазматической поверхностью мембраны си-
наптического пузырька. При микроинъекции фосфорилирован-
ной формы синапсинов в пресинаптическое окончание гигант-
ского аксона кальмара наблюдается повышение амплитуды и
скорости нарастания постсинаптического потенциала, что сви-
детельствует об увеличении секреции медиатора; дефосфори-
лированные формы синапсинов не вызывали такого эффекта.
Аналогичное увеличение секреции медиатора происходит при
микроинъекции Са2+/кальмодулина. Показана способность очи-
щенных синапсинов взаимодействовать в зависимости от со-
стояния фосфорилирования с белками мембраны синаптиче-
ского пузырька и с F-актином цитоскелета пресинаптического
окончания. Предложена следующая схема участия синапсинов
в экзоцитозе. В отсутствии деполяризации пресинаптического
окончания, когда концентрация Са2+ в цитоплазме низка, де-
фосфорилированный синапсин, связанный с цитоплазматиче-
ской поверхностью пузырька, взаимодействует с цитоскелетом,
обеспечивая резервирование и иммобилизацию пузырька. При де-
поляризации пресинаптической мембраны происходит вход Са2+
в пресинаптическое окончание -> активация Са2+/кальмоду-
линкиназы -> фосфорилирование синапсина I -> ослабление
связи между синапсином и пузырьком, а также синапсином и
F-актином. В результате синаптический пузырек перемещается
вдоль микротрубочек на стратегическую позицию v активной
215
зоны.
Далее наступает цепь реакций, обеспечивающих контакт пу-
зырька с пресинаптической мембраной и его плавление. Здесь
опять-таки процесс инициируется Са2+, который связывается с
другим белком пузырька —синаптогаммном. Именно Са2+-си-
наптогамин взаимодействует с фосфолипидами и с комплексом
других белков, регулирующих плавление везикулы, — синап-
тобревинам, синтаксином и синаптофизином. В заключение про-
исходит активация белка синаптопорина, формирующего пору,
канал, через который изливается содержимое везикулы.
В поисках молекулярных механизмов слияния мембраны си-
наптического пузырька с пресинаптической мембраной выяв-
лено, что ботулинический и столбнячный токсины, блокирую-
щий экзоцитоз нейромедиаторов из синаптических пузырьков,
повреждают именно указанную выше триаду белков пузырька
— синаптобревин, синтаксин и SNAP-25.
Ряд других деталей конечного этапа экзоцитоза пока не вы-
яснен. Существует предположение, что выброс нейромедиато-
ров происходит при активном сокращении стенок пузырька с
участием актомиозинподобных белков, активируемых ионами
Са (см. гл.З).
7.3. СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ
Синаптическая пластичность означает способность синапсов
к функциональным и морфологическим перестройкам в процессе
синаптической активности. Свойство пластичности синапсов со-
ставляет основу таких явлений, как обучение, память.
Изменение эффективности синапса после активации опре-
деляется увеличением или уменьшением амплитуды постсинап-
тических потенциалов, которые в свою очередь связаны с изме-
нением количества нейромедиатора, высвобождаемого из пре-
синаптических окончаний.
Существует несколько основных фаз постактивационных из-
менений синаптической эффективности.
1. Облегчение — повышение амплитуды постсинаптическо-
го потенциала в начальный период ритмической серии преси-
наптических импульсов (длительность фазы < 1 с).
2. Кратковременная посттетаническая потенциация — по-
вышение амплитуды постсинаптического потенциала при рит-
мической активации нервного окончания в течение десятков
секунд.
3. Постактивационная депрессия постсинаптических потен-
216
циалов, которая развивается параллельно и взаимодействует с
процессом потенциации.
4. Длительная потенциация постсинаптических потенциалов,
которая медленно развивается вслед за кратковременной по-
тенциацией и продолжается в течение часов и даже дней.
Эти явления связаны с изменением концентрации Са2+ в
пресинаптических окончаниях во время ритмической активно-
сти. Длительные модификации синаптической эффективности
ассоциируются с изменениями фосфорилирования синаптиче-
ских белков.
Следует упомянуть, что наряду с пресинаптическими меха-
низмами существуют и постсинаптические механизмы, осно-
ванные на изменениях чувствительности рецепторов нейроме-
диаторов (гл. 8).
7.4. МЕДИАТОРЫ
Развитие представлений о химической медиации нервных
импульсов началось в начале века в результате открытий О.Лё-
ви, Дж.Эллиота, ГДейла, которые показали, что передача сиг-
нала в нейроэффекторных соединениях опосредуется высвобо-
ждением АХ или норадреналина (НА) из нервных окончаний.
До 50-х годов к медиаторам относили две группы низкомо-
лекулярных соединений, которые сейчас называются “класси-
ческими”, “традиционными” медиаторами, — амины (АХ, ад-
реналин, НА, дофамин, серотонин) и аминокислоты (глутамат,
аспартат, ГАМК, глицин). В 60-е годы Дж.Бэрнсток открыл
третью группу медиаторов — пуриновые нуклеотиды. В 1953 г.
ФЛембек выдвинул предположение о медиаторной роли пеп-
тида — вещества Р, обнаруженного еще в 30-е годы в мозге и в
стенках кишечника в виде вещества, которое усиливало сокра-
щения изолированной кишки и вызывало временную гипотен-
зию. Свое название вещество Р получило от слова “powder”,
поскольку его первооткрыватели работали с высушенными в
виде порошка экстрактами тканей. Разработка иммуноцитохи-
мических и радиоиммунологических методов позволила в 70—
80-е годы выявить в разных отделах нервной системы позво-
ночных и безпозвоночных множество пептидов (нейропепти-
дов), участвующих в синаптической передаче. Нейропептиды
составляют четвертую, самую многочисленную группу медиа-
торов (гл.9) и, кроме того, выступают как модуляторы действия
других медиаторов.
217
7.4.1. Принцип Дейла
В 30-е годы Г.Дейл пришел к выводу, что идентификация
медиатора в периферических окончаниях сенсорного нейрона
позволяет судить о природе химической передачи в централь-
ном синапсе этого нейрона. Со временем принцип Дейла стал
толковаться как постулат, согласно которому каждый нейрон
содержит единственное медиаторное вещество, которое высво-
бождается во всех окончаниях этого нейрона. В таком понима-
нии принцип Дейла, безусловно, не соответствует действитель-
ности.
С современных позиций принцип Дейла соответствует, по-
видимому, формулировать как положение о метаболической за-
висимости аксона и его окончаний от тела клетки. Известный
нейробиолог Дж.Экклс считает, что именно такой смысл вкла-
дывал в свой вывод и сам Г.Дейл.
7.4.2. Многообразие синаптических медиаторных
функций
В настоящее время представление о химическом кодирова-
нии сигналов в нервной системе основываются на принципе мно-
жественности химических сигналов: в индивидуальном нейроне
синтезируется более одного медиатора; каждое пресинаптиче-
ское окончание способно высвобождать несколько медиаторов,
сочетание которых может не быть одинаковым для разных си-
напсов одного и того же нейрона.
Ставшее привычным понятие “ергичности” нейрона и си-
напса можно принимать лишь как условное. Термины “холи-
нергический”, “пуринергический”, “пептидергический” и т.д.
целесообразно употреблять только в случае присутствия в дан-
ном нейроне и высвобождении в синапсе конкретного медиа-
тора, не исключая при этом существования других медиатор-
ных веществ и не подразумевая приоритетной роли какого-то
одного медиатора по отношению к другим.
Существует деление механизмов преобразования химического
сигнала, а соответственно разделение рецепторов медиаторов
на две категории — ионотропные и метаботропные. Ионотроп-
ные рецепторы (так называемые “канальные”, быстрые) состав-
ляют единый комплекс с ионофором, так что вызываемое ме-
диатором изменение конформации рецептора ведет к открыва-
нию ионных каналов и быстрым значительным сдвигам прово-
218
димости постсинаптической мембраны. Примером являются ре-
цепторы ГАМК, глицина, а также АХ при его'взаимодействии с
никотиновыми холинорецепторами и часть рецепторов глута-
мата, аспартата и пуринов.
Метаботропные рецепторы (так называемые медленные) осу-
ществляют постсинаптический эффект путем активации спе-
цифических мембранных ферментов, обеспечивающих образо-
вание в мембране или в цитозоле постсинаптической клетки
вторичных посредников, которые, в свою очередь, специфиче-
ски активируют определенные ферменты; при этом запускают-
ся каскады ферментативных процессов, ведущих в конечном
счете к ковалентной модификации (обычно — фосфорилирова-
нию) мембранных или цитоплазматических белков. Такой тип
действия реализуется гораздо медленнее, чем (ионотропный, и
сопровождается относительно небольшими сдвигами проводи-
мости постсинаптическое мембраны. К метаботропной катего-
рии относится взаимодействие АХ с мускариновыми рецепто-
рами, постсинаптическое действие катехоламинов и серотони-
на, части глутаматных рецепторов. Нейропептиды также явля-
ются метаботропными медиаторами.
Открытие медиаторов пептидной природы существенно рас-
ширило представления о химической медиации сигналов в нерв-
ной системе. Совсем недавно классическим образцом химиче-
ского синапса считалось нервно-мышечное соединение, мор-
фофункциональная организация которого обеспечивает быст-
рую, точно направленную передачу сигнала по “анатомическо-
му” адресу. В системах с “химическим” адресом специфичность
передачи сигнала обусловлена не локальной анатомической
связью пре- и постсинаптической структуры, а наличием спе-
циализированных рецепторов к данному медиатору только на
клетках-мишенях, причем такой тип передачи сигнала может
быть медленным, диффузным. Именно в передаче такого типа
участвуют многие нейропептиды с некоторыми классическими
нейромедиаторами, в частности моноаминами, которые тоже
могут высвобождаться дистантно по отношению к клетке-ми-
шени. Такое понимание медиаторной функции вплотную при-
ближается к представлению о нейрогормонах., секретируемых в
межклеточную жидкость, спинномозговую жидкость или кровь
и модулирующих состояние клетки-мишени,^расположенной на
расстоянии от секретируемой клетки.
Медиаторные вещества делятся на две большие группы: ней-
ромедиаторы, которые осуществляют передачу сигнала в синап-
се, и нейромодуляторы, которые регулируют передачу сигнала.
219
7.4.3. Нейромедиаторная функция
Нейромедиаторная роль вещества в синапсе оценивается сле-
дующими критериями.
1. Присутствие медиатора в постсинаптическом нейроне и,
как правило, неравномерное распределение медиатора в нерв-
ной системе. В пресинаптическом нейроне должны находиться
молекулы - предшественники медиатора, ферменты его систеза
или система специфического транспорта. В синапсе должны
быть специфические участки связывания медиатора. Критерий
проверяется анатомическими, биохимическими, гистохимиче-
скимим методами.
2. Высвобождение медиатора в ответ на деполяризующие сти-
мулы из пресинаптических окончаний посредством Са2+-зави-
симого экзоцитоза. Критерий проверяется физиологическими
методами.
3. Идентичность эффектов предполагаемого медиатора и эн-
догенного нейромедиатора на клетке-мишени; аппликация эк-
зогенного вещества (предполагаемого нейромедиатора) на пост-
синаптическую клетку должна вызывать такой же эфффект, как
и физиологическая стимуляция. Взаимодействие медиатора с
постсинаптическими рецепторами должно индуцировать сдви-
ги мембранной проводимости, ведущие к генерации возбуж-
дающих или тормозных постсинаптических потенциалов. Эф-
фекты, вызываемые аппликацией экзогенного вещества или
физиологической стимуляцией, должны иметь одинаковые фар-
макологические характеристики, т.е. подвергаться аналогичным
изменениям при действии фармакологичесих средств. Крите-
рий проверяется физиологическими и фармакологическимим
методами.
4. Удаление медиатора из области синапса. В синаптической
области должны присутствовать специализированные системы
инактивации секретированного медиатора, позволяющие завер-
шить его эффект — ферменты деградации, система обратного
поглощения пресинаптическим нейроном. Критерий проверяется
биохимическими и гистохимическимим методами.
Нужно подчеркнуть, что тестирование типа медиаторной
функции по перечисленным критериям представляет собой ме-
тодически сложную задачу. Особенно это касается критериев
(2) и (3), что обусловлено трудностями доступа к индивидуаль-
ным синапсам в ЦНС и ограниченностью существующего на-
бора избирательных фармакологических средств. Определенные
успехи обеспечивает применение новых методов — иммуноги-
220
стомии, рекомбинантных ДНК, клеточных культур.
Итак, нейромедиатор — это вещество, которое синтези-
руется в нейроне, содержится в пресинаптических окончаниях,
высвобождается в синаптическую щель в ответ на нервный им-
пульс и действует на специализированные рецепторные участ-
ки постсинаптической клетки, вызывая изменения мембранно-
го потенциала и (или) метаболизма клетки.
7.4.4. Нейромодуляторы
Понятие “модуляторные вещества”, предложенное в 60-годы
Э.Флори, исходит от эндокринологии, от представлений о ха-
рактере действия гормонов. В современном понимании нейро-
модуляторы по сравнению с нейромедиаторами имеют следую-
щие характеристики.
1. Нейромодуляторы~не~обладают самостоятельным физио-
логическим действием, а модифицируют эффект нейромедиато-
ров.
2. Действие нейромодуляторов имеет тонический характер
— медленное развитие и большую продолжительность действия
(секунды, минуты).
3. Нейромодуляторы не обязательно имеют синаптическое
или даже нейронное происхождение. Они могут высвобождать-
ся, например, из глии.
4. Действие нейромодуляторов не сопряжено по времени с
эффектом нейромедиатора и не обязательно инициируется нерв-
ными импульсами.
5. Мишенью нейромодуляторов может быть не только пост-
синаптическая мембрана и не только мембранные рецепторы;
нейромодулятор действует на разные участки нейрона, причем
его действие может быть и внутриклеточным.
Таким образом, термин “нейромодулятор” является го-
раздо более широким понятием по сравнению с термином “ней-
ромедиатор”.
Различают два основных вида нейромодуляции — пресинап-
тическая и постсинаптическая.
Пресинаптическая модуляция. Процесс высвобождения мно-
гих нейромедиаторов модулируется посредством ауторегуляции'.
высвобождаемый нейромедиатор воздействует на собственные
пресинаптичесие ауторецепторы, уменьшая последующее вы-
свобождение (пресинаптическое торможение) или увеличивая вы-
свобождение (пресинаптическое облегчение). В этой ситуации ней-
ромедиатор одновременно осуществляет и функцию нейромо-
221
дулятора. Так, например, пресинаптические а2-адренорецепто-
ры симпатических нервных окончаний опосредуют торможе-
ние секреции норадреналина. Пресинаптические ауторецепто-
ры сопряжены с системой аденилатциклазы. По своим фарма-
кологическим характеристикам пресинаптические ауторецепто-
ры обычно-отличаются от постсинаптических рецепторов того
же нейромедиатора. Известны пресинаптические ауторецепто-
ры глутамата, серотонина, дофамина, ГАМК, гистамина, адре-
норецепторы, мускариновые холинорецепторы.
Кроме того, существуют пресинаптические гетерорецепторы,
которые чувствительны к медиаторам, высвобождающимся из
других нейронов. Примером могут служить пресинаптические
мускариновые холинорецепторы норадренергических оконча-
ний симпатических нервов, которые взаимодействуют с АХ, сек-
ретирующимся из парасимпатических холинергических аксо-
нов. В этом случае регуляция бывает межнейронной.
Модуляция может происходить на уровне изменений воз-
будимости нервных окончаний, биосинтеза нейромедиаторов,
входа Са2+ в нервное окончание и на других этапах экзоцитоза.
Постсинаптическая модуляция. Постсинаптическая модуля-
ция может иметь характер ауторегуляции (положительной или
отрицательной), когда изменяется активность рецепторов за счет
модификации их аффинности или количества, а также вследст-
вие изменений сопряженных с рецепторами систем внутрикле-
точных и внутримембранных посредников. Примером является
десенситизация рецепторов при длительном воздействии ней-
ромедиатора и гиперсенситизация при недостаточности воздей-
ствия нейромедиатора.
Постсинаптические рецепторы подвергаются также гетеро-
регуляции в результате воздействия нейромодуляторных веществ.
Значительный интерес вызывает постсинаптическое межрецеп-
торное взаимодействие между сопутствующими медиаторами,
прежде всего — нейропептидами и классическими нейромедиа-
торами (см. раздел 7.5.6 и гл.9).
7.4.5. Сопутствующие медиаторы
Сопутствующие, или сосуществующие, медиаторы (сомедиа-
торы, котрансмиттеры) — это синаптические посредники, кото-
рые характеризуются прежде всего совместной локализацией и
совместным высвобождением. Под совместной локализацией име-
ется в виду синтез и депонирование медиаторов в одном и том
же нейроне, их присутствие в одних и тех же пресинаптических
222
окончаниях, но не обязательно в одних и тех же синаптических
пузырьках. Так, низкомолекулярные классические нейромедиа-
торы депонируются преимущественно в мелких оптически про-
зрачных пузырьках, а пептидные медиаторы — в крупных оп-
тически плотных пузырьках, хотя имеются данные и о случаях
локализации этих двух видов медиаторов в одних и тех же оп-
тически плотных пузырьках. Различие в системах депонирова-
ния этих двух видах медиаторов обусловлено различиями мест
их синтеза: классические нейромедиаторы синтезируются в
цитоплазме пресинаптических окончаний и затем поступают в
синаптические пузырьки, а пептидные медиаторы синтезиру-
ются в аппарате Гольджи, т.е. в соме нейрона, и доставляются в
нервные окончания уже упакованными в пузырьки.
Под совместным высвобождением понимается экзоиитоз двух
(или более) медиаторов в результате одного и того же процесса
активации пресинаптического окончания, хотя под процессом
активации в данном случае подразумевается не одиночный пре-
синаптический потенциал действия, а разряд потенциалов дей-
ствия с той или иной частотой. Еще один признак сопутствую-
щих медиаторов состоит в том, что они вызывают функцио-
нальные изменения в одной и той же клетке-мишени.
Иммуноцитохимическими методами в центральных и пери-
ферических нейронах прослежены разнообразные виды сочета-
ний представителей медиаторных групп: 1) несколько класси-
ческих нейромедиаторов (например АХ + серотонин); 2) клас-
сический(ие) нейромедиатор(ы) + нейропетид(ы) (например
нейропептид Y + норадреналин; 3) несколько нейропептидов,
имеющих общую молекулу-предшественник (например произ-
водные проопиомеланокортина); 4) несколько нейропептидов,
кодируемых разными генами (например соматостатин + ней-
ропептид Y). К этим сочетаниям могут добавляться пурины (на-
пример АХ + АТФ).
7.4.6. Локализация нейромедиаторных путей
Прежде чем рассматривать наиболее изученные индивиду-
альные синаптические системы и соответствующие медиаторы,
целесообразно рассмотреть общую картину локализации ней-
ромедиаторных путей в мозге, отметив одновременно самые
общие характеристики функций соответствующих систем.
Более подробные характеристики соответствующих физио-
логических и биохимических функций будут представлены в
следующих разделах и главах.
223
Химические синапсы распределены в нервной ткани не в
случайном порядке, а организованы в определенных группах
нейронов. Для того чтобы уверенно картировать какие-либо ме-
диаторные пути в головной мозге, необходимо иметь доступ-
ные и надежные специфические маркеры, с помощью которых
можно визуализировать интересующие исследователя межкле-
точные взаимодействия.
Существуют три основных методических подхода для реше-
ния этой задачи. Первый способ — избирательное окрашивание
нейронов, выделяющих определенный нейромедиатор, может
осуществляться с помощью преобразования естественного ме-
диатора в его флуоресцирующее производное. В этом случае
флуоресценция определенных групп клеток поможет выявить
специфические связи в структурах мозга. Второй эксперимен-
тальный подход связан с введением молекул медиатора, предва-
рительно меченного радиоактивным изотопом. Нейронные
окончания, содержащие исследуемый медиатор, способны из-
бирательно захватывать метку. Затем их легко выявить методом
авторадиографии. Третий способ обнаружения специфических
связей в нервной системе состоит в использовании высоко спе-
цифичной способности узнавать либо антигенные детерминан-
ты медиатора, либо определенные ферментные белки, участ-
вующие в метаболизме нейромедиаторов, либо нейрорецептор-
ные компоненты на мембране клетки. Последние считаются
наиболее убедительным свидетельством в пользу существова-
ния конкретных нейрохимических взаимодействий между клет-
ками и зонами мозга. Обычно для иммунохимической иденти-
фикации используют флуоресцентный краситель или изотоп,
который маркирует антитела. В последние годы широко рас-
пространились методы, использующие антитела, меченные час-
тицами тяжелых металлов, например коллоидного золота, же-
леза и др.
Указанные способы позволили получить весьма ценную ин-
формацию о детальном анатомическом распределении различ-
ных синапсов. В первую очередь это помогло локализовать ка-
техоламинергические синапсы, а также синапсы, содержащие фер-
ментные системы с уникальными метаболитами, такими как
ГАМК. В отличие от катехоламинов аминокислотные нейроме-
диаторы — L-глутамат, L-аспартат, глицин — участвуют в мета-
болических процессах практически всех клеток, в связи с чем
выбор специфических маркеров для соответсвующих синапсов
затруднен. В этих случаях обнаружение самого нейромедиатора
или его ферментных систем еще не позволяет судить о природе
224
химического синапса и тогда использует косвенный подход,
например измерение высвобождаемых медиаторных аминокислот
из нервных окончаний при их разнообразной стимуляции.
Общая схема рапределения нейромедиаторных связей по
структурам представлена на рис.7.2. Как видно из схемы, пока
имеется недостаточно фактов, чтобы представить полную кар-
тину химического картирования мозга. Это требует дальней-
шей большой совместной работы морфологов и нейрохимиков.
Однако для ряда путей, особенно функционирующих на основе
биогенных аминов, эти данные уже получены. Они локализо-
ваны преимущественно в нейронах, входящих в состав полоса-
того тела, вентролатерального ядра, черного вещества и голубо-
го пятна. Аксоны этих нейронов проецируются, как правило, в
гипоталамус, мозжечок, передний мозг.
Полагают, что моноаминовые нейромедиаторные пути име-
ют отношение к проявлению эмоций, регуляции настроения, под-
держанию состояния бодрствования и др. Нарушение обмена нор-
адреналина связывают с возникновением ряда психоэмоциональ-
ных расстройств. Воздействие на указанные пути фармакологи-
ческими средствами, компенсирующими дефицит или избыток
нейромедиатора, способствует в ряде случаев снижению сим-
птоматики шизофрении, маниакально-депрессивных состояний
и др. (см. гл. 12).
Нейроны, содержащие дофамин, сосредоточены в облас-
тях среднего мозга, особенно их много в черной субстанции и
вентролатеральной покрышке. Многие из этих нейронов посы-
лают свои аксоны в передний мозг, где они участвуют в разви-
тии эмоциональных реакций. Важную роль дофаминовая медиа-
торная система играет в регуляции сложных двигательных функ-
ций.
Обнаружено, что нарушения дофаминергических путей
приводит к затруднению движений, особенно стереотипных, к
возникновению непроизвольного дрожания и скованности
мышц, т.е. к появлению характерных симптомов паркинсониз-
ма. Фармакологические препараты, содержащие метаболиты до-
фамина, проникающие в головной мозг, способны смягчить про-
явление болезни. Гиперфункция дофаминергической системы
связана с механизмами шизофрении (см. гл. 12).
Моноаминовый нейромедиатор серотонин сосредоточен
в области ствола мозга, где находятся так называемые “ядра
шва”. Нейроны этого центра проецируются в гипоталамус, та-
ламус и другие области мозга.
225
Рис. 7.2. Характерные нейромедиаторные пути ЦНС:
ВПП — вентральное поле покрышки; ГК — гиппокамп;
ГП — голубое пятно; ГТ — гипоталамус; ИПЯ — интрапенди-
кулярные ядра; ПВП — преганглионарные вегетативные нейро-
ны; М — миндалина; нА — нуклеус аккумбенс; Об —обонятель-
ный бугорок; ОЛ — обонятельная луковица; ЛПП — латеральное
поле покрышки; П — перегородка; ССМ — серотонинергические
нейроны спинного мозга; Стр — стриатум; Т — таламус;
ЧС — черная субстанция; III — шов
Как полагают, они участвуют в терморегуляции, сенсорном вос-
приятии и процессах сна.
Лекарственные средства, которые способны частично уда-
лить из синапсов моноаминовые нейромедиаторы (дофамин,
норадреналин и серототин), вызывают депрессию, тогда как все
препараты, применяемые для лечения клинической депрессии,
обычно повышают содержание этих нейромедиаторов, усили-
вают их действие.
Ацетилхолин широко представлен в разных отделах нервной
системы, основное его количество находится в периферических
226
нервно-мышечных синапсах, рецепторы которых относятся к
категории так называемых никотиновых, (см. следующий под-
раздел). В ЦНС ацетилхолин сосредоточен .преимущественно в
базальных ганглиях, таламусе и сером веществе. Соответствую-
щие рецепторы в мозге относятся главным образом к категории
мускариновых. Вставочные холинергические нейроны обнару-
жены в хвостатом ядре, переднем роге латерального желудочка,
которые являются одними из наиболее богатых ацетилхолино-
вых мозговых структур.
Полагают, что АХ в подкорковых структурах участвует в
тонкой регуляции сложных двигательных функций, в частности
в механизмах инициации движения, двигательных стереотипах
и др. Поражение холинергической иннервации в структурах моз-
га сопровождается нарушением и извращением двигательных функ-
ций. Так, например, при паркинсонизме наряду с нарушением
дофаминергической трансмиссии отмечается гиперактивность
некоторых холинергических систем мозга. Поэтому для лече-
ния этого заболевания используют препараты, содержащие хо-
линолитики, которые снижают уровень ацетилхолина или сти-
мулируют работу ацетилхолинэстеразы. Эти вещества вводят со-
вместно с аналогами L-ДОФА для компенсации дефицита до-
фаминергических путей. Нарушение холинергической иннерва-
ции характерно и для ряда сенильных болезней мозга.
Поражение холинергической передачи в 'периферической
нервной системе, в частности нервно-мышечных синапсах, свя-
зано с симптомами “усталости” или “слабости” мышц. Полага-
ют, что в основе тяжелого заболевания — миастении гравис —
лежит аутоиммунный процесс. Организм вырабатывает аутоан-
титела, которые блокируют функцию холинорецепторов.
Наиболее широко распространеными в ткани мозга рецеп-
торами и, соответственно, нейромедиаторами являются неко-
торые аминокислоты. Центральное место среди них занимает
L-глутаминовая кислота — основной возбуждающий нейроме-
диатор. Глутаматергические синапсы распространены в коре
головного мозга, гиппокампе, полосатом теле и гипоталамусе.
Нисходящие глутаматергические пути обнаружены практиче-
ски во всех структурах головного мозга, проекции которых идут
от коры к подкорковым структурам. Выявление глутаматерги-
ческих связей в головном мозге проводится преимущественно
методом физиологической идентификации по .высвобождению
нейромедиатора. В последние годы на основе изучения струк-
туры и свойств глутаматных рецепторов появилась возможность
визуализации нейрорецепторов глутамата с помощью монокло-
227
нальных и поликлональных антител.
Нейрорецепторы глутамата располагаются кластерами на
постсинаптической мембране. Выявление глутаматных рецепто-
ров на мембране клеток с помощью иммуногистохимических
методов является более надежным способом идентификации глу-
таматергических связей по сравнению с другими методами.
Нарушение глутаматергической медиации связано с целым
рядом патологических состояний нервной системы: эпилепси-
ей, расстройствами вестибулярной системы, ишемическими про-
явлениями и др. Глутаминовая кислота и некоторые ее аналоги
используются в качестве терапевтического лекарственного сред-
ства при хронической недостаточности аминокислотного обме-
на, вегетососудистой дистонии и эпилепсии (в качестве пред-
шественника ГАМК — тормозного нейромедиатора).
Присутствие в разных структурах мозга ГАМК — первого по
значимости тормозного нейромедиатора — показано методами
авторадиографии. Топографическое распределение самого радио-
активно меченного нейромедиатора или образующего его фер-
мента — глутаматдекарбоксилазы — в головном мозге неравно-
мерно. К областям, содержащим наиболее высокую концентра-
цию ГАМК, относятся черное вещество, бледный шар, гипота-
ламус и мозжечок. Аминокислота содержится преимуществен-
но в сером веществе головного и спинного мозга.
Данные о функциональной роли ГАМК-ергической пе-
редачи в головном и спинном мозге постоянно обогащаются
новыми фактами. Она принимает участие в регуляции мотор-
ной активности, поддержании судорожного порога, формирова-
нии эмоционального поведения. ГАМК-ергическая система уча-
ствует в осуществлении условных рефлексов, организации про-
цессов обучения и памяти у млекопитающих. При этом она тес-
но взаимодействует с другими медиаторными системами мозга:
дофаминергической, холинергической и глутаматергической.
Имеется очень большое количество данных о вовлечении сис-
темы ГАМК в механизмы многих метаболических расстройств
нервной системы. Установлено, что нарушения этой системы свя-
заны с прявлениями эпилепсии, хореи Гентингтона, паркинсо-
низма и некотрых других поражений экстрапирамидной систе-
мы. При терапевтическом применении соединений, содержа-
щих эту аминокислоту или ее аналоги, обнаруживаются пози-
тивные клинические эффекты. Имеются данные о благоприят-
ном влиянии производных ГАМК на больных эпилепсией, хо-
реей Гентингтона и паркинсонизмом. Эти же препараты спо-
собны усиливать дыхание, энергетический обмен нервной тка-
228
ни, улучшать показатели мозгового кровообращения и метабо-
лизма глюкозы.
Как упоминалось, методология гистохимического исследо-
вания локализации ГАМК или образующего ее фермента — глу-
таматдекарбоксилазы — неприменима для выявления других тор-
мозных систем — глицина и таурина и их рецепторов. Анализ
их распределения производят, как правило, с использованием
методов электрофизиологической регистрации высвобождения
нейропередатчика из нервных окончаний при их разнообраз-
ной стимуляции.
Глицин и его рецепторы локализованы в зонах моста, про-
долговатого мозга и серого вещества спинного мозга, включая
передние и задние рога. Авторадиографически была установлена
локализация участков высокоаффинного захвата глицина пре-
имущественно в аксо-аксональных и аксо-дендритных синап-
сах. Скопление гранул отмечены также вокруг клеточных тел
спинальных мотонейронов. У больных с некоторыми врожден-
ными метаболическими аномалиями, связанными с повыше-
нием содержания глицина в ткани мозга и крови, может разви-
ваться гиперглицинемия, которая сопровождается симптомами
нарушения некоторых психоэмоциональных функций. Полага-
ют, что такие расстройства могут быть следствием поражения
обычных путей деградации глицина в нервной клетке (см. так-
же гл.2).
Интересные данные были получены для таурина. Уровень
таурина в разных зонах мозга оказался практически одинако-
вым, за исключением следующих структур: медиального колен-
чатого тела, гипофиза и шишковидной железы. Общая концен-
трация таурина и цистеинсульфонатдекарбоксилазы в спинном
мозге и таламических ядрах совпадает с количеством ГАМК в
этих структурах, однако локализация их по зонам внутри струк-
тур существенно различается. Все исследователи таурина схо-
дятся во мнении о его необычайно высоком содержании в коре
мозжечка, которое почти в 5 раз превышает уровень ГАМК в
этой структуре. Показано, что таурин локализуется преимуще-
ственно в звездчатых нейронах молекулярного слоя. Это позво-
лило предположить существование тауринергических нейронов.
Вместе с тем авторадиографическое изучение распределения тау-
рина свидетельствует и о его преимущественно глиальной лока-
лизации.
Существует достаточно веские аргументы в пользу того,
что таурин является также важным компонентом питания жи-
вых организмов, так как он не синтезируется у млекопитаю-
229
щих, включая человека. Клинически тауриновый дефицит мо-
жет выражаться в эпилептических припадках, наследственной
атаксии Фридрейха, зрительной дисфункции, называемой в про-
сторечии “куриной слепотой”, и др. Широко обсуждается воз-
можность участия таурина в патогенезе судорожно-пароксиз-
мальных состояний. Выяснилось, что таурин, введеный в желу-
дочки мозга крысы, подверженной судорогам, является более
мощным,'чем ГАМК, противосудорожным агентом. Однако в
клинической практике таурин не проявляет стабильных проти-
восудорожных эффектов и пока не нашел широко применения.
7.4.7. Характеристики индивидуальных медиаторов
Ацетилхолин
II + Z 3
н3с—с—о—сн2--сн2— N—сн3
^СНз
Предшественником АХ. служит холин, потребляемый с пи-
щей. Холин поступает в холинергические нейроны с помощью
специфической системы транспорта. Синтез АХ происходит в
цитоплазме с участием холинацетилтрансферазы (ХАТ):
Холин + ацетилКоА
I холинацетилтрансфераза
АХ + КоА
Затем АХ поступает в синаптические пузырьки. После экзоци-
тоза АХ в синаптическую щель он подвергается инактивации с
участием ацетилхолин эстеразы (АХЭ):
АХЭ
АХ —> холин + ацетат
АХ является преимущественно возбуждающим нейромедиато-
ром, реже — тормозным (например в синапсах блуждающего
нерва на волокнах миокарда).
У млекопитающих скопления холинергических нейронов ло-
кализуются в следующих отделах мозга: медиальное ядро пере-
городки, диагональная связка, базальное гигантоклеточное ядро,
ядра моста. Аксоны этих нейронов проецируются на гиппокамп,
проходят через кору больших полушарий. Холинергические ней-
роны головного мозга участвуют в таких функциях, как память
(кора больших полушарий, гиппокамп и ряд других отделов),
230
регуляция движения (базальные ганглии), уровень бодрствования
(ретикулярная формация ствола мозга). Холинергические си-
напсы мозга содержат преимущественно мускариновые рецепто-
ры. В спинном мозге АХ является нейромедиатором в синапсах,
образуемых а-мотонейронами на клетках Ренигоу. В вегетатив-
ной нервной системе АХ служит нейромедиаторы во всех пре-
ганглионарных нервных окончаниях симпатической и парасим-
патической нервной системы (в том числе в мозговом слое над-
почечников) — через посредство никотиновых холинорецепто-
ров; во всех постганглионарных парасимпатических нервах, пост-
ганглионарных симпатических нервах потовых желез — через
посредство мускариновых холинорецепторов. АХ осуществляет
через посредство никотиновых холинорецепторов функцию
нейромедиатора в нервно-мышечных синапсах, образуемых со-
матическими эфферентными нервами в скелетных мышцах.
Среди беспозвоночных АХ выявлен в качестве нейромедиатора
у плоских и кольчатых червей, у моллюсков.
Моноамины. К моноаминовым медиаторам относятся кате-
холамины, а также серотонин и гистамин В группу катехолами-
нов входят норадреналин (НА), адреналин, дофамин (ДА), ок-
топамин.
Предшественником катехоламинов является L-тирозин, ко-
торый организм получает в составе пищи, а также может синте-
зировать в печени из фенилаланина, потребляемого с пищей.
L-тирозин поступает в нервное окончание посредством актив-
ного транспорта. Ниже приведена схема синтеза катехолами-
нов:
тирозин
1 тирозингидроксилаза
ДОФА
i декарбоксилаза
дофамин
4 дофамин-$-гидроксилаза
норадреналин
i феншэтаноламин-Ы-метилтрансфераза
адреналин
Катехоламины депонируются в оптически плотных крупных
(40 — 140 нм) синаптических пузырьках. Деградация секрети-
рованных катехоламинов происходит с участием моноамино-
оксидаз и катехол-О-метилтрансферазы. Инактивация синап-
тического норадреналина после его экзоцитоза осуществляется
231
также посредством обратного поглощения в нервные оконча-
ния, т.е. путем активного трансмембранного транспорта.
Норадреналин (НА)
ОН
ОН
сн—сн2—nh2
он
Тела норадренергических нейронов в ЦНС млекопитающих
находятся в стволе мозга, главным образом в мосте мозга (голу-
бое пятно, латеральная ретикулярная формация моста), в про-
долговатом мозге и ядре одиночного тракта. Многочисленные
(несколько сотен) нейроны голубого пятна образуют диффуз-
ные проекции большой протяженности, достигающие практи-
чески всех отделов ЦНС — коры больший полушарий, лимби-
ческой системы, таламуса, гипоталамуса, спинного мозга.
Нисходящие норадренергические пути спинного мозга уча-
ствуют в регуляции мышц-сгибателей и сосудистого тонуса. В
вегетативной нервной системе норадреналин является нейро-
медиатором постганглионарных симпатических нервов. В моз-
говом слое надпочечников высвобождаются норадреналин и ад-
реналин. В ЦНС норадреналин является в ряде отделов пре-
имущественно тормозным нейромедиатором, например в коре
больших полушарий, реже —возбуждающим, например в гипо-
таламусе.
У беспозвоночных НА отсутствует или имеется в малых ко-
личествах.
Адреналин
он
В головном мозге млекопитающих количество адренергиче-
ских путей является гораздо более ограниченным по сравне-
232
нию с норадренергическими. Тела нейронов, содержащие фе-
нилэтаноламин-М-метилтрансферазу (фермент, который осуще-
ствляет метилирование НА до адреналина), находятся в ниж-
них отделах моста и в продолговатом мозге. Нисходящие пути
достигают центрального серого вещества и ядер гипоталамуса
(в частности, паравентрикулярного и дорсомедиального).
Нейромедиаторная роль адреналина сомнительна; нейроме-
диатором адренергических нейронов является, очевидно, НА.
Адреналин высвобождается диффузно (например, вместе с НА
в мозговом слое надпочечников) и выполняет роль модулятора.
У беспозвоночных адреналин, так же как и НА, почти отсут-
ствует.
Дофамин
Тела дофаминергических нейронов находятся в среднем моз-
ге (черная субстанция, вентральная покрышка), обонятельной
луковице, гипоталамусе и перивентрикулярной области продол-
говатого мозга. Дофаминергические тракты соединяют черную
субстанцию с неостриатумом, вентральную покрышку с лимби-
ческой системой и с лобной корой, аркуатное ядро гитоталаму-
са со срединным возвышением (туберо-инфундибулярная сис-
тема). Дофамин служит нейромедиатором амакриновых клеток
сетчатки. Дофамин выполняет нейромедиаторную функцию и
у беспозвоночных.
Октопамин
Октопамин — нейромедиатор, характерный для беспозво-
ночных. По отношению к мозгу позвоночных он рассматрива-
ется как “ложный медиатор”, не опосредующий физиологиче-
ские эффекты.
233
Серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-НТ)
Предшественником 5-НТ является незаменимая аминокис-
лота триптофан, потребляемая с пищей. Синтез 5-НТ происхо-
дит вне секреторных гранул, которые поглощают 5-НТ с помо-
щью высокоаффинного переносчика:
триптофан
4- триптофангидроксилаза
5-гидрокситриптофан
I декарбоксилаза
5-гидрокситриптамин
После экзоцитоза 5-НТ инактивируется путем активного об-
ратного транспорта или подвергается окислительному дезами-
нированию с образованием 5-гидроксииндолуксусной кислоты.
Серотонинергические нейроны составляют ядра шва в рост-
ральной части моста мозга; эти нейроны дают проекции к лим-
бической системе, базальным ганглиям, коре больших полуша-
рий. В продолговатом мозге находятся серотонинергические ней-
роны, аксоны которых образуют нисходящие пути в ствол моз-
га и в спинной мозг. Кроме того, серотонин обнаружен в ней-
ронах гипоталамуса, черной субстанции, спинном мозге. Серо-
тонин широко распространен и у беспозваночных.
5-НТ играет важную роль в регуляции эмоционального
поведения, двигательной активности, пищевого поведения, сна,
терморегуляции, участвует в контроле нейроэндокринных сис-
тем. 5-НТ может выполнять не только роль нейромедиатора, но
и роль нейромодулятора (нейрогормона).
Гистамин
N —С—СН0—СН,—NH
II II 2
НС СН
N
I
н
234
Гистамин образуется с помощью фермента гистидинде кар-
боксил азы
гистидин
4- гистидиндекарбоксилаза
гистамин
Деградация гистамина происходит с помощью моноамино-
оксидазы или гистаминазы
Гистаминергическая система весьма своеобразна по своей ло-
кализации и функциям. Нейроны, продуцирующие гистамин,
сосредоточены в очень ограниченной области мозга — туберо-
мамиллярных ядрах заднего гипоталамуса. Эта группа нейро-
нов посылает свои эфферентные волокна практически во все
отделы мозга. Везде обнаруживаются как постсинаптические,
так и пресинаптические рецепторы гистамина. Важным усло-
вием исследования локализации элементов гистаминергической
системы явилось открытие специфического ингибитора синте-
за гистамина — а-флюоро-метил-гистамина. Столь широкая ло-
кализация рецепторов гистамина позволяет понять чрезвычай-
но разнообразные функции этой системы. Гистамин уменьша-
ет продолжительность ортодоксальной фазы сна и облегчает про-
буждение. Он стимулирует двигательную активность, половое
поведение и в то же время подавляет восприятие боли. Усили-
вая жажду, он в то же время подавляет пищедобывательное по-
ведение. Гистамин входит в число факторов, которые через цен-
тральные механизмы участвуют в повышении давления крови,
в терморегуляции (снижении температуры тела) и в управле-
нии энергетикой мозга — стимуляция гидролиза гликогена.
Интересно, что гистамин реализует эти функции не только в
рамках классических синапсов, часть гистамина выделяется так
называемыми открытыми нервными окончаниями и способна
к распространению по межклеточным жидкостям, в том числе
через ликвор.
Аминокислоты. Аминокислотные нейромедиаторы в соответ-
ствии с их функцией делятся на две группы — возбуждающие
аминокислоты (глутамат, аспартат) и тормозные (ГАМК, гли-
цин, таурин).
Глутамин поступает в организм с пищей. В нейроны он по-
ступает из глии и служит предшественником для синтеза глута-
мата, аспартата и ГАМК:
235
глутамин
Г глутаминаза
глутамат
аспартаттрансфераза Г Г гяутаматдекарбоксилаза
аспартат ГАМК
С пишеи в организм поступает также аспартат, глицин, тау-
рин.
Глутаминовая кислота
% /°
'с— сн2— сн2— сн—с'
нет I ^он
nh2
глутаминовая кислота
Глутамат обнаруживается во всех отделах ЦНС, очевидно,
благодаря тому, что он является не только нейромедиатором,
но и предшественником других аминокислот. Тела глутаматер-
гических нейронов находятся в коре больших полушарий, обо-
нятельной луковице, гиппокампе, черной субстанции, мозжеч-
ке, сетчатке. Глутаматергические синапсы существуют в минда-
лине, стриатуме, на клетках-зернах мозжечка. В спинном мозге
глутамат сосредоточен в первичных афферентных волокнах дор-
сальных корешков.
Глутамат — возбуждающий нейромедиатор в мозге живот-
ных, а также в нервно-мышечных синапсах ракообразных и на-
секомых.
Аспарагиновая кислота
соон
I
сн2
CHNH-
I 2
соон
Наиболее высокое содержание аспартата найдено в среднем
мозге. В спинном мозге аспартат содержится в дорсальном и
вентральном сером веществе. Предполагается нейромедиатор-
ная роль аспартата в возбуждающих интернейронах, которые
регулируют различные спинномозговые рефлексы.
236
у-Аминомасляная кислота (ГАМК)
/°
h2n —сн2— сн2—сн2—с'
•он
Широко распространена в ЦНС млекопитающих — она вы-
является примерно в 50% всех нервных окончаний мозга. ГАМК
представляет собой основной тормозной нейромедиатор в ЦНС.
В коре больших полушарий имеется большое количество ГАМК-
ергических тормозных интернейронов. ГАМК находится в ней-
ронах стриатума, дающих проекции на черную субстанцию, в
нейронах мозжечка (клетки Пуркенье, корзинчатые и звездча-
тые клетки). В желатинозной субстанции задних рогов спинно-
го мозга присутствуют ГАМК-ергические аксо-аксонные синап-
сы на первичных афферентных волокнах; эти синапсы опосре-
дуют деполяризацию и ослабление секреции нейромедиатора
— пресинаптическое торможение. Таким образом осуществля-
ется тормозная регуляция а-мотонейронов. Высокие концен-
трации ГАМК найдены в горизонтальных клетках сетчатки; пред-
полагается, что ГАМК обеспечивает обратную связь и латераль-
ное торможение в слое горизонтальных клеток.
Глицин
hooc-ch2-nh2
Эта аминокислота выполняет нейромедиаторную роль пре-
жде всего в спинном мозге млекопитающих, где она опосредует
постсинаптическое торможение мотонейронов, высвобождаясь
из окончаний клеток Реншоу. Глицин является нейромедиато-
ром также в тормозных интернейронах промежуточного мозга
и ретикулярной формации продолговатого мозга. Наряду с
ГАМК глицин прослеживается в сетчатке.
Таурин
hso3-ch2-ch2nh2
В качестве гипотетического тормозного нейромедиатора (или
нейромодулятора) у млекопитающих следует назвать таурин, ко-
торый содержится в головном и спинном мозге. В сетчатке тау-
рин, возможно, служит нейромедиатором >в тормозных синап-
сах внутреннего плексиформного слоя.
Пурины. В последнее десятилетие установлено, что нейро-
медиаторами служат и разнообразные пурины. Существуют два
главных типа пуринергической трансмиссии. В первом (Р,) ос-
новным нейромедиатором служит аденозин, во втором (Р2) —
АТФ и более сложный его дериват — диаденозинтетрафосфат.
237
Аденозиновая трансмиссия включает медленные, метаботроп-
ные рецепторы, модулирующие синтез цАМФ. АТФ-трансмис-
сия осуществляется частично через быстрые, канальные рецеп-
торы, модулирующие ионные потоки, особенно Са2+.
Физиологические эффекты аденозина изучены довольно ос-
новательно. Они включают (подтип рецепторов — А0 седатив-
ное, противосудорожное и гипотензивное действие, а также мо-
дуляцию автономных регуляторных систем сердца. Аденозин
оказывает тормозное модулирующее действие на ряд возбуждаю-
щих синапсов. При этом повышается порог генерации кальцие-
вых потенциалов действия и активируются К+-каналы, что ве-
дет к гиперполяризации нейронов. Ингибитором эффектов аде-
нозина служит, в частности, такой распространенный психо-
стимулятор, как кофеин.
АТФ-трансмиссия (рецепторы Р|) сопряжена со стимуляци-
ей сократимости сердечной мышцы и опять-таки гипотензив-
ным действием.
Пептидные медиаторы. Нейропептиды составляют весьма мно-
гочисленную и полифункциональную группу (см.гл.9). Некото-
рые нейропептиды удовлетворяют критериям нейромедиаторов.
С известной долей осторожности сюда можно отнести вещест-
во Р, вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП), сомато-
статин, нейропептвд Y, люлиберин (их формулы см. в гл.9). Го-
раздо более значительное число нейропептидов (опиоидные
пептиды, кортикотропин и его фрагменты, кортиколиберин,
тиролиберин, ко-кальцигенин, холецистокинин, бомбезин, га-
ланин, нейротензин, ангиотензин, атриопептиды, брадикинин,
вазопрессин, окситоцин, нейропептиды беспозвоночных, на-
пример РМЁРамид, проктолин и другие) обладает свойствами
нейромодуляторов. Они рассматриваются в главе 9.
Вещество Р. Оно оказалось первым веществом пептидной
природы, у которого были обнаружены свойства нейромедиа-
тора. Вещество Р содержится в телах первичных сенсорных ней-
ронов спинномозговых ганглиев, депонируется в оптически
плотных пузырьках, перемещается к пресинаптическому окон-
чанию посредством быстрого аксонного транспорта, высвобо-
ждается из сенсорных нейронов под влиянием деполяризации
при условии наличия Са2* в среде. При аппликации на дор-
сальные рога спинного мозга вещество Р вызывает мощное воз-
буждение сенсорных нейронов второго порядка. После введе-
ния животным нейротоксина капсаицина, который обусловли-
вает избирательную дегенерацию немиелинизированных пер-
вичных афферентов, происходило снижение содержания веще-
238
ства Р в дорсальной части спинного мозга и'исчезновение мед-
ленных потенциалов дорсальных корешков.
Таким образом, вещество Р можно считать нейромедиато-
ром пресинаптических окончаний С-волокон первичных сен-
сорных нейронов, образующих синапсы на сенсорных нейро-
нах второго порядка в задних рогах. Этот процесс участвует в
восприятии болевых сигналов.
Как известно, первичные сенсорные нейроны образуют кро-
ме центральных синапсов периферические синапсы в гладких
мышцах дыхательных путей, кровеносных сосудов, желудочно-
кишечного тракта, органов мочеполовой системы. Вещество Р
высвобождается и в этих синапсах, инициируя медленные воз-
буждающие постсинаптические потенциалы, которые связаны
с регуляцией тонуса гладких мышц.
Наряду с функцией возбуждающего нейромедиатора первич-
ных сенсорных нейронов вещество Р может оказывать модули-
рующее влияние, в частности, усиливая десенситизацию нико-
тиновых холинорецепторов. Наиболее характерным видом со-
существования с класическим нейромедиатором считается со-
четание вещество Р + серотонин, причем вещество Р угнетает
вызываемое деполяризацией высвобождение серотонина из сре-
зов спинного мозга, а серотонин потенциирует высвобождение
вещества Р. Вещество Р может сосуществовать и с другими ме-
диаторами, классическими и пептидными: АХ, катехоламина-
ми, ГАМК, ко-кальцигенином, вазоактивным интестинальным
полипептидом, холецистокинином, нейротензином, соматоста-
тином, опиоидными пептидами.
Вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП). Присут-
ствие и высвобождение ВИП зарегистрировано во многих отде-
лах нервной системы, прежде всего — в коре больших полуша-
рий и в вегетативной нервной системе. Предполагают, что ВИП
играет роль нейромедиатора в постганглиоиарных нейронах ве-
гетативной нервной системы, которые участвуют в расслабле-
нии гладких мышц кровеносных сосудов, дыхательных путей,
кишечника. Электрофизиологическим отражением этих процес-
сов являются так называемые медленные неадренергические не-
холинергические тормозные постсинаптические потенциалы.
Согласно более ранней концепции Дж.Бэрнстока, нейроме-
диатор неадренергических нехолинергических трансмуральных
нервов (ТПСП) кишечника имеет пуринергинескую природу.
При электрическом трансмуральном раздражении изолирован-
ных препаратов гладких мышц толстой кишки .и дна желудка
наблюдалось высвобождение ВИП, которое коррелировало с си-
239
лой расслабления мышцы. Высвобождение ВИП зарегистриро-
вано при электрическом раздражении нервов трахеи и бронхов;
обработка препарата специфическими антителами к ВИП пре-
дотвращало медленное расслабление трахеи морской свинки как
в ответ на ВИП, так и в ответ на раздражение нервов. При
высоких концентрациях ВИП развивалась тахифилаксия мед-
ленных ответов на раздражение нервов.
Наряду с возможной нейромедиаторной функцией достаточно
определенно вырисовывается роль ВИП в качестве нейромоду-
лятора, взаимодействующего с мускариновыми холинорецеп-
торами в центральной и периферической нервной системе. В
постганглионарных симпатических нейронах подчелюстной
железы кошки обнаружена реципрокная регуляция высвобож-
дения AX/ВИП посредством обратной связи через мускарино-
вые холинорецепторы и рецепторы ВИП. АХ ингибирует вы-
свобождение ВИП, причем атропин блокирует этот эффект. В
свою очередь, ВИП подавляет высвобождение АХ.
Хроническое введение крысам атропина сопровождалось зна-
чительным увеличением количества участков связывания [125IJ-
ВИП в мембранных фракциях коры больших полушарий без
изменений сродства; одновременно возрастало количество мус-
кариновых холинорецепторов. ВИП потенциировал активирую-
щее влияние АХ на метаболизм фосфоинозитидов в коре боль-
ших полушарий крыс, хотя сам по себе ВИП не был эффекти-
вен. Взаимодействие ВИП с АХ можно рассматривать как при-
мер гетерологической межрецепторной регуляции.
Соматостатин. Известный гормон гипоталамо-гипофизарной
системы соматостатин обладает негормональным действием на
ряд элементов вегетативной нервной системы. Он обнаружен в
норадренергических постганглионарных симпатических нейро-
нах. Соматостатин увеличивает амплитуду входящих К+-токов
в нейронах энтеральных ганглиев. Предполагается, что именно
К+-проводимость этого типа обеспечивает генерацию медлен-
ных неадренергических нехолинергических ТПСП в подслизи-
стом сплетении кишечника. Тормозной эффект (снижение ритма
и силы сокращений) развивается при аппликации соматостати-
на в предсердиях жабы, где соматостатин выявлен в постганг-
лионарных парасимпатических нейронах межпредсердной пе-
регородки. При ритмическом раздражении блуждающего нерва
(>3 Гц) обнаружен компонет парасимпатического торможения
миокарда, устойчивый к блокаторам синтеза АХ и мускарино-
вых холинорецепторов, но ослаблявшийся при тахифилаксии
во время повторных аппликаций соматостатина. Таким обра-
240
зом, соматостатин может рассматриваться как возможный тор-
мозный нейромедиатор постганглионарных парасимпатических
нейронов предсердий, а также некоторых энтеральных нейронов.
При аппликации соматостатина в нейронах верхнего шей-
ного ганглия крысы развивалось снижение амплитуды Са2+-
токов, инициируемых деполяризующими импульсами. Возмож-
но, соматостатин, высвобождаемый совместно с НА, выполня-
ет функцию нейромодулятора.
Нейропептид Y. Этот нейропептид выявляется иммуноцито-
химическими методами в центральной и периферической нерв-
ной системе в более значительных концентрациях, чем любой
другой нейропептид. Особенно высокое содержание нейропеп-
тида Y свойственно периферическим нервам сердечно-сосуди-
стой системы и регулирующим ее нервным центрам. При этом
обнаруживается сосуществование и взаимодействие нейропеп-
тида Y с норадреналином, которое характерно для симпатиче-
ских нервов гладких мышц кровеносных сосудов и других орга-
нов.
Различается два вида модулирующего действия нейропепти-
да Y в норадренергических синапсах гладких мышц — преси-
наптическое и постсинаптическое. Нейропептид Y подавляет
пресинаптическое высвобождение [3Н]-НА, вызываемое элек-
трическим раздражением симпатических нервов семявынося-
щего протока крысы; одновременно происходит подавление вы-
званных сокращений гладких мышц протока. Нейропептид Y
усиливает тормозное влияние агониста а2-адренорецепторов кло-
нидина на вызываемое деполяризацией высвобождение [3Н]-
НА из синаптосом продолговатого мозга. Предполагается взаи-
модействие между пресинаптическими а2-адренорецепторами
и рецепторами нейропептида Y, которое ведет к повышению
чувствительности а2-адренорецепторов. Интересно, что клони-
дин оказывает тормозное влияние на высвобождение нейропеп-
тида Y в ответ на раздражение преганглионарных симпатиче-
ских нервов, тогда как антагонист а2-адренорецепторов усили-
вает высвобождение нейропептида Y7 Клонидин уменьшает свя-
зывание I1251] -нейропептида Y в срезах продолговатого мозга
крыс, а нейропептид Y снижает связывание клонидина за счет
увеличения константы диссоциации комплекса лиганд—рецеп-
тор без изменений количества рецепторов. Такое взаимодейст-
вие между рецепторами служит примером синаптической гете-
рорегуляции.
Постсинаптическое модулирующее влияние нейропептида Y
выражается в том, что он усиливает сократительные ответы глад-
241
ких мышц семявыносящего протока и кровеносных сосудов на
субмаксимальные концентрации НА.
Наряду с нейромодуляторной функцией не исключается и
нейромедиаторная роль нейропептида Y, который способен ока-
зывать прямое сосудосуживающее влияние. После истощения
катехоламинов путем введения резерпина в сочетании с пере-
резкой преганглионарных симпатических нервов селезенки кош-
ки раздражение нерва селезенки сопровождается сужением со-
судов. Предполагается, что этот неадренергический эффект опо-
средуется высвобождением нейропептида Y.
Люлибирин (ЛГ-РГ). Аналог гипофизарного ЛГ-РГ млеко-
питающих, близкий по свойствам к ЛГ-РГ костистых рыб, об-
наружен иммуноцитохимическими методами в преганглионар-
ных волокнах симпатических ганглиев лягушки, где он высво-
бождается Са2+-зависимым образом в ответ на электрическое
раздражение. При аппликации на симпатические нейроны ЛГ-
РГ вызывает деполяризацию, идентичную позднему медленно-
му ВПСП. Антагонисты ЛГ-РГ подавляют как деполяризаци-
онные ответы на аппликацию ЛГ-РГ, так и поздние медленные
ВПСП без изменений быстрых холинергических ВПСП. Таким
образом, ЛГ-РГ удовлетворяет критериям нейромедиатора позд-
них медленных ВПСП в синапсах преганглионарных симпатиче-
ских нервов.
Эта ситуация представляет собой интересный случай сосу-
ществования двух нейромедиаторов — классического (АХ) и пеп-
тидного. Взаимоотношения между этими двумя нейромедиато-
рами поясняет схема (рис.7.3). В 9—10-м паравертебральном
симпатическом ганглии существуют два вида нейронов: В-клет-
ки, которые снабжаются волокнами 3—5-го спинальных нер-
вов, и С-клетки, которые иннервируются волокнами 7—8-го
спинальных нервов. Электрическое раздражение 3—5-го нер-
вов вызывает холинергические быстрые ВПСП только в В-клет-
ках. При раздражении 7—8-го нервов возникают холинергиче-
ские быстрые ВПСП только в С-клетках и поздние медленные
ВПСП как в С-клетках, так и в В-клетках, причем в В-клетках
поздние медленные ВПСП появляются примерно на 15 мс позд-
нее, чем в С-клетках. После перерезки 3—5-го нервов холинер-
гические потенциалы в В-клетках исчезают, тогда как раздра-
жение 7—8-го нервов (т.е. нервов С-клеток) продолжало вызы-
вать в В-клетках поздние медленные ВПСП. Очевидно, ЛГ-РГ
высвобождается совместно с АХ из пресинаптических оконча-
ний на С-клетке, а затем диффундирует на расстояние порядка
50 мк к В-клетке, которая не имеет синаптического контакта с
С-клеткой.
242
от 3~5-го
Рис. 7.3. Схема иннервации нейронов 9-го или 10-го паравертеб-
рального симпатического ганглия лягушки:
В — В-клетка; С — С-клетка; НХР — никотиновый холиноре-
цептор; МХР —мускариновый холинорецептор; ЛР — рецептор
ЛГ-РГ
Исследование поздних медленных ВПСП в симпатическом
ганглии позволило выдвинуть паракринную гипотезу действия
пептидных медиаторов, которая включает два положения.
1. Нейропептиды действуют в нервной системе как паракрин-
ные гормоны, т.е. могут диффундировать во внеклеточное про-
странство, достигая клетки-мишени, относительно удаленное
от места секреции. 2. Нейропептиды, высвобождаемые из нерв-
ных окончаний, могут воздействовать и на клетки, не имеющие
синаптического контакта с этими нервными окончаниями. Сле-
довательно, классические морфологические критерии синапти-
ческого контакта непригодны для идентификации нейронов-
мишеней пептидных медиаторов; наиболее важным критерием
нейронов-мишеней здесь служит локализация рецепторов ней-
ропептида. При этом из нервных окончаний могут высвобож-
даться несколько медиаторов, каждый из которых имеет свой
“химический” адрес.
243
Нитроксид (NO). В течение последних пяти лет накаплива-
ются данные о возможной роли NO в межклеточной передаче
сигнала. Начало этому направлению было положено выявлени-
ем в тканях животных биохимических систем, способных гене-
рировать NO, используя в качестве исходного соединения арги-
нин, а также идентификация NO как одного из главных факто-
ров релаксации сосудов.
Далее было показано образование NO в ткани мозга, выяв-
лен ряд проявлений нейрологической активности NO и, нако-
нец, установлен механизм его действия — посредством актива-
ции гуанилатциклазы. Классическая схема — образование и/или
накопление нейромедиатора в терминали, его выход в синапти-
ческую щель после поступления импульса и включения рецеп-
тора — не подходит для описания процессинга и эффектов NO.
Первый, наиболее изученный вариант, состоит в том, что при
интенсивной импульсации глутаматергических синапсов син-
тез NO интенсифицируется в постсинаптической зоне. Оттуда
NO выходит в межнейрональную жидкость и может активиро-
вать гуанилатциклазу, повышая уровень цГМФ в терминалях и
в глии. Результаты этих процессов могут быть различны в зави-
симости от места первичного образования NO. В их число вхо-
дит участие NO в феноменах пластичности нейронов, консоли-
дации памяти и т.п.
Второй вариант схемы допускает синтез NO в терминалях и,
далее, воздействие на гуанилатциклазу в постсинаптических зо-
нах гладкой мускулатуры сосудов, тонкой кишки и некоторых
других образований. Ряд исследователей полагают, что роль NO
в мозге состоит главным образом в релаксации сосудов и усиле-
нии кровоснабжения в тех именно случаях, когда особенно ин-
тенсивно функционирует глутаматергическая система. Иначе
говоря, ведущей, с этой точки зрения, предполагается трофиче-
ская функция.
Интересно, наконец, отметить данные о том, что малые кон-
центрации NO оказывают в мозге нейропротекторное действие,
а относительно большие (возникающие при интенсивном воз-
буждении) участвуют в повреждении нейронов.
Предстоит, очевидно, еще большой цикл исследований для
уточнения функций и механизмов действия NO.
Выводы
1. Большинство синапсов в нервной системе млекопитаю-
щих является химическими.
244
2. Процесс передачи сигнала в химическом синапсе осуще-
ствляется посредством освобождения нейромедиаторов из пре-
синаптических нервных окончаний.
3. К нейромедиаторам относятся в настоящее время 4 груп-
пы веществ: моноамины, аминокислоты, пуриновые нуклеоти-
ды, пептиды.
4. В индивидуальном нейроне синтезируется, как правило,
несколько нейромедиаторов различной химической природы.
5. Существует 2 типа механизмов преобразования химиче-
ского сигнала в синапсе: ионотропный и метаботропный.
6. Кроме нейромедиаторов существует обширный класс со-
единений — нейромодуляторов, регулирующих уровень синап-
тической передачи.
245
Глава 8
Молекулярные механизмы передачи импульса в
мембранах нейронов. Ионные каналы, рецепторы
С.А.Дамбинова, М.А. Каменская
8.1. БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ
На каждом этапе рассмотрения биохимии нервной системы
приходится вновь обращать внимание читателя на то обстоя-
тельство, что нейроны способны выполнять свои функции только
благодаря особым свойствам их наружной мембраны. Мембра-
на нейрона имеет специальные молекулярные устройства, кото-
рые позволяют ей генерировать, проводить и воспринимать нерв-
ный импульс, практически мгновенно изменять ионную прони-
цаемость и создавать за счет этого трансмембранный ионный ток.
Этот комплекс молекулярных событий приводит к направлен-
ному распространению нервного импульса по аксону на очень
большие расстояния (рис.8.1).
Рис.8.1. Модель проведения электрического сигнала по аксону
Способность к проведению нервного импульса в аксонах
обусловлена, с одной стороны, наличием в его мембранах спе-
цифических белковых комплексов, которые представляют со-
246
бой ионные каналы, управляемые электрическими потенциалами,
с другой стороны, наличием белковых структур, поддерживаю-
щих ионные градиенты в мембранах, — так называемых ионных
насосов. Насосы расходуют метаболическую энергию для пере-
мещения ионов против концентрационных градиентов между
вне- и внутриклеточной средой. Особенно важны (примени-
тельно к процессам, описываемым в данном разделе) различия
в концентрациях ионов Na, К и Са. Наружная среда приблизи-
тельно в десять раз богаче ионами Na (145 мМ), чем внутренняя
(12 мМ), а внутренняя среда в десятки раз богаче ионами К (155
мМ), чем наружная (4 мМ). Внеклеточные концентрации Са2+
(1,5 мМ) в сотни-тысячи раз выше внутриклеточных (<10-3 мМ).
Ионы Na и К могут медленно проникать через поры в кле-
точной мембране по градиенту, поэтому ионные насосы непре-
рывно производят обмен вошедших в клетку ионов натрия на
ионы калия из внешней среды, такое откачивание ионов на-
трия осуществляется внутренним мембранным белком — Na+,
К+-АТФазой или Na-насосом. Существуют и другие типы ион-
ных насосов, преимущественно называемых по типу ионов,
которые они транспортируют, например Са-насосы, К-насосы
и т.д. (рис.8.2).
Внутренняя среда
Инактивация: входзакрыт
Рис.8.2. Структурные компоненты мембран, участвующих в
генерации потенциала действия
Модель генерации нервного импульса, созданная А.Ходжки-
ным и А. Хаксли применительно к аксону, описывает проведе-
ние электрического сигнала путем изменения проницаемости
для ионов натрия и калия. Эта модель (см.рис.8.1), ставшая
247
классической, принесла авторам известность и Нобелевскую
премию в 1956 г. Основная идея модели генерации нервного
импульса сводится к следующему: механизмы ионной проницае-
мости натрия и калия работают независимо друг от друга и опи-
сываются с помощью констант скоростей реакции, зависящих
от единственной переменной — мембранного потенциала. С по-
мощью экспериментальных подходов эта теоретическая модель
была успешно подтверждена.
Поскольку концентрация ионов натрия и калия по ту и дру-
гую сторону мембраны различаются, внутренняя область аксо-
на имеет значительный отрицательный потенциал (—70 мВ) по
отношению к наружной среде. Когда нервный импульс возни-
кает в основании аксона, трансмембранная разность потенциа-
лов в этом месте локально понижается. Это ведет к тому, что
непосредственно за этой зоной с измененным потенциалом вдоль
аксона открываются ионные каналы для входа ионов Na. Про-
цесс является самоусиливающимся: поток ионов натрия через
мембрану приводит к открыванию все большего числа ионных
каналов. Затем натриевые каналы закрываются, но вслед за этим
открывается другая группа каналов — для ионов К, которые
выходят наружу. Этот поток восстанавливает потенциал внутри
аксона до потенциала покоя. Резкий скачок потенциала или элек-
трический “спайк” называется потенциалом действия и являет-
ся электрическим выражением нервного импульса (см. рис.8.1).
Итак, возникновение быстрых импульсных сигналов связа-
но с работой ионных каналов. Ионные каналы — это макромо-
лекулярные комплексы, которые образуют сквозные гидрофиль-
ные поры в липидном матриксе и способны регулировать транс-
порт ионов через мембрану клетки. Другими словами, ионные
каналы представляют собой ионселективный фильтр, способ-
ный избирательно регулировать проницаемость клетки для ио-
нов. Так, работа одного ионного канала способна изменять ион-
ные токи от 2 до 10 рА, что соответствует транспорту от 12 до
60x106 моновалентных катионов в секунду. Такая величина об-
менного процесса ионов в клетке превосходит во много раз из-
вестные до сих пор ферментные или транспортные механизмы
и хорошо согласуется с теоретическими расчетами, сделанны-
ми для модельной поры.
Ионные каналы имеют два фундаментальных свойства: они
способны избирательно пропускать ионы и имеют механизм кон-
троля за скоростью перемещения ионов — воротные токи. Одна-
ко избирательность каналов для определенных ионов не явля-
ется абсолютной, так как они могут в определенной степени
248
пропускать и “чужие” ионы, сходные по заряду или размерам.
Механизм селективности ионных каналов определяется взаи-
модействием между ионами и специфическим структурным уча-
стком канала, его воротами. Воротные механизмы, регулирую-
щие открывание и закрывание мембранных каналов, представ-
лены двумя типами. Существуют каналы, которые открываются
и закрываются в ответ на изменения потенциалов, т.е. управля-
ются электрически. Второй тип воротного механизма связан с
работой ионных каналов, открываемых в ответ на химический
сигнал, т.е. управляемых химически.
Деполяризация, связанная с потенциалом действия, распро-
страняется вдоль аксона как волна электрической активности.
Главное преимущество электрического проведения импульса по
аксону состоит в том, что возбуждение быстро распространяет-
ся на большие расстояния без какого-либо ослабления сигнала.
Для возникновения серии нервных импульсов необходимо слож-
ное взаимодействие разных ионных каналов, включая электро-
управляемые и хемоуправляемые ионные каналы. Все нервные
импульсы имеют практически одинаковую амплитуду; кодиро-
вание информации на этом уровне происходит за счет разной
частоты, генерируемой в единицу времени. В общем, чем силь-
нее сигнал, тем выше частота разрядов.
8.2. Na-КАНАЛЫ
Потенциал-зависимые Na-каналы — обязательный элемент
внешней мембраны нейронов. В последние годы благодаря об-
наружению специфических блокаторов электровозбудимых на-
триевых каналов удалось раскрыть молекулярную структуру
каналов и, в частности, выделить составляющий их белок в
индивидуальном виде.
Одним из хорошо исследованных блокаторов Na-каналов
является тетродотоксин (ТТХ), который необратимо связывает-
ся с белком канала и позволяет его маркировать для последую-
щей очистки. Наибольших успехов в исследовании функции и
структурной организации натриевых каналов добились япон-
ские исследователи Р.Нума и др. Они показали, что этот мем-
бранный белок представляет собой гликопротеид с Мг = 250-
300 кД, состоящий из нескольких субъединиц, которые образу-
ют на внутренней поверхности гидрофильную трубчатую струк-
туру. при денатурации в восстановительных условиях белок дис-
социирует на два основных компонента, которые специфиче-
ски связывают 3Н-тетродотоксин в присутствии фосфолипи-
249
дов. Диаметр поры этого канала колеблется в пределах 0,4-0,6
нм. Через такую пору могут проходить ионы натрия, связанные
с молекулами воды. Избирательность для ионов Na существует,
но не является абсолютной.
ТТХ-связывающие белки выделены из различных объектов:
головного мозга, клеток нейробластомы, нейронов моллюсков,
аксонов кальмара и др. С помощью моно- и поликлональных
антител.показано наличие общих антигенных детерминант у
белков каналов, выделенных с помощью тетродотоксина. Им-
мунохимические данные наряду с результатами ограниченного
протеолиза и химической модификации молекул свидетельст-
вуют в пользу трансмембранной модели потенциал-независимого
натриевого канала. Доступность некоторых участков белка для
иммуноглобулинов в липидных мембранах или липосомах под-
тверждает гипотезу о значительных конформационных перестрой-
ках молекулы натриевого канала под действием электрического
поля.
В настоящее время установлена полная первичная последо-
вательность ТТХ-чувствительных белков и структура гена, ко-
дирующего синтез в нервной клетке Na-каналов.
Изменение конформационного состояния структурных ком-
понентов ионного канала тесно связано с процессами фосфо-
рилирования а- и р-пептидных субъединиц. Обнаружено, что
Na-каналы мозга млекопитающих содержат одну а-субъедини-
цу (NL. 260 кД), ассоциированную с двумя полипептидами: Р]
(Мг 36 Д) и р2 (Мг 33 Д). Установлено, что а-субъединица явля-
ется трансмембранным белком, имеющим участки связывания
ряда нейротропных веществ на внешней поверхности мембран,
и участки связывания для фосфорилирования цАМФ-зависи-
мой протеинкиназой. Оказалось, что этого единственного а-
полипептида вполне хватает, чтобы сформировать ионный ка-
нал, но не достаточно для выполнения его функций.
Функционированию ионного канала способствуют Рр и р2-
субъединипы, которые размещены в основном на внешней по-
верхности мембран и ковалентно связаны са-субъединицей через
дисульфидную связь. Эти р-субъединицы сильно гликозилиро-
ваны, приблизительно 30% их массы составляют карбогидраты,
большая часть которых приходится на сиаловую кислоту. По-
следняя и придает ионному белковому комплексу сильный от-
рицательный заряд, который и позволяет полноценно функ-
ционировать каналу. С другой стороны, эти карбогидраты не-
обходимы для нормального биосинтеза и точной сборки функ-
ционального канала в нейронах. Показано, что если гликози-
250
лирование ингибировано, то новый синтеза-субъединицы бы-
стро останавливается, и она не включается в клеточную по-
верхность мембраны.
Процесс открывания Na-каналов под влиянием изменения
потенциала мембраны — активация натриевых каналов — один
из наиболее ярких примеров конформационных перестроек бел-
ков под влиянием электрического поля. Открывание каждого
канала совершается по известному принципу — “все или ниче-
го”. Этот процесс может быть остановлен инактивацией, кото-
рая опять-таки связана с переходом белков канала в другое кон-
формационое состояние. Полный цикл активации и инактива-
ции охватывает десятки тысяч натриевых каналов.
8.3. К-КАНАЛЫ
Потенциал-зависимые калиевые каналы так же, как и на-
триевые, распространены повсеместно в наружных мембранах
нервных клеток и играют столь же важную роль в передаче ско-
ростных сигналов. В отличие от ионов натрия, которые вызы-
вают локальную деполяризацию мембраны и генерирование
потенциала действия, калиевые каналы приводят к гиперполя-
ризации нейрона и появлению тормозных потенциалов. Систе-
ма быстрых калиевых каналов играет большую роль в стабили-
зации ритмической деятельности нейрона, которая является
основным способом кодирования и передачи клеткой химиче-
ских сигналов. Характерной чертой участия калиевых каналов в
ритмической активности является резкое замедление нараста-
ния деполяризации мембраны, вызванной предшествующим
входом ионов Na.
Калиевые каналы являются более избирательными для ио-
нов: они не пропускают практически ионы Na, проницаемость
для ионов Rb , NH4+ сравнительно мала. Полагают, что селек-
тивный фильтр калиевого канала имеет размеры порядка 0,26-
0,3 нм. Ионы большего размера не проходят через канал по
стерическим причинам, ионы меньшего диаметра — в связи с
тем, что они не могут успешно взаимодействовать с кислородо-
содержащими анионами, находящимися в боковых цепях гид-
рофильных аминокислот, которые выстилают внутреннюю бел-
ковую пору.
Калиевые каналы подразделяются на три подтипа в зависи-
мости от скорости проведения: быстрые, средние и медленные.
Первые два подтипа каналов являются зависимыми от ионов
Са и блокируются токсином скорпиона, в то время как третий
251
вид калиевого канала (потенциал-зависимый) блокируется од-
ним из токсинов яда кобры и пчелы — апамином.
Структура К-каналов в принципе сходна со структурой Na-
каналов. На основании данных радиационной инактивации за-
мороженных мембран были определены молекулярные массы
для целого олигомерного комплекса — от 165 до 400 кД в зави-
симости от типа клетки. Обнаружено, что у разных организмов
сочетание полипептидных компонентов, составляющих макро-
молекулу ионофора, существенно различается. В отличие от
белков других каналов белки калиевых каналов практически не
гликозилированы.
Недавно были проведены работы по выделению генов, ко-
дирующих синтез калиевых канальных полипептидов. Специ-
фическая мРНК, выделенная из мозга крыс, была инъецирова-
на в ооциты лягушки. Показано, что в этом случае регистриру-
ются “новые” калиевые каналы. Найдена высокая степень го-
мологичности между нуклеотидными последовательностями,
кодирующими синтез калиевых каналов в разных клетках. Осо-
бенно это касалось гидрофобных доменов, которые оказались
наиболее консервативными в эволюции.
8.4. Са-КАНАЛЫ
Транпорт Са2+ через кальциевые каналы жизненно важен
для разнообразных клеточных функций, особенно в нервной
ткани. Электровозбудимые кальциевые каналы изучены пре-
имущественно на нейронах моллюсков. Сейчас становится оче-
видным, что у высших позвоночных они мало отличаются по
физико-химическим характеристикам.
Специфичность кальциевых каналов не очень высока, они
способны пропускать из наружной среды Na+ и ионы других
щелочных металлов, если концентрация Са2+ в наружной среде
находится ниже микромолекулярного уровня. Кальциевые ка-
налы пропускают также катионы других двухвалентных метал-
лов, например Mg2+ и Мп2+. Однако эти катионы легко связы-
ваются внешней химической группировкой канала и становят-
ся при определенных концентрациях эффективными блокато-
рами кальциевого канала. Полагают, что эта группировка явля-
ется карбоксильной группой, находящейся в устье канала.
Общая схема молекулярной организации кальциевых кана-
лов сходна с описанной выше для Na-каналов. Однако главная
а-субъединица окружена большим числом субъединиц (а, 0, у и
5), служащих модуляторами активности канала. Пока не ясно,
252
какие химические группировки ответственны за трансмембран-
ный перенос кальция, понятно только, что он существенно за-
висит от внутриклеточной концентрации Са2+ и функциониро-
вания системы циклических нуклеотидов.
Несмотря на то, что численность кальциевых каналов зна-
чительно меньше, чем натриевых и калиевых ион-транспорт-
ных систем, при определенных условиях они могут самостоя-
тельно вызывать деполяризацию нейрона. Однако сейчас оче-
видно, что главная функция кальциевых каналов состоит в сопря-
жении электровозбудимости с внутриклеточными процессами. Эта
функция кальциевых каналов особенно важна для включения
механизма выхода нейромедиатора из нервного окончания
(см.гл.7).
8.5. СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА ИОНОВ.
Na+/K+ И Na+/Ca2+ - НАСОСЫ
Как уже упоминалось, электрическое возбуждение в нерв-
ной ткани существенно зависит от механизмов пассивного и
активного мембранного транспорта, контролирующего концен-
трации ионов и молекул внутри клеток и нередко в межклеточ-
ном пространстве. Аксоны обладают большим резервом К+-ио-
нов и дефицитом Na+-nonoB. Миграции ионов, обеспечиваю-
щие прохождение импульсов и создающие изменения потен-
циала мембраны, быстро компенсируются этими резервами.
“Выносливость” аксона очень велика — утомление наступает
лишь после прохождения 105 — 106 импульсов, тем не менее
перемещения ионов при прохождении импульса должны быть
компенсированы в стадии покоя. Кроме того, мембрана в ста-
дии покоя не является абсолютным барьером для перемещений
ионов и постепенного уменьшения потенциала.
Ряд внутриклеточных процессов требует постоянной регуля-
ции за счет активных ионных потоков через мембрану. Нако-
нец, особенно велики нарушения градиентов ионных концен-
траций при функционировании синапсов. Для компенсации всех
этих нарушений градиентов служат ионные насосы.
Основной транспортной системой в нейронах, как и в боль-
шинстве других эукариотических клеток, является насос, кото-
рый вытесняет Na+ и постоянно накапливает К+. Этот процесс
требует присутствия АТФ и специфически ингибируется кар-
диоактивными гликозидами типа оуабаина.
Na+, К+-активируемая аденозиитрифосфотяза, или АТФ-фос-
253
фогидролаза К.Ф.3.6.1 (Na+-, К+ — насос) плазматических мем-
бран нервных клеток осуществляет трансмембранный перенос од-
новалентных катионов против градиентов их электрохимических
потенциалов, используя энергию гидролиза АТФ. Работая с макси-
мальной скоростью, этот ферментативный комплекс способен
транспортировать через мембрану около 200 ионов Na и 130
ионов К в 1с. Однако фактическая скорость работы фермента
определяется потребностями клетки. У большинства нейронов
на поверхностной мембране расположено до 200 натриевых
насосов на квадратный микрон, причем в некоторых участках
этой поверхности их плотность в 10 раз выше.
Молекула фермента состоит из каталитической а-субъедини-
цы (Мг=112 кД) и p-гликопротеида (Мг=44 кД), функциональ-
ная роль которого до сих пор неизвестна. Молекулярная масса
комплекса белковых субъединиц Na+, К+-АТФазы составляет
около 275 000, и размеры фермента колеблются в пределах 6-8
нм. Кроме полипептидов Na+, К+-АТФаза содержит 3 углевод-
ные цепи (по 9 кД), которые присоединены к р-субъединице
гликозидными связями. Одновременное использование мето-
дов генной инженерии и химии белка привело к установлению
первичной структуры Na+, К+-АТФазы. С помощью монокло-
нальных антител установлено внутри- и внеклеточное располо-
жение некоторых участков а- и р-субъединиц. Предложена мо-
дель полипептидной цепи фермента, согласно которой «-субъ-
единица 7 раз пересекает бислойную мембрану и локализована
главным образом в цитоплазме, р-субъединица, которая также
является трансмембранным белком, расположена на наружной
стороне мембраны. Основную функцию транспорта катионов
несет а-субъединица. Существуют изоформы как а-, так и р-
субъединиц фермента, что способствует большей специализа-
ции Na+, К+-АТФазы в разных тканях.
Специфическими ингибиторами Na+, К+-АТФазы являются
оуабаин и ванадат, которые легко блокируют проведение элек-
трического сигнала. Подобный результат наблюдается и при
химической модификации АТФ-связывающего фермента, на-
пример флуоресцеинизоцианатом.
Тетраэтиламмоний, снижающий К+-индуцированную гипер-
поляризацию клетки, способен ингибировать активность Na+,
К+-АТФазы в микросомах мозга. Более того, в присутствии этого
блокатора снижается специфическое связывание оуабаина с
нейрональными мембранами. Чувствительность АТФазы к бло-
каторам К-каналов (включая апамин) свидетельствует в пользу
254
того, что существуют общие функциональные и структурные
взаимодействия между Na+, К+-АТФазой и ионными каналами
для транспорта К+.
Сходным с Na+, К+-АТФазой является другой ионный насос
— Ма+/Са2+-АТФаза. Она производит обмен каждого иона Са2+
на 3 иона Na+. Значение этой системы особенно велико в нерв-
ных окончаниях, где система медиаторов связана с вхождением
Са2+ в терминаль и необходимостью компенсировать далее эти
смещения градиента. Кроме того, ряд событий в постсинапти-
ческой зоне тоже сопряжен с временным вхождением Са2+.
8.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ
ПЕРЕДАЧИ, РЕЦЕПТОРЫ
Нейрон способен иметь до нескольких десятков тысяч меж-
клеточных контактов, большинство из которых обеспечивается
определенными морфологическими структурами — синапсами.
Клеточную поверхность нейронов можно рассматривать как
приемник разнообразнейших сигналов.
В гл.7 уже упоминалось разделение синапсов на химические,
электрические и смешанные. Чем выше степень эволюционной
организации нервной системы, тем разнообразнее природа хи-
мических синапсов. Особенно это касается головного мозга
высших млекопитающих, включая человека. Очевидно, хими-
ческие синапсы оказались эволюционно более выгодными для
передачи дискретных сигналов по сравнению с другими типа-
ми межклеточных контактов, поскольку на их основе возможна
не только передача сигнала, но и его разнообразная модуляция, в
том числе гуморальными факторами. Основой восприятия ней-
роном химического сигнала в синапсе, а также ряда модули-
рующих влияний являются рецепторы.
Рецепторы представляют собой надмолекулярные образования,
состоящие из белков, а также гликолипидных компонентов. Они
способны под действием медиатора либо непосредственно из-
менять потоки ионов через мембрану (ионотропные рецепто-
ры), либо индуцировать образование вторичных мессенджеров,
которые, в свою очередь, меняют ряд свойств мейрона (метабо-
тропные рецепторы).
Межнейрональные химические синапсы подразделяются на
два типа: возбуждающие и тормозные, причем .первые, как из-
вестно, способствуют генерации новых импульсов, а вторые при-
255
водят к снятию действия приходящих сигналов. Это деление
определяется в значительной мере природой рецепторов. Из-
вестны случаи, когда один и тот же медиатор оказывает возбу-
ждающее или тормозное действие в зависимости от природы
рецептора (например ацетилхолин в разных типах мускарино-
вых рецепторов, аденозин в двух типах аденозиновых рецепто-
ров и др.).
В зависимости от места положения синапсов их можно под-
разделить на сомато-аксональные, дентрито-аксональные, ден-
трит-дентритные и др. Каждый из этих синапсов имеет свои
особенности в функционировании. Схематически структура
синапса может быть представлена следующим образом (рис.8.3).
Рис.8.3. Схема синапса: 1 — аксон; 2 — нейрофибриллы; 3 —
синаптические везикулы; 4 —пресинаптическая зона; 5 — пост-
синаптическая зона; 6 — синаптическая щель; 7 — митохондрии
На рисунке хорошо видны утолщения, составляющие пре-
синаптическую мембрану подходящего аксона, синаптическая
щель и постсинаптическая мембрана. В пресинаптическом окон-
чании находятся синаптические везикулы — хранилища запа-
сов нейромедиатора в пресинаптическом нейроне. Постсинап-
тическая мембрана является носителем рецепторов. В ряде слу-
чаев сами рецепторы могут быть визуализированы при посред-
стве электронной микроскопии.
256
Процессы, происходящие при поступлении импульса в нерв-
ное окончание, т.е. в пресинаптическую область, подробно опи-
саны в предыдущей главе, здесь напомним только основные из
них. При распространении нервного импульса происходит де-
поляризация пресинаптической мембраны и изменение ион-
ных токов. Наиболее важным событием в нервном окончании
является мобилизация ионов Са, которые вызывают миграцию
и открывание многочисленных синаптических везикул. Эти ве-
зикулы непосредственно связываются с участками пресинапса
и открытие их приводит к высвобождению нейромедиатора и
диффузии его в синаптическую щель. В терминали аксона скон-
центрированы и ферменты синтеза медиатора, митохондрии для
энергетического обеспечения этого процесса, системы белков-
транспортеров, способствующих узнаванию и обратному захва-
ту молекул нейромедиатора. Этот последний механизм, по-ви-
димому, существенно экономит затраты на синтез готового ней-
ромедиатора и участвует в регуляции срока его действия.
В отличие от биохимических процессов выброса нейроме-
диаторов из пресинапса, имеющих общий характер, постсинап-
тическое действие нейромедиатора прекращается самыми раз-
нообразными способами: разрушением его определенными фер-
ментами, либо быстрым поглощением из области синапса гли-
альными клетками, либо обратным захватом его в пресинапти-
ческую терминаль. В качестве примера существования разных
механизмов утилизации нейромедиаторов из синапса можно
привести механизмы процессов, происходящих в холинергиче-
ском, глутаматергическом и ГАМК-ергическом синапсах.
Механизм разрушения ацетилхолина преимущественно свя-
зан с работой фермента — ацетилхолинэстеразы, который рас-
полагается на постсинаптической мембране и быстро гидроли-
зует медиатор после взаимодействия с рецепторами. В глутама-
тергическом синапсе механизм удаления нейромедиатора за-
ключается преимущественно в поглощении L-глутамата окру-
жающими глиальными клетками. L-глутамат превращается в
глутамин с помощью фермента глутаминазы, находящейся в
глиальных клетках. В ГАМК-ергическом синапсе преобладает
система обратного захвата медиатора.
8.7. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НЕЙРОРЕЦЕПТИИ
В биохимии и физиологии нервной системы длительное время
доминировала точка зрения, согласно которой местом актив-
257
ных пластических изменений нейронов является пресинапти-
ческая мембрана. Были представлены многочисленные свиде-
тельства, касающиеся сдвигов количества квантов нейромедиа-
тора в процессе обучения, памяти, выработки условных реф-
лексов и др. Постсинаптическим мембранам отводилась либо
пассивная роль, либо они вообще не рассматривались в качест-
ве активных участников событий в нервных клетках. Впослед-
ствии стало ясно, что процессы, происходящие в плазматиче-
ской или синаптической мембране нейрона, являются одними
из ключевых для понимания интегративных функций ткани
мозга, решения проблем обеспечения эффективного взаимодей-
ствия между нервными клетками. В последние десятилетия осо-
бое внимание было обращено на изучение структурных компо-
нентов постсинаптических мембран, в частности нейрорецеп-
торов. Исследования тонкой структуры и функции нейроре-
цепторов показали их важную роль в трансформации химиче-
ского сигнала в биоэлектрические потенциалы и в передаче ин-
формации на внутриклеточные реакции, которые определяют
метаболизм нервной ткани.
Следует отметить, что нейрорецепторы расположены как на
мембранах нейронов, так и на мембранах глиальных клеток. Од-
нако у последних они имеются в ограниченном наборе и числе.
Рецепторные системы, расположенные на глиальных элемен-
тах, отличаются от нейрональных весьма важным моментом —
они не способны продуцировать ответные реакции клеток в виде
оперативных единиц информации. Иными словами, они не ге-
нерируют потенциалов действия. Как правило, глиальные клет-
ки реализуют свое действие через внутриклеточные и межкле-
точные трофические регуляторные реакции, участвуя в метабо-
лизме нейрон-глия (хотя некоторые общие модулирующие влия-
ния они способны передавать через сеть астроцитов, — см. гла-
ву, где рассматриваются взаимодействия нейронов с глией).
Несмотря на огромное разнообразие клеточных рецепторов
на мембране нейрона, их можно подразделять на два основных
класса, которые различаются по механизмам действия и скоро-
сти проведения сигналов. Существуют быстродействующие ио-
нотропные и медленнодействующие метаботропные рецепторы;
скорость действия первых составляет миллисекунды, в то время
как у последних они находятся в секундно-минутном диапазо-
не. Время действия нейрорецепторов определяется структур-
ной организацией рецепторных компонентов.
Быстродействующие рецепторы содержат в своей структуре
ионный канал, открывающийся при контакте с нейромедиато-
258
ром. Медленнодействующие рецепторы представляют собой
комплекс из нескольких белков, которые при воздействии ней-
ромедиатора последовательно меняют конформацию и в конеч-
ном счете активируют синтез или выход вторичного, уже внут-
риклеточного, медиатора (циклических нуклеотидов, диацил-
глицерола, инозитол фосфатов, Са2+; рис. 8.4). Эти два класса
рецепторов обозначают нередко как рецепторы I и II класса
(типа). Для правильного восприятия терминологии целесооб-
разно также указать, не рассматривая пока детали, что рецепто-
ры класса II содержат в числе белков, передающих сигнал, так
называемые G-белки. Их нередко упоминают, обозначая рецеп-
торы этого класса.
Рис. 8.4. Организация нейрорецепторов класса 1 (А) и класса 2
(Б): X — вид пропускаемых ионов; R —рецептор; Е — эффектор-
ный энзим; G -G-белок
Кроме охарактеризованных выше двух классов рецепторов
существуют еще три особые группы рецепторов, которые хотя
и присутствуют в нервной системе, но пока представляются не
связанными прямо со специфическими функциями последней.
К ним относятся рецепторы, переносящие свои лиганды через
мембрану (трансферины, некоторые липопротеины и др.), ре-
цепторы, обладающие собственной тирозинкиназной активно-
стью (рецепторы инсулина и ряда факторов роста -клеток) и,
наконец, своеобразная группа, которая при взаимодействии с
лигандом претерпевает частичное протеолитическое расщепле-
ние. В настоящем руководстве мы не рассматриваем эти груп-
пы рецепторов.
259
К первому классу рецепторов принадлежат никотиновые ре-
цепторы ацетилхолина, рецепторы ГАМКа, глицина, а также
часть рецепторов глутамата и аспарагиновой кислоты (табл.8.1).
Рецепторы катехоламинов, серотонина, ГАМКВ и ряда пептид-
ных соединений, а также мускариновые рецепторы ацетилхо-
лина и некоторые из рецепторов глутамата относят ко второму
классу (табл.8.2). Последние типы рецепторов через систему вто-
ричных посредников вызывают изменения в активности проте-
инкиназ, способных фосфорилировать мембранные белки, вклю-
чая ионные каналы.
Таблица 8.1
Структура, общий характер и функции рецепторов класса I
Тип рецептора Преимуществен - ная функция мг, кД Субъединицы
Холинергический Возбуждающая 250 а 40-50
(никотиновый) (пентамер) Р 50-54 у 56-60 5 58-65
ГАМКа Тормозная 230-260 (пентамер} Р > 49-58 У 5 J
Глутаматный (ионотропный, NMDA) Возбуждающая 240-400 90-10
Глициновый Тормозная 246 а 48 Р 58
Таблица 8.2
Масса белков рецепторов класса II
Рецептор Мг, кД
Ад рене р ги чески й 58-80
Глутаматер гически й 90-110
Холинергический (мускариновый) 85-105
Дофаминовый 72-94
Опиатный 53-65
Серотониновый 260 67
Следует отметить, что в последние годы обнаружена группа
нейрорецепторов, связь которых с ионными каналами осуще-
ствляется через G-белки, не сопряженные с перечисленными
выше вторичными мессенджерами. Хотя в такую систему ре-
цепции и не включены протеинкиназы, тем не менее участие
G-белка в трансформации сигнала значительно увеличивает
время действия по сравнению с нейрорецепторами класса 1.
Фундаментальным свойством всех нейрорецепторов являет-
ся их лабильность и высокая скорость синтеза самого рецептора.
Это свойство рецепторов конрастирует с более жесткой запро-
граммированностью синтеза белковых компонентов мембран,
которая обычно наблюдается у других (не нервных) типов тка-
ней. В нейронах развиты механизмы непрерывного синтеза ре-
цепторов и их быстрой утилизации либо путем интернализа-
ции, либо с помощью пиноцитоза. Высокая скорость обновле-
ния нейрорецепторов обусловлена, по-видимому, необходимо-
стью изменения “информационной емкости” и “пропускной
способности” нейрона. В этом случае генетический аппарат клет-
ки способен, интегрируя всю приходящую информацию, “при-
нять решение” путем перестройки синтеза белковых компонен-
тов мембран. В этом скрыта одна из причин уникального свой-
ства нейронов и нервной ткани в целом — пластичности.
Таким образом, основная роль нейрорецепторов сводится к
созданию специфических информационных входов, организую-
щих единый функциональный ансамбль нейронов. Именно со-
вокупность рецепторов определяет лицо клетки и ее реакции
на поступление разнообразных химических сигналов.
Молекулярные механизмы, лежащие в основе модуляции
эффективности синаптической передачи, в которых важную роль
играют рецепторные процессы, имеют альтернативу. С одной
стороны, это изменение чувствительности (сродства) к рецепто-
ру, с другой — увеличение или снижение количества активных
рецепторов на мембране. Заслуживают внимания и гипотезы,
касающиеся постгрансляционной модификации нейрорецепто-
ров, которая позволяет изменить количественные параметры
их функционирования.
Внимание к проблемам нейрорецептии со стороны биохи-
миков, фармакологов и физиологов обусловлено еще и тем, что
причиной многих дисфункций нервной системы является на-
рушение целостности мембранных компонентов как нейронов,
так и глиальных клеток. Отметим, что существующие успехи в
лечении некоторых нервно-психических заболеваний связаны
в большей мере с прогрессом в исследовании именно молеку-
261
лярных свойств ряда рецепторов (бензодиазепиновых, дофами-
новых, холино- и адренорецепторов, рецепторов пептидных и
стероидных гормонов). Оказалось, что многие нейрорецепторы
выполняют роль избирательных мишеней действия известных
лекарственных препаратов (см. гл. 12). Исследования в этой об-
ласти нейробиологии служат сейчас постоянным источником
для целенаправленного поиска и создания новых классов фар-
макологических средств, обладающих улучшенными терапев-
тическими свойствами.
8.8. БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ
НЕЙРОРЕЦЕПТИИ
Наиболее широко распространенным и разработанным ме-
тодическим подходом для количественного анализа взаимодей-
ствия нейромедиаторов со своими рецепторами на мембране
клетки является радиолигандный метод. Суть этого метода за-
ключается в изучении параметров связывания радиоактивного
лиганда (нейромедиатора, агониста или антагониста) с мембран-
но-связанными или изолированными рецепторными белками.
В настоящее время существует хорошо развитая кинетическая
теория рецептии и методы определения физико-химических
параметров процесса образования комплекса лиганд-рецептор.
Такой физико-химический анализ позволяет сделать опреде-
ленные заключения о структуре активных центров нейрорецеп-
торов, в частности, выяснить природу некоторых функциональ-
ных групп, которые ответственны за первую стадию взаимодей-
ствия лиганда с акцептором.
Для того чтобы кратко ознакомиться с количественной тео-
рией взаимодействия веществ со своими рецепторами, рассмот-
рим простейшие условия, когда одна молекула лиганда взаимо-
действует с одним центром связывания:
где L — лиганд; Q — центр связывания; В — комплекс лиганда
со связывающим центром; К] иК ] — кинетические констан-
ты. При динамическом равновесии скорость реакции образова-
ния комплекса В равна его скорости диссоциации, т.е. = V.j,
тогда концентрация [В] вычисляется по формуле (1)
262
[*] =
кс[Ц
1 + ВД
(1)
При этом предполагается, что L и Q взаимодействуют между
собой по закону действующих масс, т.е. скорости реакций об-
разования комплекса и его диссоциации прямо пропорциональ-
ны концентрациям компонентов в системе. Отношение кон-
стант прямой и обратной реакции называют константой срод-
ства Кс (ассоциации). Она характеризует соотношение занятых
и свободных участков связывания при данной концентрации
лиганда. Обычно для описания параметров связывания исполь-
зуют величину, обратную константе сродства,—
— константу диссоциации. Эта константа соответствует ве-
личине, при которой происходит насыщение 50% связываю-
щих участков:
Если вместо константы сродства Кс использовать обратную
ей величину Кд, то, подставив это значение в уравнение (1),
характеризующее равновесную реакцию взаимодействия лиганда
с рецептором, получим следующее уравнение:
[в] = _I£L
КД+[Ц <2>
Приняв общее число рецепторов за 1, можно преобразовать
уравнение (2) к виду, аналогичному уравнению Михаэлиса (3),
которое используется в энзимологии для описания кинетики
обратимых ферментативных реакций:
[Д]. W . [£S] [S] (i)
I К,+Щ' [£„] £,+[«]’
где [ES] — концентрация комплекса фермент-субстрат; [S] —
263
концентрация субстрата и Ks — константа диссоциации ком-
плекса; [Ео] — исходная концентрация субстрата.
Согласно этим уравнениям зависимость величины эффекта
от дозы лиганда или фермента описывается гиперболой (экспе-
риментальные кривые доза—эффект во многих случаях имеют
именно такой вид). Чаще всего для работы пользуются графи-
ческим выражением зависимости эффекта не от концентрации,
а от логарифма концентрации лиганда. Графически зависимость
результатов может быть представлена разными способами, од-
нако наиболее информативным способом расчета являются ко-
ординаты Скэтчарда. Действительно, помимо равновесной кон-
станты связывания и общей концентрации центров связывания
этот метод позволяет определить концентрацию свободного
лиганда, соответствующую данной концентрации комплекса В.
Константа диссоциации равна котангенсу угла наклона прямой.
Отрезок на оси абсцисс от точки пересечения с прямой до на-
чала координат соответствует максимальному уровню насыще-
ния центров связывания (рис.8.5).
Рис. 8.5. Кривая насыщения (доза-эффект) (А) и график Скет-
чарда, описывающий простейший случай взаимодействия: один
лиганд — один рецептор (В)
Таким образом, представление результатов равновесного свя-
зывания в координатах Скэтчарда дает информацию о характе-
ре протекающего процесса и позволяет определить важные па-
раметры лиганд-рецепторного взаимодействия — константу
диссоциации и концентрацию центров, способных образовы-
вать комплексы с нейромедиатором.
В качестве примера изучения рецепторного связывания ней-
ромедиатора с белковыми компонентами на мембране нейрона
приведем экспериментальные исследования глутаматных рецеп-
264
торов радиолигандным методом. Так, исследования параметров
связывания 3Н-глутамата с синаптическими мембранами, вы-
деленными из коры больших полушарий головного мозга крыс,
показали их зависимость от чистоты материала, способов хра-
нения, условий проведения реакции связывания и др. При стан-
дартизации всех указанных условий зависимость специфиче-
ского связывания 3Н-глутамата с синаптическими мембранами
имеет насыщающий характер (рис.8.6). Представление экспе-
риментальных данных в координатах Скэтчарда свидетельству-
ет о наличии на мембранах однородной популяции участков
связывания с Кд — 89,4 нМ и Вмакс = 2,0 пмоль/мг белка.
Рис. 8.6. Кривая насыщения и график Скетчарда для глутамат-
узнающих участков связывания на солюбилизате синаптических
мембран из головного мозга крыс
Значение количества центров связывания (В), выраженное в
СРМ (имп/мин), пересчитывается в фмоль/мг белка по сле-
дующей формуле:
265
(СРМ..-СРМ,... )
где — молярная активность радиолиганда, Кю/моль; а —
2,2 10-12 расп/мин (коэффициент перевода Кю в PM); f — эф-
фективность счета (определяется для каждого сцинтилляцион-
ного счетчика); (СРМ^щ — СРМнесп) — разность счета связы-
вания радиолиганда с рецептором в отсутствие (СРМобщ) и в
присутствии (CPMHeQn) немеченого радиолиганда; t — время
счета (зависит от выбранной программы обсчета проб); С —
концентрация белка, мг.
Для того чтобы отличить эти параметры связывания от не-
специфического связывания и поглощения глутамата другими
участками мембраны, существуют дополнительные эксперимен-
тальные приемы, в том числе проведение реакции в присутст-
вии разных катионов. Истинное рецепторное связывание глу-
тамата является Na+-независимым процессом, в то время как по-
глощение и транспорт этого нейромедиатора другими участка-
ми синапса происходит в присутствии высоких концентраций
ионов Na.
Далее возникает вопрос, соответствуют ли эти независимые
участки связывания самого глутамата тем рецепторным компо-
нентам на мембране нейрона, которые способны вызывать фи-
зиологический ответ клетки на данный медиатор. Оказалось,
что сродство и константа диссоциации, полученные экспери-
ментальным биохимическим методом, находятся в пределах фи-
зиологических концентраций действия L-глутамата на нейроны
позвоночных. Такие показатели реакции связывания нейроме-
диатора, как насыщаемость и обратимость, соответствуют ана-
логичным свойствам глутаматного рецептора, регистрируемым
с помощью электрофизиологических методов. Более того, чув-
ствительность к ряду известных агонистов и антагонистов, та-
ких как NMDA, каинат, квисквалат и другие, была сходна с
физиологическими ответами. Следует упомянуть, что характер
связывания нейромедиатора в присутствии ионов Na сущест-
венно отличается от рецепторного взаимодействия и коррели-
рует с параметрами высокоаффинного поглощения L-глутамата
клетками, регистрируемыми физиологически. Все это иллюст-
рирует пути оценки параметров связывания нейромедиатора и
специфические трудности, возникающие при такой оценке.
Одним из основных подходов к изучению молекулярных
свойств нейрорецепторов является изолирование индивидуальных
266
рецепторных белков, специфически связывающих нейромедиаторы
или необратимо взаимодействующих с их антагонистами или бло-
каторами. Так, прогресс в исследовании никотиновых холино-
рецепторов был обусловлен обнаружением а-бунгаротоксина,
который оказался специфическим блокатором этого типа ре-
цепторов и позволил выделить мембранные белки и очистить
их на основе радиолигандного метода. Наличие таких приемов
дает возможность разграничить хеморецепторные процессы от
ферментативного и транспортного метаболизма нейромедиато-
ров. Особенно это важно для изучения рецепторов аминокис-
лотных медиаторов нервной ткани.
Изучение химической природы мембранных белков включа-
ет предварительное выделение, солюбилизацию (экстракцию),
очистку и анализ очишенных компонентов. Причем примене-
ние классических методов структурного анализа для характери-
стики мембранных белков имеет свои сложности и особенно-
сти. Как правило, они обусловлены свойствами мембран и их
компонентов, в частности, наличием липидных и гликолипид-
ных структур. Проблемы, связанные с экстракцией белковых
компонентов мембран, их очисткой и анализом, составляют
специальный раздел мембранологии. Здесь будут рассмотрены
лишь самые общие моменты.
Выбор метода солюбилизации зависит от цели исследования
и имеет смысл только тогда, когда дает возможность сохранить
нативные свойства рецепторного белка и исследовать его с по-
мощью обычных биохимических подходов. Поэтому выбор со-
любилизирующего агента на первом этапе может оказаться клю-
чевым для анализа структуры и функции рецептора.
Существует целый ряд самых разнообразных солюбилизи-
рующих агентов, пригодных для решения проблем мембранной
биохимии. Наиболее надежными среди них являются неионные
и ионные детергенты. В основе их действия лежит амфифиль-
ная природа этих агентов, позволяющая им взаимодействовать
и с гидрофильными, и с гидрофобными участками мембранных
белков. Эффект детергента, разрушающего взаимосвязи в мем-
бране, определяется двумя видами взаимодействия: детергент-
белок и детергент—детергент. Большое значение имеет послед-
нее взаимодействие, так как чем выше способность молекул
детергента взаимодействовать друг с другом, тем меньше будет
количество молекул, способных взаимодействовать с белками.
Этот критерий мицеллообразования служит характеристикой
детергента и его способности растворять те или иные белковые
компоненты. Низкий коэффициент мицеллообразования харак-
267
терен для мягких солюбилизирующих агентов, таких как три-
тон Х=100, дезоксихолат натрия, дигитонин и другие, которые
позволяют выделять нативные мембранные белки с сохранени-
ем их биологической активности. В то же время додецилсуль-
фат натрия (ДСН) с высоким коэффициентом мицеллообразо-
вания обладает большой связывающей способностью и значи-
тельно повреждает нативную конформацию белков. Как прави-
ло, этот детергент используется при анализе субъединичной
структуры макромолекул, так как легко разрушает межмолеку-
лярные связи. Это свойство нередко применяется для опреде-
ления молекулярной массы субъединиц белков при электрофо-
резе в присутствии ДСН.
Перед тем как приступить к дальнейшему выделению и изу-
чению мембранных рецепторных белков, следует по возможно-
сти более полно удалить избыток детергента, поскольку он мо-
жет оказывать нежелательное действие на биологическую ак-
тивность и последующий физико-химический анализ структу-
ры нейрорецептора.
Классические методы исследования мембранных белков, в
том числе нейрорецепторов, включают практически все биохи-
мические методы с учетом присутствия детергентов (электро-
форез, изоэлектрофокусирование, гель-фильтрация, высокоэф-
фективная жидкостная хроматография, аффинная хроматогра-
фия и др.). Основным приемом специфического выделения ни-
чтожно малых количеств нейрорецепторов является аффинная
хроматография, которая позволила добиться впечатляющих ус-
пехов в изучении молекулярных свойств самых разнообразных
типов нейрорецепторов.
Эффективность аффинной хроматографии зависит преиму-
щественно от выбора лиганда или акцептора, который опреде-
ляет природу выделяемого мембранного белка. Существенным
фактором в этом случае является сродство лиганда к рецептору,
и поэтому самыми эффективными лигандами оказываются спе-
цифические блокаторы или антагонисты нейрорецепторных
белков. Иногда для выделения конкретного белка используют
две или три ступени аффинной хроматографии на разных сор-
бентах и с разными лигандами. Получили широкое распростра-
нение методы иммуноаффинной хроматографии, в которых в ка-
честве лиганда используется поликлональные или моноклональ-
ные антитела, полученные к компонентам рецептора.
Дальнейшее выделение и разделение фракций обычно осу-
ществляют с помощью высокоэффективной жидкостной хрома-
тографии, которая позволяет очищать индивидуальные компо-
268
ненты мембранных белков. Причем обратнофазная хроматогра-
фия дает уникальные возможности по разделению гидрофоб-
ных белков и пептидов. Нативность белковых компонентов ре-
цепторов проверяют либо по лигандсвязывающей функции, либо
путем реконструкции их функции в разных модельных систе-
мах.
Одной из таких модельных систем, позволяющих контроли-
ровать ионтранспортные или ионселективные функции нейро-
рецепторов, служат липосомы. Способность липосом встраи-
вать белки или целые рецепторные комплексы с сохранением
их функциональной активности используется в мембранологии
для моделирования функций белков “в чистом виде”. В этом
случае можно получать информацию о структурной организа-
ции компонентов, составляющих макромолекулу рецептора, и
их внутренних перестройках в контролируемых условиях экс-
перимента.
В настоящее время разработано большое количество мето-
дов получения липосом, которые могут изменять фосфолипид-
ный состав, заряд, “текучесть” или многослойность их компо-
нентов. Размеры липосом могут варьировать от 25 нм до 100
мкм. Функцию белков, встраиваемых в липосомы, контролиру-
ют по динамике транспорта или накопления меченых ионов
внутри липосом.
В последние годы исследователи возлагают особые надежды
на иммунохимические способы идентификации структурных ком-
понентов нейрорецепторов. Высокая специфичность антител и
их способность узнавать разные антигенные детерминанты ре-
цепторных комплексов широко используется для выяснения
структурной организации нейрорецепторов и процессов их био-
синтеза, включая генно-инженерные исследования. Иными сло-
вами, поли- и моноклональные антитела являются важным ин-
струментом для изучения механизмов рецептии и общих во-
просов нейробиологии.
Принципиальным решением множества проблем, связанных
с применением антител, явилось создание новой гибридомной
технологии, которая позволила получить моноклональные ан-
титела. Эта техника была разработана в 1975 г. У. Келлером и
А.Милстейном. Получаемые с помощью этого метода гибрид-
ные клетки синтезируют и выделяют в культуральную среду
антитела, абсолютно одинаковые по своему сродству к той или
иной антигенной детерминанте.
Гибридомная техника позволила получать самые разнооб-
разные моноклональные антитела против химически индиви-
269
дуальных антигенных детерминант на одной молекуле белка. В
настоящее время моноклональные антитела широко использу-
ют для идентификации практически любых макромолекул, вклю-
чая нейрорецепторы.
Следует подчеркнуть, что изучение структуры и функции
нейрорецепторов и других мембранных компонентов нейрона
является не самоцелью для нейробиологической науки. Важно
понять, как молекулярные процессы, происходящие в нервных
клетках, способны интегрировать самую разнообразную инфор-
мацию и реализовать ее в виде сложных поведенческих, выс-
ших психических и эмоциональных реакций. Этот стратегиче-
ский путь “от простого к сложному” получил в последние годы
мощный импульс благодаря разработке принципиально новых
способов прижизненной регистрации динамических биохими-
ческих реакций, происходящих в клетках головного мозга. Поя-
вились методы позитронно-эмиссионной томографии, ядерно-маг-
нитного резонанса, гамма-сцинциграфии и другие, позволяющие
прижизненно регистрировать системный метаболизм разных
органов и тканей, включая головной мозг млекопитающих. Это
создает предпосылки для успешного изучения нейрохимических
основ формирования разнообразных функциональных состоя-
ний живого мозга человека, его наиболее сложной сферы дея-
тельности —психической.
Одним из информативных методов является позитронно-
эмиссионная томография (ПЭТ), суть которой сводится к реги-
страции специальным устройством радионуклидных маркеров
— меченых химических соединений, включающихся специфи-
чески в тот или иной метаболический процесс. Причем этот
процесс может быть воспроизведен в виде томографических,
т.е. объемных послойных изображений распределения позитрон-
ной метки по структурам и зонам головного мозга. Наиболее
точная локализация достигается при использовании одновре-
менно двух противостоящих детекторов, регистрирующих сов-
падающие лучи. В настоящее время уже существует хорошо раз-
работанные приемы оценки функционального состояния голов-
ного мозга с помощью измерения локального метаболизма глю-
козы, медиаторов, СО2 и кислорода в процессе разнообразной
деятельности индивида.
Важной особенностью метода, позволяющей его использо-
вать в прижизненном исследовании деятельности мозга людей,
является применение изотопов, излучения которых с учетом сро-
ков распада безвредны для организма. Таковы ИС с т1/(2 = 20
мин, 13N с т1//2 = Ю мин, 15С с Т]/2 = 2 мин и l8F с т]//2 = ПО
мин.
270
Сейчас получены четко различающиеся “карты” излучений
при различных формах деятельности мозга человека, например
восприятия слов, обдумывания слов, воспроизведения энграмм
и др. Резкие различия регистрируются при воздействиях на мозг
наркотиков и других психотропных агентов.
Естественно, что при дальнейшей разработке метода ПЭТ и
его внедрении в клиническую нейробиологию возник вопрос о
выборе адекватных маркеров, которые способны выявлять си-
наптические реакции в нервной ткани. Ряд исследователей ус-
пешно работают с препаратами, которые позволяют визуализи-
ровать определенные нейрорецепторы и выявлять конкретные
медиаторные пути, включающиеся в выполнение того или ино-
го вида деятельности мозга человека. В клинике этот метод дает
возможность проводить раннюю диагностику не только опухо-
левых новообразований, но и контролировать различные дест-
руктивные процессы. Кроме того, применяя его, можно опре-
делять эффективность лечебного воздействия фармакологиче-
ских средств и их правильный выбор для успешного лечения
болезней мозга. В качестве иллюстрации к сказанному следует
привести исследования, проводимые Вагнером и его коллегами
по изучению вклада дофаминергических путей и их рецепторов
в патогенез некоторых заболеваний. Выбор дофаминовых ре-
цепторов был обусловлен их четкой локализацией в некоторых
подкорковых экстрапирамидньгх структурах и известной их дис-
функцией при двигательных расстройствах, паркинсонизме и
шизофрении.
Предпосылкой для применения в ПЭТ агонистов и антаго-
нистов дофаминовых рецепторов явились результаты радиоли-
гандного связывания известных аналогов дофамина с синапти-
ческими мембранами in vitro. Параметры связывания, констан-
ты диссоциации и количество связывающих участков сопостав-
ляли с данными, полученными при ПЭТ, так как связывание
радиофармпрепаратов с мембранами клеток головного мозга in
vivo имеет аналогичные закономерности. Расчет прижизненно-
го взаимодействия нейрорецептор-лиганд имеет некоторые осо-
бенности, однако они учитываются непосредственно в програм-
мах компьютерного обеспечения. Наиболее удачными радио-
лигандами для исследования дофаминовых рецепторов оказа-
лись антагонисты 1 ^С-метилспиперон и 1 УС-спироперидол. По-
глощение и селективная избирательность накопления этих со-
единений в базальных ганглиях головного мозга коррелировали
со степенью деструктивного процесса у больных паркинсониз-
мом. Эти исследования подтвердили гипотезу о первичной во-
271
влеченности нигро-стриарных структур в регуляцию двигатель-
ных функций.
Дальнейшее развитие регистрирующих устройств ПЭТ, уве-
личение степени разрешения приборов на микроуровне и по-
иск новых избирательных радиофармпрепаратов могут открыть
уникальные перспективы прижизненного изучения динамиче-
ских биохимических процессов, происходящих в ткани мозга
при выполнении сложных видов деятельности.
8.9. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ
ИОНОТРОПНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Основой всех ионотропных рецепторов является крупный
белок, состоящий из пяти, реже четырех, белковых субъеди-
ниц. Молекулярные массы субъединиц варьируют обычно в
пределах от 40 до 70 кД. Первичная структура белков различ-
ных ионотропных рецепторов обнаруживает высокую степень
гомологии — от 20 до 60%, что указывает на общность эволю-
ционного происхождения. Субъединицы рецептора пронизы-
вают толщу клеточной мембраны, образуя ионный канал. Уча-
стки полипептидных полей субъединиц, выстоящие над поверх-
ностью клетки, служат для узнавания и взаимодействия с ме-
диатором. Участки субъединиц, проходящие через толщу фос-
фолипидной мембраны и образующие собственно канал, ха-
рактеризуются богатством гидрофобныхх неполярных амино-
кислотных остатков, обладающих высоким сродством к липид-
ному окружению рецептора. Участки субъединиц, расположен-
ные на внутренней поверхности мембраны, служат, во-первых,
для взаимодействия с клеточными скелетными белками, огра-
ничивающими их подвижность, и, во-вторых, являются мише-
нью для факторов, регулирующих активность рецептора в зави-
симости от ряда внутриклеточных процессов. Лучшим приме-
ром ионотропного рецептора служит рецептор ацетилхолина,
представленный на рис.8.7. Выстоящие над мембраной участки
ионотропных рецепторов связаны нередко с углеводными ком-
понентами.
Ионотропные рецепторы, например рецепторы гамма-ами-
номасляной кислоты типа А, способны образовать большое ко-
личество подтипов за счет различного сочетания субъединиц.
Существует более двух десятков подтипов ГАМКд-рсцепторов
благодаря различным комбинациям а-, р-, у- и 5-субъединиц. В
состоянии покоя каналы ионотропных рецепторов закрыты. При
взаимодействии с медиатором происходит конформационная
272
3 Г
н-ХР
Рис. 8.7. Пространственная и мембранная организация рецепто-
ров: никотиновый рецептор ацетилхолина (Н-ХР), глицина и
ГАМК
273
перестройка субъединиц рецепторов и каналы открываются на
несколько миллисекунду. После активации рецепторные мак-
ромолекулы теряют на некоторое время чувствительность к ме-
диатору. Наступает временная десенситизация.
Природа ионов, которые способен пропускать рецептор,
определяется диаметром канала и характеристиками боковых
радикалов аминокислотных остатков стенки канала. Никоти-
новые рецепторы ацетилхолина открывают дорогу ионам К+ из
клетки и ионам Na+ внутрь клетки; NMDA-глутаматные ре-
цепторы наряду с одновалентными ионами, открывают путь
внутрь клетки ионам Са2+; ГАМКа и глициновые рецепторы
пропускают внутрь клетки С1-ионы.
8.10. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАБОТРОПНЫХ
МЕДЛЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Метаботропные рецепторы представляют собой сложную сис-
тему, состоящую, по крайней мере, из трех белков: 1) собствен-
но рецепторного белка, связывающегося с нейромедиатором;
2) так называемого G-белка, модифицирующего и передающе-
го сигнал с рецепторного белка и 3) белка-эффектора, который
является ферментом, катализирующим образование внутрикле-
точного низкомолекулярного регулятора, так называемого вто-
ричного мессенджера. Пример метаботропного рецептора пред-
ставлен на рис. 8.8.
Собственно рецепторный белок — R-белок — представляет
собой крупный полипептид, состоящий из 400-2 000 аминокис-
лотных остатков, N-конец пептида выстоит над поверхностью
клетки, С-конец направлен внутрь клетки. Пептидная цепь семь
раз пересекает клеточную мембрану, образуя соответственно по
три петли над и под поверхностью мембраны. N-концевая по-
следовательность нередко гликозилирована. Те части пептида,
которые пронизывают фосфолипидную мембрану, состоят в
значительной мере из неполярных аминокислот и как бы пла-
вают в липидном слое. Медиатор, вступая во взаимодействие с
внешними участками полипептида, меняет их конформацию и,
в свою очередь, меняет положение плавающих внутри мембра-
ны участков пептида. В конечном счете это ведет и к измене-
нию конформации участков пептида, находящихся под мем-
браной. В этой конформации они приобретают способность
контактировать со следующим белком комплекса — G-белком.
Заметим, что активированный медиатором R-белок способен
контактировать последовательно с многими десятками и сотня-
274
ми молекул G-белка, переведя их, в свою очередь, в активное
состояние. Иначе говоря, уже на этой стадии происходит уси-
ление, амплификация сигнала.
Рис.8.8. Принципиальная схема метаботропного рецептора
G-белок представляет собой олигомер, состоящий из 2-3 субъ-
единиц с общей молекулярной массой порядка 60-100 кД. В
неактивном состоянии G-белок обычно связан с молекулой ГДФ.
При взаимодействии с активированным R-белком конфигура-
ция G-белка меняется таким образом, что на место ГДФ стано-
вится ГТФ. Именно в состоянии комплекса с ГТФ G-белок
способен быть активатором следующего компонента системы
— фермента, образующего вторичный мессенджер. Активное
состояние белка G-белка ограничено во времени тем, что свя-
занные с ним ГТФ расщепляются до ГДФ, и G-белок при этом
возвращается в исходное неактивное состояние. Расщепление
ГТФ до ГДФ осуществляется самим G-белком, который явля-
ется, как бы по совместительству, гуанозинтрифосфотазой.
Будучи в активном состоянии, G-белок активирует фермент.
Этим ферментом может быть аденилатциклаза, катализирую-
щая синтез цАМФ из АТФ, гуанилатииклаза, катализирующая
синтез цГМФ из ГТФ, фосфолипаза С, отщепляющая фосфои-
нозитол от фосфоинозитида мембраны. Активированный G-бе-
275
лок может выступать не только в роли фактора, усиливающего
действие циклаз, но и в качестве их специфического ингибито-
ра. Разновидности G-белка, выполняющие одну из этих функ-
ций, имеют обозначения: Gs-6cjiok, стимулирующий активность
циклаз, Gj-белок, подавляющий активность циклаз, и, нако-
нец, О0-белок, активирующий фосфолипазу С. Это лишь глав-
ные и наиболее изученные разновидности G-белков. Вообще
их число значительно больше. Отметим особо разновидности
G-белков, которые, получив сигнал от метаботропного рецеп-
тора, передают его на тот или иной ионный канал. Строго го-
воря, это уже не метаботропный путь, а особая форма включе-
ния ионного канала. В отличие от ионотропных рецепторов
здесь может, по-видимому, быть достигнута большая продол-
жительность действия и охват большего числа ионных каналов.
Так же как и стадии передачи сигнала с R-белка на G-белок,
стадия активации фермента и стадия синтеза ферментом вто-
ричных мессенджеров сопровождается дальнейшим усилением
сигнала.
8.11. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТДЕЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРНЫХ
СИСТЕМ
Большинство известных в настоящее время нейромедиато-
ров участвуют в передаче сигнала и через ионотропные, и через
метаботропные рецепторы. Это заставляет строить дальнейшее
изложение, следуя перечню медиаторов.
Ацетилхолиновые рецепторы. Ацетилхолин как нейромедиа-
тор периферической и центральной нервной системы взаимо-
действует с двумя видами холинорецепторов: мускариновыми (м-
ХР) и никотиновыми (н-ХР). Эти подтипы рецепторов отлича-
ются по специфичности взаимодействия с рядом агонистов и
антагонистов ацетилхолина. Так, м-ХР избирательно возбужда-
ются мускарином, а н-ХР. отвечают на аппликацию никотина.
Физиологически важным различием между м-ХР и н-ХР явля-
ется скорость ответа на приходящий сигнал. Считают, что н-
ХР предназначены опосредствовать быстрые и непродолжитель-
ные эффекты, в то время как м-ХР реагирует более медленно и
длительно.
Никотиновые холинорецепторы. н-ХР оказались более изу-
ченными биохимически благодаря существованию двух факто-
ров: наличие специфического нейротоксина, способного блоки-
ровать функцию рецептора, и обнаружению большого количе-
ства этого рецептора в электрических органах рыб. Структура
276
представлена на рис.8.7.
Н-ХР содержит 5 субъединиц: две а-субъединицы с Мг = 40
кД, одну р-субъединицу — Мг = 49 кД, одну у-субъединицу —
60 кД и одну 8-субъединицу — Мг = 67 кД. Катионные группы
двух молекул ацетилхолина связываются с анионными участка-
ми а-субъединиц. KD взаимодействия АХ с рецептором близко
к 10"6 М. Открывающийся при контакте с АХ на несколько
миллисекунд канал успевает пропустить до 5-1O5 ионов К+ и
Na+ (в соотношении 100:85). АХ, диссоциировавший с рецеп-
тором, или “избыточный” АХ в синаптической щели быстро
расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой, расположен-
ной на постсинаптической мембране в непосредственной бли-
зости от рецептора. Ацетилхолинэстераза является одним из
самых быстродействующих, высокооборотных ферментов (Kkat
= 1,4 -10“4 сек). Таким образом, сигнал резко ограничен во
времени. Образовавшийся холин захватывается белками-транс-
портерами пресинаптической мембраны и служит далее для
ресинтеза АХ в терминали.
Активность рецептора может модулироваться со стороны
клетки фосфорилированием отдельных аминокислотных остат-
ков участка, обращенного внутрь клетки. Подвижность рецеп-
тора ограничена связью с цитоскелетными белками через так
называемый белок 43К.
По характеру влияния веществ на функцию ХР можно выде-
лить: агонисты, антагонисты и блокаторы. Наиболее известные
из них представлены в табл. 8.3.
Таблица 8.3.
Лиганды холинорецепторов
Типы лигандов
никотиновые мускариновые
Агонисты Ацетилхолин, карбахол, никотин, лобелии, 1,1 -диметил-4-фенил- пиперазин (ДМПП) Ацетилхолин, карбахол, метахолин (ацетил- 0 - метилхолин), мускарин, диметил ацетилхолин
Антагонисты, Блокаторы Гексаметоний, декаметоний а - Бунгаротоксин 5 - Тубокурарин Атропин, галламин, платифиллин
277
Способность разных соединений взаимодействовать с этими
рецепторами имеет не только теоретическое, но и большое прак-
тическое значение. Поскольку нарушение холинергической
медиации лежит в основе ряда патогенетических механизмов
заболеваний нервной, эндокринной, иммунной систем, то по-
иск лекарственных веществ, непосредственно воздействующих
на пострецепторные механизмы, является эффективным. Дей-
ствительно, как показала практика, многие используемые в кли-
нике н-холинергические фармпрепараты имеют точкой своего
приложения периферические моторные синапсы, ганглии и не-
которые хемочувствительные структуры висцеральных систем.
Часто в клинике применяют блокаторы н-ХР, среди которых
выделяют ганглиоблокаторы и миорелаксанты. Нарушение функ-
ции никотиновых ХР лежит в основе тяжелого прогрессирую-
щего заболевания — миастении гравис. Болезнь резко снижает
эффективность нервно-мышечных соединений и обусловлена
появлением аутоантител к ХР. Показательно, что содержание
аутоантител к ХР в крови больных коррелирует с клиническим
состоянием: более высокие титры аутоантител наблюдаются у
тяжелых больных миастенией. Лечение этой категории боль-
ных с помощью иммунодепрессантов вызывает длительные по-
ложительные сдвиги в клинической картине заболевания.
Мускариновые рецепторы ацетилхолина. Эта категория ре-
цепторов ацетилхолина относится к категории метаботропных.
Общие их характеристики уже описаны выше. Структурная
модель м-ХР представлена на рис.8.8. Пептидная цепь, обра-
зующая основу м-ХР, состоит из 800-950 аминокислотных ос-
татков и связана с углеводными компонентами. Существует
большое число подтипов м-ХР, связанных с различными фи-
зиологическими эффектами. В частности, рецепторы м2-ХР,
локализованные преимущественно в ЦНС и сердце, продуци-
руют в качестве вторичных мессенджеров цГМФ и подавляют
аденилатциклазу. Рецепторы подтипа М]-ХР, расположенные,
в частности, в желудке и симпатических ганглиях, индуцируют
образование инозитолфосфатов и диацилглицерола, которые, в
свою очередь, ведут к повышению в цитозоле концентрации
Са2+ и активации протеинкиназы С. Вторичное модулирующее
воздействие они оказывают на кальциевые каналы. Различия
рецепторов Mj и м2 выражается также в высоком и низком,
соответственно, сродстве к ацетилхолину. Последовательность
многообразных молекулярных событий, ведущих к ответу клет-
ки на действие лигандов для м-ХР, показана на схеме 8.1.
278
Схема 8. L Процессы, возникающие после действия агониста на
мускариновый холинорецептор (по В. Б Долгов Сабурову и др.)
АГОНИСТ
-| мХОЛИНОРЕЦЕПТО^
p5t белки Gg-белки |
торможение
активация
активация
РаДЕНИЛАТЦИКЛАЗА | | ГУАНИЛАТЦИКЛАЗА ] |фосфатидалинозитояфсм^фрдизстарвм (ФОСФОЛИПАЗА Clj
сАМР
cGMP
I—
диацилглицсрмн;
активация
.фосфолипаз*! А 2
сАМР-зависимыа
протеинкиназы
арахидЗйев
кислота
протеинкиназы С
инозитолтрифосфат /
। 4
мобилизация Са*
фосфорилирование
регуляторных белков
с GMP-зависимые
протеинкиназы
фосфорилирование
регуляторных белков
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ОТВЕТ
фосфорилирование
регуляторных белков
активация
К4-каналов
Са2 * -кальмоду ликзависимые
протеинкиназы
фосфорилирование
“регуляторных белков
Мускариновые рецепторы АХ связаны <с психоэмоциональ-
ным восприятием, секрецией слюнных и желудочных желез,
функцией сердечно-сосудистой системы и др. Антагонисты м-
ХР применяются в клинике в качестве язвозаживляющих (на-
пример пиранзепин), спазмолитических препаратов, а также
используются для симптоматического лечения паркинсонизма.
В качестве успокаивающих средств, транквилизаторов находят
Таблица 8.4.
Специфические агонисты и антагонисты ГАМК-рецепторов
Типы лигандов Типы ГАМК-рецепторов
ГАМКа ГАМКВ
Агонисты Г амма-аминомасляная кислота, мусцимол .Гамма-аминомасляная кислота, баклофен
Антагонисты Бикукулин, пикротоксин Дельта-амино валери- ановая кислота
279
применение в терапии амизил и метамизил — центральные бло-
каторы м-ХР. Наконец, мощное влияние на активность холи-
нергической передачи оказывают агенты, ингибирующие холи-
нестеразу и повышающие тем самым концентрацию АХ в си-
наптической щели. Таков механизм действия эзерина и его ана-
логов, применяемых для снижения внутриглазного давления.
ГАМК-рецепторы. Успехи в идентификации различных ти-
пов ГАМК-рецепторов, их биологических и фармакологических
характеристик тесно связаны с созданием специфических аго-
нистов и антагонистов (табл.8.4). По локализации ГАМК-ре-
цепторы подразделяются на центральные и периферические, пре-
и постсинаптические. Различают два типа рецепторов ГАМК:
бикукулин-чувствительные и баклофен-чувствительные (ГАМКд
и ГАМКв-рецепторы). Наиболее изученным является первый
тип рецепторов, который чувствителен также к антагонисту
пикротоксинину. Обнаружено, что этот тип рецепторов являет-
ся быстродействующим и сопряжен с ионными каналами для
СГ. Другой тип ГАМК-рецепторов относится к медленнодейст-
вующим рецепторам, и полагают, что он через G-белок ассо-
циирован с каналами для ионов К+ и Са2+.
Исследования физико-химических свойств очищенного
ГАМКд-белка показали, что Мг его находится в пределах 220-
270 кДи что он представляет собой пентамер гликопротеидли-
пидной природы, образующий каналы для ионов хлора.
Особенностью ГАМКА-рецепторов является то, что они со-
держат специфические участки связывания не только самой
ГАМК, но и других физиологически активных соединений.
Наиболее интересными и изученными среди них являются ле-
карственные соединения, объединенные под названием бензо-
диазепины а также эндогенные регуляторы пептидной природы
— эндозепйны (см. гл.9).
Среди лекарственных веществ бензодиазепины занимают
особое место в связи с их широким лечебным спектром дейст-
вия: противосудорожного, снотворного, нейротропного, анти-
ксиолитического и др.
Важной особенностью функционирования ГАМК-ергической
трансмиссии является система удаления выполнившего свою
функцию или избыточного лиганда из синаптической щели. В
отличие от многих других синаптических систем (например от
холинергических синапсов, в которых ацетилхолин расщепля-
ется ацетилхолинэстеразой) ГАМК преимущественно претер-
певает обратный захват и возвращается в нервные окончания с
помощью белков-транспортеров. Они расположены на преси-
280
наптической мембране и несколько похожи по особенностям
структуры на метаботропные рецепторы: пептидная цепь, мно-
гократно пересекающая мембрану (до 12 раз в отличие от 7 раз
для метаботропных рецепторов) с образованием системы пе-
тель над и под мембраной. Белок-транспортер узнает, захваты-
вает и за счет энергии протонного насоса .переносит ГАМК
внутрь терминали.
Места специфического связывания бензодиазепинов нахо-
дятся на молекулах белка, входящего в структуру рецептора
ГАМК. Активация ГАМКд-рецепторов приводит к открытию
ионного канала для хлора, а бензодиазепины при этом удлиня-
ют продолжительность существования открытых ионных кана-
лов, не влияя на их число и скорость транспорта хлора.
Установлено, что участок связывания бензодиазепинов взаи-
модействует также с эндогенными пептидными регуляторами
— эндозепинами (см.также гл. 10). Последние обладают физио-
логическими эффектами, противоположными бензодиазепинам,
— вызывают возбуждение, тревожность и проконфликтное по-
ведение животных. Они подавляют открытие канала для С1-,
индуцируемое ГАМК, т.е. являются ее эндогенными функцио-
нальными антагонистами. Таким образом, бензодиазепины ока-
зались блокаторами участка связывания эндозепинов, т.е., так
сказать, экзогенными антагонистами эндогенных антагонистов
ГАМК. Понятно поэтому, что эндозепины обозначают иногда
аббревиатурой DBI (diazepam binding ingibitors — ингибиторы
связывания диазепама).
Имеются указания на существование в ЦНС еще одной ка-
тегории эндогенных антагонистов ГАМК — производных р-кар-
болинов. Они также вызывают тревожность, панические состоя-
ния у животных и человека (см. гл. 12).
Что касается второго типа ГАМК-рецепторов — ГАМКВ, то
кроме отмеченных выше особенностей агонистов и антагони-
стов они характеризуются преимущественно пресинаптической
локализацией и сопряженностью с калиевыми, а не с хлор-кана-
лами; локализованы они главным образом в периферической
нервной системе.
Глициновые рецепторы. Радиолигандные исследования по-
зволили локализовать и изучить особенности распределения в
центральной нервной системе участков •связывания, которые
метятся 3Н-стрихнином. Эти участки, имеющие Кд = 10-8 М,
являются рецепторами глицина. Наибольшая плотность глици-
новых рецепторов обнаружена в области ядер .подъязычного и
тройничного нервов, локализованных в продолговатом мозге.
281
Участки связывания стрихнина найдены также в ретикулярных
ядрах продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Серое ве-
щество спинного мозга также отличается высокой плотностью
глициновых рецепторов как в передних, так и в задних рогах.
Глициновый рецептор спинного мозга млекопитающих был
очищен с помощью аффинной хроматографии на аминострих-
нин-агарозе. Обнаружено, что он представляет собой гликопро-
теид-липидный комплекс с Мг = 250 кД, состоящий из 3 поли-
пептидов: 48, 58, 93 кД. Стрихнин и глицин-связывающий сайт
расположены на пептиде с Мг = 48 кД, который обладает спо-
собностью взаимодействовать с экзогенными лектинами (см.
рис.8.7). Встроенный в липосомы белок активирует транспорт
ионов С1_, который блокируется в присутствии стрихнина.
Иммунохимический анализ пептидных компонентов глици-
нового рецептора с помощью моноклональных антител позво-
лил обнаружить существование общих антигенных детерминант
этих рецепторных белков, выделенных из разных объектов: го-
ловного и спинного мозга мышей, крыс, свиньи и человека.
Более того, интересными являются данные о том, что некото-
рые участки глицинового и ГАМК-рецепторов иммунологиче-
ски идентичны. Этот факт хорошо подтвержден генно-инже-
нерными исследованиями.
До недавнего времени предположение о существовании го-
мологии между нейрорецепторами I класса, т.е. быстродейст-
вующих инотропных рецепторов, выдвигалось лишь в качестве
гипотезы. В последние годы одновременно в нескольких лабо-
раториях было показано, что гены рецепторов ГАМК и глици-
на имеют гомологичные последовательности. Так, оказалось,
что имеется примерно 50%-ная гомология между аминокислот-
ными последовательностями а-субъединичной структуры гли-
цинового рецептора с Мг = 48 кД и а- и р-субъединицами
ГАМКА-рецептора. Обнаружена 25%-ная гомология между нук-
леотидными последовательностями всех трех субъединиц н-ХР.
На рис.8.9 представлены консервативные участки известных
нейрорецепторов, выявленных при анализе нуклеотидных по-
следовательностей. Характерными особенностями являются
высокая степень в гомологии аминокислотной последователь-
ности и расположении трансмембранных участков М1-М4. Обя-
зательное присутствие двух цистеинов в районе 140-150 амино-
кислоты на расстоянии 14 нуклеотидов друг от друга — отличи-
тельная черта нейрорецепторов 1-го класса. Возможно, что все
эти нейрорецепторы принадлежат одному семейству белков, ко-
дируемых родственными генами.
282
Рис. 8.9. Схематическое изображение аминокислотных последо-
вательностей рецепторов глицина, ГАМКа (а- и субъединиц),
субъединиц н-АХР: цифры сверху — консервативные участки и их
расположение относительно последовательности аминокислот
Глутаматные рецепторы. Наличие глутаматсвязывающей ак-
тивности, независимой от присутствия в среде ионов Na, обна-
ружено практически во всех структурах головного мозга. Наи-
большее количество этих участков — в коре больших полуша-
рий, гиппокампе, полосатом теле, среднем мозге и гипоталаму-
се.
Согласно современным представлениям, существует несколь-
ко подтипов глутаматных рецепторов. Их классифицируют пре-
жде всего на основе изучения действия широко известных ана-
логов глутамата: Н-метил-О-аспартата (NMDA), а-амино-З-гвд-
рокси-5-метил-4-изоксазол-пропионовой кислоты (АМРА), каи-
новой кислоты, квискваловой кислоты. В табл.8.5 представлена
структура дикарбоновых возбуждающих аминокислот и неко-
торых их аналогов. В литературе принято выделять прежде все-
го два главных подтипа глутаматных рецепторов: NMDA- и не-
NMDA-рецепторы. К He-NMDA-рецепторам относятся рецеп-
торы АМРА и каиновой кислоты, сходные по своим физико-
химическим свойствам и распространенности в структурах мозга.
Рассмотрим прежде всего NMDA-рецепторы. Они образуют
довольно широко распространенный подтип рецепторов глута-
мата, которые участвуют в разнообразных событиях в ЦНС. В
мозге млекопитающих NMDA-связывающие участки локализо-
283
Таблица 8.5
Структура кислых возбуждающих аминокислот и некоторых
их аналогов
Наименование и структура Принятое название*
а-Аминодикарбоновые кислоты НООС-СН-(СН)-СООН 1МН2 n=l, аспартат n=2, глутамат n=3, а-аминоадипат
а-Ами но - со - сульфонилкарбон овые кислоты HOOC~CH-(CH)n-SOaH NH? n=l, цистеинат n=2, гомоцистеинат
а-Амино-о>-фосфонокарбоновые кислоты НООС-СН-(СН)Г-РО3Н2 nh2 n=2, 2-амино-4-фосфоно- бутират n=3, 2-амино-5-фосфоно- валериат п=5, 2-амино-7-фосфоно- гептанат
R сн2—соон \ с/ К V нс\ NH ЧООН R=-C-CH2 каинат СН3 R=-C=C-CH=CH-CH-СООН 1 । СН3 СН3 домоат
НО С сн Л II N X—сн—соон хо^ 1 nh2 Квисквалат
п соон /° * ch-nh2 0Х ”-сн2 ^oz Иботенат
*п — количество групп -СН-; R — функциональная группа.
284
ваны главным образом в кортикальных структурах, базальных
ганглиях и сенсорно-ассоциативных системах; наивысшая их
плотность обнаружена в гиппокампе. Считают, что они имеют
отношение к целому ряду процессов возбуждения, формирова-
нию нейрональной пластичности и механизмам памяти, а так-
же к патологическим явлениям нейрональной дегенерации в
случае болезни Альцгеймера, церебральной ишемии и др.
NMDA-рецепторы состоят из ряда субъединиц с Мг = 40-92
кД (см. табл.8.1) и легко олигомеризуются, образуя высокомо-
лекулярные комплексы с Мг = 230-270 кД. Эти белки являются
гликопротеид-липидными комплексами, формирующими ионные
каналы для катионов Na+, К+, Са2+. Молекула глутаматного
рецептора содержит большое количество гидрофобных амино-
кислот, которые связаны и с внутренней, и с внешней частью
мембраны, организуя взаимодействие с липидами.
Рецептор NMDA имеет несколько участков, взаимодейст-
вующих алл остерия ески. Выделяют пять функционально раз-
личных участков, взаимодействие с которыми приводит к из-
менению активности рецептора:
1) участок связывания нейромедиатора;
2) регуляторный, или коактивирующий, глициновый участок;
3) участок внутри канала, который связывает фенциклидин
и родственные соединения;
4) потенциал-зависимый Mg2+- связывающий участок;
5) тормозной участок связывания двухвалентных катионов.
Наиболее специфический синтетический агонист этих рецеп-
торов — NMDA — не обнаружен в мозге. Предполагается, что
кроме глутамата эндогенными медиаторами в этих рецепторах
является L-аспартат (Asp) и (или) L-гомоцистеинат.
Из наиболее известных антагонистов рецепторов NMDA типа
можно назвать О-2-амино-5-фосфоновалериаг'(АР5) и D-2- ами-
но-7-фосфоногептаноат (АР7). Более специфичны, однако, но-
вые синтетические антагонисты: 3-(2-карбаксипиперазин-4-ил)-
пропил-Ь-фосфонат (СРР) и МК-801.СРРл МК-801 — это не-
конкурентные ингибиторы NMDA, они не действуют непосред-
ственно на участки связывания глутамата.
Своеобразна роль глицинового участка. Глицин в концен-
трации 0,1 мкМ увеличивает ответы NMDA-рецептора, и этот
эффект не может быть заблокирован стрихнином (напомним,
что последний является блокатором самостоятельных глицино-
вых рецепторов). Сам глицин не вызывает-ответа, а лишь уве-
личивает частоту открывания канала, не влияя на амплитуду
тока при действии агонистов NMDA. Наличие глицина вообще
285
необходимо, поскольку при полном его отсутствии рецептор не
активируется L-глутаматом.
Самой важной функцией, которую осуществляет рецептор
NMDA в ЦНС, является управление ионным каналом. Важным
свойством является способность канала после связывания аго-
ниста пропускать ионы Na+ и К+, а также ионы Са2+. Предпо-
лагают, что внутриклеточный Са2+, концентрация которого воз-
растает при участии рецепторов NMDA, вовлечен в инициацию
процессов пластичности развивающегося и взрослого мозга.
Наибольшие токи при активации агонистами возникают при
умеренной деполяризации мембраны: от -30 до -20 мВ и умень-
шаются при высокой гиперполяризации или деполяризации;
следовательно, ионные каналы NMDA-рецепторов являются в
определенной мере потенциалзависимыми. Ионы Mg2+ селек-
тивно блокируют активность рецепторов при таких сдвигах по-
тенциалов. Ионы цинка также ингибируют ответ, но не имеют
потенциалзависимого действия, очевидно влияя на другой уча-
сток связывания.
К другому подтипу рецепторов глутамата — не NMDA-ре-
цепторам — относятся, в частности, рецепторы квискваловой ки-
слоты. Изучение последних привело к пересмотру представле-
ния о том, что действие глутамата как нейромедиатора сводит-
ся лишь к деполяризации мембраны. Многие типы глутамат-
ных рецепторов, и в особенности рецепторы квисквалата, мо-
гут функционировать как медленнодействующие метаботропные.
Они вполне соответствуют общим характеристикам метабо-
тропных рецепторов, изложенным выше. Пептидная цепочка,
составляющая их основу, содержит от 870 до 1000 аминокис-
лотных остатков.
Часть He-NMDA-рецепторов—mGlnRl— реализует сигнал че-
рез О0-белки и систему внутриклеточных посредников: инози-
толтрифосфатов, диацилглицерола, ионов кальция и др.
Другая разновидность метаботропных He-NMDA-рецепторов
— mGlnR2 — реализует сигнал, подавляя синтез цАМФ или
активируя синтез цГМФ (последнее — в мозжечке).
Имеются сведения о том, что рецепторы этой категории уча-
ствуют в механизмах синаптогенеза и в изменениях, возникаю-
щих при деафферентации. В целом этот тип глутаматных ре-
цепторов, как полагают, участвует в механизмах пластичности
аналогично рецепторам NMDA. Но при этом активация рецеп-
торов NMDA блокирует механизм инозитолфосфатной регуля-
ции, связанной с He-NMDA-рецепторами, и наоборот: антаго-
нисты NMDA усиливают действие глутамата на не-NMDA-pe-
цепторы.
286
Весьма интересным примером современных методов изуче-
ния рецепторов служит цикл работ с кДНК и МРНК, кодирую-
щими белки глутаматных рецепторов. Существуют библиотеки
полноразмерных генов или их фрагментов (кДНК) мозга мле-
копитающих. Имея поликлональные антитела.к самым разно-
образным нейрорецепторам, можно выделить с помощью им-
мунологического скрининга клоны ДНК, способные продуциро-
вать искомые белковые фракции. Так, недавно из библиотеки
кДНК были выделены клоны рекомбинантного фага, дающие
положительный иммунологический сигнал на антитела, полу-
ченные к глутаматсвязывающему мембранному белку с Мг = 60
кД. Анализ ДНК, выделенной из этого фага, позволил обнару-
жить наличие вставки кДНК размером 500 иль, которая спо-
собна продуцировать белок с Мг = 14 кД и соответствует уз-
нающей субъединице глутаматного рецептора. С помощью этой
ДНК была выделена фракция мРНК, комплементарная данной
последовательности ДНК. Для доказательства, что выделенная
фракция мРНК кодирует синтез глутаматных рецепторов, она
была инъецирована в ооциты лягушки, котррые являются удоб-
ным объектом изучения электрофизиологических свойств ней-
рорецепторов. Ооциты лягушки обладают эффективным белок-
синтезирующим аппаратом, но не имеют собственных нейро-
рецепторов. После инъекции чужеродной мРНК был измерен
мембранный потенциал ооцитов в присутствии глутамата и его
аналогов. Оказалось, что выделенная фракция мРНК способна
кодировать синтез de novo глутаматных рецепторов каинатного
типа.
Возможность одновременного синтеза всех подтипов глута-
матных рецепторов в ооцитах лягушки была продемонстриро-
вана другими исследователями. Введение тотальной мРНК,
выделенной из мозга крыс, приводило к появлению электро-
физиологических ответов у ооцитов на аппликацию NMDA,
каината и квисквалата. Более того, ионные таки, регистрируе-
мые на мембране, мало отличались от таковых, обнаруженных
на мембранах нейронов. Были, таким образом, представлены
убедительные факты в пользу того, что основные компоненты
рецепторного комплекса для глутамата синтезируются совмест-
но, причем биосинтез их не зависит от клетки-носителя и типа
мембраны, в которую они затем встраиваются.
Перспективными являются исследования шклада глутамат-
ных рецепторов в патохимию ряда заболеваний ЦНС (эпилеп-
сии, хореи Гентингтона, аффективных расстройств). Полагают,
что эти нейрорецепторы могут служить маркерами деструктив-
287
ных повреждений возбуждающих глутаматергических путей го-
ловного мозга и участвовать в аутоиммунных реакциях орга-
низма человека. Установление роли глутаматных рецепторов в
патогенезе нервно-психических заболеваний — это не единст-
венное направление современной медицины. Появились уже
конкретные примеры использования разных антагонистов глу-
таматных рецепторов против явлений укачивания, токсическо-
го действия высоких парциальных давлений кислорода, при
лечении инсультов и др. (см. гл. 12). Кроме того, антагонисты
глутаматных рецепторов могут составить основу для создания
малотоксичных инсектицидных препаратов для сельского хо-
зяйства.
Адренорецепторы. История изучения адренорецепторов тес-
но связана с открытием биологической функции катехолами-
нов в клетках надпочечников. Гипотеза о существовании этого
вида рецепторов в самых разнообразных клетках наряду с ис-
следованиями ХР оказалась наиболее плодотворной для разви-
тия теории взаимодействия физиологически активных веществ
с рецепторами. Несмотря на то что адренорецепторы в нервной
ткани присутствуют в относительно небольшом количестве, они
играют важную роль в регуляции психоэмоциональных функ-
ций и деятельности всех отделов сердечно-сосудистой системы.
Адренорецепторы подразделяют на два типа: а и р, в зависи-
мости от связывания адренотропных лигандов. Адренорецепто-
ры а- и р-, в свою очередь, могут быть разделены на подклассы
<*! И а2, р] И р2.
Для 04-, а2-> р,- и р2-рецепторов характерна преимущест-
венно (но не исключительно) постсинаптическая локализация,
а для а2-, р2-рецепторов — пресинаптическая.
Все адренергические рецепторы являются типичными мета-
ботропными рецепторами, структура и функции которых опи-
саны выше в общем разделе. В случае aj-адренорецептора фер-
ментный белок-эффектор расщепляет один из фосфолипидов
внешней мембраны — фосфоинозитид. При этом образуются
диацилглицерол и трифосфоинозитол. Это и есть вторичные мес-
сенджеры, запускающие далее процессы мобилизации ионов
кальция и активирующие определенные протеинкиназы. Де-
тально эти процессы и их следствия для метаболизма клетки и
состояния ее мембран рассматриваются в гл. 10.
а2-, Р]- и р2-адренорецепторные системы содержат в качест-
ве эффекторных белков фермент аденилатциклазу, генерирую-
щую из АТФ циклический АМФ (цАМФ), вторичный мессенд-
жер, служащий активатором опять-таки протеинкиназ, но дру-
288
того типа, нежели протеинкиназы, активируемые в результате
включения а ।-рецепторов.
G-белки — передатчики и модификаторы сигнала от собст-
венного рецепторного белка — также имеют существенные от-
личия в разных классах адренергических рецепторов. Важным
общим их свойством является взаимодействие с ГТФ и ГДФ. В
неактивном состоянии они связаны с ГДФ. Шри взаимодейст-
вии нейромедиатора с рецепторным белком последний вступа-
ет в контакт с G-белком и меняет его конформацию так, что на
место ГДФ становится ГТФ. С этого момента G-белок приоб-
ретает способность воздействовать на активность белка-эффек-
тора. Однако G-белок является ГТФазой, быстро расщепляю-
щей ГТФ до ГДФ. В результате он переходит в исходное со-
стояние.
Заметим, что G-белок а2-адренорецептрров, обозначаемый
Gs, активирует аденилатциклазу, обеспечивая, >в конечном сче-
те, повышение уровня цАМФ и, далее, стимуляцию протеин-
киназ. G-белки Р) - и р2-адренорецепторов — G-белки —обес-
печивают, напротив, подавление активности щиклазы, сниже-
ние уровня цАМФ и, соответственно, снижение активности
определенных протеинкиназ. И эти процессы более подробно
рассматриваются в гл. 10.
Собственно рецепторный белок (иногда его обозначают как
R-белок) представляет собой пептидную цепочку с Мг порядка
60-80 кД, пронизывающую внешнюю мембрану так, что ее С-
конец и ряд петлеобразных участков экспонированы наружу, а
N-конец и опять-таки ряд петлеобразных участков обращены
внутрь клетки. Нейромедиатор, взаимодействуя с обращенны-
ми наружу участками цепи, меняет конформацию всего белка,
так что участки, обращенные внутрь, приобретают сродство к
О5-белку, G-белку или к О0-белку. “Выбор” одного из этих
белков определяется тонкими особенностями структуры R-бел-
ка в области, обращенной внутрь клетки. Заметим также, что
участки пептидной цепи, погруженные в мембрану (их обычно
7), содержат по 20-25 преимущественно гидрофобных амино-
кислот, а петлевидные участки вне мембраны состоят преиму-
щественно из гидрофильных аминокислот ((они неодинаковы
по размеру). N-конец полипептида обычно (гликозилирован, а
на С-конце есть остатки серина и треонина, которые могут фос-
форилироваться; последний процесс модулирует активность ре-
цептора.
Практически любое изменение функции та- и р-адреноре-
цепторов сопровождается активацией системы внутриклеточ-
289
ных посредников, которые способны избирательно передавать
внешний сигнал в цитоплазму и на генетический аппарат клет-
ки. В этом случае геном нейрона может регулировать биосинтез
мембранных компонентов или активировать процессы, связан-
ные с их фосфорилированием. Последние реакции приводят к
изменению хемочувствительности нервных клеток, иными сло-
вами, изменению “информационной емкости” нейронов, и их
связывают с механизмом запоминания (см. гл. 11).
Дофаминовые рецепторы. Прогресс в изучении структуры и
функции дофаминовых рецепторов прежде всего был связан с
обнаружением их антагонистов: производных фенотиазепама
(хлорпромазин, перфеназин), галоперидола, спироперцдола и др.
Радиолигандные исследования с помощью этих соединений
показали, что в головном мозге имеются участки специфиче-
ского связывания 3Н-галоперидола, 3Н-спироперидола и 3Н-
апоморфина с параметрами, колеблющимися в пределах Кд ~7
нМ и Вмакс — 240-400 пмоль/мг белка.
Гетерогенность дофаминовых рецепторов ЦНС подтвержда-
ется не только биохимическими и фармакологическими экспе-
риментами in vitro. Анализ влияния различных дофаминсодер-
жащих препаратов на поведение крыс обнаружил разные сте-
реотипные двигательные реакции. Оказалось, что вращение крыс
в ту или иную сторону опосредуется двумя разными классами
дофаминовых рецепторов.
Все дофаминергические рецепторы являются метаботропны-
ми, сопряженными с аденилатциклазой. Они классифициру-
ются на 4 типа: Д^, Д2-, Д3 - и Д4 по параметрам связывания
их с агонистами и антагонистами и по белковой системе, транс-
формирующей сигнал. Наиболее изучены Д^ и Д2-рецепторы.
Д|-рецепторы активируют аденилатциклазу через С5-белок, а
Д2-рецепторы, напротив, подавляют аденилатциклазу через Gs-
белок. Первые подавляются лишь относительно высокими, мик-
ромолярными концентрациями нейролептиков (галоперидола,
спинерола и др.), в то время как для подавления вторых доста-
точны наномолярные концентрации. Количество и распростра-
нение Д]-и Д2-рецепторов выше, чем Д3 и Д4 в ткани мозга,
Д2-рецепторы локализованы преимущественно в клетках ниг-
ростриарной и мезкортиколимбической систем. Рвотное дейст-
вие апоморфина — результат его взаимодействия с Д2-рецепто-
рами. Именно нарушение, несбалансированное усиление дея-
тельности систем, связанных с Д2-рецепторами, ассоциируют с
синдромом шизофрении. Подавление Д^ и Д2-рецепторов ин-
дуцирует нарушения различных форм стереотипных двигатель-
290
ных реакций. Одно из их проявлений — болезнь Паркинсона
(см. также гл. 12).
Рецепторы серотонина. Описание рецепторов серотонина
(5НТ) облегчается их сходством с рецепторами норадреналина
и дофамина. Это метаботропные рецепторы, локализованные
как в мозге, так и на периферии. Известно несколько подтипов
рецепторов серотонина, в частности 5НТ,, сопряженный с аде-
нилатциклазой (стимулирует синтез цАМФ), и 5НТ2, сопря-
женный с фосфолипазой С. Последний особенно распростра-
нен в постсинаптических мембранах мозга. Специфические ан-
тагонисты — спиперон и кетансерин. Сложным является отно-
шение этих рецепторов с производными лизергиновой кислоты,
в том числе LSD. По отношению к некоторым разновидностям
5НТ2-рецепторов он является агонистом, а к другим — антаго-
нистом.
Активация 5НТ2 входит в систему реакций, индуцирующих
ортодоксальный сон. По-видимому, дефицит или ингибирова-
ние 5НТ2 связано с депрессивными состояниями, а активация
некоторых из них — с галлюцинациями. Нарушения серотонин-
ергической системы связывают и с такой патологией, как тяже-
лые формы мигрени. Существует характерный двигательный
синдром, регулируемый 5НТ2-рецепторами, — “отряхивание
мокрой собаки” (wet dog shakes), используемый нередко в ис-
следованиях серотонинергической системы.
Функции 5НТ2-рецепторов, также представленных и в мозге
(преимущественно в пресинаптических мембранах), и на пери-
ферии, изучены в меньшей мере. Одна из причин этого — от-
сутствие высокоспецифичных антагонистов.
Многообразными являются периферические эффекты акти-
вации рецепторов серотонина всех подтипов. Главные из них
состоят в сокращении сосудов, положительных хроно- и ино-
тропных воздействиях на сердце, а также в стимуляции аггрега-
ции тромбоцитов.
Рецепторы гистамина. В главе 7 уже отмечено своеобразие
локализации и функции гистаминергической системы. К на-
стоящему времени выявлены и исследованы три типа рецепто-
ров гистамина: Hj и Н? — постсинаптические и Hj - пресинап-
тические. Рецепторы Н, являются метаботропными, они сопря-
жены с фосфолипазой С и индуцируют образование инозитол-
трифосфата и диапилглицерола. Ингибиторами //^-рецепторов
служат димедрол, фенкарол, супрастин и другие соединения, по-
лучившие широкое применение в медицине. Метаботропными
являются также рецепторы Н2, однако они сопряжены с адени-
291
латциклазой и индуцируют повышение уровня циклического
АМФ. Хорошо изученным ингибитором Н2-рецепторов является
циметидин — известный противоязвенный агент. Пресинапти-
ческие рецепторы гистамина Н3 являются ауторецепторами. Они
подавляют выход гистамина из нервных окончаний, т.е. осуще-
ствляют обратную связь между уровнем гистамина в синапсе и
его секрецией.
Рецепторы пуринов. Последнее десятилетие ознаменовалось
накоплением данных об обширном семействе рецепторов раз-
нообразных пуринов: аденозина, АТФ, относительно мало изу-
ченного макроэргического соединения диаденозинтетрафосфа-
та (АФ4А), а также АМФ и АДФ. Рецепторы пуринов делят на
две большие группы: рецепторы, преимущественно взаимодей-
ствующие с аденозином, и рецепторы, преимущественно взаи-
модействующие с АТФ и АФ^А. Рецепторы аденозина Р1 явля-
ются медленными метаботропными рецепторами. Среди них есть
рецепторы, подавляющие системы синтеза цАМФ (А1), и ре-
цепторы, напротив, активирующие синтез цАМФ (А2).
Особого рассмотрения заслуживают свойства рецепторов А1.
Значительная их часть локализована на пресинаптических мем-
бранах. Довольно специфическими ингибиторами рецепторов
А1 являются теофилин и кофеин. Иначе говоря, введение этих
широко известных психостимулирующих агентов ведет к уве-
личению уровня цАМФ в некоторых постсинаптических струк-
турах. Заметим, что кофеин и теофилин являются также до-
вольно специфичными ингибиторами фосфодиэстераз, что тоже
способствует повышению уровня цАМФ. Такое двустороннее
действие этих соединений на уровень цАМФ позволяет понять
их особое значение как психостимуляторов.
Рецепторы А1 включаются не только аденозином, но и АМФ,
причем последний может происходить не только из нервных
окончаний, но и из других образований мозга. Истощение энер-
гетических систем мозга, связанное с образованием АМФ, мо-
жет служить, таким образом, сигналом для включения рецепто-
ров А1. Это позволяет лучше понять ряд физиологических эф-
фектов, которые наблюдаются при срабатывании рецепторов
А1: успокаивающие, седативные, противосудорожные. Иначе
говоря, эти рецепторы выступают как защитники энергетиче-
ских резервов мозга в экстремальных ситуациях. С этим же со-
пряжены их гипотензивные эффекты. Из периферических ре-
акций на включение рецептора А1 отметим брадикардию и воз-
действие на автономные проводящие системы сердца. Адено-
зин и его производные оказались перспективными средствами
для лечения аритмий.
292
Из общих физиологических эффектов аденозиновых рецеп-
торов А2 отметим стимуляцию глюконеогенеза и подавление
агрегации тромбоцитов.
Рецепторы Р2, имеющие наибольшее сродство к АТФ и АФ4А
и наименьшее к аденозину и АМФ, также делятся на несколько
подтипов. В отличие от аденозиновых рецепторов среди них
есть быстрые, канальные рецепторы (Р2Х), непосредственно ин-
дуцирующие миграцию ионов, — особенно Са2+. АТФ, воздей-
ствуя на эту систему, вызывает гипотензию, стимулируя в то же
время сократительную деятельность сердца. Они участвуют в
передаче сенсорных сигналов. Особого упоминания (для сопос-
тавления с эффектами рецепторов аденозина) заслуживает пе-
риферический эффект такого макроэргического соединения, как
АДФ —стимуляция тромбоцитов.
Рецепторы нейропептидов. Все рецепторы нейропептидов
являются метаботропными, медленными рецепторами. Наибо-
лее изучены опиатные рецепторы.
Опиаты — морфин и родственные ему соединения — из-
вестны в медицине с древних времен. Их применяли, как пра-
вило, в качестве обезболивающих и наркотических средств, спо-
собных влиять на психику человека. Однако опиатные рецеп-
торы (ОР), которые являются объектами действия опиатов в
ЦНС, открыты сравнительно недавно, в начале 70-х годов. Фар-
макологическими исследованиями было показано, что ОР свя-
зывают большое число синтетических и природных лигандов.
Первыми изученными лигандами ОР были экзогенные вещест-
ва — морфин, дигидроморфин, норморфин, леворфанол и др. Из
алкалоидов растительного происхождения наиболее известны
— налоксон, пентазоцин и налтрексон. Два последних обладают
свойствами частичных антагонистов. Эндогенные пептиды —
эндорфины, энкефалины и динорфины —взаимодействуют ана-
логично морфину и относятся к агонистам ОР.
ОР гетерогенны по составу, и классифицируют их на основе
взаимодействия со специфическими лигандами. Они подразде-
ляются на субтипы: мю-, дельта-, каппа-, сигма- и эпсилон-ре-
цепторы. Принято считать, что морфин выявляет мю-тип ре-
цепторов, Ала2, Лей5-энкефалин, дельторфины и некоторые дру-
гие аналоги энкефалинов — дельта-рецепторы, кетоциклазоцин
и динорфины -каппа-рецепторы, N-аллилнорцикл азоцин — сиг-
ма-рецепторы, а p-эндорфин —мю- и эпсилон-рецепторы. Вме-
сте с тем следует помнить, что эти лиганды не обладают абсо-
лютной специфичностью и могут частично взаимодействовать
с разными субтипами ОР.
293
Связывание радиолигандов свидетельствует о различном рас-
пределении субтипов ОР по структурам головного мозга.
Для изучения биохимических характеристик опиатных ре-
цепторов (структуры, молекулярной массы, изоэлектрических
свойств) многие годы предпринимались попытки выделить их
в нативном состоянии из биологических мембран мозга. Одна-
ко ОР оказались трудным объектом, они инактивировались под
действием ионных детергентов, которые ранее успешно приме-
нялись для солюбилизации других рецепторов. Кроме того, по-
пытка полного удаления липидного окружения из препаратов
ОР также вела к инактивации.
Лишь использование неионных детергентов типа дигитони-
на-глиоксихолата и CHAPS — позволяет солюбилизировать из
мембран белки рецепторного комплекса с сохранением 50-70%
опиатсвязывающей активности, ОР-рецепторы оказались ли-
попротеидами. Роль липидных компонентов и окружения ОР в
связывании опиоидов пока не ясна, однако, присутствие суль-
фоцереброзидов существенно увеличивает уровень связывания
агонистов с рецепторами, и было сделано предположение о том,
что сульфоцереброзиды (кислые липиды) входят в активный
центр ОР.
Собственно рецепторные лиганд-связывающие компоненты
ОР имеют молекулярную массу порядка 45000-66000 дальтон. В
целом ОР подобны другим метаботропным рецепторам. Взаи-
модействие с лигандом ведет к включению Gj-белков и, в ко-
нечном счете, к подавлению аденилатциклазы. Интересно, что
молекула рецептора обладает дефосфорилирующей активностью.
Она усиливается теми же факторами, которые усиливают свя-
зывание опиатов. При этом дефосфорилирование изменяет ли-
ганд-рецепторное взаимодействие.
Известно также, что активация опиатных рецепторов сопро-
вождается повышением К+ проводимости мембраны и/или сни-
жением Са2+ проводимости мембраны, что ведет к принципи-
ально общему конечному результату — уменьшению входа Са2+
в пресинаптические окончания во время прохождения потен-
циала действия и к снижению количества высвобождаемого
нейромедиатора (пресинаптическая модуляция) или гиперпо-
ляризации постсинаптической мембраны (постсинаптическая
модуляция).
Ферменты-рецепторы. Название этого типа рецепторов вы-
зывает некоторое недоумение, ибо конечный компонент мета-
ботропных рецепторов является, как правило, ферментом, на-
пример циклазой или фосфолипазой. Однако последние слу-
жат лишь компонентом комплекса белков, составляющих мета-
294
ботропный рецептор. Медиатор при этом не взаимодействует
непосредственно с ферментом. Существует, однако, ряд систем
межнейрональной передачи сигнала, когда медиатор прямо дей-
ствует на фермент. Приведем лишь один пример. Описанный в
предыдущей главе относительно новый нейромедиатор нитро-
ксид прямо активирует гуанилатциклазу и синтез цГМФ.
Выводы
1. Обязательным звеном передачи нервного импульса в хи-
мических синапсах являются рецепторы — образования, состоя-
щие из белков и гликолипидных компонентов, которые с высо-
кой специфичностью связывают нейромедиатор, меняют кон-
формацию и обеспечивают трансформацию сигнала в измене-
ния ионных потоков через мембрану и в образование вторич-
ных мессенджеров в клетке.
2. По типу вызываемых медиатором процессов рецепторы
делятся на две категории: 1) быстродействующие, содержащие
в своей структуре ионный канал, открытие которого ведет к
изменению потенциала мембраны; 2) медленнодействующие,
состоящие из компонентов, периодически связывающихся друг
с другом, которые после взаимодействия с нейромедиатором
запускают цепь реакций, образующих вторичные молекулы —
посредники, циклические нуклеотиды, диацилглицерол, ино-
зитолфосфаты и др.
3. Одни и те же медиаторы в разных синапсах могут взаимо-
действовать с рецепторами разных типов (быстро- или медлен-
нодействующими) и разных подтипов (по характеристикам от-
крываемых ионных потоков, по виду индуцируемых вторичных
посредников, по конечному возбуждающему или тормозному
эффекту).
4. Современный уровень понимания структуры и механизма
действия многих рецепторов (ацетилхолиновых, катехоламино-
вых, глутаминовых и др.) таков, что оказалось возможным “со-
бирать” активные рецепторы из компонентов вне клеток — в
мембранах липосом — и даже индуцировать с помощью соответ-
ствующих мРНК их синтез, встраивание в мембраны и действие
в клетках (ооцитах), не содержащих ранее этих образований.
5. Действие ряда важнейших фармакологических агентов,
используемых при лечении заболеваний ЦНС, направлено на
рецепторы нейромедиаторов — их активацию или подавление.
295
Глава 9
Нейропептиды
И.П.Ашмарин, Е.П.Каразеева
Важное место в химической передаче информации занима-
ют нейропептиды (НП). По сравнению с другими системами
межклеточной сигнализации пептидная система оказалась наи-
более многочленной (сейчас открыто свыше 600 природных НП)
и полифункциональной.
В категорию НП включают обычно малые и средние по раз-
меру пептиды — от 2 до 50-60 аминокислотных остатков (а.о.).
Более крупные пептиды, в число которых входит ряд гормонов,
некоторые факторы роста клеток и ряд других факторов, содер-
жат, как правило, свыше 100 а.о., и их относят обычно к кате-
гории регуляторных белков. Большинство НП представляет со-
бой линейные пептиды. С-концевые аминокислоты в них неред-
ко амидированы, N-концевые остатки глутаминовой кислоты
часто представлены в виде пироглугамата. Другие модифика-
ции аминокислотных остатков встречаются редко.
НП образуются в результате ограниченного (“прицельного”)
протеолиза больших пептидов-предшественников. Последние син-
тезируются на рибосомах, транспортируются далее в везикулы
нервных окончаний, расщепляясь протеазами до конечных форм
НП, и секретируются с помощью механизмов, подобных тем,
которые описаны для медиаторов непептидной природы.
НП широко представлены в мозге и в периферической нерв-
ной системе. Содержание их в тканях варьирует преимущест-
венно в пределах 10-12 — 10-9М. В разных отделах и образова-
ниях мозга, а также в нейронах разной специализации разли-
чия в содержании НП очень велики. Кроме того, в ряде орга-
нов и тканей не нервными клетками синтезируются и секрети-
руются пептиды, идентичные или близкие многим НП. Это за-
ставляет считать НП частью общей системы регуляторных пеп-
тидов (РП) организма. Однако это же порождает и некоторые
терминологические трудности. Так, например, эндокринными
железами, кардиомиоцитами, клетками желудочно-кишечного
тракта и системы иммунитета образуются пептиды, способные
прямо влиять на деятельность периферической и центральной
нервной системы. Следует ли относить их к НП, хотя они име-
ют не нейрональное происхождение? По-видимому, следует, тем
более, что почти во всех тщательно обследованных ситуациях в
296
ЦНС тоже обнаруживаются нейроны, синтезирующие пептид,
идентичный найденному на периферии.
Многие из НП выполняют функции нейромедиаторов, пере-
дающих сигнал в пределах синапса, подобно уже описанным
(см. гл.7) классическим нейромедиаторам непептидной приро-
ды. При этом они, как правило, “сотрудничают” с непептид-
ными медиаторами. В одном и том же нервном окончании ло-
кализованы определенные комбинации непептидного нейро-
медиатора с одним, двумя, а иногда и гремя НИ. В зависимости
от частоты и длительности импульсации они выделяются со-
вместно или раздельно, Иногда такие НП называют ко-ней-
ротрансмиттерами или ко-нейромедиаторами. Кроме участия в
передаче сигнала в синапсе НП способны осуществлять переда-
чу информации и на более значительные дистанции — в неболь-
ших зонах, в органе и даже в пределах целого организма. В
этом случае их функции неотличимы от функций гормонов (в
том числе гистогормонов). Объектом дистантного действия НП
являются пре- и постсинаптические зоны нейронов, а также
другие клетки. НП могут при этом облегчать или тормозить
передачу импульса и оказывать другие влияния на состояние
нейрона, т.е. функционировать как нейромодуляторы.
Таблица 9.1
Место нейропептидов среди других веществ, осуществляющих
межклеточную передачу информации, — информонов
Тип и характер действия Природа
Непептидные нейромедиаторы Преимущественно перенос информации в пределах синапса Некоторые, амино кислоты, моноамины, ацетилхолин и др.
Регуляторные пептиды Могут переносить информацию в синап- се, в других эонах непосредственного межклеточного контакта и/и ли осуществ- лять дистантную регуляцию Малые и средние регулятор- ные пептиды (в том числе и нейропептиды) — до 50 а.о.
Непептидные гистогормоны Переносят информацию преимуществен- но через межклеточные контакты, в пределах одной ткани или близлежащих тканей Простагландины, лейкотри- ены, тромбоксаны и др.
Гормоны Не переносят информацию в синапсе, дистантные регуляторы Стероидные тор моны, белко- вые гормоны, крупные пептиды /более 50 а.о.), три- и тетраиодтцронин, адреналин
297
В разных отделах и подотделах мозга, в различных нейронах
одни и те же НП могут выполнять или нейромедиаторные (ко-
нейромедиаторные) или дистантные нейромодуляторные функ-
ции, а иногда сочетать эти функции. Сложность и неоднознач-
ность функций НП такова, что для понимания этой проблемы
полезно оценить их место среди других веществ, передающих
информацию в организме. Такая оценка представлена в табл.9.1.
9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
НЕЙРОПЕПТИДОВ. ПОНЯТИЕ О ФУНКЦИОНАЛЬНОМ
КОНТИНУУМЕ НП И КАСКАДНОЙ РЕГУЛЯЦИИ
Современная классификация НП основана на сочетании трех
принципов: функционального, структурного и топологическо-
го (по месту синтеза) и представлена в табл.9.2. Структура и
характерная биологическая активность представителей каждого
семейства НП приведены в табл.9.3. Более подробный пере-
чень биологических активностей представлен в табл.9.4 и 9.5.
Полное описание всех или даже большинства изученных НП
невозможно да и нецелесообразно в рамках учебного руково-
дства.
Остановимся лишь на наиболее характерных особенностях
отдельных представителей каждого семейства НП.
НП первого семейства — либерины и статины гипоталамуса
— объединяет общность одной из главных функций, состоящей
в регуляции выхода гормонов гипофиза, и общность места образо-
вания, установленного первыми исследователями этих НП. Ли-
берины стимулируют выход (а в ряде случаев и синтез) опреде-
ленных гормонов из клеток гипофиза, а статины тормозят его.
По структуре они весьма разнообразны. Что касается места их
образования, то синтез этих НП происходит не только в гипо-
таламусе, но и во многих других отделах мозга и организма в
целом. В гипоталамусе синтезируется та часть либеринов и ста-
тинов, преимущественной (но не единственной) функцией ко-
торых является действие на гипофиз. Тем не менее ассоциация
либеринов и статинов прежде всего с гипоталамусом стала тра-
дицией.
Помимо действия на выход гипофизарных гормонов каж-
дый из либеринов и статинов обладает большим числом биоло-
гических активностей, осуществляемых прямым действием на
определенные нейроны и другие клетки мозга и организма. Так,
тиролиберин является мощным стимулятором эмоционального
поведения, двигательной активности, дыхательного центра и др.
298
Таблица 9.2
Классификация нейропептидов
№ пп Семейство нейропеп- тидов Группа нейро- пептидов Подгруппа нейропептидов Представители
1. Гипотала- мические либерины и статины Либерины Тиролиберин, кортиколиберин, люлиберин
Статины Соматолиберин. соматостатин, мел аностатин
2. Опио- идные пептиды Энкефа- линовые опиоиды Дериваты проопи- омеланокортина р-Эндорфин,у -эндор- фин, а-эндорфин, мет-энкефалин
Дериваты продинорфи на Динорфины, лей- энке- фалину - и р-неоэн- дорфин, леуморфин, риморфин
Дериваты про- энкефалина А Адренорфин, лей-энке- фалин, “октапептид”, “гептапептид”, FMRFa
Параэнке- фалиновые опиоиды Дерморфины Казаморфины Дерморфин-7 р-Казаморфин-7
3. Мелано- кортины Кортикот- ропины Адренокортикотропин и его фрагменты
Меланот- ропины а -, р -, Y -Меланотропин
4. Вазопрес- син-то- цины Вазопрес- сины Арг-вазопрессин, лиз-вазопрессин
Тонины Окситоцин, мезотоцин, изотоцин, вазотоцин
5. “Панкреа- тические” пептиды Нейропетид Y, пептид YY, панкреатический пептид
6. Глюкагон - секретины Гл и пенти- ны Глицентин, глюкагон
ВИП-груп- па Вазоактивный интестинальный пептид, пептид гистидин- изолейцин, секретин
299
Продолжение таблицы 9.2
№ п/п Семейство нейропеп- тидов Группа нейро- пептидов Подгруппа нейро пептидов Представители
7. Гастрины Гастрин-14, -17, -34
8. Тахики- нины Вещество Р, нейроки- нин А, кассинин
9. Мотилин Мотилин
10. Нейротен- зины Нейротензин, нейроме- дин N, ксенопсин
11, Бомбези- ны Гастрин-рилизинг пеп- тид, бомбезин, литорин
12. Кинины Брадикинин, каллидин
13. Ангиотен- зины Ангиотензины I, II, II
14. Кальцито- нины Кальцитонин, кальци- тонин- ген-род ственный пептид (CGRP)
15. Атриопеп- гиды Атриопептид-28
16. Эндозепи- ны Пептид — ингибитор связывания диазепама (DBI), октадеканейро - пептид (ODN) — DBI 33-50, DBI...
17. Галанин Галанин
18. Эндотели- ны Эндотелии I, II, III
300
Таблица 9.3
Структура и важнейшие биологические активности
регуляторных пептидов (РП) представителей разных
семейств РП
№ сем- ва Пептид Структура Комплексы наиболее важных биологических свойств
L Тиролибе- рин рЕНРа Активирует эмоциональное поведе- ние и бодрствование, активирует ды- хательный центр, антидепрессант и антиопиоид; стимулятор широкого круга соматических функций; индуктор секреции тиротропина и (с меньшей эффективностью) ряда других регуляторных пептидов (сравнить с кортиколиберином)
Сомато- статин AGCKNFFWKTFTSC | | “Всеобщий ингибитор”, подавляет широкий круг соматических функ- ций, особенно в желудочно-кишеч- ном тракте, и многие элементы пове- дения; подавляет секрецию сомато- тропина и ряда других регуляторных пептидов
Люлибе- рин pEHWSYGLRPGa Активирует половое поведение и сек- рецию гонадотропина и лютропина
Мел ано- статин PLGa Активирует эмоциональное поведе- ние и двигательную активность; антидепрессант; ингибитор секреции меланотропина
Соматоли- берин (со- матокри- нин) YADAIFTNSYRKV- LGQLSARKLLQDb MSRQQGESDQER- GARARLa Индуцирует секрецию соматотропина
Кортико- либерин SQEPPrSLDLTFHL- LREVLEMTKADQ- LAQQAHSNRKLL- DlAa Стимулирует эмоциональное пове- дение и двигательную активность наряду с подавлением пишедобыва- тельного и полового поведения, а также с гипотензивным действием; индуцирует секрецию АКТГ и (с меньшей интенсивностью) ряда других регуляторных пептидов.
2. мет-Эн ке- фалин YGGFM Вызывает кратковременную аналге- зию, индуцирует некоторые сомати- ческие эффекты; агонист 6 - (в мень- шей степени ц-) опиоидных рецепторов.
301
Продолжение таблицы 9.3
№ сем. Пептид Структура Комплексы наиболее важных биологических свойств
лей-Энке- фалин YGGFL Вызывает аналгезию, активирует систему положительного подкрепления; агонист 6 -рецепторов
Р- Эндор- фин YGGFMTSEKSQT- PLVTLKNAIIKNA- YKKGE Опиоид; индуцирует комплекс соматических эффектов и изменений поведения, близкий к опиоидному (аналгезия, положительное подкрепление), а также ретроградную амнезию; агонист преимущественно Р-рецепторов, регулятор некоторых реакций иммунитета (стимулятор клеток-киллеров)
Т -Эндор- фин Дез-тиро- зил-гЭн- дорфин Р-Эндорфин (1—17) у -Эндорфин Частичные нейролептики; опиоидные свойства мало выражены или отсутствуют (особенно у дез-тирозил- Y - эндорфина)
а -Эндор- фин р-Эндорфин (1—16) Стимулятор эмоционального поведения и двигательной активности (подобно фенамину); опиоидная активность мало выражена (сравнить с р - и У -эндорфинами)
а-Неоэн- дорфин YGGFLRKYPK Аналгетик, более сильный, чем лей-энкефалин; снижает исследовательскую активность
Динор- фин А Динорфин А(1 —17) YGGFLRRIRPKL- KWDNQ Динорфин А (1-13) Динорфин А (1-8) Опиоиды; при центральном введении проявляют (в отличие от р -эндорфина) седативное действие; агонисты преимущественно к -рецепторов
Мет-эн - кефалин- RGL (а) Мет—эн- кефалин- RF (а) YGGFMRGLa YGGFMRFa Частичные антагонисты опиоидов
3. АКТГ-ад- ренокор- тикотро- пин SYSMEHFRWGKP- VGKKRRPVKVY- P...F Стимуляторы внимания, запоминания и (только АКТГ 1-39, 1-24) индукторы кортикостероидов
а-Мела- нотропин acSYSMEHFRWG- KPVa Стимулятор внимания и запоминания. Активатор эмоционального поведения
302
Продолжение таблицы 9.3
№ сем. Пептид Структура Комплексы наиболее важных биологических свойств
4. Вазопрес- син CYFQNCPRGa 1 1 Подавляет диурез, стимулирует ги- пертензию, активирует консолидацию памяти (преимущественно на фоне подавления консолидации различными факторами), подавляет реакции, связанные с системой положительного подкрепления; один из факторов латерализации
Оксито- цин CYIQNCPLGa I 1 Умеренный антагонист вазопрессина в отношении дейтствия на консолидацию памяти, активатор тонуса матки, стимулятор лактации
5. Нейро- пептид Y YPSKPDNPGEDA- PAEDMARYYSAL- RHYINLITRQRYa Индуцирует пищедобывательное по- ведение; ко-трансмиттер и усилитель эффектов норадреналина, вызывает сужение сосудов головного мозга и на периферии; умеренный анксиолитик
6. Вазоак- тивный интести- нальный полипеп- тид HSDAVFTDNYTR- LRKQMAVKKYLN- SILNa Вызывает гипотензию и бронходиля- тацию, стимулятор функций органов репродукции, активирует моторику и секрецию во многих отделах желудоч- но-кишечного тракта; стимулятор вы- хода многих регуляторных пептидов
7. Холецис- токинин-8 DY(SO,H)MGWM- DFa Мощный ингибитор пищедобыва- тельного поведения и умеренный нейролептик, стимулятор моторики и секреции некоторых органов желудочно-кишечного тракта (особенно желчного пузыря)
8. Вещест- во Р RPKPQQFFGLMa Один из медиаторов и модуляторов сенсорных импульсов; гипотензив- ный и противострессовый фактор; индуктор нейрогенного воспаления
9. Моти ЛИН FVPIFTYGELQRM- QEKERNKGQ Стимулятор перистальтики желудка и двенадцатиперстной кишки
10. Нейротен- зин pELYENKPRRPYIL Сочетает значительную гипотензив- ную и гипотермическую активность с аналгетическим действием' (неопиоидного типа) и индукцией положительного подкрепления
303
Продолжение таблицы 9.3
№ сем. Пептид Структура Комплексы наиболее важных биологических свойств
11. Бомбезин pEQRLGNQWAVG- HLMa Мощный гипотермический фактор, не обладающий гипотензивным дей- ствием; активатор моторики и секре- ции желудочно-кишечного тракта; умеренный ингибитор пищевого поведения
12. Брадики- нин RPPGPSPFR Местный вазодилятатор; повышает проницаемость сосудистой стенки; местный модулятор боли
13. Ангиотен- зин II DRVYIHPF Вызывает сужение сосудов, гипертен- зию и (при центральном введении) жажду
14. а-Ко- кал ьль- цигенин SCNTATCVTHRLA- GLLSRSGWLDN- FVPTNVGEKAFa Мощный вазодилятатор перифери- ческих и мозговых сосудов (артери- ол); модулятор болевых импульсов
15. Атриопеп- тид-28 SLRRSSCFGGRM- 1 . DRRIG AQSGLGC- NSFRY Диуретик, особенно натрий-уретик
16. Эндозе- пин-6 GLLDLK Вызывает проконфликгное поведе- ние, беспокойство; ингибитор ГАМКА-синапсов
17. Галанин GWTLNSAGYLLG- PHAVGNHRSFSD- KNGLTS Индуцирует секрецию гормона роста, пролактина и глюкагона; подавляет выход ацетилхолина и соматостатина? стимулирует пищедобывательное поведение; усиливает сократимость гладкой мускулатуры кишечника и урогенитального тракта
18. Эндотелия I Г i CSCSSLMDKECV- 1—I YFCHLDI1W Регулятор просвета коронарных сосудов
304
Таблица 9.4
Действие регуляторных пептидов на различные виды
поведения животных
Пептид Уровень бодрствования Эмоциональные реакции Ноцицепция Пищедобыва- тельное пове- дение Потре- бление воды Половое поведение Обучение Память долговременная (консолидация) Положительное подкрепление
Ко-клльцкгенин (П) П П/П П
Холецистокинин - 8 (Л) пю D гул ПА5 0 0
Дезтироэкл- -т-екдорфин, -^эндорфин- (П) П (Л) п
Соматостатин (П) Ам Пб п ПЛО. (П) 0 0
Бомбезин (П) п п/п 0 0
Нейротензин (П) (Л) п П/А 0 0 А
Вазоактивный интестинальный легттцд . П СЭ 0 (Л) А (Л) (Л)
Пептид дельте-сне П flfi 0 0 0
Динорфины 0 п п АЛ
В-эмдорфии (А)м. (П)б Ам Пб с СЭ (П) Пм СЭ А
Энкефалины 0 (А) (П) АЛ) (Л) СЭ 0 А
Вещество П (А) (А)1 Пс сэв 0/(П) (А)
Ангиотензин Н (А) •/А <П> л п
Вазопрессин (А) А (Л) о/п (А) Д2 П
Окситоцин А (П) а (А)
Кортиколиберин А az 0 0J- 0 СЭ
ТирсЛиберии (А)3 А (П)Ц П/П п (А) (А) (П)
Адрекоюртикотролины (а том числе АКТГ*„) (А) (А) (П) <П) /0 А az А
а-эндорфин, дезтмроаи л-а-эпдорфм и 6 А (Л) А (П)
Люлиберин 0 (А) 0 0/П а (А)
Мелакостатин А (AM -/А А (П)
Нейролелтцд V П8 А/А л (А>
Галанин А/. П
Экдоэепины az -/(П)
Условные обозначения: м — малые дозы; б — большие дозы; СЭ — сложный
эффект, не поддающийся однозначной трактовке; незаполненные участки таблицы
обозначают либо отсутствие данных, либо их противоречивость; (А), АД —разные
степени выраженности и воспроизводимости активирующего действия; (ГТ), П,П
— то же для подавляющего действия; О — отсутствие эффекта; ц —интрацеребраль-
ное введение; с — системное введение. Подчеркнуты эффекты, наиболее характер-
ные для функций пептидов в организме.
Примечания: 1 — нормализация цикла сон—бодрствование; 2 — действие наибо-
лее выражено в условиях подавления механизмов памяти; 3 — антагонист ряда сно-
творных веществ и опиоидов in vivo; 4 — антагонизм в отношении аналитического
влияния опиоидов; 5 — усиление у сытых животных; 6 —индукция боли при интра-
текальном введении, умеренная аналгезия при системном введении; 7 — индукция
тревожности, страха; 8 —анксиолитическое действие; 9 — подавление реакций стресса;
10 —тетрапептид холецистокинин-4 индуцирует тревожность, страх.
305
Таблица 9.5
Действие вводимых регуляторных пептидов на различные
системы и функции организма животных
Пептид Температура тела Давление крови Сердце Тонус, сокращение мускулатуры бронхов Частота дыхания Моторика пищеварительных органов (преимущественное влияние) Секреция пищеварительных желез (преимущественное влияние) Иммунитет 1
Частота сокращений Амплитуда сокращений
Соматостатин (А) А П П 0
Нейротензин Q а 0 0 П Л п А
р-зндорфин С31 сэ П П (П) П П п А2 п
Бомбазин и гастрмнрилизинг пептид п А п П А п
Ко-кальцигвнин (А) Лц А А D П (П)
вазопрессин П Ди а А а
вазоактивный интестинальный пептид (А) а А А П А А
Атриолептцды п (А) &
Холецистокинин П (П) 0 0 А А
Ангиотензин II (П) a (А) А А А4 п
Корти колиберин п Пс. Ац А Л П А
Тиролиберин А a А А А А А П (П)5
Брадикинин 0 п А А А (А)© (А) (А) (А)
Вещество Р (АН П (А)с7 А А А (А) (А) А8
Г астрин 0 (А) 6 &
Нвйропептид Y А Пц Аи (А)9 А10 А10 П П
Галанин 0 А П
Атриопептид (натрийурети- ческий гормон) П £11,12 А
а -Меланоцит* стимулирующий гормон П5 А П А АН
Условные обозначения — те же, что и в табл. 9.4.
Примечания: 1 — направленность эффекта зависит от температуры и других
условий внешней среды; 2 — клетки-киллеры; 3 — эффект опосредуется через
воздействие на содержание альдостерона; 4 — N- и С-концевые фрагменты; 5
— высокие дозы; 6 — снимает подавляющее действие опиоидов; 7 —коронаро-
суживаюшее действие; 9 — вызывает спазм сосудов головного мозга; 10 —
предсердия; 11 — преимущественно №+-урез; 12 — К+-урез.
306
Люлиберин — главный фактор, усиливающий половое поведе-
ние не только через усиление секреции гонадотропных гормо-
нов, но и непосредственным действием на отделы мозга. Кор-
тиколиберин, открытый как индуктор выхода АКТЕ, непосред-
ственно подавляет половое поведение и потребление пищи,
будучи одновременно антидепрессантом и стимулятором эмо-
ционального поведения.
Типичным статином широкого спектра действия является
соматостатин. Помимо подавления выхода гормона роста он
является умеренным ингибитором настолько большого числа
других функций, что его называют иногда пангибином. В их число
входит способность подавлять моторику и секрецию желудоч-
но-кишечного тракта, что нашло уже применение при лечении
тяжелых форм язвенной болезни, связанных с кровотечениями.
Развитие некоторых форм рака (например предстательной же-
лезы) тормозится соматостатином.
Очень многочисленным (свыше 30 пептидов) и многообраз-
ным по функциям оказалось второе представленное в табл.9.3
семейство опиоидных НП. В отличие от либеринов и статинов
эти НП имеют общие особенности структуры. Они содержат в
качестве активного центра мет- или лей-энкефалиновые после-
довательности — YGGFM, YGGFL — или (в группе параэнке-
фалиновых опиоидов) аналоги этих последовательностей.
Большинство из них обладает более или менее выраженным
обезболивающим действием, реализуемым через рецепторы,
впервые описанные в связи с изучением механизмов действия
классических непептидных опиатов — морфина и др. Однако
не менее важными представляются их активности в отношении
высших функций мозга: снижение эмоционального поведения
(“внутренние нейролептики”), индукция “чувства удовлетво-
рения, вознаграждения”, т.е. функция внутренних факторов
подкрепления, и др. Некоторые из представителей этого се-
мейства (например пептиды YGGFMRFa, YGGFMRGL — так
называемые “гепта-” и “октапептиды”, FMRFa и альфа-эндор-
фин) ведут себя как частичные антагонисты классических опио-
идов. Особенно показателен в этом отношении а-эцдорфин. Если
0-эндорфин, у-эндорфин и дез-тирозил-у-эндорфин снижают эмо-
циональное поведение, то а-эндорфин его усиливает, вызывая
эффекты, подобные эффектам такого психостимулятора, как фе-
намин. Наконец, такой НП, как 0-эндорфин, оказался мощным
активатором разновидности лимфоцитов, убивающих раковые
клетки (“natural killers”), т.е. одним из важных регуляторов сис-
темы иммунитета, химическим посредником между этой систе-
307
мой и нервной системой. Заметим, что осуществление такой
гуморальной связи — “нервная система — сома” — характерно
и для других НП.
Источники опиоидных НП в организме многообразны: боль-
шая часть эндорфинов и часть мет-энкефалина образуется в
гипофизе; динорфины, неоэндорфины, леуморфин, риморфин —
преимущественно в мозге (или исключительно в нем); адренор-
фин, “окта-” и “гептапептиды” — преимущественно в надпо-
чечнике; большая часть лей-энкефалина и часть мет-энкефали-
на имеет источником надпочечник и мозг. Позже вопрос о мес-
тах синтеза опиоидов будет дополнительно рассматриваться в
связи с описанием предшественников НП.
Особого упоминания заслуживание такой пищевой источ-
ник опиоидных НП, как продукты неполного гидролиза казеи-
на и глютена в желудочно-кишечном тракте, среди которых
обнаружены аналоги энкефалинов — казаморфин и глюторфин.
Пока неясны количества, в которых они могут образоваться,
степень их всасывания и их вклад в баланс опиоидов организ-
ма.
Рассматривая пептидные опиоиды, нельзя не упомянуть об-
наружение в организме опиоидов непептидной природы. К ним
относятся сальсолинол и p-карболины, образующиеся особенно
интенсивно при алкоголизме (см. гл. 12), а также некоторые
количества кодеина, морфина, 6-ацетил-морфина и некоторых
других алкалоидов, находимых в организме животных и чело-
века вне связи с наркоманиями, алкоголизмом и особенностя-
ми диеты. Понятно некоторое недоумение, которое эти данные
вызывают, но сейчас работы по выявлению этих соединений не
вызывают методических возражений. Дискутируется вопрос о
месте их синтеза. Предполагается, что синтез некоторых из них
могут осуществлять какие-то бактерии в кишечнике из пред-
шественников, поступающих с растительными продуктами.
Представитель третьего семейства НП — адренокортикотроп-
ный гормон (АКТГ) — давно известен как гипофизарный гор-
мон, функция которого состоит в индукции выделения корти-
костероидов из надпочечника. Сейчас, однако, доказаны его
синтез в ряде отделов мозга (например в аркуатных ядрах) и
прямое участие в таких функциях мозга, как уровень внимания
к внешним сигналам, запоминание, обучаемость. Установлена
ключевая роль для осуществления последних функций фраг-
мента молекулы АКТГ с 4-го по 7-й а.о. — MEHF. Этот же
фрагмент с той же функциональной характеристикой выявлен
у меланотропных пептидов. Синтезирован ряд аналогов MEHF,
308
которые предполагается использовать для стимуляции внима-
ния и запоминания человека.
Четвертое семейство НП, включающее вазопрессины и ок-
ситоцины, четко объединяется общностью структуры и преиму-
щественного места секреции — нейрогипофиза. Синтез этих НП
происходит главным образом в гипоталамусе, и они представ-
лены в ряде отделов мозга. Вазопрессин давно известен как гор-
мон — дистантный ингибитор диуреза и вазопрессор, а оксито-
цин —как стимулятор сокращения матки при родовой деятель-
ности. Однако сейчас стало очевидным их участие в формиро-
вании долговременной памяти. Дискутируется вопрос о том,
является ли это действие прямым или осуществляется через
действие на эмоциональное состояние и избирательное внима-
ние. Вазопрессин является при этом стимулятором, а оксито-
цин — частичным ингибитором.
Пятое семейство НП получило название — панкреатические
пептиды — в значительной мере по месту первичного обнару-
жения. Название это, хотя и общепринято, является иногда
источником недоразумений, ибо, например, инсулин, являю-
щийся типичным полипептидным гормоном поджелудочной
железы, не имеет ничего общего с этими НП ни по структуре,
ни по главным функциям. Наиболее изученный представитель
панкреатических пептидов — нейропептид Y (HnY) — широко
представлен не только в органах желудочно-кишечного тракта,
но и в головном мозге. Он является участником поддержания
тонуса сосудов мозга и организма в целом. Он же стимулятор
пищедобывательного поведения; это его свойство неожидан-
ным образом сочетается с некоторым анксиолитическим дейст-
вием.
Наиболее изученный представитель шестого семейства НП
— вазоактивный интестинальный пептид (ВИП) — подобно НпУ
был впервые обнаружен в желудочно-кишечном тракте. Одна-
ко именно он (наряду с холецистокинином) содержится в осо-
бенно высоких концентрациях в коре головного мозга. Несо-
мненной является его способность снижать тонус гладкой мус-
кулатуры сосудов, в том числе мозга и бронхов. В последнее
время показано его участие в формировании полового поведе-
ния и функциях органов репродукции.
В связи с данными о регуляции сна ВИП отметим существо-
вание еще одного пептида, способного усиливать процессы,
лежащие в основе сна. В данной классификации не удалось
сформировать семейство, в которое входил бы так называемый
пептид дельта-сна (ПДС). Он стоит по структуре и другим при-
309
знакам особняком по отношению к другим НП. Его наиболее
выраженное действие проявляется в индукции дельта-волно-
вой активности мозга, регистрируемой электроэнцефалографи-
чески и характерной для ортодоксальной фазы сна. Практиче-
ски важна также его способность облегчать стрессовые состоя-
ния.
В коре головного мозга наряду с вазоактивным интестиналь-
ным пептидом очень высоко содержание представителя седьмо-
го семейства НП — холецистокинина-8. Первично найденный
опять-таки в желудочно-кишечном тракте, он оказался чрезвы-
чайно мощным ингибитором пищедобывательного поведения.
Введение его в количествах порядка 1О~10 — 10-12 г в третий
желудочек мозга длительно голодавших животных на несколь-
ко часов снимало пишедобывательное поведение.
Еще меньший по размеру вариант холецистокинина, содер-
жащий всего 4 аминокислотных остатка, оказался одним из
внутренних факторов, индуцирующих состояние тревожности
и страха.
Наиболее изученный представитель восьмого семейства НП
— вещество Р —является первым из НП, который был иденти-
фицирован как нейромедиатор в путях проведения сенсорных
импульсов. Обладает очень сложным спектром центральных и
периферических эффектов, из которых особенно интересно его
участие в индукции нейрогенного воспаления.
Нейротензин — десятое семейство НП — сходен с опиоид-
ными НП по обезболивающей активности (особенно при цен-
тральном введении), но реализуется этот эффект не через опио-
идные рецепторы; структурным сходством нейротензин не об-
ладает. Характерным является сочетание у нейротензина анал-
гетической активности с гипотермическим и гипотензивным дей-
ствием —интересным в медицинском плане.
Самый мощный из известных гипотермических факторов —
бомбезин — является представителем одиннадцатого семейства
НП. Глубокое снижение температуры он вызывает при цен-
тральном введении. Интерес к нему связан, в частности, с его
возможной ролью при зимней спячке.
Два НП — брадикинин (двенадцатое семейство) и ангиотен-
зин II (тринадцатое семейство) — давно исследуются главным
образом как факторы, участвующие в формировании тонуса
сосудов. Брадикинин и его аналоги являются вазодилятатора-
ми, ангиотензин II — вазоконстриктор. Известные пути их син-
теза не связаны с нервными клетками, хотя ряд эффектов реа-
лизуется посредством влияния на синаптическую передачу (на-
310
пример ангиотензин И —на адренергические синапсы). Оба
пептида обнаружены в головном мозге, причем установлена
способность ангиотензина II возбуждать жажду при централь-
ном введении.
Названия НП четырнадцатого семейства нередко приводят
к недоразумениям. Так, в англоязычной литературе они назы-
ваются “calcitonin gene related peptides” и обозначаются как
CGRPs. В данном случае точный перевод — “пептиды, коди-
руемые геном, подобным гену кальцитонина” — является слиш-
ком громоздким. Поэтому все чаще используется в качестве
тривиального названия термин ко-кальцигенин. Биологическая
активность ко-кальцигенина проявляется очень наглядно —
введение всего лишь около Ю-^4 моля этого НП под кожу че-
ловека вызывает довольно длительное расширение артериол, уси-
ление кровотока и (особенно совместно с веществом Р) диапе-
дез из сосудов форменных элементов крови. Вместе с ВИП и
HnY ко-кальцигенин участвует в регуляции тонуса сосудов мозга,
коронарных сосудов и др.
НП пятнадцатого семейства — атриопептиды — до послед-
него времени считались факторами сугубо периферического
происхождения и действия. Главный их источник — кардио-
миоциты предсердия. Атриопептиды значительно усиливают
диурез и особенно натрий-урез. Сейчас, однако, доказано, что
атриопептиды синтезируются и в головном мозге. Таким обра-
зом, история их исследования подобна описанной выше для
ряда пептидов, обнаруженных сначала на периферии, а затем в
головном мозге. На очереди — выявление их функций в ЦНС.
Наконец, НП шестнадцатого семейства — эндозепины — яв-
ляются негативными регуляторами рецепторов ГАМК. Если сама
ГАМК является тормозным медиатором, участвующим в разно-
образных процессах, в том числе в транквилизации —сниже-
нии тревожности, успокоении, то эндозепины, напротив, вы-
зывают тревожность и проконфликтное поведение. По-види-
мому, подавление ГАМК-ергической трансмиссии, очень ши-
роко представленной в мозге, позволяет предполагать у эндозе-
пинов и другие проявления биологической активности, но ис-
следования этой группы НП начаты сравнительно недавно.
Приведенные краткие характеристики биологической актив-
ности НП —представителей различный семейств — далеко не
исчерпывают всего многообразия их функций. Более подроб-
ная, хотя и опять-таки заведомо не исчерпывающая картина
биологической активности, представленная в табл.9.4 и 9.5,
позволила предположить, что система регуляторных пептидов
311
образует так называемый функциональный континуум. Это обо-
значает то, что, с одной стороны, каждый из пептидов (табл.9.3-
9.5) обладает уникальными свойствами, уникальным комплексом
активностей. С другой стороны, многие проявления биоактив-
ности каждого из пептидов совпадают или близки к таковым
ряда других пептидов. В результате каждый пептид выступает
как созданный эволюцией “пакет программ” для включения
или модуляции определенного комплекса функций. Набор та-
ких комплексов настолько велик, что создается возможность
относительно плавного, непрерывного перехода от одного к друго-
му комплексу совместимых функций. С определенными оговор-
ками можно сравнить образующуюся систему с периодической
системой элементов, где каждый элемент уникален и в то же
время существует в определенной степени постепенный пере-
ход от одного комплекса свойств к другому. Представление о
функциональном континууме пептидных регуляторов позволя-
ет понять биологический смысл их необычайного многообра-
зия. Указанное выше число уже открытых пептидных регулято-
ров — свыше 600, по-видимому, значительно меньше их дейст-
вительной численности, если учесть, что каждый год приносит
открытие не только ряда пептидов, относящихся к уже извест-
ным семействам, но и новых семейств пептидов.
Кроме обеспечения разнообразнейших комплексов биоак-
тивностей пептидный континуум выполняет еще одну функ-
цию — образование сложных регуляторных цепей и каскадов. Ка-
ждый из НП обладает способностью индуцировать выход в кровь,
в цереброспинальную жидкость, в межклеточные среды орга-
низма определенных НП (табл.9.6). Частным случаем этой сис-
темы взаимной индукции является описанное действие либе-
ринов и статинов гипоталамуса на выход гормонов гипофиза.
Каждый НП, выход которого индуцирован другим пептидом, в
свою очередь может индуцировать выход ряда следующих НП,
так что возникает цепной, каскадный регуляторный процесс.
Сейчас трудно судить о том, сколь длинной может быть такая
цепь. Известно, однако, что многие НП, период полураспада
которых измеряется минутами, способны вызывать многочасо-
вые и даже многосуточные эффекты после введения в орга-
низм. Вероятно, основой этого и являются такие цепные про-
цессы.
Биологический смысл существования длительных регулятор-
ных процессов, складывающихся из кратковременных звеньев,
очевиден. В отличие от систем, основанных на долгоживущих
регуляторах, такая система является более гибкой в меняющей-
ся ситуации, при поступлении новых сигналов и т.п.
312
Таблица 9.6
Действие вводимых извне регуляторных пептидов на выход других регуляторных пептидов
Источники регуляторных пептидов -индукторов Индуцируемые пептиды Пептиды-индукторы Соматостатин Люлиберин Тиролиберин Пролактин | Адренокортикотропин р -Эндорифин Соматотропин Вазопрессин Окситоцин Лютроин Фоллитропин Тиротропин Инсулин Холецистокинин Вещество Р Вазоактивный интестинальдный полипептид Глюкагон Гастрит а -Меланоцит- стимулирующий гормон Натрийуретический ! гормон L
Гипоталамус Соматостатин П П П П (П) ц ПА ц А (А) (А) П п П П П
Люлиберин (А) А П А А ।
Тиролиберин (А) А А (А) Йа А А (А) А А п1 (А) А
Кортиколиберин А А А А А п А А — . ।
Гипофиз Пролактин П П П п П П
а-Меланоцитстимули- рующий гормон П П А П А А
Адренокортикотропин П п А п 0 А2
Р-Эндорфин (П) П 0 А А А А П п П П А П А А
Соматостатин А п А
Вазопрессин П а А А А А (А)
Окситоцин (П) А П А
С*)
СО
Условные обозначения — те же, что и в табл.9.4.
Примечания: 1 — на фоне повышенного содержания глюкозы; 2 — С-концевой фрагмент; 3 — направленность
эффекта зависит от дозы
to
-U
Регуляторные пептиды из Других источников Пептид дельта-сна П СЭ
Нейропептид Y (А) А (П) (А)
Инсулин 0 А
Энкефалин П О А (А) А п
Бомбезин А А п А О Л
Ангиотензин II нс ПА А (А) п А
Нейротензин А ц П ц п цс ПА А ц з АП А
Холецистокинин п п А А А А А
Вещество Р А с ц АО А С Ц 0(A) А
Вазоактивный интестинальный полипептид Л А А А А А А А
Галанин П (А) А
Натрийуретический гормон П Л
КО-кал ьцигенин А п А
Продолжение таблицы 9.6
А П
П 0 П с и ПА А
П
п п П П П А
А А П А А А А i
А (А)
сц АП А с и АП сц ПО А
А П А п (А) А А 1
А сиз А 0 и 0 А
А А А А А 1
0 П и А П П
П П
п А !
В сложной системе индуцирующего действия НП на выход
других НП необходимо отметить ряд элементов иерархии, “взаи-
моподчинения” одних регуляторов другим. Так, рассматривая
табл.9.6, можно заметить, что, например, ВИП и ХЦК-8, лока-
лизованные в значительных количествах в коре головного моз-
га, способны индуцировать или тормозить выход ряда либери-
нов и статинов гипоталамуса, который, в свою очередь, регули-
рует выход гормонов гипофиза. Многие из последних тоже слу-
жат индукторами выхода периферических гормонов (щитовид-
ной железы, надпочечников и др.). Такая иерархия, контроль и
управление “сверху-вниз” сочетается со сложной системой пря-
мых действий всех НП (РП) на многие функции организма.
Сколь бы сложной ни представлялась эта картина действия и
взаимодействия пептидов, следует постоянно помнить о суще-
ствовании диалектического сочетания их прямых и опосредст-
вованных каскадных эффектов.
9.2. БИОСИНТЕЗ И ПРОЦЕССИНГ НЕЙРОПЕПТИДОВ
Общий принцип синтеза всех достаточно изученных НП со-
стоит в образовании относительно больших пептидов-предше-
ственников, из которых после завершения трансляции выщеп-
ляются протеазами соответствующие НП. Как правило, в со-
став пептида-предшественника входит одна или большее число
последовательностей НП (иногда весьма различных по струк-
туре) и так называемая сигнальная последовательность, спо-
собствующая миграции предшественника внутри клетки после
завершения трансляции в шероховатой эндоплазматической сети
(первые несколько минут) и отщепляемая в конце этой части
пути. Многие пептиды-предшественники образуют промежу-
точное соединение с гликозидами, которые тоже оказывают ста-
билизирующее действие на некоторых стадиях процессинга и
влияют на выбор мест атаки протеиназами.
Протеиназы, обеспечивающие выщепление НП в течение
нескольких десятков минут — часа после трансляции (в ком-
плексе Гольджи, при перемещении по аксону и при формиро-
вании везикул), не являются высокоспецифичными. В значи-
тельной мере точное выщепление обусловлено наличием в по-
следовательности аминокислот пептидов-предшественников
парных остатков -RR-, -KR-, -RK- и -КК-. Они в первую оче-
редь атакуются протеиназами, близкими по характеру действия
к катепсину В и трипсину. Выщепляемые в этой фазе процес-
синга фрагменты во многих случаях уже представляют собой
315
активные НП. Нередко эти фрагменты подвергаются дальней-
шему протеолизу опять-таки с образованием новых НП.
На этой фазе описано участие не только трипсиноподобных
протеиназ, но и ряда других протеиназ, специфичность кото-
рых тоже не является очень высокой. Однако в различных ней-
ронах и, возможно, даже в разных терминалях одного нейрона
их набор может быть неодинаковым, что обеспечивает в конеч-
ном счете ту или иную специализацию на продукции строго
определенных НП (единичных или их комплексов).
Все этапы процессинга хорошо иллюстрируются схемой пре-
вращений проопиомеланокортина (рис.9.1), из которого могут
формироваться p-липотропин, АКТЕ™, АКТГ^д, АКТГ18.39
(так называемый СЫР), а-, р- и у-МСГ, Р-, у- и а-эндорфины,
мет-энкефалин, дезтирозильные производные эндорфинов, С-
концевой дипептид p-эндорфина и, возможно, еще некоторые
другие НП. Еще раз подчеркнем, что имеется в виду не одно-
временное образование всех этих НП в одном нейроне или тер-
минали, а более или менее избирательное формирование их в
зависимости от набора протеаз в данной клетке.
На рис.9.1 представлены многочисленные примеры процес-
синга НП. Обращает на себя внимание, что синтез ряда опио-
идных пептидов, содержащих в качестве минимальной актив-
ной последовательности мет-энкефалин, обеспечивается по
крайней мере двумя пептидами-предшественниками — проопио-
меланокортином (локализованным главным образом, но не ис-
ключительно в гипофизе) и препроэнкефалином А (локализо-
ванным преимущественно, но опять-таки не исключительно в
надпочечниках). Сходным образом лей-энкефалинсодержащие
опиоидные НП выщепляются из мозгового пептида-предшест-
венника продинорфина (препроэнкефалина В) и из уже упоми-
навшегося препроэнкефалина А, совмещающего в себе после-
довательности НП с лей-энкефалиновыми и мет-энкефалино-
выми активными центрами. Однако общность минимальных
последовательностей опиоидных НП, заключенных в разных
пептидах-предшественниках, не означает идентичности содер-
жащих их НП большого размера: продинорфин образует лей-
морфин и перекрывающийся с ним каскад динорфинов разно-
го размера [1-8, 1-17 (А), динорфин В (риморфин) и 4кД-ди-
норфин], а также а- и p-неоэндорфины. Из препроэнкефалина
А формируются самостоятельные НП, содержащие и лей-эн-
кефалин, и мет-энкефалин (например так называемый пептид
Е).
316
р-энд
2S5-
аминокислот
Проолиомеланокортин
[-мег а-мсг clip ft-мег
Динор^нАкД а^мкииот
f---------------s
м£ор<ршш Аинор<рин(1-8)
р-ш , ,
Рис. 9.1. Пептиды-предшественники опиоидных НП. Звездочками
отмечены положения пар диаминокислот
Сходные закономерности структуры можно отметить и для
некоторых других пептидов-предшественников, хотя они, как
правило, исследованы в гораздо меньшей степени, чем предше-
ственники опиоидов, АКТГ и МСГ. Можно полагать, что даль-
нейший анализ биологической активности их фрагментов по-
зволит выявить источники новых НП. На рис.9.2 обращают на
себя внимание большие области пептидов-предшественников,
где пока не идентифицированы НП. Хотя часть из них выпол-
няет (судя по Р-эндорфину, АКТГ) функции дополнительных
“адресных” последовательностей, уточняющих взаимодействие
НП преимущественно с определенной тканью или органом, есть
основания предполагать и в них наличие последовательностей
еще не идентифицированных НП.
В ряде случаев образование НП и процессы их распада пере-
плетаются друг с другом. Например, один из путей распада р-
эндорфина — НП, имеющего самостоятельное функциональ-
317
ное значение, ведет, как уже упоминалось, к образованию у-
эндорфина и опять-таки НП, имеющего уникальную функцио-
нальную характеристику; отщепление концевого аминокислот-
ного остатка от у-эндорфина приводит к образованию а-эндор-
фина, весьма своеобразного по функциям, и т.д. Такое пере-
плетение синтеза и распада новых НП входит в характеристику
биохимических особенностей этих регуляторов, рассматривае-
мых подробно в следующем разделе.
Сигнальный пептид
H2N-
М,Н-
Нейроуиэин
Вазопрессин
107 №7
Гликопептид
Гистидин - изолейцинабый
nenmud(PHi)
-СООН
Вазоактибный
интестинальный пептид
ХЦК-33
ХЦК -39
Холецистокинин (ХЦК) - 58
Рис. 9.2. Пептиды-предшественники вазопрессина, нейрофизина,
ВИП, холецистокининов. Звездочками обозначены положения пар
диаминокислот
318
9.3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕЙРОПЕПТИДОВ,
ОТЛИЧАЮЩИЕ ИХ ОТ ОБЫЧНЫХ, КЛАССИЧЕСКИХ
НЕЙРОМЕДИАТОРОВ
Возникает вопрос, какие биохимические свойства НП опре-
деляют их функциональные отличия от обычных мономолеку-
лярных нейромедиаторов? Наиболее очевидными представля-
ются следующие особенности.
1. Большая, в общем, продолжительность существования НП
в жидких средах организма, в особенности НП среднего и боль-
шого размера с числом аминокислотных остатков, превышаю-
щим 14-20; это обусловливает длительность внутрисинаптиче-
ской модуляции и возможность дистантного действия на отда-
ленные синаптические системы.
2. Наличие определенной, нередко высокой и специфичной,
активности у продуктов неполного протеолиза НП; протеолиз
ряда НП нельзя рассматривать как простую инактивацию, про-
исходит в той или иной степени трансформация их активности.
3. Очень большое число различных НП, намного превосхо-
дящее (в 10-30, а возможно, и большее число раз) численность
обычных нейромедиаторов; это создает не только количествен-
ные, но и качественно новые возможности “сотрудничества”
разнообразных НП и нейромедиаторов в пределах одного ней-
рона, одной терминали.
Первая особенность — продолжительность существования НП
в таких средах организма, как плазма и цереброспинальная
жидкость, охарактеризована в табл.9.7 и 9.8 в сопоставлении с
другими регуляторными соединениями. В расщеплении НП
принимают участие на “паритетных” началах протеазы клеточ-
ных мембран и протеазы межтканевых жидкостей. Эти процес-
сы сочетаются с диффузией, рассеиванием ряда НП из синап-
тической щели.
Часть малых пептидов, состоящих из 2-8 а.о., имеет сроки
полураспада, близкие к катехоламинам. Однако значительная
часть малых и все средние НП намного стабильнее in vivo, чем
мономолекулярные медиаторы, что определяет возможность
пролонгирования ими действия обычных нейромедиаторов в
синапсах, где последние сосуществуют и взаимодействуют с НП,
а также возможность их более или менее ограниченного дис-
тантного действия.
Вторая особенность НП, отличающая их от обычных нейро-
медиаторов, как уже отмечалось выше, состоит в том, что про-
теолитический распад НП является часто не простым актом
319
Таблица 9.7
Скорость распада нейропептидов в средах организма
Время полураспада Плазма крови in vitro Срезы и гомогенаты тканей in vitro Системное введение in vivo
JOc-1 мин Брадикинин Энкефалин, мозг Ангиотензин II
(1-5) мин Энкефалин, ангиотензин II, вазопрессин, тиролиберин, соматостатин, окситоцин Тиролиберин, почка крысы а-Мел ан оцитсти- мулирующий гормон, энкефа- лин, АКТГ4_10, тиролиберин, окситоцин
(6-10) мин Пептид дельта- сна, мелано- статин, люлибе- рин, вещество Р Тиролиберин, печень и мозг крысы Вещество Р
Свыше 10 мин, до 2 ч Тиролиберин, а-мсланоцитсти- мулируюший гормон у-Эндорфин, стриатум крысы, тиролиберин, печень и мозг человека, р- эндорфин, стриатум крысы, тиролиберин, почка человека р-Эндорфин АКТГГ39
уничтожения регулятора, а реакцией образования нового биоак-
тивного соединения. Активность последнего не совпадает с та-
ковой исходного НП и нередко имеет качественные отличия.
При деградации обычных нейромедиаторов такая ситуация чаще
всего не возникает вовсе. Лишь декарбоксилирование глутама-
та образует ГАМК — нейромедиатор принципиально другого
типа действия. Однако этот процесс в глутаминергических си-
напсах не сопряжен с функционированием рецепторов ГАМК.
Что касается биоактивных пептидов, которые образуются при
деградации НП, высвобождаемых из нервных окончаний, то
приходится считаться с возможностью их дистантного действия
вне зоны рецептора, ибо устойчивость и, соответственно, сро-
ки существования большинства из них выше, чем у обычных
нейромедиаторов.
Ряд типичных мест протеолитического расщепления НП
представлен на рис.9.3. Рассматривая их, важно иметь в виду,
что в синапсах различного типа, различных жидких средах ор-
ганизма (плазма крови, цереброспинальная жидкость, межкле-
320
Таблица 9.8
Место регуляторных пептидов среди других надклеточных
гуморальных регуляторов по стабильности в организме
Время Место по средней продолжительности существования эффективной концентрации регулятора Место по периоду полураспада
Менее 1 с Ацетилхолин (никотиновый рецептор)
Минуты Катехоламины, серотонин, гистамин, ГАМК
1-30 мин Малые пептиды (2-14 остатков), катехоламины
10-100 мин Средние пептиды (20-50 остатков), стероиды
Часы Большие пептиды
2-5 сут. Иодтиронины Т3, Т4
5-50 сут. Антитела
Месяцы-годы (Специфический иммунитет)
Месяцы - пожизненно (Нейрологическая память)
точные жидкости в разных тканях и т.п.), в наружных мембра-
нах разнообразных клеток и, наконец, внутри клеток имеется
огромное число сочетаний указанных протеаз, которые во мно-
гом предопределяют пути деградации НП в данной области.
Среди этих протеаз нет ферментов, которые можно было бы
считать специфичными для расщепления определенных НП.
Избирательность пути расщепления каждого НП создается имен-
но уникальной или преобладающей комбинацией протеаз в дан-
ной области.
Приведем примеры биоактивных продуктов распада НП, в
отношении которых известны данные об их дистантном дейст-
вии (т.е. вне пределов исходного синапса):
1) циклический дипептид с(НР) — дериват тиролиберина;
2) у- и а-эндорфины, а также их дезтирозильные. производ-
ные, образующиеся из р-эндорфина; пока не ясно, целесооб-
разно ли включать в эту категорию относительно лабильный
мет-энкефалин и С-концевой дипептид р-эндорфина;
3) меланостатин как дериват окситоцина и тирозилмелано-
статина;
321
Рис.9.3. Характерные места расщепления НП (перечень не
исчерпывающий): 1 — ангиотензинпревращающий фермент; 2 —
кинидаза А; 3 —катиончувствительная нейтральная эндопепти-
даза; 4 — металлопептидаза (энкефалиназа); 5 — пропилэндо-
пептидаза; 6 — экзаминопептидаза; 7 —дипептидиламинопеп-
тидаза; 8 — пропилдипептидиламинопептидаза
4) циклический дипептид c(LG) — дериват меланостатина;
5) концевой трипептид, отщепляемый от вазопрессина;
6) каскад производных динорфинов;
7) N- и С-концевые фрагменты АКТГ;
8) холецистокинин-8 и -4 как дериваты холецистокинина-
33;
9) соматостатин-14 как фрагмент соматостатина-28;
10) брадикинин как дериват каллидина;
11) N- и С-концевые тетрапептиды — дериваты ангиотензи-
на II.
Третья особенность НП — чрезвычайная множественность
пептидных регуляторов — легла в основу изложенной выше ги-
потезы о функциональном континууме пептидов. Эта же осо-
бенность явилась предпосылкой для разнообразнейших сочета-
ний разных НП друг с другом и НП с непептидными медиато-
322
рами в одном нервном окончании. Сейчас известно, что прин-
цип, предполагающий специализацию каждой терминали на
одном нейромедиаторе, не соблюдается иногда даже для клас-
сических медиаторов. Существующий же в организме набор пеп-
тидных медиаторов по крайней мере в 10-30 раз больше набора
классических медиаторов (по-видимому, дальнейшее изучение
НП еще больше увеличит этот разрыв).
Такое количественное преобладание НП над обычными ме-
диаторами является источником нового качества — принципи-
ально новых возможностей функционирования нейрона при разных
режимах импульсации. Рассмотрим ряд примеров.
Во-первых, благодаря локализации части нейромедиаторов
в разных везикулах одной терминали наблюдается феномен
дифференциальной их секреции в зависимости от частоты им-
пульсации. Так, в ряде терминалей, содержащих НА и HnY,
одиночные импульсы вызывают преимущественный или исклю-
чительный выход НА, а ритмическая повторная импульсация
— дополнительный выход НпУ. Хотя НпУ сам по себе относи-
тельно мало эффективен в индукции постсинаптических явле-
ний, однако он способен резко повышать и продлевать дейст-
вие НА. В результате ответы на одиночные импульсы и высоко-
частотную импульсацию могут иметь качественные отличия.
Во-вторых, сопряженное высвобождение медиаторов двух
типов, из которых по крайней мере один обладает способно-
стью дистантного действия за пределами данного синапса, по-
зволяет одновременно включать системы, действующие синер-
гически на надклеточном уровне. Например, одновременное
высвобождение АцХ и ВИП в ткани слюнной железы дает воз-
можность параллельно индуцировать секрецию и вызывать рас-
ширение кровеносных сосудов, снабжающих кожу. Именно за
последний эффект ответственен ВИП. Заметим, что одновре-
менно ВИП повышает чувствительность рецепторов АцХ к сво-
ему лиганду. Последнее действие, вероятно, опосредуется через
постсинаптические рецепторы, запускаемые ВИП со своего ре-
цептора.
В-третьих, для ряда НП существуют пресинаптические ре-
цепторы, специализированные на регулировании выхода соот-
ветствующего непептидного медиатора, — как негативном, так
и позитивном. Интересным примером такого типа является
снижение тиролиберином, сопутствующим серотонину в ряде
терминалей в спинном мозге, эффективности пресинаптиче-
ских рецепторов серотонина. Последние осуществляют обрат-
ное ингибирование секреции. В результате длительная импуль-
323
сация терминали обеспечивает пролонгированный, особенно
длительный выход серотонина. Кроме того, эти же пресинап-
тические рецепторы могут участвовать в дистантных регулятор-
ных процессах, осуществляемых ТРГ, поступающим из других
эндогенных его источников.
На рис.9.4 представлен ряд возможных взаимодействий двух
пептидных и одного обычного нейромедиатора в одном синап-
се. Эта схема близка к реально существующей ситуации взаи-
модействия ТРГ, вещества Р и серотонина в нейронах спинно-
го мозга. Здесь реализуются одновременно первая и третья из
описанных выше возможностей.
Рис. 9.4. Различные варианты взаимодействия мономолекулярных
(М) и пептидных (НП) медиаторов на примере терминали,
содержащей один М и два НП
Можно представить, как возрастает число и меняется харак-
тер возможных внутрисинаптических и межсинаптических взаи-
модействий, когда в одной терминали сосредоточено более двух
НП и 1-2 классических нейромедиатора. Такие ситуации опи-
саны неоднократно, хотя пока еще трудно дать полное истол-
кование функций таких медиаторных комбинаций. Например,
324
установлено, что в зрительной коре особенно часто совмеща-
ются в одной терминали ГАМК с HnY, соматостатином и ХЦК-
8. Несколько реже сочетания ГАМК с ВИП. Реже, но вполне
достоверно встречаются тройственные сочетания: ГАМК + HnY
+ соматостатин, ГАМК + ХЦК + ВИП.
Раскрытие перечисленных выше особенностей НП служит
основой для решения не только теоретических, но и практиче-
ских задач. Так, сроки полураспада НП в организме хотя и боль-
шие по сравнению с классическими нейромедиаторами, все же
недостаточны для прямого использования многих из НП в ка-
честве лекарственных средств. Для преодоления этой трудно-
сти идут по пути синтеза аналогов НП, защищенных от дейст-
вия ряда протеаз. Таковы входящие уже в практику аналоги
вазопрессина, АКТГ4.7 и др. Кроме того, найден целый ряд ин-
гибиторов протеаз, которые могут вводиться в организм и тор-
мозить распад ряда НП. Примером могут служить бестатин —
ингибитор концевых пептидаз, существенно замедляющий рас-
пад опиоидных НП.
9.4. РЕЦЕПТИЯ РЕГУЛЯТОРНЫХ ПЕПТИДОВ
Существование специализированных обособленных рецеп-
торов регуляторных пептидов в настоящее время не вызывает
сомнений. Так обстоит дело с рецепторами опиоидов, вазопрес-
сина, ВИП и многими другими. Кроме того, молекулярные об-
разования, специфически связывающие ряд НП, в некоторых
случаях являются частью рецепторов классических нейромедиа-
торов. Примером тому служат ГАМКА-рецепторы, в состав ко-
торых входят бензодиазепин-связывающие участки, являющиеся
фактически рецепторами соответствующих эндогенных РП —
эндозепинов.
Наибольшие успехи достигнуты в изучении природы опио-
идных рецепторов. Они оказались тесно связанными с липид-
ными компонентами мембран — попытки полного удаления
липидов из препаратов рецепторов вели к инактивации. Тем не
менее солюбилизация дигитонином позволила выделить части-
цы с активностью ц- и 5-рецепторов и Мг = 600-875 кД; анало-
гичным путем полученные препараты к-рецепторов'имели Мг
= 300-400 кД. В последующем из мембран, солюбилизирован-
ных ультразвуком и тритоном Х=100, удалось выделить аффин-
ной хроматографией и изоэлектрофокусированием частицы с
Мг ~ 60 и 45 кД, причем первые обладали опиоид-связывающей
активностью, которая приближалась к активности нативных
325
рецепторов. 60 кД-молекула оказалась также высокоактивной
фосфатазой, активируемой теми же факторами, которые усили-
вают связывание опиоидов, и изменяющей активность при свя-
зывании последних. Какое функциональное значение имеет эта
энзиматическая активность рецептора — еше предстоит выяс-
нить.
В препаратах опиоидных рецепторов обнаружены также час-
тицы, относящиеся к категории G-белков; это объясняется тем,
что в конечном счете связывание рецепторами опиоидов реа-
лизуется через подавление аденилатциклазы.
Отмечено некоторое подобие в организации расщепления ме-
диатора в опиоидергической и холинергической системах. Появи-
лись указания на тесную ассоциацию с опиоидными рецепто-
рами аминопептидаз, расщепляющих энкефалины.
Сведения о структуре других рецепторов РП пока немного-
численны. Отметим лишь последние данные о рецепторах ВИП.
Из коры больших полушарий крыс выделен белковый компо-
нент этого рецептора с Мг = 46 кД, обладающий высоким срод-
ством к ВИП, значительно меньшим сродством к части родст-
венных пептидов — секретину, соматолиберину и другим — и
полным отсутствием сродства к глюкагону, гастринингибирую-
щему пептиду и холецистокинину-8. Молекула этого белка спо-
собна прочно связывать одну молекулу ВИП.
9.4.1. Внутриклеточные процессы, следующие за
рецепцией регуляторных пептидов
Постсинаптические процессы, возникающие после контакта
РП со своим рецептором, изучаются теми же методами, что и
медиаторы обычного типа. Исследуется действие РП на систе-
мы вторичных мессенджеров: циклических нуклеотидов, ино-
зитолфосфатов и диацилглииерола, концентрацию Са2+ и др.
Имеются данные об активируемых ими протеинкиназах и дру-
гих ключевых ферментах. Выявляются разнообразные объекты
действия протеинкиназ и делаются, наконец, попытки раскрыть
общие последовательности реакций, порождаемых РП.
Большая часть данных о действии РП на системы вторичных
мессенджеров суммирована в табл.9.9. Часть РП индуцирует
образование только одного типа вторичных посредников. Для
сравнения там же представлены аналогичные данные по клас-
сическим нейромедиаторам.
В частности, ВИП уже в концентрациях порядка 10~8М в
десятки раз повышает концентрацию цАМФ. Мощное усиле-
326
Таблица 9.9
Действие регуляторных пептидов на системы вторичных
мессенджеров
Действие на содержание
Пептид цАМФ цГМФ диа- нил- глине- рола и ино- зитол- фосфа- тов Са2+ (независи- мо от сис- тем, ука- занных в пунктах 2-4) Приме- чания
Вазоактивный интестинальный пептид А’ А6 а-ЦНС 6-мозговое ве- щество надпо- чечников
Кортиколиберин А
Нейропептид Y п
Опиодные нейропептиды п
АКТГ Атриопептиды А (П) А А Эффект на цАМФ при 10~11М; эффект на инозитол- фосфаты и дианилглицерол при 10“14— 1(ГИМ
Тиролиберин А
Нейротензин (П) А
Ангиотензин II (П) А А Инактивация медленных Са2+- каналов
Вазопрессин А (V„ V2) A (V2) В некоторых клеточных сис- темах может снижать содер- жание цАМФ
Люлиберин (А) А
327
Продолжение таблицы 9.9
Пептид Действие на содержание Приме- чания
цАМФ цГМФ диа- цил- глице- рола и инози- тол - фосфа- тов Са2+ (независи- мо от сис- тем, ука- занных в пунктах 2-4)
Окситоцин (А) А
Бомбезин А А
Брадикинин (А) А
а -Меланонитстиму- лируюший гормон (А)
Холецистокинин А
Вещество Р А
Дофамин А
Норадреналин, адреналин А (Р-) А (а-)
Ацетилхолин AM AM
Серотонин А А
Гистамин АН, ан2
Аденозин П(А,-р)
Аденозин А(А2-р)
Примечание-. А — активация, П — подавление, (А), (П) — активация или
подавление в части испытанных клеток или тканей, разновидности рецепто-
ров: Vj и V2 — вазопрессина, Н, и Н2 — гистамина, Агр и А2-р — аденозина,
а- и р— норадреналина и адреналина
ние синтеза ГМФ (в тысячи раз при концентрации РП поряд-
ка 10-8М), сопровождающееся его выходом из клеток, появле-
нием в плазме крови и даже в моче, вызывают атриопептиды.
Исключительное или преимущественное действие через гид-
ролиз фосфоинозитидов, образование диацилглицерола и ино-
зитолфосфатов с последующей мобилизацией ионов Са2+ опи-
сано для ТРГ и холецистокинина. Интересна динамика этих
328
процессов. Под действием ТРГ вся цепочка реакций — гидро-
лиз фосфоинозитида мембраны, мобилизация ионов Са2+ —
занимает секунды; концентрация ионов Са2+ в цитозоле воз-
растает с Ю-' до 10~6М уже к 6-8-й секунде после контакта с
ТРГ.
Вместе с тем многие другие РП способны в зависимости от
типа рецепторов изменять содержание как циклических нук-
леотидов, так и продуктов гидролиза фосфоинозитидов. Наи-
более изученный пример такого рода — Vt- и У2-рецепторы
вазопрессина. Активация V1 -рецепторов, связанных с вазопрес-
сорным и гликогенолитическим действием, сопровождается
индукцией диацилглицерола и инозитолфосфатов, активация
У2-рецепторов, определяющих антидиуретически й эффект, —
индукцией синтеза цАМФ.
Подобные, в принципе, отношения установлены в опытах с
ВИП: повышение содержания цАМФ в клетках ЦНС и инози-
толфосфата в адреналовых клетках надпочечников. Еще более
сложной представляется картина действия АКТГ на адренало-
вые клетки надпочечников. Очень малые концентрации АКТГ
— порядка 10“14 — 10-11М — индуцируют диацилглицерол-
инозитолфосфатный путь, а высокие концентрации — синтез
цАМФ. Пока не ясно, связано ли это с наличием вполне само-
стоятельных рецепторов разного типа или с возможностью взаи-
модействия рецепторов АКТГ с различными G-белками. Слож-
ные формы индукции вторичных мессенджеров описаны также
для нейротензина, ангиотензина II, люлиберина и окситоцина.
В особом положении находятся бомбезин и, отчасти, ангиотен-
зин II. Есть основания полагать, что в некоторых клетках они
могут воздействовать на внутриклеточную концентрацию Са2+,
минуя циклазные и фосфоинозитидгидролазные механизмы.
Обратимся теперь к следующему этапу постсинаптических
процессов. Одним из наиболее изученных следствий измене-
ния содержания циклических нуклеотидов, диацилглицерола и
Са2+ является модуляция протеинкиназ. Пока нет оснований
считать, что эти эффекты НП имеют принципиальные отличия
от таковых, обусловленных классическими нейромедиаторами.
Вероятна лишь гораздо большая длительность этих процессов,
так как быстрота распада (или обратного захвата) НП в среднем
значительно меньше, чем у обычных нейромедиаторов. В ре-
зультате активации протеинкиназ происходит фосфорилирова-
ние ряда белков, в том числе мембранных. Эти реакции до-
вольно основательно изучены применительно к вазопрессину,
окситоцину, АКТГ, ТРГ и ряду других НП.
329
Особого внимания заслуживают данные о фосфорилирова-
нии после воздействия вазопрессина и окситоцина мембранно-
го белка нейронов головного мозга F-1 (В-50). Фосфорилиро-
вание F-1 коррелируете процессами запоминания. Минималь-
ные эффективные концентрации вазопрессина и окситоцина
составляют 10-9 — 10-8М, т.е. сопоставимы с существующими
и возникающими in vivo. Большие концентрации — 10-3 —
10-4 М вызывают обратный эффект. Можно было бы с удовле-
творением ассоциировать это явление со способностью вазо-
прессина усиливать консолидацию памяти, предполагая, что
фосфорилирование мембранного белка на более или менее дли-
тельное время изменяет возбудимость мембраны. Однако тако-
му предположению мешает тот факт, что окситоцин, который
по ряду тестов подавляет консолидацию, увеличивает фосфо-
рилирование F-1 в еще большей мере, чем вазопрессин. Сход-
ные эффекты описаны в экспериментах с низкими концентра-
циями АКТГ.
Вазопрессин оказался также активатором (опять-таки посред-
ством индукции фосфорилирования) метилтрансферазы фосфо-
липидов, превращающей фосфатидилэтаноламин в фосфатидил-
холин. Роль этой реакции в модификации мембраны не вызы-
вает сомнений. Кроме вазопрессина, метилтрансферазу фосфо-
липидов активируют также АКТГ, гонадотропин и глюкагон.
Следует отметить относительно большую продолжительность
этих постсинаптических процессов — до одного часа с макси-
мумом на 5-10-й минуте.
НП оказывают глубокое воздействие и на другие уровни ме-
таболизма клеток-мишеней. Установлены разнообразные их
влияния на синтез РНК и белков. Рассматривая эти данные,
следует учитывать несколько возможных механизмов. Во-пер-
вых, объектом фосфорилирования протеинкиназами, “включае-
мыми” при посредстве НП, могут быть белки-регуляторы транс-
ляции и транскрипции. Во-вторых, значительные изменения со-
держания Са2+, да и других ионов, миграция которых возника-
ет в результате модификации мембранных белков, Moiyr поро-
ждать другие процессы, ведущие в конечном счете к измене-
нию скорости транскрипции тех или иных генов или к измене-
ниям скорости трансляции (менее специфичным). В-третьих,
наконец, заслуживает особого внимания установленное недав-
но явление интернализации рецептор-лигандных комплексов и
сведения о наличии в оболочке ядра и в хроматине соедине-
ний, способных специфически связывать НП. Сама по себе ин-
тернализация комплекса лиганд-рецептор рассматривалась ра-
330
нее лишь как одна из возможностей прекращения функций НП
с последующей деградацией НП и рецептора до аминокислот
и, наконец, ресинтеза последнего. Есть, однако, основания по-
лагать, что в этом состоит один из путей передачи сигнала НП
в геном нейрона. Прецедентом является механизм действия сте-
роидных гормонов, которые, легко проходя через липидные
компоненты мембраны, встречаются с белковыми рецепторами
в цитозоле и мигрируют в ядро к хроматину. В случае РП отли-
чие состоит в том, что для преодоления липидных мембран гид-
рофильные молекулы пептидов, связавшись с рецепторами, груп-
пируются и входят в клетку посредством механизма, близкого к
пиноцитозу. В интернализации принимает участие особый бе-
лок — клатрин, формирующий вокруг комплекса сетчатую обо-
лочку.
Хотя пока трудно отдать предпочтение какому-либо из на-
меченных выше механизмов, можно констатировать, что вклю-
чение или повышение активности определенных генов под дейст-
вием нейромедиаторов, особенно НП, представляет собой либо
обязательный, либо очень широко распространенный процесс. Его
вызывают даже медиаторы, действие которых, казалось бы, столь
скоротечно, что должно быть сосредоточено на быстрых синап-
тических реакциях. Ярким примером является активация генов
актина и некоторых протоонкогенов, наступающая в течение
минут после воздействия холинергических агонистов на соот-
ветствующие нейрональные клетки в культуре. Что же касается
НП, то углубленное изучение эффектов каждого из них всегда
приводило к выявлению действия на активность генома. Так,
действие малых НП, являющихся либеринами и статинами ги-
поталамуса, оказалось направленным не только на регуляцию
выхода соответствующих гипофизарных гормонов из депо, но и
на активацию транскрипции генов. Так, ТРГ активирует гены
пролактина, причем эта быстро наступающая реакция оказа-
лась сопряженной с фосфорилированием части ядерных бел-
ков. Активация образования мессенджер-PHК пропиомелано-
кортина возникает под действием кортиколиберина. В свою
очередь, РП — продукты гипофиза — действуют на специфиче-
скую активность генома своих клеток-мишеней. Индуцируемый
кортиколиберином АКТГ стимулирует (через аденилатциклаз-
ную систему) транскрипцию генов гидроксилазы стероидов в
клетках коры надпочечника, а также так называемых белка Е и
белка М (последнего — в митохондриях). В отличие от относи-
тельно быстрых постсинаптических событий, это длительные
процессы: синтез поли-(А)+РНК, кодирующей белок М, зна-
чительно усиливается в течение нескольких суток.
331
Индуцируемый тиролиберином тиротропин в свою очередь
изменяет уровень фосфорилирования белков хроматина клеток
щитовидной железы в транскрипционно активных зонах по-
следнего.
Принципиально важной для понимания функций РП явля-
ется иллюстрированная выше способность этих соединений за-
пускать после взаимодействия с рецептором целую гамму про-
цессов на всех уровнях метаболической иерархии клеток — от
мембраны до генома — с различной продолжительностью — от
минут (долей минуты) до часов. Хотя ряд подобных явлений
отмечен и в исследованиях действия нейромедиаторов обычно-
го типа, пептидные регуляторы имеют важное исходное отли-
чие — более значительную, в общем, продолжительность суще-
ствования (см. раздел 9.4) и, следовательно, возможность более
длительного воздействия на рецепторы. Если РП выступает в
данном синапсе как сопутствующий медиатор, то после его воз-
действия клетка в течение относительно длительного времени
может претерпевать сложные изменения своего состояния. В
частности, может меняться и восприимчивость к сигналам от
разнообразных рецепторов, на ней расположенных (потенциа-
ция синаптической передачи, “проторение” синапсов и др.), и
способность к генерации импульсов и т.д. То, что продолжи-
тельность таких изменений, вызванных РП, может варьировать
от минут до, по крайней мере, суток, и заставляет рассматри-
вать их как один из элементов в механизмах формирования
памяти, да и других сложных форм поведения.
Выводы
1. Нейропептиды — межклеточные передатчики информа-
ции. Они выполняют, нередко одновременно, функции нейро-
медиаторов, нейромодуляторов и дистантных регуляторов.
2. Нейропептиды представляют собой малые и средние по
размеру пептиды, как правило, линейные, содержащие от 2 до
40-50 а.о. Часть нейропептидов модифицирована по концевым
аминокислотам (амидинирование с С-конца, ацетилирование
или циклизация остатка глутамата в пироглутамат и др.). Ино-
гда встречаются и модификации неконцевых аминокислот (пост-
трансляционное формирование дисульфидных связей, D-ала-
нина и др.).
3. Общее число известных нейропептидов измеряется мно-
гими сотнями. Они образуют более 40 семейств.
4. Нейропептиды (вместе с другими регуляторными соеди-
332
нениями) образуют функционально непрерывную систему,
функциональный континуум. Каждый нейропептид обладает
своеобразным комплексом биологических активностей.
5. Нейропептиды синтезируются путем протеолиза больших
пептидов-предшественников в нейронах и сосредоточиваются
в везикулах нервных окончаний. Так они, как правило, сосуще-
ствуют и совместно функционируют с мономолекулярными
нейромедиаторами.
6. Действие нейропептидов реализуется через систему ре-
цепторов “медленного” типа, содержащих G-белки.
7. Срок полураспада большинства нейропептидов в жидко-
стях организма варьирует от минут (для олигопептидов) до ча-
сов (для пептидов среднего размера).
8. Существует сложная иерархическая система, в которой одни
нейропептиды индуцируют или подавляют выход других ней-
ропептидов. При этом сами нейропептиды-индукторы облада-
ют, кроме того, способностью непосредственно вызывать ряд
биохимических и физиологических эффектов.
333
Глава 10
Постсинаптическая трансформация сигнала.
Вторичные посредники. G-белки и протеинкиназы
нервной ткани
А.Е.Антипенко
Как уже показано в гл.7-9, активность нервных окончаний
регулируется двумя экзогенными факторами — изменением мем-
бранного потенциала и прямым взаимодействием медиаторов
нервных импульсов с рецепторами. В результате этих событий
меняется цитоплазматический уровень по меньшей мере вто-
ричных посредников — Са2+, цАМФ, цГМФ, инозитолтрифос-
фата (возможно, и инозитолтетрафосфата) и диацилглицерина,
что приводит к активации соответствующих пулов протеинки-
наз: цАМФ-зависимых протеинкиназ (А-киназы); цГМФ-зави-
симых протеинкиназ (G-киназы); Са-кальмодулин [(КМ)-за-
висимых протеинкиназ (В-киназы)] и Са-фосфолипид-зависи-
мых протеинкиназ (С-киназы). Активация протеинкиназ обу-
словливает фосфорилирование регуляторных белков-мишеней в
клетках нервной системы и тем самым модулирует функциональ-
ную активность этих клеток.
Определяющий вклад в проблему внутриклеточной регуля-
ции был сделан в 50-60-е годы Э.Сазерлендом, сформулировав-
шим представление о роли циклических нуклеотидов как вто-
ричных посредников, накапливающихся в клетке в ответ на ней-
ромедиаторный или гормональный стимул (первичный посред-
ник) и осуществляющих связь между рецепторами и исполни-
тельными системами. В результате дальнейшего развития этих
исследований оказалось, что циклический аденозинмонофос-
фат (цАМФ) регулирует обмен белков, углеводов, липидов и
нуклеиновых кислот, влияет на проницаемость мембран, элек-
трическую, сократительную и секреторную функции клеток,
дифференцировку и пролиферацию. Установлена роль фосфо-
рилирования белков как основного пути действия этого нук-
леотида на клетки животных. Найдена связь между содержани-
ем циклических нуклеотидов и характером протекания некото-
рых патологических процессов в тканях. Описано участие цАМФ
и цГМФ в проявлении действия многих лекарственных препа-
ратов на организм. Спустя лишь 10-15 лет после открытия, сде-
ланного Э.Сазерлендом, представления о роли и механизме дей-
334
ствия циклических нуклеотидов оказались неотделимыми от
современной биохимии, физиологии и медицины.
Задача настоящей главы состоит в сравнительно детальном
рассмотрении постсинаптических механизмов. При этом ино-
гда повторяются материалы глав 7-9, но уже на более высоком
уровне сложности.
10.1. пАМФ-ЗАВИСИМОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
10.1.1. Аденилатциклаза, ее активация
Синтез в клетке цАМФ из АТФ осуществляет аденилатцик-
лаза. Фермент обнаружен практически во всех тканях млекопи-
тающих. Максимальная активность аденилатциклазы выявлена
в мозге, далее в порядке убывания активности фермента ткани
можно распределить следующим образом: селезенка, скелетные
мышцы, сердце, легкие, почка, печень, жировая ткань. Адени-
латциклаза локализована почти исключительно в плазматиче-
ских мембранах, хотя есть сообщения о присутствии фермента
в митохондриальной и микросомальной фракциях.
Аденилатциклаза представляет собой мультимолекулярный
комплекс, состоящий из рецепторного (расположенного на на-
ружной поверхности клеточной мембраны) и каталитического
(на внутренней стороне мембраны) компонентов. Ответ клетки
на действие гормона или биологически активного вещества за-
висит от концентрации рецепторов на поверхности мембраны
и степени сопряжения рецепторов с аденилатциклазой. В по-
следнем случае в роли сопрягающего компонента выступают
G-белки, обладающие как ГТФ-связывающей, так и ГТФ-гид-
ролизующей активностью.
Рецептия с участием G-белков (см. также гл.8) отличается от
других известных систем трансформации внеклеточного сигна-
ла. Все эти системы включают рецептор — дискриминатор сиг-
нала, с высокой специфичностью и чувствительностью “сни-
мающий” внеклеточный сигнал с наружной мембраны. Рецеп-
тор может находиться внутри клетки — в том случае, если эф-
фекторы являются липофильными молекулами, легко проникаю-
щими через мембрану (например стероидные гормоны). Рецеп-
торы для водорастворимых эффекторов встроены в наружную
мембрану, эти рецепторы могут быть ферментами (тирозинки-
назы); другой тип мембрановстроенных рецепторов сопряжен с
335
ионными каналами. Наконец, рецепторы, которым не прису-
щи свойства ни канала, ни фермента, сопряжены с фермента-
ми-исполнителями с помощью G-белков.
Регуляцию аденилатциклазной системы с участием G-бел-
ков можно представить следующим образом. В системе есть два
белка, состоящих из субъединиц а, р и у и названных Gs (сти-
мулирующий) и Gj (ингибирующий), р- у-субъединицы в отли-
чие от а-субъединиц практически идентичны во всех изучен-
ных G-белках, а-субъединица содержит участок связывания с
гуаниловыми нуклеотидами и обладает ГТФазной активностью.
Каждый из G-белков связан (не ковалентно!) со своим рецеп-
тором. При образовании комплекса агонист-рецептор происхо-
дит активация G-белка путем замены в нуклеотидсвязывающем
центре ГДФ на ГТФ. При этом изменяется конформация а-
субъединицы, что обусловливает ее диссоциацию от комплекса
Ру. Для диссоциации необходим Mg2+. Активированная а-субъ-
единица Gj ингибирует активность аденилатциклазы, в то вре-
мя как активированная Gs — стимулирует ее.
Очевидно, почти идентичные по структуре комплексы Ру мо-
гут ингибировать аденилатциклазу непрямым способом, а имен-
но, путем связывания с а-субъединицей Gs, таким образом “вы-
ключая” ее способность стимулировать фермент. Действитель-
но, во многих исследованных тканях, в том числе в нервной,
концентрация Gj значительно выше, чем Gs. Следовательно,
возможно высвобождение достаточного количества комплекса
Ру из Gj для соединения со всеми а-субъединицами Gs. Сопря-
гающий эффект G-белков прекращается медленным гидроли-
зом связанного ГТФ до ГДФ. G-белки могут быть снова акти-
вированы при связывании рецептора с “сигнальной” молеку-
лой.
Установлено, что рецепторы многих гормонов собраны в груп-
пы, кластеры и малоподвижны в мембране. Поэтому при акти-
вации кластера, состоящего из рецепторов одного типа, проис-
ходит стимулирование аденилатциклазы и увеличение уровня
цАМФ в ограниченном районе клетки. Это ведет к повышению
протеинкиназной активности и фосфорилированию субстратов
только в данной зоне клетки, в данном компартменте. Компар-
тментализация цАМФ и А-киназы установлена во многих ти-
пах клеток: например, стимуляция сердца как с помощью кате-
холаминов, так и простагландина Ej приводит к увеличению
уровня цАМФ и активации протеинкиназы А. Однако катехо-
ламины и простагландин Ej оказывают различное влияние на
фосфорилирование фосфорилазы гликогена. Видимо, рецепто-
336
ры катехоламинов и простагландина и соответствующие пост-
синаптические системы расположены в разных компартментах
клетки.
10.1.2. Протеинкиназа
Через 10 лет после открытия Сазерлендом цАМФ была об-
наружена цАМФ-зависимая протеинкиназа, значительно повы-
шающая скорость фосфорилирования субстратов в присутст-
вии цАМФ. Реакция протеинфосфорилирования выглядит сле-
дующим образом:
протеинкиназа
Белок — ОН + АТФ---------> Белок -О- РО3Н2 + АДФ
Гидроксильная группа белка, акцептирующая терминальный
фосфат АТФ, почти всегда принадлежит серину, реже — трео-
нину и тирозину. Фосфосериновые остатки в белках существен-
но ионизированы при физиологических значениях pH, поэто-
му фосфорилирование или дефосфорилирование серина резко
меняет заряд белковых молекул. После открытия протеинкина-
зы А стало ясно, что реакции фосфорилирования — дефосфо-
рилирования опосредуют действие многих гормонов и нейро-
медиаторов, которые через 0-адренергическую рецептию акти-
вируют аденилатциклазу и приводят к повышению внутрикле-
точного уровня цАМФ.
Протеинкиназа А обнаружена во всех нормальных клетках
млекопитающих, а также в некоторых типах клеток немлеко-
питающих. Высоким уровнем протеинкиназы А отличается мозг,
где фермент распределен равномерно по всем отделам. Для про-
явления активности фермента необходимы ионы магния. Так, из
легких кролика выделен стимулирующий модулятор протеин-
киназы, связывающий магний и названный “магмодулином”.
Протеинкиназа А — тетрамер, построенный из двух различ-
ных субъединиц: регуляторной (Р), связывающей цАМФ, и ка-
талитической (К), осуществляющей фосфотрансферазную ре-
акцию; будучи соединены вместе, они образуют неактивный
комплекс (холофермент). При активации происходит связыва-
ние цАМФ Р-субъединицей холофермента, после чего возмож-
на диссоциация Р от К-субъединицы. Свободная К-субъедини-
ца способна катализировать фосфорилирование различных кле-
точных белков:
Р2К2 + 4цАМФ Р2нАМФ4 + 2К
337
Таким образом, в активном состоянии протеинкиназа А
представляет димер Р-субъединиц, связанный с 4 молями цАМФ,
и 2 свободные К-субъединицы.
Скорость обратной реакции обусловлена не только спонтан-
ной диссоциацией комплексов Р— цАМФ, но и концентрацией
К-субъединиц, так как последние высвобождают связанный
цАМФ путем рекомбинации с комплексом Р— цАМФ. Этот
своеобразный “ретрокооперативный” эффект К-субъединицы,
названный так Свилленсом и Дюмоном (1976), ведет к времен-
ному увеличению концентрации цАМФ, требуемой для актива-
ции протеинкиназы. В период стимуляции системы уровень К-
субъединиц резко падает.
Существование эквивалентных количеств каталитических и
регуляторных субъединиц цАМФ-зависимой протеинкиназы во
многих тканях привело к представлению о том, что единствен-
ная функция регуляторной субъединицы —контроль протеин-
киназной активности. Однако регуляторная субъединица мо-
жет существовать отдельно от каталитической в некоторых ти-
пах клеток, например в клетках нейробластомы. Это указывает
на возможность проявления биологического действия регуля-
торной субъединицы независимо от каталитической. Далее бу-
дет рассмотрена такая возможность на примере изменения про-
ницаемости мембран нейронов для Na+ и К в присутствии Р-
субъединицы. Надо также иметь в виду, что цАМФ-связываю-
щие белки, не ассоциированные с протеинкиназой, могут регу-
лировать активность последней путем модулирования уровня
свободного циклического нуклеотида, способного присоединять-
ся к протеинкиназе.
Отметим далее, что свободные Р-субъединицы ингибируют
фосфодиэстеразу цАМФ, что может приводить к увеличению
уровня этого нуклеотида в клетке. Установлено также, что сво-
бодные Р-субъединицы протеинкиназы типа А в отличие от хо-
лофермента киназы и ее К-субъединицы ингибируют фосфо-
протеинфосфатазы нескольких типов. Ингибирование обуслов-
лено снижением скорости катализа без изменения сродства к
энзиму. Очевидна физиологическая значимость такого ингиби-
рования, так как в этом случае диссоциация А-киназы может
способствовать не только стимулированию фосфорилирующей
активности (высвобождению свободной К-субъединицы), но и
ингибированию дефосфорилирования субстратов (появлению
свободных Р I и Р II субъединиц).
Протеинкиназа А существует в форме двух изоферментов,
относительное количество которых варьирует в разных тканях.
338
Изоферменты были названы киназами I и И. Они имеют раз-
личные скорости диссоциации в присутствии гистона и раство-
ров NaCl и реассоциации после удаления цАМФ. Так, киназа I
типа быстро диссоциирует в присутствии гистона или 0,5 М
NaCl и медленно реассоциирует после удаления цАМФ; напро-
тив, киназа II типа медленно диссоциирует в присутствии ука-
занных агентов и быстро реассоциирует после удаления цАМФ.
Каталитические субъединицы киназ I и II типа имеют моле-
кулярную массу 40 кД и минимальные различия в аминокис-
лотном составе. Напротив, регуляторные субъединицы киназ I и
II типа значительно отличаются по первичной структуре. Веро-
ятно, субъединица Р I типа — 49 кД — является протеолитиче-
ским фрагментом Р II типа с молекулярной массой 55 кД. Один
из сериновых остатков Р-субъединицы II типа фосфорилирует-
ся каталитической субъединицей цАМФ-зависимой протеин-
киназы. Очищенная же Р-субъединица I типа не фосфорилиру-
ется каталитической субъединицей цАМФ-зависимой протеин-
киназы. Другим отличием киназы I типа от II типа является то,
что только первый фермент связывает Mg-АТФ с высоким срод-
ством.
цАМФ-зависимые протеинкиназы локализованы в основном
в цитозольной фракции клеток. Однако в мозге, например, зна-
чительная часть киназы II типа (40-50%) является мембранно-
связанной. Очевидно, субклеточная локализация и соотноше-
ние киназ I и II типа могут обусловливать специфику действия
цАМФ в клетке. Отношение киназы I типа к киназе II типа
варьирует в различных органах и в различных фазах клеточного
цикла.
При исследовании локализации фосфорилирующих систем
в ЦНС установлено, что цАМФ-зависимая система избиратель-
но сконцентрирована в нейронах, особенно в дендритах, а не в
глии. Мозг крысы содержит как I, так и и II форму протеинки-
назы А при соотношении этих форм Г.4 соответственно. Высо-
кое содержание А-киназы II типа по сравнению с ферментом I
типа вообще характерно для нервной ткани. Недавно установ-
лена гетерогенность Р-субъединиц А-киназы II типа. При этом
в мозге выявлена собственная, специфичная Р П-субъединица,
отличная по иммунохимическим свойствам от Р-субъединиц II
типа в других тканях. Р II мозга отличается от Р II мышц по
характеру взаимодействия с К-субъединицей, а также по элек-
трофоретической подвижности аутофосфорилированных форм.
Показано, что фракция Р-субъединиц II типа мозга взаимодей-
ствует с Са2+ и кальмодулином. Необычные свойства Р П-субъ-
339
единицы мозга могут являться следствием адаптации нервных
клеток к специфической функции передачи и хранения информа-
ции.
Ассоциации А-киназы II типа мозга с мембранной фракци-
ей клеток обусловлены только Р-субъединицей. цАМФ при дис-
социации холофермента высвобождает из мембранно-связан-
ного состояния только К-субъединицу; таким образом, компарт-
ментализация К-субъединицы изменяется при активации А-кина-
зы. Молекула этой субъединицы гидрофильна, поэтому диссо-
циация мембранно-связанной А-киназы II типа приводит к
транслокации каталитической субъединицы в цитоплазму и да-
лее в ядро. Предполагается, что такая транслокация может обу-
словливать цАМФ-зависимое изменение экспрессии генов в
нейронах, наибольшая концентрация Р-субъединиц А-киназы
II типа обнаружена в пре- и постсинаптической мембранах, что
свидетельствует о важной роли этой киназы в синаптической
передаче.
Различия между регуляторными субъединицами А-киназы II
типа нервной и других тканей проявляются также и во взаимо-
действии этих субъединиц с субстратами киназы. Так, для Р-
субъединицы II типа из мозга характерно тесное взаимодейст-
вие с МАР-2 — нейроспецифическим белком, локализованным
в отростках нейронов, кальцинейрином и другими белками.
Такое взаимодействие Р II с субстратами А-киназы может при-
водить, с одной стороны, к локализации А-киназы II типа около
специфических субстратов и, соответственно, в определенных
внутриклеточных компартментах, что, очевидно, имеет важное
физиологическое значение. С другой стороны, кроме связыва-
ния К-субъединицы Р-субъединица II типа нервной ткани мо-
жет участвовать в регуляции функционирования других белков.
Регуляция активности протеинкиназы А осуществляется не-
сколькими путями. Так, во многих тканях, в том числе и нерв-
ной, обнаружен низкомолекулярный термостабильный ингиби-
тор киназы. Ингибитор связывается со свободной К-субъеди-
ницей и угнетает ее ферментативную активность. Вероятно, фи-
зиологическая роль ингибитора состоит в блокаде фосфорили-
рующей активности при “базальном”, т е. нестимулируемом уровне
цАМФ. В мозге наблюдается изменение концентрации ингиби-
тора в ответ на некоторые гормональные сигналы, что может
иметь определенное значение в долговременной регуляции ак-
тивности А-киназы. Регуляция активности киназы II типа осу-
ществляется также аутофосфорилированием ее Р-субъединицы;
это ведет к повышению активности фермента, что обусловлено
340
уменьшенной скоростью реассоциации фосфорилированной Р
со свободной К-субъединицей. Киназа I типа также может быть
фосфорилирована, но фосфорилирование ее Р-субъединицы осу-
ществляется цГМФ-зависимой протеинкиназой. Установлено ау-
тофосфорилирование К-субъединицы, однако функциональное
значение этого процесса неизвестно.
Возможно, что фосфорилирование с помощью свободной К-
субъединицы А-киназы и соответствующая активация фосфо-
протеинфосфатазного ингибитора I, приводящая к снижению
активности фосфопротеинфосфатазы I, уменьшает дефосфори-
лирование комплекса P-цАМФ и, следовательно, способствует
диссоциации киназы II типа по принципу положительной обрат-
ной связи. Такое событие наряду с компартментализацией цАМФ
в клетке может способствовать эффективной активации цАМФ-
зависимой киназы при незначительном увеличении внутрикле-
точного уровня цАМФ.
цАМФ-зависимое фосфорилирование белков нервных окон-
чаний оказывает существенное влияние на синаптическую пе-
редачу. Так, установлено, что мутации у дрозофил, изменяю-
щие метаболизм цАМФ, приводят к плейотропным нарушени-
ям механизма обучения. У моллюска аплизии серотонинерги-
ческая синаптическая передача усиливается инъекцией цАМФ
в нейрон или инкубацией ганглия с блокаторами фосфодиэсте-
разы. Так как известно, что входящий ток кальция является
непременным посредником в осуществлении синаптического
действия, полагают, что серотонин усиливает такой ток посред-
ством повышения внутриклеточного уровня цАМФ и активно-
сти А-киназы. Прямые доказательства осуществления этого ме-
ханизма получены в экспериментах, где отмечено увеличение
Са-проводимости нейронов улитки при инъекции в них К-субъ-
единицы А-киназы. Блокаторы протеинкиназы А оказывают
противоположный эффект —быстрое снижение Са-проводимо-
сти.
Повышение уровня ионизированного Са2+ внутри клетки при
открывании Са-каналов может способствовать снижению в ней
содержания цАМФ за счет активации Са — КМ-зависимой фос-
фодиэстеразы и по принципу отрицательной обратной связи
приводить к переходу Са-каналов в неактивное состояние. Вве-
дение в нейрон теофиллина (блокатора фосфодиэстеразы) за-
медляет процесс ослабления Са-проводимости. Таким же влия-
нием на кальциевую проводимость обладают ингибиторы каль-
модулина, например трифтазин.
Таким образом, функционирование Са-каналов прямо ре-
341
гулируется протеинкиназой А, осуществляющей фосфорилиро-
вание их белковых компонентов, а также опосредованно кон-
тролируется гормонами, медиаторами и другими факторами, вы-
зывающими или активацию аденилатциклазы (через 0-адрено-
рецепторы), или ее ингибирование (через а-адрено-, р-холино-
и некоторые другие рецепторы). При нарушении фосфорили-
рования каналы быстро теряют способность активироваться под
действием изменения трансмембранного электгрического поля
(возможно, в связи с активацией специфических протеинфос-
фатаз). В течение некоторого времени это состояние является
обратимым и фосфорилирование снова переводит каналы в ра-
бочее состояние либо изменяя кинетику их активации, либо
включая ранее неактивные каналы. При длительном наруше-
нии цАМФ-зависимого фосфорилирования каналы подверга-
ются необратимым изменениям.
Дополнительный путь для токов Са2+ внутрь клетки могут
образовывать хемоуправляемые каналы, непосредственно акти-
вируемые медиаторными веществами в ответ на их взаимодей-
ствие с рецепторами. В отличие от электроуправляемых Са-ка-
налов время жизни этих каналов существенно больше, однако
относительное количество ионов, переносимых через хемоуправ-
ляемые каналы, вероятно, невелико по сравнению с электро-
управляемым путем. По ряду данных хемоуправляемые каналы
полностью инактивируются при увеличении внутриклеточного
содержания цАМФ.
Заслуживает также рассмотрения участие цАМФ в К- и Na-
проводимости мембраны.
Известно, что болевое раздражение усиливает рефлекс втягивания жабры у
моллюска аплизии за счет модуляции секреции передатчиков сенсорными ней-
ронами. Повышение чувствительности происходит за счет снижения К-прово-
димости и соответствующего увеличения продолжительности потенциала дей-
ствия, в результате чего усиливаются Са-рефлекс и экзоцитоз. Болевое раздра-
жение вызывает выделение серотонина “облегчающим” нейроном в оконча-
ниях сенсорных нейронов. Серотонин, в свою очередь, увеличивает синтез
цАМФ, активность протеинкиназы А и степень фосфорилирования белка, тесно
связанного с К-каналом. В результате происходит закрытие канала. Блокада
К-каналов приводит к тому, что приходящий в нервное окончание потенциал
действия спадает медленно: “продленные” потенциалы действия удерживают
потенциал-зависимые Са-каналы в открытом состоянии, вследствие чего при-
ток ионов Са возрастает. Это, в свою очередь, ведет к опорожнению большего
числа синаптических пузырьков. К блокаде К-каналов приводит также добав-
ление АТФ и К-субъединины протеинкиназы А в мембранные препараты ней-
ронов; добавление протеинфосфатазы обусловливает открывание К-каналов.
Электрозависимые Na-каналы ответственны за формирование потенциала
действия в возбудимых мембранах. Установлено, что в синаптосомах мозга а-
субъединица Na-каналов (молекулярная масса 260 кД), играющая централь-
ную роль в функционировании этих каналов, фосфорилируется как эндоген-
342
ной, так и экзогенной протеинкиназой А. Фосфорилирование приводит к ин-
гибированию активированного нейротоксинами входящего Na-тока. Таким
образом, активность Са-каналов, К-каналов и Na-каналов нейронов модули-
руется под действием протеинкиназы А и/или через изменение скорости их де-
фосфорилирования протеинфосфатазами.
Отметим, что протеинкиназа А в нервной ткани регулирует
также чувствительность p-адренорецепторов к агонистам. Так,
десенситизация этих рецепторов (потеря чувствительности к гор-
монам) коррелирует с их цАМФ-зависимым фосфорилирова-
нием. Установлена также регуляция А-киназой биосинтеза са-
мих р-агонистов. Эта регуляция осуществляется с помощью
цАМФ-зависимого фосфорилирования тирозингидроксилазы —
узлового фермента биосинтеза катехоламинов. Такое фосфори-
лирование может быть составной частью механизма ускорения
биосинтеза катехоламинов в ответ на нервный импульс или сек-
рецию нейромедиаторов в нервной ткани в условиях in vivo.
В заключение этого раздела остановимся на роли цАМФ и
еще одного вторичного посредника — 2', 5'-олигоаденилата (2-
5 А) в регуляции пролиферации и дифференцировки нервных
клеток. 2-5А — это олигонуклеотид, состоящий из нескольких
(обычно трех или четырех) остатков АМФ, связанных 2', 5'-
фосфодиэфирной связью. В клетке существуют 2 фермента,
обеспечивающие определенный уровень 2-5А. Олиго(А) синте-
таза — фермент биосинтеза 2-5А, активен лишь в присутствии
двуспиральной РНК; молекулярная масса — 100-105 кД. 2'-
Фосфодиэстераза гидролизует 2-5А до АМФ и АТФ, молеку-
лярная масса этого фермента около 40 кД.
Чтобы оценить биохимическое и физиологическое значение
процессов образования 2-5А, необходимо остановиться на ме-
ханизмах подавляющего влияния цАМФ на пролиферативный
статус нервных клеток (в качестве модели использовали клетки
PC-12). Так, действие ряда факторов, в частности фактора рос-
та нервов, а также повышение уровня цАМФ, вызванное тео-
филлином или дибугирил-цАМФ, приводит к остановке деле-
ния и дифференцировке этих клеток. Действие теофиллина (ин-
гибитора фосфодиэстеразы цАМФ) в отличие от фактора роста
нервов или дибутирильного аналога цАМФ носит кратковре-
менный характер (наибольшее число клеток с нейритами на-
блюдается через сутки). Повышение концентрации цАМФ в
результате ингибирования фосфодиэстеразы под действием тео-
филлина, как и в случае фактора роста нервов и'дибутирил-
цАМФ, приводит к блокаде активного деления и дифференци-
ровке нервных клеток. Однако в дальнейшем падение активно-
сти фосфодиэстеразы, обусловленное теофиллином, и соответ-
343
ствующее увеличение уровня цАМФ компенсируется индукци-
ей биосинтеза этого фермента. Именно этим и объясняется крат-
ковременное действие теофиллина.
Повышение уровня цАМФ в нервных клетках (так же, как и
в клетках некоторых других типов), вызванное действием фак-
торов, непосредственно влияющих на аденилатциклазную сис-
тему (адреналин, теофиллин и др.), сопровождается более чем
10-кратным увеличением концентрации 2-5А. Установлено, что
рост уровня олиго(А) синтетазы и концентрации 2-5А наблюда-
ется при дифференцировке клеток и замедлении клеточного деле-
ния.
Исследование биологических свойств 2—5А показало, что
этот олигонуклеид способен обратимо активировать специфи-
ческую латентную нуклеазу (РНКазу L), ускорять гидролиз РНК
и, таким образом, ингибировать синтез белка in vivo и тормо-
зить процесс размножения клеток. Следовательно, повышение
уровня 2-5А и изменение концентрации цАМФ является ча-
стью универсального механизма регуляции клеточного деления.
К настоящему времени установлены два взаимодополняющих
процесса, с помощью которых осуществляются эти регулятор-
ные реакции. С одной стороны, стимуляция А-киназы при по-
вышении уровня цАМФ (и/или уменьшение активности тер-
мостабильного ингибитора А-киназы) приводит к фосфорили-
рованию белка сМг= 18 кД. Этот белок в виде фосфоформы
является ингибитором активности 2'-фосфодиэстеразы — фер-
мента гидролиза 2-5А*. С другой стороны, повышение концен-
трации цАМФ внутри клетки вызывает индукцию олиго(А) син-
тетазы, осуществляющей синтез 2-5А (вероятно, за счет транс-
локации Р-субъединицы А-киназы в ядро и активации специ-
фических генов).
Совокупность этих событий приводит к устойчивому повы-
шению уровня 2-5А и связанному с этим переходу нервных кле-
ток в состояние покоя. По-видимому, именно таким образом
осуществляется ярко выраженный антипролиферативный эф-
фект цАМФ, вызванный действием этого вторичного посред-
ника на систему метаболизма 2-5А. При этом взаимное влия-
ние уровней цАМФ и 2-5А основано на механизме отрицатель-
* Сходный механизм регуляции активности доказан для протеи нфосфата-
зы I. Ингибитор этой фосфатазы, как упоминалось, также фосфорилируется и,
соответственно, активируется с помошью А-киназы. Интересно, что молеку-
лярная масса ингибитора фосфопротеинфосфатазы I также 18 кД. Таким обра-
зом, можно полагать, что механизм цАМФ-зависимой регуляции гидролиза 2-
5А не является уникальным. Вероятно, подобным образом регулируется ак-
тивность и других ферментов.
344
ной обратной связи. Так, установлено, что подъем уровня 2-5А,
обусловленный увеличением внутриклеточной концентрации
цАМФ по указанным механизмам, в свою очередь, способству-
ет активации фосфодиэстеразы цАМФ. В результате происхо-
дит снижение уровня цАМФ и прекращение роста концентра-
ции 2-5А, который является в этом случае вторичным (по отно-
шению к цАМФ) посредником в проявлении антипролифера-
тивного действия цАМФ.
10.1.3. Фосфодиэстераза
В прекращении сигнала цАМФ участвуют фосфодиэстераза,
гидролизующая этот нуклеотид до АМФ. В противоположность
аденилатциклазе фосфодиэстераза — преимущественно раство-
римый фермент. В то же время активность фермента обнаруже-
на во фракциях саркоплазматического ретикулума, митохонд-
рий и ядер.
Циклонуклеотидактивируемая фосфодиэстераза гидролизу-
ет как цАМФ, так и цГМФ, при этом под действием цГМФ
ускоряется гидролиз цАМФ и наоборот, что свидетельствует о
положительной кооперативности двух активных центров. Несо-
мненна роль фермента в проведении нервного импульса: так, в
постсинаптической мембране нервной ткани обнаружен необы-
чайно высокий уровень фосфодиэстеразы цГМФ.
Для фосфодиэстеразы характерно наличие множественных
форм. Эти формы различаются как по молекулярной массе, так
и по сродству к одному и тому же и к различным циклическим
нуклеотидам. В целом, сродство к циклическим нуклеотидам у
фосфодиэстераз в 100-1000 раз ниже, чем у протеинкиназ А и
G, поэтому при ускорении синтеза нуклеотидов сначала проис-
ходит насыщение циклическими нуклеотидами регуляторных
центров киназ и лишь затем —гидролиз цАМФ и цГМФ фос-
фод иэстеразами.
В мозге содержатся Са-кальмодулинрегулируемые формы как
цАМФ-синтезируюшего (аденилатциклаза), так и цАМФ-гид-
ролизующего (фосфодиэстераза) ферментов. Са-кальмодулин-
зависимая фосфодиэстераза представляет собой гомодимер, со-
стоящий из субъединиц с различной молекулярной, массой у
разных изоформ фермента. Ограниченный протеолиз субъеди-
ницы 60 кД приводит к появлению фрагмента с Мг = 36 кД и
необратимой активации фосфодиэстеразы. Фрагмент 36 кД бо-
лее не активируется кальмодулином. Следовательно, субъеди-
ницы фосфодиэстеразы включают 2 фрагмента: каталитический
345
и регуляторный (связывающий кальмодулин).
Анализ регуляторных свойств фосфодиэстеразы в нервной
ткани свидетельствует о тесном сопряжении между цАМФ- и
Са-зависимыми системами внутриклеточной сигнализации; это
сопряжение может модулироваться с помощью изоферментов
фосфодиэстеразы. Так, в мозге быка найдены 2 изоформы Са-
КМ-зависимой фосфодиэстеразы, состоящей из субъединиц с
Мг - 60 и 63 кД. Изофермент с субъединицами 60 кД может
быть фосфорилирован цАМФ-зависимой протеинкиназой, что
приводит к уменьшению сродства фосфодиэстеразы к кальмо-
дулину. Дефосфорилирование этого изофермента осуществляет
Са-КМ-стимулируемая протеинфосфатаза; при этом восстанав-
ливается чувствительность фосфодиэстеразы к кальмодулину.
В отличие от изофермента с субъединицами 60 кД фосфори-
лирование изоформы фосфодиэстеразы с субъединицами 63 кД
осуществляется Са-КМ-зависимыми протеинкиназами. Это фос-
форилирование также приводит к потере чувствительности фос-
фодиэстеразы к кальмодулину и “обращается” Са-КМ-стиму-
лируемой протеинфосфатазой с восстановлением чувствитель-
ности фосфодиэстеразы к КМ. Очевидно, такой механизм ре-
гуляции фосфодиэстеразы реализуется в мозге in vivo, несмотря
на очень высокую (>10 мкМ), “насыщающую” концентрацию в
нем КМ. Фосфорирование снижает сродство фермента к КМ и
обусловливает зависимость его активности от физиологических
концентраций Са2+.
В нервной ткани, таким образом, существует тесная взаи-
мосвязь между двумя системами вторичных посредников, Са2+
и цАМФ, осуществляемая посредством цАМФ- и Са-зависимо-
го фосфорилирования-дефосфорилирования различных изофер-
ментов фосфодиэстеразы цАМФ. Эта взаимосвязь может моду-
лироваться также различным сродством к Са2+ аденилатцикла-
зы, фосфодиэстеразы, протеинкиназы и фосфатазы. Так, аде-
нилатциклаза мозга активируется гораздо более низкими кон-
центрациями Са2+, чем фосфодиэстераза.
Кроме циклических нуклеотидов, Са2+ и ограниченного про-
теолиза фосфодиэстеразу активируют также полианионы, фос-
фолипиды, жирные кислоты. Ингибиторами или активаторами
фермента являются многочисленные фармакологические веще-
ства. Фосфодиэстераза является более “удобной” мишенью для
действия лекарственных препаратов, чем аденилатциклаза, так
как менее специфична в отношении эффекторных влияний (нет
сложного настраиваемого рецепторного аппарата). Мощными
ингибиторами фосфодиэстеразы являются производные ксанти-
346
нов — ингибирование осуществляется блокадой аллостериче-
ского центра связывания нуклеотидов.
10.2. иГМФ-ЗАВИСИМОЕ ПРОТЕИНФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.
ПРОТЕИНКИНАЗА G
Вскоре после открытия цАМФ-зависимых протенкиназ был
обнаружен еще один класс циклонуклеотид-зависимых фосфо-
рилирующих ферментов, стимулируемых с помощью цГМФ, —
протеинкиназы G. В тканях млекопитающих содержание проте-
инкиназ G весьма невелико (1-2% от общей протеинкиназной
активности). Наиболее высок уровень активности и содержа-
ния протеинкиназ G в мозжечке, сердечной мышце и легких,
эти же ткани содержат и наибольшее количество цГМФ, не
превышающее, впрочем, 10% от содержания в них цАМФ. Ос-
новное количество протеинкиназы G обнаружено в цитозоле,
некоторая часть фермента связана с цитоплазматическими мем-
бранами и ядерной фракцией.
Фермент состоит из двух примерно идентичных субъединиц
(74 кД), каждая из которых имеет каталитическую активность и
способна связывать циклический нуклеотид. Ограниченным про-
теолизом можно перевести димер в мономеры и затем разде-
лить каждую субъединицу на цГМФ-связывающий и каталити-
ческий фрагменты. Эти исследования наряду с выявленной го-
мологией между протеинкиназой G и протеинкиназой А II типа
по субстратной специфичности, аминокислотной последователь-
ности, способности к аутофосфорилированию, иммунологиче-
ским свойствам привели к представлению о том, что цАМФ и
цГМФ-зависимые протеинкиназы эволюционировали от общего
гена, кодирующего одну полипептидную цепь. В процессе раз-
вития цАМФ-зависимый фермент стал синтезироваться в виде
разобщенных компонентов, тогда как цГМФ-зависимая проте-
инкиназа синтезируется как одна цепь.
В отличие от каталитической субъединицы протеинкиназы
А, способной высвобождаться во время активации фермента,
внутриклеточное перемещение “недиссоциированной” проте-
инкиназы G может быть затруднен. На основании аминокис-
лотного анализа протеинкиназы G было установлено, что одна
субъединица фермента содержит два центра связывания нук-
леотида.
Регуляторная N-концевая половина молекулы протеинкиназы
G сходна с семейством цАМФ-связывающих белков (Р субъе-
диницей протеинкиназы А), в то время как каталитическая С-
347
концевая половина родственна группе киназ с различной спе-
цифичностью. Протеинкиназа G способна к аутофосфорилиро-
ванию из расчета 2 моля фосфата на 1 моль холофермента. Ау-
тофосфорилирование не изменяет сродства к цГМФ и незна-
чительно повышает VMaKC фосфотрансферазной реакции, но за-
метно увеличивает сродство протеинкиназы G к цАМФ. Таким
образом, аутофосфорилирование может обусловливать регуля-
цию протеинкиназы G не только с помощью цГМФ, но и цАМФ.
Протеинкиназа G фосфорилирует, вероятно, те же амино-
кислотные остатки в молекуле субстрата, что и протеинкиназа
А, но с гораздо меньшей скоростью. Различная скорость фосфо-
рилирования протеинкиназ А и G может являться основой их
субстратной специфичности.
Как упоминалось, наибольшее содержание протеинкиназы
G в нервной ткани отмечено в мозжечке (в 30-40 раз выше, чем
в других отделах мозга). В свою очередь, в этом отделе мозга
фермент локализован в клетках Пуркинье. Найдена корреля-
ция между увеличением содержания G-киназ в цитоплазме кле-
ток Пуркинье, началом роста дендритов и установлением си-
наптических контактов в клетках Пуркинье и подобных им суб-
кортикальных клетках, что может свидетельствовать в пользу
безусловной значимости цГМФ-зависимого фосфорилирования
для нейрональной дифференцировки этих клеток. В клетках
Пуркинье находится и единственный в мозге млекопитающих
специфичный субстрат для протеинкиназы G (К^ для протеин-
киназы А при фосфорилировании этого белка на порядок выше),
названный G-субстратом; G-субстрат — кислоторастворимый
и термостабильный белок с Мг = 23 кД. Обнаружено, что фос-
форилированный с помощью цГМФ-зависимой протеинкина-
зы G-субстрат ингибирует протеинфосфатазу, выделенную из
мозжечка, являясь специфичным для клеток Пуркинье проте-
инфосфатазным ингибитором. При этом ингибируемая фосфа-
таза из этих клеток, вероятно, катализирует дефосфорилирова-
ние белков, не являющихся субстратами протеинкиназы А.
Увеличение уровня цГМФ обусловлено взаимодействием с
плазмалеммой различных гормонов и нейромедиаторов. Так ак-
тивируется связанная с мускариновыми рецепторами гуанилат-
циклаза. Активация гуанилатциклазы обычно обусловлена мо-
билизацией Са2+ из эндоплазматического ретикулума.
В клетках мозга обнаружен термостабильный белок, стиму-
лирующий активность протеинкиназы G, но не изменяющий
активность протеинкиназы А. Обратный процесс — инактива-
ция протеинкиназы G состоит в гидролизе нГМФ фосфодиэ-
348
стеразой, специфичной для этого нуклеотида. Кроме того, в
тканях млекопитающих, в том числе и нервной, найден инги-
битор G-киназы сМг= 15 кД.
Отметим, что системы циклических нуклеотидов осуществ-
ляют внутриклеточную регуляцию в тесном взаимодействии друг
с другом. Так, например, если концентрация цАМФ в клетке
длительное время повышена, может происходить фосфорили-
рование белков, встроенных в каналы плазматической мембра-
ны. что приводит к повышению в цитоплазме концентрации
Са2+. В результате этого активируются фосфодиэстераза и гуа-
нилатциклаза; соответственно ускоряется гидролиз цАМФ и
образуется цГМФ.
Итак, цГМФ играет важную роль в нервной системе, осо-
бенно в клетках Пуркинье мозжечка. Об этом свидетельствует
избирательная локализация в этих клетках всех компонентов
системы цГМФ, включая гуанилатциклазу, протеинкиназу G и
G-субстрат. Различные нейромедиаторы, в том числе ацетилхо-
лин, вызывают увеличение уровня цГМФ в клетках Пуркинье и
активацию G-киназы, что, по всей видимости, модулирует та-
кие свойства этих клеток, как скорость проведения возбужде-
ния и способность к стимуляции.
Установлено также, что цГМФ модулирует активность ион-
ных каналов мембран нервных клеток. Так, введение в нейро-
ны улитки цГМФ или G-киназы увеличивает проводимость Са-
каналов.
10.3. Са-КАЛЬМОДУЛИН-ЗАВИСИМОЕ
ПРОТЕИНФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Как упоминалось, в процессе эволюции выработались эф-
фективные механизмы удаления Са2+ во внеклеточное простран-
ство или специализированные внутриклеточные структуры.
Низкая внутриклеточная концентрация Са2+ позволила клет-
кам использовать “впрыскивание” Са2+ в цитоплазму как сиг-
нал на внешние воздействия. При этом кальций может быть
даже более универсальным внутриклеточным регулятором (вто-
ричным посредником), чем цАМФ. Так, период действия Са2+
очень короток и измеряется миллисекундами, а не секундами,
как в случае цАМФ. Как стало понятно в последнее время, обе
системы вторичных посредников функционируют в тесном взаи-
модействии.
Для внутриклеточной “реализации” кальциевого сигнала в
процессе эволюции созданы специальные внутриклеточные бел-
349
ковые рецепторы Са2+, способные опосредовать действие этого
иона на молекулярные мишени. Основным рецептором Са2+ во
всех клетках является кальмодулин. Кальмодулин (КМ) —гло-
булярный белок с Мг — 16,5 кД. Структурно он очень консерва-
тивен: так, обнаружено только шесть или немногим более ами-
нокислотных замен в кальмодулине, выделенном из живых объ-
ектов, эволюционно разделенных миллионами лет. Кальмоду-
лин содержит 4 Са-связывающих участка: в состав каждого из
этих участков входят кислые остатки аминокислот, необходи-
мые для связывания Са2+ и обусловливающие низкое значение
изоэлектрической точки КМ (р!~4,0). Фосфорилированных форм
КМ не обнаружено.
Кальмодулин локализован главным образом в цитоплазме, а
также ассоциирован с различными клеточными структурами,
микротрубочками и мембранами, включая постсинаптические
мембраны. Внутриклеточное распределение КМ регулируется
циклическими нуклеотидами. Так, цАМФ-зависимый транспорт
Са2+ через клеточные мембраны может изменять сродство КМ
к мембранной и цитоплазматической фракциям клетки.
При стимулировании происходит связывание Са2+ с КМ. В
результате кальмодулин претерпевает конформационные изме-
нения: экспонирование гидрофобного участка при этом — важное
условие для последующего взаимодействия КМ с акцепторны-
ми белками (белками-исполнителями). Среди ферментов-ис-
полнителей, активность которых модулируется в присутствии
КМ, непосредственное отношение к регуляторным реакциям
внутриклеточного протеинфосфорилирования имеют Са-КМ-
зависимые протеинкиназы (протеинкиназы В), аденилатцикла-
за, фосфодиэстераза циклических нуклеотидов и КМ-зависи-
мая протеи нфосфатаза.
На первый взгляд, способность КМ во многих тканях (в том
числе и нервной) активировать системы как синтеза, так и де-
градации пАМФ выглядит парадоксом. Однако локализация фер-
ментов аденилатциклазы в мембране, а фосфодиэстеразы в ци-
тозоле обусловливает преимущественную Са-активацию адени-
латциклазы. Кроме того, для полной активации аденилатцик-
лазы достаточно комплекса КМ-Са2+, а для фосфодиэстеразы
(и киназы легких цепей миозина) необходимо заполнение третье-
го, а возможно, и четвертого Са-связывающего участка КМ.
Эго означает, что аденилатциклаза активируется при более низ-
ких концентрациях Са2+.
Результатом действия Са2+ и кальмодулина часто является
фосфорилирование, катализируемое Са-КМ-зависимыми про-
350
теинкиназами. К настоящему времени обнаружено 3 типа КМ-
зависимых протеинкиназ В, которые в порядке убывания моле-
кулярной массы обозначаются как протеинкиназы В I, 11 и III.
Основные различия этих типов протеинкиназы В относятся к их
субстратной специфичности. Так, протеинкиназа В I типа фос-
форилирует лишь несколько белков в нервной ткани, в то же
время для киназы II типа только в головном мозге найдено
более 10 субстратов. Сродство этих протеинкиназ к КМ прак-
тически одинаково (20-40 нМ), что свидетельствует об одина-
ковой структуре КМ-узнающего участка фермента.
В нервной ткани, где концентрация Са-КМ-зависимых про-
теинкиназ особенно высока, обнаружены специфические изо-
ферменты В-киназ I и II типа. Так, в мозге быка найдено, по
меньшей мере, 3 изофермента В-киназы I типа (37,39 и 42 кД).
Высокомолекулярные олигомерные В П-киназы из лобных до-
лей мозга и мозжечка отличаются по субъединичному составу.
Если первый фермент состоит из субъединиц а и р с Мг = 50/55
и 60/65 кД в молярном соотношении 3:1, то В-киназа из моз-
жечка имеет другое соотношение этих субъединиц — 1:4. Гете-
рогенность и высокая концентрация В-киназ в нервной ткани
может обусловливать физиологическую значимость Са-КМ-за-
висимого фосфорилирования в клетках нервной системы.
Как установлено, протеинкиназа В II типа составляет при-
мерно 0,4% от общего белка головного мозга млекопитающих,
что свидетельствует о важной регуляторной роли фермента в
этом отделе ЦНС. В-киназа II типа преимущественно связана с
мембранной фракцией в отличие от “цитоплазматической” ки-
назы В I типа. Мембраносвязанный фермент II типа сконцен-
трирован в области постсинаптического уплотнения в тех отде-
лах нервной системы, которые связаны с обучением (гиппо-
камп у позвоночных и сенсорные нейроны у беспозвоночных).
Киназа В II типа обладает свойствами двухфазного переключа-
теля со стабильностью, необходимой для кодирования долго-
временной памяти.
КМ-зависимые протеинкиназы могут быть разделены на 2
группы по структурным особенностям. Так, в одной группе КМ
является интегральной частью фермента, а в другой — спосо-
бен обратимо диссоциировать от протеинкиназы. Примером
первого случая может служить киназа фосфорилазы. Ьри акти-
вации фермента Са2+ связывается с субъединицей фермента,
являющейся кальмодулином. Около 20 лет назад было обнару-
жено стимулирующее действие на киназу фосфорилазы проте-
инкиназы А. К настоящему времени установлено, что 10-20-
351
кратное увеличение активности фермента может быть вызвано
цГМФ-зависимой и КМ-зависимой протеинкиназами. Участие
экзогенного КМ в регуляции активности киназы фосфорилазы
происходит только при отсутствии стимулов, приводящих к
увеличению внутриклеточного содержания цАМФ. Гликоген и
ферменты его метаболизма присутствуют в глии и нейронах:
электростимулируемое расщепление гликогена в нервной тка-
ни регулируется посредством активации киназы фосфорилазы.
Киназа легких цепей миозина является представителем вто-
рой группы КМ-зависимых протеинкиназ. Регуляция с помо-
щью КМ-киназы легких цепей миозина осуществляется по прин-
ципу “все или ничего”. Так, в отсутствие КМ фермент практи-
чески не активен, а при действии комплекса Са-КМ его актив-
ность возрастает в 200-300 раз. Установлено, что АТФазная ак-
тивность актомиозина мозга увеличивается в 2-3 раза при фос-
форилировании миозина киназой легких цепей.
Как упоминалось, активность КМ-зависимых протеинкиназ
модулируется аутофосфорилированием. Аутофосфорилирование
2 субъединиц (но не кальмодулина) киназы фосфорилазы при-
водит к значительному увеличению ее активности. Аутофосфо-
рилирование регулирует также компартментализацию В-киназ
в нервных клетках, как это показано на нейронах аплизии. В
присутствии комплекса Са-кальмодулин или цАМФ происхо-
дит транслокация активности В-киназы в цитозоль из мембра-
ноцитоскелетной фракции. В-киназа тесно ассоциирована с
определенными белками цитоскелета и мембран: фосфорили-
рование этих белков, как показано на препаратах мозга крыс,
приводит к ослаблению сродства В-киназ к мембранам и цито-
скелету.
Очевидно, что изменения в содержании цитоплазматического
Са2+ имеют множественные последствия для синаптической
функции, особенно для экзоцитоза. Мишенью ряда регулирую-
щих экзоцитоз лекарственных препаратов и антител может быть
кальмодулин. Установлено, что запускаемая деполяризацией
секреция вазопрессина и окситоцина из нервных терминалей
гипофиза является Са-зависимой и не требует участия цАМФ
или протеинкиназы С, причем комплекс Са2 -кальмодулин свя-
зывается с белками мембран секреторных гранул, представляю-
щими собой, вероятно, субъединицы специфичной протеинки-
назы. Следствием этого процесса является усиление экзоцитоза
посредством слияния мембран секреторных гранул с цитоплаз-
матической мембраной.
В секреции нейромедиаторов принимают участие протеин-
352
киназы В I и 11 типа, а также протеинкиназы А и С. Взаимодей-
ствие этих протеинкиназ отчетливо проявляется при фосфори-
лировании синапсинов — специфических белков синаптических
структур. Один из этих белков — синапсин I, составляющий 6%
от общего белка высокоочищенных синаптических везикул и
являющийся своеобразным “мостиком” между везикулами и ци-
тоскелетом, фосфорилируется протеинкиназой В I типа и про-
теинкиназой А по одному остатку серина. Два других остатка
серина в молекуле синапсина I фосфорилирует протеинкиназа
В II типа и, вероятно, протеинкиназа С. В нейронах найден так
называемый протеин-IH — белок, также связанный с синапти-
ческими мембранами и по ряду свойств напоминающий синап-
син I. Протеин-III по единственному остатку серина фосфори-
лируют как протеинкиназа А, так и протеинкиназа В I типа.
Очевидно, цАМФ- и Са-зависимое фосфорилирование синап-
сина I и протеина-Ш обеспечивает регуляцию секреции нейро-
медиаторов. Так, инъекция в синапс В-киназы II типа увеличи-
вает секрецию, в то время как инъекция дефосфорилированно-
го синапсина I угнетает высвобождение нейромедиаторов. Для
эффективной секреции необходимо одновременное фосфори-
лирование синапсина I А-, В- и С-киназами. Секреция нейро-
медиаторов регулируется, по-видимому, разрывом связи фос-
форилированного синапсина I с актином и тубулином. В ре-
зультате везикулы высвобождаются из комплекса с белками
цитоскелета и становится возможной Са-индукция экзоцитоза.
Предполагается также, что сконцентрированные в синаптиче-
ских окончаниях молекулы В-киназы II типа сами по себе яв-
ляются стерическим препятствием для высвобождения медиа-
торов из секреторных везикул. Аутофосфорилирование киназы
способствует ее диссоциации на субъединицы и, таким обра-
зом, стимулирует секрецию.
Важную роль в функционировании нейронов играет совме-
стное фосфорилирование протеинкиназами А II типа и В II
типа высокомолекулярного (Мг = 270 кД) белка МАР-2, скон-
центрированного в дендритах нейронов. Как упоминалось, имен-
но здесь локализована Р-субъединица А-киназы II типа, кото-
рая обладает высоким сродством к МАР-2 и является своеоб-
разным “якорем” цАМФ-зависимой фосфорилирующей актив-
ности в дендритах. МАР-2 участвует в сборке микрбтрубочек:
фосфорилирование этого белка киназами В и АII типа контро-
лирует процесс сборки и, таким образом, может модулировать
функциональную активность нейронов. МАР-2 фосфорилирует
также протеинкиназа С; роль этого процесса в функциониро-
вании нейронов выясняется.
353
Предполагается, что комплекс МАР-2 — Р-субъединица А-
киназы IJ типа может изменять проницаемость мембран ней-
ронов для Na+ и К+ без фосфорилирования К-субъединицей
киназы. Возможно, сигналом для такого изменения мембран-
ной проницаемости является взаимодействие цАМФ с Р-субъе-
диницей протеинкиназы II типа, ассоциированной с МАР-2.
Сигнал распространяется по цитоскелету к мембране нейронов
с очень высокой частотой; для поддержания такой частоты дос-
таточное время требуется энергия АТФ (но не АТФ-зависимое
фосфорилирование).
Синергизм в действии протеинкиназ В и А в нервной ткани
проявляется также при потенцировании цАМФ-индуцируемых
входящих токов внутриклеточными ионами Са. Повышение
внутриклеточной концентрации цАМФ в нейронах виноград-
ной улитки приводит к деполяризации мембраны, а в условиях
фиксации потенциала — к возникновению ионного тока по
каналам пассивной проницаемости. Увеличение внутриклеточ-
ной концентрации Са2+ приводит к значительному увеличе-
нию амплитуды и длительности цАМФ-тока.
Можно полагать, что синергическое действие Са2+ и цАМФ на соответст-
вующие ионные каналы связано с наличием у последних двух различных уча-
стков фосфорилирования: для В- и А-киназ. Возникающие под влиянием КМ-
зависимого фосфорилирования изменения в структуре канала обеспечивают
повышение доступности соответствующего участка фосфорилирования для
протеинкиназы А. Напротив, при изучении влияния внутриклеточного Са2*
на Са-зависимые калиевые каналы взаимодействие двух систем вторичных
посредников отличается тем, что цАМФ выступает в роли агента, повышаю-
щего чувствительность канала к внутриклеточному Са2+ и КМ. Можно пола-
гать, что регуляция числа каналов и их активности с помощью протеинфосфо-
рилирования связана с изменениями в процессах поведения и обучения.
В последнее время появились данные о регуляции протеин-
киназной и протеинфосфатазной активности с помощью Са-
связывающего белка S-100 (см. также гл.2). S-100 активирует
фосфопротеинфосфатазы мозга, а также модулирует активность
ядерных и цитоплазматических протеинкиназ этой ткани, в ча-
стности К-субъединицы протеинкиназы A. S-100 ингибирует
фосфорилирование ряда субстратов в клетках мозга; кальмоду-
лин активирует фосфорилирование этих же белков. Возможно,
S-100 и кальмодулин действуют в мозге как антагонисты. Во
всяком случае, в нервной ткани реализуется еще один путь Са-
зависимого фосфорилирования-дефосфорилирования, незави-
симый от КМ-стимулируемого процесса. S-100-стимулируемое
фосфорилирование-дефосфорилирование может принимать уча-
стие в регуляции ряда функций нервных клеток.
Необходимо отметить участие В-киназы II типа наряду с про-
354
теинкиназой А в фосфорилировании и соответствующей актива-
ции тирозингщфоксилазы, что приводит к ускорению синтеза
катехоламинов в ответ на нервный импульс и нейромедиатор-
ный сигнал. Установлено, что тршггофангвдроксилаза — фер-
мент, катализирующий первую реакцию биосинтеза серотони-
на, также фосфорилируется протеинкиназой В II типа. Фосфо-
рилирование триптофан гидроксилазы приводит к двукратному
увеличению ее активности. Таким образом, Са-КМ-зависимое
фосфорилирование ферментов, принимающих участие в синте-
зе нейромедиаторов и гормонов, является одним из ключевых
аспектов участия В-киназ в нейрогуморальной регуляции.
В заключение этого раздела отметим, что на основании
результатов многочисленных исследований установлена тесная
взаимосвязь между процессами, регулируемыми Са2+, цАМФ и
2-5А. Это дает основание для их рассмотрения в рамках единой
регуляторной системы. Взаимодействие Са2+, цАМФ и 2-5А обу-
словлено двумя типами регуляторных связей. Во-первых, ряд
жизненно важных для клеток реакций контролируется этими
вторичными посредниками одновременно. Так, например, ак-
тивность киназы фосфорилазы гликогена зависит от цАМФ и
Са2+, скорость синтеза белка полирибосомами контролируется
с помощью фосфорилирования А-киназой и уровнем 2-5А и
т.д. Во-вторых, увеличение внутриклеточного уровня одного из
посредников приводит к изменению содержания других. Так,
возрастание уровня пАМФ обесловливает индукцию олиго(А)-
синтетазы и ингибирование 2'-фосфодиэстеразы, что приводит
к увеличению концентрации 2-5А. В свою очередь, Са2+ и 2-5А
активируют фосфодиэстеразу цАМФ (по-видимому, разные
формы фермента) и тем самым вызывают падение уровня цАМФ.
Кроме того, увеличение внутриклеточного уровня цАМФ при-
водит к выбросу Са2+ из митохондрий в цитоплазму и высвобо-
ждению кальмодулина из примембранных компартментов.
10.4. Са2+-ФОСФОЛИПИД-ЗАВИСИМОЕ
ПРОТЕИНФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
10.4.1.Образование диацилглицерина и инозитолфо'сфатов
Эта группа вторичных посредников образуется при актива-
ции фосфолипазы С, локализованной в наружной клеточной
мембране. Для ее активации необходимо связывание ряда гор-
355
монов и нейромедиаторов, известных своей способностью уве-
личивать концентрацию Са2+ в цитозоле, с соответствующими
рецепторами. К числу агонистов, стимулирующих фосфолипа-
зу С, относят ацетилхолин, норадреналин, гистамин, серото-
нин, а также ряд гормонов белковой природы и ростовых фак-
торов. Сопряжение фосфолипазы С с рецепторами достаточно
специфично; например, из 4 известных основных типов адре-
норецепторов (aL, а2, и р2) оно характерно только для оо-
типа, а из 2 типов холинорецепторов — только для мускарин-
чувствительного, но не для никотинчувствительного. Так же,
как и в случае аденилатциклазы, для сопряжения рецептии и
активации фосфолипазы С необходимы G-белки, иногда назы-
ваемые Gp. Установлено, что белок типа Gj также может непо-
средственно принимать участие в регуляции фосфолипазы С, а
Gs — опосредовано, путем цАМФ-зависимого ингибирования
фосфолипазы С.
Субстратом фосфолипазы С является фосфатидилинозитол-
дифосфат — относительно редкий фосфолипид мембран.
Фермент расщепляет фосфатидилинозитолдифосфат на ли-
пидный компонент диацилглицерин, который остается в мем-
бране, и водорастворимый инозитолтрифосфат. Если в системе
цАМФ трансмембранный перенос информации происходит с
образованием одного вторичного посредника, то в фосфоино-
зитидной системе идет раздвоение пути передачи сигнала, так
как в результате образуются два различных вторичных посред-
ника: диацилглицерин и инозитолтрифосфат. Они действуют в
клетке согласованно и активируют соответствующие пулы про-
теинкиназ.
Инозитолтрифосфат стимулирует высвобождение кальция из
эндоплазматического ретикулума, при этом активируется се-
мейство Са-КМ-зависимых протеинкиназ. Его концентрация,
необходимая для достижения максимальной скорости высвобо-
ждения Са2+ из депо ретикулума в нервной ткани, существенно
ниже (0,2 мкМ) по сравнению с другими тканями (0,8-1,0 мкМ).
Таким образом, чувствительность эндоплазматического рети-
кулума к инозитолтрифосфату в клетках нервной системы мо-
жет быть наиболее высокой.
Инозитолтрифосфат, очевидно, не единственный из инози-
толтрифосфатов, выступающих в роли вторичного посредника.
Образуемый в результате фосфорилирования инозитолтрифос-
фата инозитолтетрафосфат также участвует в регуляции внут-
риклеточной концентрации Са2+. Эта регуляция осуществляет-
ся, вероятно, влиянием инозитолтетрафосфата на поступление
356
внеклеточного Са2+ в цитоплазму. Поступление Са2+ в клетку
в этом случае происходит не через рецептор-зависимые Са-ка-
налы, а каким-то иным, пока неизвестным способом.
Диацилглицерин служит источником арахидоновой кислоты
(эстерифицирует второй гидроксил глицерина в структуре диа-
цилглицерина), активирующей гуанилатциклазу. Этот путь ре-
гуляции имеет особое значение для реализации эффектов холи-
нергической импульсации и функции мускаринчувствительных
холинорецепторов и Hj -рецепторов гистамина, для которых роль
цГМФ как вторичного посредника общепризнанна. Следова-
тельно, в системах вторичных посредников — цГМФ и фос-
фоинозитидной — существует функциональная взаимосвязь
через стадию образования арахидоната, обеспечивающая инте-
гральный характер транссинаптической регуляции биохимиче-
ских процессов в клетке.
Из арахидоновой кислоты образуются простагландины, тром-
боксан и, кроме того, под действием соответствующей киназы
диацилглицерин превращается в фосфатидную кислоту. Пред-
полагается, что фосфатидная кислота обладает Са-ионофорны-
ми свойствами. Так, фосфатидная кислота накапливается в мем-
бранах клеток при действии Са-агонистов. По такому механиз-
му, очевидно, происходит инактивация электровозбудимых Са-
каналов нейронов при действии дофамина. Взаимодействуя с
собственным мембранным рецептором, дофамин в нейронах
большого прудовика через G-белок активирует фосфолипазу С.
Образовавшаяся из диацилглицерина фосфатидная кислота ин-
дуцирует поступление в клетку внешнего кальция и накопле-
ние его в примембранном слое цитоплазмы. Результатом ло-
кального повышения концентрации Са2+ является инактива-
ция электровозбудимых Са-каналов. Таким образом, система
метаболизма фосфатидилинозитидов может регулировать внут-
риклеточную концентрацию Са2+ как посредством увеличения
потока Са2+ через плазматическую мембрану, так и за счет вы-
хода Са2+ из внутриклеточных депо.
Наконец, диацилглицерин активирует также протеинкина-
зу, связанную с плазмалеммой, — фосфолипид-зависимый, Са-
активируемый фермент — протеинкиназу С.
10.4.2. Протеинкиназа С
Уже отмечалось, что протеинкиназы, как и сопряженные с
ними G-белки, имеют различную преимущественную локали-
зацию в клетках нервной ткани. Так, аденилатциклаза и проте-
357
инкиназа С присутствуют в высоких концентрациях в мозжеч-
ке, но С-киназа (так же, как и G-киназа) локализована в клет-
ках Пуркинье, в то время как аденилатциклаза — в грануляр-
ных клетках. Таким образом, разные типы клеток мозга адапти-
рованы к сигналам, активирующим синтез различных вторич-
ных посредников: цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфата и диа-
цилглицерина. В мозжечке рецепторов фосфоинозитидной сис-
темы примерно в 500 раз больше, чем в периферической нерв-
ной ткани.
Во многих отделах мозга, включая мозжечок, рецепторы фос-
фолипазы С и С-киназа имеют одинаковую локализацию и функ-
ционируют синергично. Однако в некоторых отделах, таких,
как грудной отдел спинного мозга, рецепторы и киназа разоб-
щены; две ветви этого внутриклеточного сигнального пути не
составляют там эквивалентную пару. Поэтому в ряде случаев
диацилглицерин формируется и активирует С-киназу без обра-
зования инозитолтрифосфата. В этих случаях, очевидно, диа-
цилглицерин образуется уже не из фосфатидилинозитолдифос-
фата, а из монофосфорилированного мембранного липида —
фосфатидилинозитола Таким образом, в нервной ткани имеет-
ся еще один вариант активации протеинкиназы С.
Протеинкиназа С обнаружена в разных тканях млекопитаю-
щих и лишена строгой тканевой и видовой специфичности. Од-
нако в мозге ее концентрация является наибольшей. Субкле-
точное распределение протеинкиназы С неодинаково в разных
тканях и органах: фермент преимущественно локализован в ци-
тозоле клеток сердца и в мембранной фракции клеток мозга.
Протеинкиназа С мозга —мономер с Мг = 80-87 кД, состоящий
из двух доменов: регуляторного, имеющего участки связывания
для диацилглицерина и фосфолипидов, и каталитического. До-
мены разделяют участок полипептидной цепи, чувствительный
к протеолитической атаке.
Наибольший активирующий эффект на протеинкиназу С ока-
зывают диацилглицерины и в меньшей мере фосфатидилинози-
тол, фосфатидилсерин и фосфатидная кислота. Диацилглицери-
ны увеличивают сродство протеинкиназы С к фосфолипидам.
При этом протеинкиназа С становится чувствительной к фи-
зиологическим концентрациям Са2+ в клетке (уменьшение кон-
центрации Са2+, необходимой для активации протеинкиназы,
от 110~4 до 110-7 М). Диацилглицерин быстро образуется в
ответ на сигнал-рецепторное взаимодействие и быстро разру-
шается (время существования до 1 мин), что в конечном итоге
и определяет его свойства как вторичного посредника.
358
Известно, что сродство С-киназы к плазматическим мем-
бранам увеличивается во время активации. Для транслокации
киназы необходим Са2+. Связывание С-киназы с мембранами
обусловлено координационным взаимодействием 4 карбоксиль-
ных групп молекул фосфатидилсерина с комплексом Са2+-фер-
мент.
Таким образом, индуцированное инозитолтрифосфатом
увеличение внутриклеточной концентрации Са2+ может акти-
вировать С-киназу при встраивании ее в мембраны. Активиро-
ванная и локализованная на наружной мембране С-киназа обу-
словливает фосфорилирование белковых компонентов ионных
каналов, изменяя тем самым их проницаемость.
Как недавно установлено, Са2+ и фосфолипиды не всегда необходимы для
активации протеинкиназы С. Так, ненасыщенные жирные кислоты (арахидо-
новая, олеиновая, линолевая) могут активировать фермент независимо от Са2+
и фосфолипидов. В составе изоферментов протеинкиназы С обнаружена так-
же Са-независимая, но фосфолипид-зависимая форма фермента.
Протеинкиназа С подвергается аутофосфорилированию в присутствии Са2+
и фосфолипидов. Физиологическое значение этого процесса состоит, вероят-
но, в повышении активности киназы. Установлена также активация протеин-
киназы С ограниченным протеолизом под действием мембраносвязанной Са-
активируемой эндогенной протеазы. Полученные фрагменты теряют сродство
к мембранам независимо от присутствия Са2+ и диацилглицерина. Такие рас-
творимые фрагменты С-киназы, активность которых не зависит от Са*+ и
фосфолипидов, появляются при взаимодействии форболовых эфиров с неко-
торыми клетками. Ингибиторы Са-зависимых протеиназ (калпайнов) блоки-
руют это действие форболовых эфиров. Очевидно, при стимуляции рецепто-
ров фосфолипазы С увеличение внутриклеточной концентрации ионизиро-
ванного Са2+ под действием инозитолтрифосфата приводит наряду с трансло-
кацией С-киназы на мембраны также к активации мембраносвязанных, Са-
стимулируемых протеиназ и появлению независимой от Са2+ и фосфолипидов
активности С-киназы.
Таким образом, фосфорилирующая способность С-кина-
зы может быть сохранена достаточно долго после прекращения
действия вторичных посредников (Са2+, инозитолтрифосфата
и диацилглицерина), что наводит на мысль об участии этого
процесса в долговременном хранении информации в нейронах
мозга —органа с наибольшей активностью протеинкиназы С.
Более подробно роль С-киназы в формировании долговремен-
ной памяти будет рассмотрена в следующем разделе.
Сильными ингибиторами протеинкиназы С являются такие
фармакологические агенты, как психотропные препараты фено-
тиазинового ряда и местные анестетики. Очевидно, фармако-
логическое действие этих препаратов, которое раньше связыва-
ли с ингибированием кальмодулина, обусловлено их липофиль-
ной природой и способностью конкурентно связываться с фос-
фолипидами, тем самым препятствуя активации протеинкина-
359
зы С. Полиамины также способны ингибировать протеинкина-
зу С, что связано с избыточным положительным зарядом этих
соединений. В мозге недавно обнаружен термостабильный ин-
гибитор С-киназы: димер белковых субъединиц с Мг = 19 кД.
Кальмодулин и другие Са-связываюшие белки также ингиби-
руют активность фермента, вероятно, за счет влияния на меха-
низм активации С-киназы.
В клетках мозга найдено несколько субстратов для протеин-
киназы С. Отметим среди них основной белок миелина, 87 кД-
белок и В-50-белок. Степень фосфорилирования основного белка
миелина протеинкиназой С, присутствующей в миелине, уве-
личивается in vivo при К+-деполяризации мембраны. Протеин-
киназы В не оказывают такого действия.
Установлено, что активация С-киназы форболовыми эфира-
ми приводит к увеличению секреции нейромедиаторов, вызван-
ной пресинаптическими потенциалами действия. Полагают, что
способность С-киназы увеличивать секрецию связана именно с
фосфорилированием упомянутого выше 87 кД-белка. Этот бе-
лок локализован преимущественно в синаптосомах — как в мем-
бранной, так и цитозольной фракциях. Вероятно, его фосфо-
рилирование С-киназой (но не В-киназой) в окончаниях ней-
ронов обусловливает регуляцию Са-зависимой секреции ней-
ромедиаторов.
В-50-белок (Мг~48 кД) ассоциирован с пресинаптическими
мембранами нейронов мозга. Как недавно установлено, этот
белок проявляет активность фосфатидилинозитол-Д-фосфат ки-
назы — фермента, участвующего в синтезе фосфатидилинози-
толдифосфата (субстрата фосфолипазы С). Таким образом, пе-
редача сигнала через систему фосфатидилинозитола в мозге
может регулироваться с помощью фосфорилирования В-50-белка
протеинкиназой С.
Протеинкиназа С, по-видимому, регулирует как хемозависи-
мые, так и элекпгрозависимые Са-каналы в нервных клетках. Так,
искусственные аналоги диацилглицерина — форболовые эфи-
ры — в задних корешках спинного мозга блокируют хемозави-
симые Са-каналы в концентрациях, при которых эти соедине-
ния активируют протеинкиназу С. Установлено также, что внут-
риклеточная инъекция протеинкиназы С увеличивает амплиту-
ду электрозависимого Са-тока и уменьшает Са-активируемый
калиевый ток в нейронах моллюска аплизии. При этом, по имею-
щимся данным, С-киназа (так же, как и киназы В и G) преиму-
щественно фосфорилирует регуляторные компоненты мембран,
сопряженные с каналами, а не пептиды, формирующие собст-
360
веяно трансмембранные каналы (напротив, А-киназа модули-
рует свойства Са-каналов с помощью фосфорилирования бел-
ковых компонентов этих каналов). Таким образом, приведен-
ные данные о влиянии на секрецию нейромедиаторов и транс-
мембранные потоки ионов свидетельствуют о непосредствен-
ном участии С-киназы в важнейших процессах нервной ткани.
Оценивая место протеинкиназы в системах регуляции, от-
метим, что существуют два варианта взаимодействия между сис-
темами вторичных посредников, определяемые как состоянием
рецепторов, так и распределением в разных тканях, природой и
условиями для фосфорилирования отдельных белков-мишеней:
синергизм и антагонизм. Протеинкиназа С, по всей видимости,
является тем звеном, которое путем тонкой подстройки сопря-
гающего аппарата связывает аденилатциклазную и фосфолипаз-
ную системы передачи и усиления сигнала.
Так, обнаружено фосфорилирование протеинкиназой С а-
субъединицы G,, ведущее к снятию ингибиторного действия
этого сопрягающего белка на аденилатциклазу. Кроме того, уже
упоминалось, что Gj может быть одним из прямых активаторов
фосфолипазы С. Непрямая активация фосфолипазы С может
быть обусловлена увеличением активности фосфолипазы А2 при
действии Gj (в свою очередь, продукты гидролиза фосфолипа-
зы А2 активируют фосфолипазу С). Показано ингибирование
фосфолипазы С посредством активации Gs. Так, установлено
уменьшение образования диацилглицерина и инозитолтрифос-
фата при повышении уровня цАМФ с помощью гормонов, ди-
бутирил-цАМФ, форсколина. Вероятно, угнетение активности
протеинкиназы С при активации протеинкиназы А обусловле-
но десенситизацией соответствующих рецепторов, потерей их
чувствительности к агонистам. В пользу такого заключения сви-
детельствуют данные о потере специфического связывания с
агонистами мускариновых холинорецепторов синаптических
мембран при фосфорилировании этих рецепторов К-субъеди-
ницей протеинкиназы А. В свою очередь, стимуляция М-холи-
норецепторов сердца вызывает уменьшение активности адени-
латциклазы и снижение уровня цАМФ.
Вместе с тем известны и примеры синергизма во взаимодействии протеин-
киназ. Синергизм в действии протеинкиназ А, В и С отчетливо проявляется
при фосфорилировании фосфоламбаиа — белка саркоплазматического ретику-
лума миокарда. Показано увеличение индуцированного инози^олгрифосфа-
том высвобождения Са2+ под действием К-субъединицы протеинкиназы А,
ингибитор К-субъе динины блокирует этот эффект Установлено также, что
протеинкиназа С в некоторых типах клеток потенциирует р-адренергическую
стимуляцию образования цАМФ. Преинкубация эндотелиальных клеток в
присутствии 10 мкм р-агониста изопротеренола вызывает активацию фосфо-
361
липазы С под действием гистамина. Протеинкиназа С может модулировать
взаимодействие сопряженных систем вторичных посредников и через фосфо-
диэстеразу; так, при фосфорилировании протеинкиназой С фосфодиэстеразы
цАМФ теряется чувствительность этого фермента к цГМФ.
Показана возможность влияния протеинкиназы С на фос-
форилирование белков через фосфорилирование ею протеин-
фосфатаз, при этом особенно интригующим является фосфо-
рилирование кальцинейрина — основной протеинфосфатазы
нервной ткани. Фосфорилирование протеинкиназой С кальци-
нейрина может обеспечивать обратную связь в проявлении эф-
фектов протеинкиназы С и протеинкиназы А: как известно,
аутофосфорилированная форма протеинкиназы АII типа явля-
ется предпочтительным субстратом для кальцинейрина.
10.5. ФОСФОПРОТЕИНФОСФАТАЗЫ
Все изложенное выше свидетельствует о том, что протеин-
фосфорилирование —важнейший механизм регуляции целого
ряда внутриклеточных процессов. Степень фосфорилирования
любого белка определяется относительной активностью проте-
инкиназ и протеинфосфатаз, катализирующих, соответственно,
включение или удаление фосфата, связанного с белком. Хотя
фосфопротеинфосфатазы гораздо менее изучены, чем протеин-
киназы, ясно, что эти ферменты также играют ключевую роль в
регуляции клеточных функций. Активность фосфопротеинфос-
фатаз регулируется по “внешнему” (субстратному) и “внутрен-
нему” (фосфатазному) механизмам. В первом случае различные
метаболиты связываются с субстратом (фосфопротеином), из-
меняя скорость дефосфорилирования; во втором случае лиган-
ды связываются с фосфатазой и, таким образом, прямо изменя-
ют фосфатазную активность.
Изучение фосфатаз привело к открытию множества форм
фермента, которые дефосфорилируют широкий спектр фосфо-
белков. Д.Коэн и соавторы (1984) классифицировали протеин-
фосфатазы на два типа. Фосфатазы 1-го типа ингибируются
белковыми инибиторами, относительно нечувствительны к ин-
гибированию АТФ и предпочтительно дефосфорилируют р-субъ-
единицу киназы фосфорилазы. Фосфатазы 2-го типа не инги-
бируются термостабильными белковыми ингибиторами, чувст-
вительны к ингибированию АТФ и преимущественно дефос-
форилируют а-субъединицу киназы фосфорилазы. В свою оче-
редь, все фосфопротеинфосфатазы 2-го типа делятся на подти-
пы 2А, 2В и 2С. Отличительной особенностью фосфатаз 2С яв-
362
ляется регулируемость M.g2+, а фосфатаз 2В — зависимость от
Са2+ и кальмодулина.
Протеинфосфатазы 2В и 2А присутствуют в мозге в наиболь-
ших концентрациях по сравнению с другими тканями. В нерв-
ной ткани найдены также специфические протеинфосфатазы,
дефосфорилирующие основной белок миелина, синапсин 1,
МАР-2, белки цитоскелета, никотиновые рецепторы ацетилхо-
лина. Наибольшая активность фосфопротеинфосфатаз нервной
ткани выявлена в мембранной фракции по сравнению с цитозо-
лем, что свидетельствует о возможном участии этих ферментов
в синаптической передаче.
Заметим, что ранее протеинфосфатаза 2В была названа каль-
цинейрином, так как впервые она была идентифицирована в нерв-
ной ткани как термолабильный ингибитор КМ-стимулируемой
фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов. Кальцинейрин при-
надлежит к семейству КМ-связывающих белков, содержащих
Са-связывающие субъединицы. Активность кальцинейрина кон-
тролируется ионами кальция.
Недавно обнаружено, что кальцинейрин, кроме серина и тре-
онина, способен дефосфорилировать также тирозиновые остат-
ки белков. Это предполагает участие кальцинейрина в процессах
трансформации и клеточного роста, контролируемых, как из-
вестно, тирозинкиназами. Интересно, что в N-конце субъеди-
ницы В кальцинейрина содержится миристиновая кислота (так
же, как и у протеинкиназы С), что может облегчать встраива-
ние белка в мембрану.
В мозге кальцинейрин локализован в основном в постси-
наптических мембранах и тесно связан с микротрубочками ден-
дритов, что предполагает его участие в транссинаптической пе-
редаче и функционировании микротрубочек. Основными субстра-
тами кальцинейрина в нервной ткани являются белки DARPP-
32, G-субстрат и Р-субъединица II типа протеинкиназы А.
В мозге содержатся также ингибиторы протеинфосфатаз: так
называемый фосфатазный ингибитор 1 и белок DARPP-32 (до-
фамин- и цАМФ-регулируемый фосфобелок с Мг = 32 кД) най-
дены в мозге и фосфорилируются эндогенной А-киназой по
единственному остатку треонина. В фосфорилированной (но
не дефосфорилированной) форме DARPP-32, как и фосфатаз-
ный ингибитор 1, ингибирует активность протеинфосфатазы I.
DARPP-32 сопряжен в мембранах с дофаминовыми рецептора-
ми аденилатциклазы и, таким образом, может принимать уча-
стие в транссинаптическом действии дофамина.
Кальцинейрин и DARPP-32 локализованы вместе в синап-
363
тических мембранах. Следовательно, степень фосфорилирова-
ния DARPP-32 и медиаторное действие дофамина могут регу-
лироваться цАМФ и Са2+ (в последнем случае посредством ак-
тивации кальцинейрина).
Отметим, что кальцинейрин может выступать в роли свое-
образного антагониста биохимических эффектов цАМФ, мо-
дулируя тем самым взаимодействие двух систем вторичных по-
средников — цАМФ и Са2+. Так, кальцинейрин дефосфорили-
рует многие субстраты протеинкиназы А, в том числе аутофос-
форилированную форму регуляторной субъединицы протеин-
киназы АII типа. В последнем случае кальцинейрин может пря-
мо контролировать цАМФ-зависимую протеинкиназную актив-
ность, так как степень фосфорилирования Р-субъединицы II
типа определяет характер диссоциации холофермента протеин-
киназы и. соответственно, скорость фосфорилирования.
цГМФ регулирует активность протеинфосфатаз 1 и 2А в клет-
ках Пуркинье мозжечка с помощью фосфорилирования G-суб-
страта протеинкиназой G. G-субстрат, как упоминалось, явля-
ется специфическим протеинфосфатазным ингибитором. Де-
фосфорилирование этого ингибитора кальцинейрином может,
таким образом, сопрягать влияние цГМФ и Са2+ на функцио-
нальную активность клеток Пуркинье.
В синаптических мембранах обнаружены также две эндоген-
ные, тесно связанные с этими мембранами специфические про-
теинфосфатазы. Эти протеинфосфатазы дефосфорилируют белки
синаптических мембран: синапсин 1 и Р-субъединицу II типа
протеинкиназы А. При этом фосфатаза, имеющая высокое срод-
ство к Р-субъединице, не дефосфорилирует синапсин 1, а фос-
фатаза синапсина 1 —Р-субъединицу. Кроме того, специфич-
ная протеинфосфатаза Р-субъединицы стимулируется цАМФ, в
то время как протеинфосфатаза синапсина 1 нечувствительна к
этому нуклеотиду. Таким образом, цАМФ может стимулиро-
вать как аутофосфорилирование, так и (наряду с кальцинейри-
ном) дефосфорилирование Р-субъединицы А-киназы II типа.
Для понимания многообразия и важности функций систем
фосфорилирования —дефосфорилирования важны недавние со-
общения о выделении эндогенной Са-независимой протеина-
зы, тесно ассоциированной с нейрофиламентами и другими ком-
понентами цитоскелета. Эта протеиназа “атакует” только не-
фосфорилированные нейрофиламенты, расщепляя их на лишен-
ные биологической активности фрагменты. Следовательно, фос-
форилирование защищает белки цитоскелета от деградации, обу-
словленной действием эндогенных, Са-независимых протеиназ.
364
Напротив, Са-активируемые нейтральные протеиназы с помо-
щью ограниченного протеолиза расщепляют фосфорилирован-
ную форму нейрофиламентов (которой особенно богаты аксо-
ны) на биологически активные фрагменты. Установлено, что
фосфорилирование белков цитоскелета, в частности нейрофи-
ламентов (скорее всего с помощью А-киназы), —необходимое
условие для их сборки в организованные, морфологически еди-
ные структуры.
Таким образом, состояние цитоскелета нервных клеток
определяется как цАМФ-зависимым фосфорилированием его
компонентов, так и Са-зависимым дефосфорилированием (как
упоминалось, в нейронах кальцинейрин тесно связан с микро-
трубочками): степень фосфорилирования белков цитоскелета,
в свою очередь, может регулировать их избирательную чувстви-
тельность к Са-зависимой и Са-независимой протеиназной ата-
ке. Протеинфосфатазы играют весьма важную роль в функцио-
нировании нервной ткани. Так, наряду с протеинфосфатазами
1, 2А, 2С, 2В и фосфатазным ингибитором 1 в мозге присутст-
вуют эндогенные фосфатазы синапсина, миелина, Р-субъеди-
ницы А-киназы II типа, а также специфические ингибиторы
фосфопротеинфосфатазной активности — DARPP-32 и G-суб-
страт, активность которых регулируется фосфорилированием.
Можно думать, что в нервной ткани физиологическое действие
нейромедиаторов в ряде случаев модулируется протеинфосфа-
тазной активностью.
10.6. ГИПОТЕЗЫ О РОЛИ ПРОТЕИНКИНАЗ И ДРУГИХ
ПОСТСИНАПТИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СИГНАЛА
В МЕХАНИЗМАХ ПАМЯТИ
Полагают, что более или менее долговременная память вклю-
чает стойкое изменение степени взаимодействия нейронов в об-
ласти синапсов. Биохимии памяти посвящена одиннадцатая глава
данного учебника. Однако здесь уместно рассмотреть одну из
важных гипотез о механизмах памяти, связанную с протеинки-
назами и некоторыми другими системами постсинаптической
трансформации сигнала.
Она состоит в том, что информация может храниться на пе-
риферии клетки в образованиях, имеющихся в каждом синапсе ней-
рона. Эти образования не содержат ДНК и состоят из таких
нестабильных молекул, как белки. В свою очередь, среди бел-
ков наиболее подходящими субстратами для хранения инфор-
мации являются протеинкиназы. По последним данным, “про-
365
теинкиназный механизм” может объединять внутриядерные и
цитоплазматические процессы формирования долговременной
памяти.
Установлено, что ассоциативное обучение связано со стиму-
лированием глутаматом №-метил-&-аспартат-рецепторов, со-
ответствующим увеличением Са-тока и деполяризацией пост-
синаптической мембраны клеток мозга, в частности гиппокам-
па. При этом происходит долговременная модификация распо-
ложенной в постсинаптических уплотнениях В-киназы II типа,
обусловленная как мультисубъединичной структурой фермен-
та, так и способностью к аутофосфорилированию его а- и р-
субъединиц. Показано, например, что долговременная зритель-
ная адаптация у беспозвоночных (Drosophila) сопровождается
стабильным изменением в степени фосфорилирования и внут-
риклеточной компартментализации В-киназы II типа.
Киназа В II типа состоит примерно из 12 субъединиц. Каж-
дая субъединица имеет 2-3 фосфорилируемых участка. По всей
видимости, АТФ выступает в роли аллостерического модулято-
ра, изменяя способность к аутофосфорилированию различных
участков холофермента. В присутствии Са2+ все участки холо-
фермента могут включать фосфат с помощью аутофосфорили-
рования. Однако Са2+ необходим для фосфорилирования толь-
ко первых 3-4 участков. Такое фосфорилирование “включает”
холофермент — переводит его в Са-независимое состояние, в
котором как аутофосфорилирование оставшихся (нефосфори-
лированных) участков, так и фосфорилирование других субстра-
тов может проходить в отсутствие Са2+. Киназа остается во
“включенном” состоянии достаточно долго, так как встраивае-
мые в холофермент вновь синтезированные нефосфорилиро-
ванные субъединицы взамен деградированных фосфорилиру-
ются, если фермент “включен”, и остаются нефосфорилиро-
ванными, если фермент “выключен”.
Итак, интенсивная Са-импульсация приводит к аутофосфо-
рилированию киназы, причем “включенные” ферменты далее
полностью фосфорилируются независимо от Са2+, а “выклю-
ченные” (менее 3 фосфатов на 1 моль киназы) дефосфорилиру-
ются после удаления Са2+ протеинфосфатазами 1 или 2А.
Таким образом, долговременное хранение систематизи-
рованной информации может быть обусловлено “включением”
на достаточно длительное время различного числа (в зависимо-
сти от силы и длительности импульса) молекул холофермента
В-киназы II типа, расположенных в зоне постсинаптического
уплотнения.
366
Кроме аутофосфорилирования в механизме долговременно-
го хранения информации задействованы, по всей видимости,
еще два типа посттрансляционной модификации протеинкиназ
— это изменение внутриклеточной локализации киназ и специ-
фический протеолиз. Так, например, как упоминалось, измене-
ние компартментализации К-субъединицы А-киназы может
индуцировать экспрессию генов в нейронах. Есть также осно-
вания считать, что протеолиз Р-субъединиц А-киназы прини-
мает непосредственное участие в процессах долговременной
памяти. Установлено, что при длительной активации происхо-
дит “исчезновение” Р-субъединиц. Так, обработка аналогами
цАМФ синаптосом аплизии в течение 2 часов приводит к поте-
ре половины Р-субъединиц вследствие их протеолитического
расщепления. Известно, что Р-субъединицы имеют участок,
высокочувствительный к протеиназной атаке. Этот участок на-
ходится рядом с участком связывания Р с К-субъедининей и в
холоферменте защищен (экранирован) от действия протеиназ.
При диссоциации холофермента А-киназы в присутствии цАМФ
такое экранирование снимается: в результате появляются фраг-
менты Р-субъединиц с Мг = 35 кД, которые обладают способ-
ностью связывать цАМФ, но не К-субъединицу. Следствием
этого события является длительная стимуляция фосфорилирую-
щей активности, которая продолжается уже после прекраще-
ния сигнала цАМФ.
Таким образом, рассмотренные три постгрансляционных
модификации протеинкиназ способствуют тому, что кратковре-
менные стимулы вторичных посредников приводят к долговре-
менным изменениям в нейрональной активности.
10.7. G-БЕЛКИ
Как уже показано выше, главная функция G-белков состоит
в сопряжении активированных рецепторов на поверхности клет-
ки с внутриклеточными эффекторами, генерирующими вторичные
посредники. Однако G-белки могут также принимать участие в
гормональной регуляции активности ионных каналов мембран
независимо от внутриклеточных посредников (цАМФ, цГМФ
и Са2+). Следовательно, G-белки способны непосредственно взаи-
модействовать с ионными каналами. Кроме того, мишенью дей-
ствия G-белков могут быть пока неидентифицированные регу-
ляторные компоненты мембран: активированные с помощью
G-белков, эти компоненты способны, в свою очередь, прямо
взаимодействовать с потенциал-зависимыми ионными канала-
367
ми, обусловливая стимулирование или ингибирование актив-
ности каналов.
Свидетельства таких функций G-белков получены в опытах
на нейронах аплизии. Известно, что действие внеклеточных сиг-
налов, приводящих к увеличению калиевой проводимости, бло-
кируется с помощью обработки клеток коклюшным токсином.
Коклюшный токсин препятствует связыванию ГТФ с G-белка-
ми, тем самым подавляя действие ингибиторов аденилатцикла-
зы; при этом токсин АДФ риболизируета-субъединицу Gj. Вве-
дение в нейрон негидролизуемых аналогов ГТФ, способных ак-
тивировать G-белки в отсутствие внеклеточных стимулов, так-
же приводит к увеличению К-проводимости. Наконец, стиму-
лирование К-каналов обусловливает преинкубация с нейрона-
ми именно а-субъединицы Gj, другие нечувствительные к кок-
люшному токсину G-белки подобным действием не обладают.
Таким образом, в нервной ткани Gj, очевидно, принимает непо-
средственное участие в стимулировании гормонами К-проводимо-
сти мембран.
В клетках гипофиза и коркового слоя надпочечников опи-
сан независимый от вторичных посредников механизм секре-
ции гормонов, связанный с модулированием G-белками активно-
сти потенциал-зависимых Са-каналов. Так, в культуре клеток
коркового слоя надпочечников ангиотензин II стимулирует Са-
ток. Это стимулирование не зависит от внутриклеточной кон-
центрации А- и G-киназ или стимулирующих С-киназы фор-
боловых эфиров, но предотвращается предварительной обра-
боткой клеток коклюшным токсином. Следовательно, в акти-
вации Са-каналов этого типа клеток, так же, как и в случае К-
каналов нейронов аплизии, могут принимать участие G-белки
непосредственно (без участия вторичных посредников и стиму-
лирования соответствующих киназ).
В клетках гипофиза в отличие от клеток надпочечников ак-
тивность потенциал-зависимых Са-каналов ингибируется с по-
мощью G-белков (независимо от цАМФ), при этом происходит
усиление гормональной секреции.
Коклюшный токсин и аналоги ГДФ, препятствующие акти-
вации G-белков, блокируют действие гормонов в ганглиях зад-
них корешков спинного мозга и гибридных клетках нейробла-
стомы и глиомы. Аналоги ГТФ, стимулирующие G-белки, на-
против, восстанавливают чувствительность к гормонам этих
типов клеток. Можно полагать, что ингибирование Са-каналов
с помощью G-белков в нейронах млекопитающих является ос-
новой молекулярного механизма высвобождения нейромедиа-
368
торов, обусловленного активацией пресинаптических рецепто-
ров.
Обработка коклюшным токсином гибридных клеток нейроб-
ластомы и глиомы препятствует ингибирующему действию син-
тетических опиоидов (избирательно активирующих рецепторы
ст-типа) на потенциал-зависимые Са-каналы. Действие опиои-
дов, в свою очередь, воспроизводится с помощью внутрикле-
точной инъекции G-белков. Есть основания полагать, что ин-
гибирующее влияние опиоидов на Са-ток осуществляется по-
средством не Gp a Go — представителя семейства G-белков,
относительно высокая концентрация которого характерна для
нервной ткани. Так, во-первых, а-субъединица Go в большей
степени, чем Gj, обусловливает ингибирование активности Са-
каналов. Во-вторых, карбахол (негидролизуемый холинэстера-
зой аналог ацетилхолина) не ингибирует Са-ток в гибридных
клетках нейробластомы и глиомы, несмотря на способность этого
соединения ингибировать аденилатциклазу, т.е. действовать через
Gi тт
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в нерв-
ной ткани, помимо вторичных посредников и стимулируемых
ими протеинкиназ, непосредственное участие в модуляции ак-
тивности ионных каналов мембран принимают G-белки. По
аналогии с их ролью в репептор-зависимой регуляции фермен-
тов-эффекторов G-белки могут быть сопрягающим элементом
между клеточными рецепторами и потенциал-зависимыми ион-
ными каналами, обусловливая не только их стимулирование с
помощью гормонов, но также ингибирование активности кана-
лов.
Отметим недавно установленное участие G-белков, регули-
рующих ионные каналы мембран, в процессах долговременной
памяти. Так, при выработке условного рефлекса у морских ули-
ток наблюдали фосфорилирование С-киназой G-белка с Мг =
20 кД, участвующего в регуляции ионных каналов. При введе-
нии этого белка в фоторецепторные клетки улитки происходят
характерные для процесса обучения изменения в нейронах, об-
легчающие проведение нервных импульсов, а именно, сниже-
ние К-тока через мембранные каналы. В ответ на изменение
концентрации Са2+, которым сопровождается установление свя-
зей между сочетаемыми по времени сенсорными стимулами и
образованием условного рефлекса, протеинкиназа С переме-
щается из цитоплазмы клетки к наружной мембране. Находясь
в цитоплазме, С-киназа способствует увеличению К-тока, что
повышает возбудимость и снижает способность нейрона к “обу-
369
чению”. Транслокация С-киназы на внешнюю мембрану обу-
словливает фосфорилирование сопряженного с К-каналами Ci-
белка и соответствующее снижение К-тока.
Сам G-белок, выполняя перечисленные регуляторные функ-
ции, может быть объектом регуляции посредством фосфорили-
рования. Так, G-белок с Мг = 20 кД фосфорилируется проте-
инкиназой В II типа, которая локализована в воспринимающих
сигналы постсинаптических участках дендритов нейронов. КМ-
зависимое фосфорилирование G-белка также способствует
уменьшению К-тока при повышении внутриклеточной концен-
трации Са2+. Синергичное действие протеинкиназ С и В II типа
может приводить к более длительному ослаблению К-тока и,
соответственно, более значительному повышению “обучаемо-
сти” нейронов, чем при активации только одной из этих киназ.
Участие С-киназы и G-белков в долговременном хранении
информации обусловлено, по-видимому, способностью этого
фермента инициировать длительные изменения клеточного мета-
болизма. Так, в нейронах морской улитки стимулированное фор-
боловыми эфирами перемещение С-киназы из цитоплазмы к
мембране сопровождается изменением синтеза ряда белков, в
том числе упомянутого выше G-белка (20 кД) — субстрата С-
киназы. В свою очередь, количество этого белка в нейронах и
степень его фосфорилирования транслоцированной на мембра-
ны С-киназой тесно коррелирует с Са-стимулируемым умень-
шением К-тока и сохранностью “усвоенной” нейронами ин-
формации. Распределение С-киназы в нейронах кролика через
несколько суток после обучения свидетельствует о том, что ас-
социативные связи в итоге хранятся в определенных компар-
тментах дендритов, а не в области тел нейронов. Таким обра-
зом, данные об изменении во время и после обучения компарт-
ментализации С-киназы, количества и степени фосфорилиро-
вания G-белков с помощью протеинкиназ С и В II типа явля-
ются основанием для поиска новых подходов к решению про-
блем долговременной памяти.
Выводы
1. G-белки сопрягают рецепторы клеток с системами, гене-
рирующими вторичные посредники.
2. К вторичным посредникам относятся: цАМФ, цГМФ, ино-
зитолфосфаты, диацилглицерол и ионы кальция.
3. Вторичные посредники активируют протеинкиназы, осу-
ществляющие фосфорилирование определенных белков клет-
370
ки, или воздействуют на метаболизм олигоаденилатов. Нейро-
медиаторы, гормоны и сам по себе нервный импульс регулиру-
ют фосфорилирование-дефосфорилирование многих регулятор-
ных субстратов в нервной ткани. Огромное разнообразие фи-
зиологических эффектов, вызываемых этими агентами, обуслов-
лено специфичностью систем протеинфосфорилирования, кон-
тролируемых различными вторичными посредниками.
4. Нервная ткань уникальна в отношении высокого содер-
жания практически всех протеинкиназ, активность которых ре-
гулируется цАМФ, цГМФ, Са2+, кальмодулином и фосфоли-
пидами.
5. По субстратной специфичности все протеинкиназы и про-
теинфосфатазы в нервной ткани могут быть разделены на две
основные категории. Протеинкиназа G, протеинкиназа В I типа,
киназа легких цепей миозина, киназа фосфорилазы и кальци-
нейрин имеют узкую субстратную специфичность и принима-
ют участие в специализированной нервной регуляции. Напро-
тив, протеинкиназа А, киназа В II типа, С-киназа и ряд проте-
инфосфатаз проявляют широкую субстратную специфичность
и вовлечены в регуляторные процессы практически всех типов
нервных клеток.
6. Определенные протеинкиназы, протеинфосфатазы и их
специфические субстраты локализованы не равномерно, а в спе-
циальных отделах нервной системы и в том числе мозга.
7. Вещества, активирующие синтез или ингибирующие гид-
ролиз цАМФ, оказывают на нервные клетки антипролифера-
тивное действие, связанное с влиянием этого нуклеотида на
систему метаболизма 2', 5'-олигоаденилатов.
8. Некоторые G-белки способны непосредственно взаимо-
действовать с ионными каналами мембран и могут принимать
участие в гормональной регуляции активности каналов незави-
симо от циклических нуклеотидов и Са2+.
371
Глава 11
Нейрохимические основы памяти
С. А. Титов
Исследование нейрохимических и молекулярных механиз-
мов нейрологической памяти ведется в последние десятилетия
с большой интенсивностью. Однако несмотря на огромный объ-
ем экспериментального материала, постоянное совершенство-
вание экспериментальной техники и несомненные успехи, дос-
тигнутые самыми различными исследователями, широкий круг
вопросов пока остается невыясненным и попытки создания
единой стройной теории, исчерпывающе и непротиворечиво объ-
ясняющей все аспекты этого сложнейшего явления, сталкива-
ются с существенными трудностями.
Известно, что почти все или по крайней мере подавляющее
большинство видов животных способны так или иначе приспо-
сабливаться к тем обстоятельствам, с которыми им приходится
сталкиваться в течение жизни. Реакция организма животного
на те же обстоятельства при их повторном проявлении часто
оказывается совершенно иной, чем та, которая бывает при пер-
вом столкновении с ними. Это происходит благодаря способ-
ности живых систем к обучению, т е. наличию у них такой спе-
цифической особенности, как память, существование которой
в значительной мере определяет индивидуальность поведения ка-
ждого животного и человека, обусловленную его личным опытом.
Одной из форм биологической памяти, относительно более
простой, является иммунная память, благодаря которой в орга-
низме надолго, часто на всю жизнь, сохраняется “воспомина-
ние” о единожды попавшем в него чужеродном антигене. Дру-
гой, более сложной и эволюционно новой формой является
память нейрологическая, связанная с функционированием цен-
тральной нервной системы и обусловливающая различные фор-
мы поведения животного.
При исследовании механизмов нейрологической памяти
вполне естественно исходят из того, что в процессе обучения,
запоминания, адаптации к какому-либо воздействию и т.д. про-
исходят изменения (молекулярные и/или цитологические) в клет-
ках ЦНС, способные сохраняться в течение какого-то промежутка
времени, длительность которого может составлять от долей се-
кунды до всей жизни организма. Несомненно, в процессе обу-
чения и выработки навыков происходят изменения в структуре
372
нейронов и их синаптических окончаний. Но проблема памяти
включает не только вопрос, какие изменения происходят в си-
напсах, но и понимание того, как организована память в систе-
ме целого мозга. Где происходит фиксация следа памяти? Су-
ществует один или несколько типов памяти? Какие конкретно
биохимические и физиологические механизмы ЦНС вовлека-
ются в процессы памяти и как они функционируют? Несмотря
на большую сложность этих проблем, объединенными усилия-
ми широкого круга исследователей в последние годы были по-
лучены первые ответы на эти вопросы.
11.1. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ПАМЯТИ
Совокупность изменений в ЦНС, связанных с фиксацией
следа памяти, принято называть энграммой, и один из главных
вопросов, интересующих исследователей в этой области, заклю-
чается в том, чтобы идентифицировать и обнаружить локализа-
цию энграммы в мозге. Как известно, мозг организован таким
образом, что основные функции, связанные с восприятием внешне-
го мира и с двигательными реакциями на внешние воздействия,
имеют представительство в определенных, довольно строго лока-
лизованных участках его коры. На этом основывалась концеп-
ция памяти, созданная в рамках классической теории условных
рефлексов, где процессы выработки приобретенных реакций
рассматривались как “замыкание” связи между определенными
центрами коры головного мозга. При этом повреждение цен-
тра, естественно, должно нарушать запоминание, связанное с
осуществлением данной функции.
Эта концепция противоречила результатам работ К.Лэшли,
из которых следовало, что память широко и равномерно рас-
пределена по всем мозговым зонам. Лэшли показал, что при
решении крысой лабиринтной проблемы после частичного раз-
рушения коры головного мозга время, требуемое для восста-
новления выработанной реакции, пропорционально объему раз-
рушенной коры и не зависит от локализации разрушения, за
исключением, конечно, значительных повреждений в мотор-
ной зоне коры, при которых просто исчезает способность жи-
вотного к передвижению в лабиринте. Результаты этих экспе-
риментов были настолько труднообъяснимы, что сам К.Лэшли
к концу жизни написал: “Иногда, рассматривая сумму данных
о локализации следов памяти, я чувствую, что обучение попро-
сту невозможно”.
373
Несмотря на это пессимистическое заключение одного из
ведущих исследователей в области проблемы памяти, в после-
дующем было сделано немало попыток примирить обе концеп-
ции. Так, по ряду современных представлений, выработка ла-
биринтной реакции зависит от многих видов информации (на-
пример зрительной, моторной, обонятельной) и каждый вид
информации фиксируется в определенных участках мозга. Од-
нако эти участки могут быть достаточно малы и располагаться в
различных зонах коры.
Таким образом, получается, что память локализована в
том смысле, что за каждый компонент поведенческой реакции
отвечает вполне определенный участок мозга, и делокализова-
на в том смысле, что целостная реакция осуществляется при
взаимодействии многих участков, расположенных в различных
областях мозга.
Отсутствие строгой локализации энграммы не противоречит
известным сведениям о существовании определенных мозго-
вых структур, чья функция непосредственно связана с процес-
сами памяти. К числу таких структур в первую очередь отно-
сятся гиппокамп и миндалевидный комплекс, а также ядра средней
линии таламуса. При разрушении этих структур у животных, а
также при их поражении, вызванном травмой или заболевани-
ем у людей, нарушаются процессы выработки условных навы-
ков и запоминания информации. В работах многих исследова-
телей, в особенности П.В.Симонова и Е.Н.Соколова, показано
важное значение пластических перестроек нейронов гиппокам-
па в процессе привыкания к внешним воздействиям и сформу-
лированы гипотезы, предусматривающие особую роль гиппо-
кампа в процессах памяти. Однако анализ существующих дан-
ных показывает, что связь отдельных структур мозга с механиз-
мами памяти заключается скорее всего не в том, что в этих
структурах хранятся определенные энграммы, а в том, что в
них находятся нейронные системы, регулирующие процессы запе-
чатления, фиксации и, возможно, воспроизведения следа памяти.
Современные данные скорее подтверждают предположение
Б.И.Котляра о том, что процессы обучения связаны с измене-
нием состояния целостного мозга, связанного с одновремен-
ным вовлечением многих мозговых структур.
В общем, чем сложнее структура запоминаемой информа-
ции, тем труднее локализовать ее энграмму, тем более “размы-
той” она оказывается. По этому поводу Н.П.Бехтерева указыва-
ет: “Несомненно, что хотя существуют зоны мозга, имеющие
тесную связь с процессами памяти, данные записи физиологи-
374
ческих показателей мозга... свидетельствуют об организации
памяти по распределенному принципу. Самые разные структу-
ры и зоны этих структур имеют отношение к памяти...” И да-
лее: “Создается впечатление не просто о системном характере
организации памяти, а о множестве систем, обеспечивающих
различные виды и различные фазы памяти, имеющих общие
для всех и различные для каждой из них звенья”.
Таким образом, известные к настоящему времени данные
свидетельствуют о том, что память, во всяком случае относи-
тельно к сложным поведенческим и психическим процессам,
не может быть локализована в пространственно ограниченной
группе нейронов, а представляет собой сложный процесс, ка-
сающийся организации целого мозга, выражающийся в изменениях
взаимодействия большого числа нервных клеток.
По существующим представлениям, запоминание — это про-
текающий во времени процесс, в котором можно выделить ряд
стадий. Членение на стадии в значительной мере условно, так
как до сих пор не известно, действительно ли они объективно
независимы или представляют собой искусственно выделенные
этапы непрерывного, единого процесса. Наиболее распростра-
нено деление памяти на краткосрочную и долгосрочную. Про-
цесс перехода первой во вторую называется консолидацией.
Однако недостаточность такого деления очевидна. В самом деле,
говоря о краткосрочной памяти, часто утверждают, что ее про-
должительность составляет от долей секунды до десятков ми-
нут. Однако даже индивидуальный опыт каждого человека убе-
ждает в том, что это несравнимые интервалы. Попытка воспро-
извести изображение или текст через секунду или через десять
минут приводит к совершенно различным результатам.
Такая неопределенность ведет к попыткам выделить проме-
жуточные формы памяти, которые имеют названия “лабиль-
ной”, “промежуточной”, “оперативной” и т.д. Основанием для
деления процесса памяти на временные стадии служит не толь-
ко степень сохранности информации через определенные про-
межутки времени, но и данные биохимического и фармаколо-
гического анализа, о чем будет сказано дальше. Для понимания
основных закономерностей процессов, связанных с временны-
ми характеристиками памяти, по-видимому, достаточно будет
выцедить три типа памяти, каждый из которых имеетсвои спе-
цифические особенности:
1) минимальная кратковременная память (КПМ);
2) относительно ограниченная во времени память (ООП);
3) пожизненная долговременная память (ДПп).
375
11.1.1. Минимальная кратковременная память
Для обозначения очень кратковременной фазы памяти, для-
щейся не более секунды (а скорее всего, доли секунды), суще-
ствует несколько различных терминов, таких как “мгновенная”,
“сенсорная”, “иконическая”, “очень кратковременная” и др.
Объем этой памяти достаточен для того, чтобы обеспечить син-
тез сиюминутного поступления информации от различных орга-
нов чувств, произвести быструю обработку этой информации и
оценить ее важность или индифферентность для дальнейшего по-
ведения.
Одной из основных проблем в изучении механизмов памяти
является вопрос, в какой форме хранится запоминаемая ин-
формация. Что касается минимальной кратковременной памя-
ти, то есть все основания утверждать, что эта форма памяти
связана с изменениями “быстрых” функций синаптического
аппарата нервных клеток. Доказательством этого утверждения
является то, что она нарушается различными ингибиторами
функций синапса и не изменяется под влиянием ингибиторов
синтеза белка и нуклеиновых кислот Стабл. 11.1). Кроме того,
очевидно, что время, в течение которого функционирует КПМ,
слишком мало для того, чтобы могли произойти сложные био-
химические процессы, включающие синтез новых макромоле-
кул. Можно, таким образом, утверждать, что основой этого типа
памяти являются постоянно меняющиеся отношения между ней-
ронами, выражающиеся в быстрых изменениях функционирования
связывающих их синапсов.
11.1.2. Память, относительно ограниченная во времени
Под относительно ограниченной во времени (“промежуточ-
ной”) формой памяти обычно понимают ту ее фазу, продолжи-
тельность которой составляет от нескольких секунд до несколь-
ких часов и, в ряде случаев, нескольких суток. Предполагается,
что в течение этого промежутка времени происходят процессы
консолидации, приводящие к закреплению следа и перевода его в
долговременную (пожизненную) память. Та информация, кото-
рая не подверглась консолидации, стирается и исчезает из па-
мяти.
Большая размытость временного интервала, на котором оп-
ределяется ООП, а также тот очевидный факт, что объем ин-
формации, хранящийся в памяти в течение нескольких секунд
376
или нескольких часов, может быть совершенно различным, дает
основания для предположения, что эта форма памяти не явля-
ется единой по своему механизму и может быть дополнительно
подразделена на ряд стадий. Тем не менее результаты экспери-
ментов, связанных с применением различных физиологических
и биохимических воздействий на ООП, заставляют думать, что,
по всей вероятности, в данном случае это единый, непрерывно
протекающий процесс.
Из трех выделенных форм памяти ООП является наиболее
интенсивно исследуемой. Это связано, во-первых, с тем, что
она существует на временном интервале, значительно более
доступном для эксперимента, чем доли секунды, характерные
для КПМ, а, во-вторых, с тем, что в отличие от ДПп для нее
известно большое количество химических и физиологических
модифицирующих воздействий.
Если для КПМ вопрос о форме ее хранения решается доста-
точно однозначно в силу ее кратковременности, благодаря ко-
торой она не может быть связана со сложными относительно
медленными биохимическими процессами, то в случае ООП
проблема оказывается много сложнее. Механизмы формирова-
ния этой формы памяти могут включать чрезвычайно широкий
спектр биохимических реакций, таких как освобождение в си-
наптических окончаниях нейропептидов, образование цикли-
ческих нуклеотидов, фосфорилирование белков и некоторых
липидов мембран, включение синтеза ряда нейроспецифиче-
ских белков и пептидов, активация протеиназ, модифицирую-
щих белки мембран и др. По всей вероятности, формирование
ООП является сложным процессом, включающим различные
нейрохимические механизмы, способные взаимодействовать друг с
другом. Набор этих механизмов определяет в конкретных слу-
чаях продолжительность временных фаз ООП, а также, возмож-
но, характер запоминаемой информации. Подтверждается это
тем, что в различных экспериментах функции ООП нарушают-
ся самыми разнообразными физическими или химическими
агентами, влияющими на широкий спектр биохимических ре-
акций (табл. 11.1).
Применение перечисленных в таблице воздействий в боль-
шинстве случаев приводит к полному или частичному наруше-
нию ООП. В экспериментальных и клинических исследовани-
ях такие нарушения проявляются в виде амнезии, которая вы-
ражается в неспособности подопытного животного, испытуе-
мого или пациента воспроизвести выработанный поведенческий
навык или полученную информацию. Различают ретроградную
377
Ингибиторы памяти
Таблица 11.1
Вид памяти Ингибиторы
Обшая характеристика Воздействие, вещество
Кратковре- менная па- мять, мини- мальная по продолжи- тельности, — К11м Электрошок, коммоция, М-холинолитики (атропин, скополамин, метамизил и др.), КО, LiCI (введение непосредственно в некотрые отделы мозга), L-пролин, L-баикаин, галанин
Промежуточ- ная по про- должитель- ности память (ПП) и консолидация долговремен- ной памяти Ингибиторы энер- гетики нейрона, процессов, поддер- живающих ионные градиенты, дезор- ганизаторы синап- тической передачи широкого спектра действия Ингибиторы К-, Na-АТФазы (оубаин, этакриловая к-та, а -аминоизобутират, 2-дезоксиглюкоза, СО2, гипоксия, гипотермия, некоторые нейролептики, тетурам, ципрогептадин, иммуногенные конъюгаты некоторых нейрости- муляторов с антигенами-носителями
Ингибиторы синтеза белков и РНК Анизомицин, циклогексимид, пуромицин, камптотецин, актиномицин D, 8-аза гуанин, РНКаза
Относительно специфические ингибиторы Антитела к вазопрессину, антитела к белку S-100 и некоторым другим нейроспецифическим белкам, фрагменты АКТГ4_7, ф.юи др. с D-фенилаланином в 7- позиции, дезтирозил- гамма- эндорфин, окситоцин, ингибитор протеиназ—лейпептин, инъекция EDTA в некоторые участки гиппокампа, 2- амино- 5-фосфорно - валериановая кислота
Долговременн пожизненная память -ДПп Ингибиторы, необратимо нарушающие ДГ^ , неизвестны Временное частичное подавление ДПп возможно атропином, скополамином и диизопропилфлюрофосфатом
и антероградную амнезии. В первом случае нарушение воспро-
изведения памятного следа вызывается действием агента, про-
изводящимся после предъявления запоминаемой информации.
Во втором случае воздействие нарушающим память агентом
производится до такого предъявления. Следует иметь в виду,
378
что степень влияния воздействий, нарушающих ООП, на ту или
иную форму амнезии может быть различной. Некоторые воз-
действия в большей мере влияют на ретроградную, в то время
как другие — на антероградную амнезию. Кроме того, выра-
женность влияния различных агентов на воспроизведение за-
печатленного следа зависит от многих других факторов, таких
как характер запоминаемой информации, время, прошедшее от
запоминания до предъявления нарушающего память воздейст-
вия, или наоборот — от предъявления до запоминания и др.
Это подтверждает положение, что процесс формирования
ООП является хоть и единым, но в значительной мере многоком-
понентным. При этом надо иметь в виду, что на рассматривае-
мом временном интервале происходит процесс консолидации,
т.е. формирования долговременной памяти. Поэтому во мно-
гих случаях указанные ингибиторы могут также влиять на этот
процесс и препятствовать переходу запоминаемой информации
из ООП в долговременную память. При последующей попытке
воспроизвести выработанную реакцию, когда потребуется из-
влечение информации из долговременной памяти, такое нару-
шение консолидации будет проявляться в виде амнезии.
В качестве примера различия биохимического обеспечения
кратковременной и более долговременной фаз ООП можно
привести результаты экспериментов Р.Мэрка. Он обучал ново-
рожденных цыплят отличать съедобные зерна от гальки тех же
размеров. Вначале цыплята предпочитали склевывать гальку,
но к концу непрерывного сеанса обучения, т.е. через 40-60 скле-
вываний, уже безошибочно выбирали зерна. Если перед нача-
лом обучения в мозг птенцам вводили циклогексимид, ингиби-
рующий процесс синтеза белка, то обучение во время сеанса не
нарушалось, но предотвращалось закрепление навыка, и через
сутки цыплят приходилось обучать сначала. Если же точно так
же интрацеребрально перед обучением цыплятам вводили ин-
гибиторы Na- и К-зависимой АТФазы, влияющие на синаптиче-
ские процессы в нейроне, выработка реакции различения зерен и
гальки в день обучения полностью предотвращалась. Однако
ингибиторы Na- и К-зависимой АТФазы не препятствовали
формированию долговременного навыка. Через 30 мин после
обучения цыплята уже предпочитали корм гальке, а через 1 ч
они клевали практически уже только зерна, т.е. вели себя точно
так же, как контрольные животные, которым ничего не вводи-
ли.
Результаты эксперимента показывают, что подавление дей-
ствия Na-, К-АТФазы (оубаином или этакриновой кислотой)
379
препятствует доступу к кратковременной памяти, но не мешает
процессу консолидации — формированию долговременной па-
мяти. Ингибитор синтеза белка, наоборот, нарушает консоли-
дацию, но не влияет на ту форму обучения, которая укладыва-
ется на временном интервале, равном нескольким минутам.
Другими словами, эти процессы до известной степени незави-
симы.
Вернемся теперь к вопросу, какие нейрохимические меха-
низмы могут обеспечивать фиксацию и хранение энграммы в
течение того периода, который полагают характерным для ООП,
т.е. от нескольких секунд до нескольких суток. С нейрофизио-
логической точки зрения любой поведенченский акт должен
обусловливаться включением определенной группы нейронов,
обеспечивающих его целенаправленное протекание и коорди-
нацию составляющих его элементов. Следовательно, процесс
запоминания или выработки нового навыка можно рассматривать
как приобретение популяцией нервных элементов особых свойств,
позволяющих им в определенных условиях формировать систему,
реализующую данный навык. Такие свойства могут формировать-
ся за счет изменений в структуре тел нейронов и синаптическо-
го аппарата и выражаться в перераспределении вероятности
проведения возбуждения по различным нервным путям. Други-
ми словами, после приобретения определенного навыка веро-
ятность передачи возбуждения в определенных сетях нейронов
становится выше, чем в других сетях, в результате чего склады-
ваются “предпочтительные”, т.е. наиболее вероятные ансамбли
нервных клеток.
При возникновении соответствующей ситуации (например
при предъявлении условного раздражителя) происходит пре-
имущественное прохождение импульсов по предпочитаемым пу-
тям, что и обеспечивает формирование функциональной струк-
туры, запускающей определенный тип поведения. По этим со-
ображениям в современных исследованиях в качестве модели
для изучения возможных механизмов памяти часто используют
феномен так называемой пластичности нейронов. Этот феномен
заключается в том, что под влиянием тех или иных факторов, в
частности интенсивного возбуждения нервных клеток, проис-
ходит перестройка их пре- или постсинаптического аппарата.
Такая перестройка продолжается более или менее длительное
время, которое во всяком случае превышает длительность обыч-
ных синаптических процессов, связанных с проведением одно-
го или серии импульсов. Функциональные изменения в синап-
тическом аппарате приводят к тому, что характеристики пере-
380
дачи возбуждения в нем становятся иными, чем они были до
пластической перестройки. Соответственно, благодаря таким
изменениям может модифицироваться эффективность и направ-
ленность межнейрональных связей, что и будет в значительной
мере обусловливать процессы, связанные с запоминанием.
Исходя из всего сказанного, рассмотрим последовательно
биохимические процессы, происходящие в нейроне в результа-
те прихода импульсов к иннервирующим его синаптическим
окончаниям, и попытаемся понять, какие из них могут быть
ответственными за формирование тех пластических изменений,
которые составляют основу ООП.
Когда нервный импульс приходит к синаптическому окон-
чанию, происходит освобождение медиатора, который частич-
но взаимодействует с рецептором постсинаптической мембра-
ны. Остальная его часть разрушается специальным ферментом
или захватывается обратно в пресинаптическую терминаль. След-
ствием реакции медиатора с постсинаптическим аппаратом яв-
ляется изменение ионных потоков, протекающих через поверх-
ность клетки. В результате происходит сдвиг мембранного по-
тенциала и повышение концентрации ионов калия вне клетки
и ионов кальция внутри нее. Сами по себе процессы, вызван-
ные одним импульсом, чрезвычайно кратковременны (не более
О, I с), но если импульсы поступают регулярно и с достаточно
высокой частотой, возникает процесс суммации, при котором
определенные сдвиги в концентрации ионов могут сохраняться
достаточно долго. В частности, при прохождении залпа импуль-
сов выделяющиеся ионы калия могут в значительных количест-
вах диффундировать к окружающим нейрон клеткам глии и
влиять на их деятельность, что в некоторых теориях рассматри-
вается как один из факторов, участвующих в процессах памяти.
Особенно важное значение в связи с рассматриваемым во-
просом имеет повышение внутриклеточной концентрации каль-
ция, которое может происходить как за счет вхождения этого
иона в клетку извне, так и благодаря мобилизации внутрикле-
точных ресурсов. Дело в том, что значительное количество био-
химических процессов в нервных клетках осуществляется при
непременном участии ионов кальция, т.е. являются кальций-
зависимыми. Последствиями таких процессов могут быть раз-
нообразные пластические перестройки, в частности, усиление
восприимчивости постсинаптической мембраны к действию
медиаторов.
Одной из наиболее обоснованных концепций, рассматри-
вающих процессы такого рода, является гипотеза Линча и Бод-
381
ри. Суть гипотезы состоит в следующем. Концентрация ионов
кальция вблизи постсинаптической мембраны оказывается по-
вышенной после серии приходящих к синаптическому аппара-
ту нервных импульсов. В результате этого в мембране постси-
наптического нейрона происходит активация кальций-зависи-
мой протеиназы — калпеина. Калпеин, в свою очередь, расще-
пляет один из расположенных здесь структурных белков — фод-
рин. При этом обнажаются (демаскируются) чувствительные к
глутамату рецепторы, которые в обычных условиях блокирова-
ны фодрином. Увеличение числа активных рецепторов глута-
мата может обусловливать состояние повышенной проводимо-
сти синапса, которое длится не менее нескольких суток.
Хотя эта гипотеза еще не может считаться окончательно до-
казанной, она подтверждается целым рядом экспериментов.
Часть таких экспериментов основана на применении агентов,
избирательно связывающих ионы кальция. Подведение этих
агентов к клеткам, реагирующим на глутамат, нарушает состоя-
ние повышенной проводимости синаптического аппарата. Ин-
гибитор протеиназ — лей-пептин — в ряде случаев препятству-
ет формированию памяти. Кроме того, при электронно-микро-
скопическом анализе постсинаптических мембран глутами нер-
гических синапсов показано, что после прохождения нервных
импульсов здесь увеличивается число малых отростков, кото-
рые, по всей вероятности, являются рецепторами глутамата.
Наконец, показательно, что под влиянием ионов кальция свя-
зывание глутамата увеличивается именно в тех областях мозга,
которые, судя по нейрофизиологическим данным, принимают
наиболее активное участие в процессах обучения и консолида-
ции, а именно, в коре и гиппокампе.
Участие ионов кальция в процессах, связанных с механиз-
мами памяти, не ограничивается активацией рецептора глута-
мата. К числу других реакций относится активация в нервной
клетке специфических элементов, осуществляющих фосфори-
лирование белков — протеинкиназ. Некоторые из протеинки-
наз активируются ионами кальция при обязательном участии
таких характерных для состава мембран соединений, как фос-
фоинозитиды, фосфоинозитолы и диацилглицерол, которые, как
известно, образуются при прохождении нервного импульса од-
новременно с изменением концентрации кальция. Одна из про-
теинкиназ — протеинкиназа С, чья активность модифицируется
ионами кальция и фосфолипидами, фосфорилирует ряд бел-
ков, содержащихся в синаптических мембранах, в том числе
белок В-50. С фосфорилированием этого белка тесно связан
382
уровень фосфорилирования фосфоинозитидов, которые, как
полагают, оказывают значительное влияние на заряд и состоя-
ние ионных каналов постсинаптической мембраны и, следова-
тельно, на степень “проторенности” синапса.
Дополнительным свидетельством значения фосфорилирова-
ния протеинкиназой С белка В-50 (или белка Fj, который ско-
рее всего идентичен ему) служат результаты экспериментов с
долговременной синаптической потенпиацией нейронов гип-
покампа. Феномен долговременной синаптической потенциа-
ции заключается в том, что после длительного высокочастотно-
го раздражения нервной клетки ее ответ на приходящие им-
пульсы в течение довольно продолжительного времени оказы-
вается усиленным. Это явление в настоящее время служит од-
ной из основных моделей нейронной пластичности, которая,
как было сказано, в свою очередь используется для изучения
механизмов памяти. В ряде экспериментов различных исследо-
вателей было показано, что во время долговременной синапти-
ческой потенциации нейронов гиппокампа происходит резкая
активация фосфорилирования белка В-50 (F<) протеинкиназой
С.
Весьма перспективной представляется новая проблема, ос-
нованная на активации ионами кальция кальмодулин-зависи-
мой протеинкиназы II (К3П И). Последняя замечательна тем,
что после первичной активации она способна к аутофосфори-
лированию, поддерживающему далее ее активность и активность
вновь синтезируемых молекул этого фермента в течение очень
длительного времени. К3П II локализована в синапсах и может
таким образом участвовать в механизмах длительного измене-
ния проводимости данного синапса.
В последнее время внимание ряда исследователей привлека-
ет возможная роль ганглиозидов в кальций-зависимых синапти-
ческих процессах. Ганглиозиды способны, в частности, актив-
но участвовать в стимуляции как глутаматных рецепторов коры
и гиппокампа, так и некоторых синаптосомальных протеинки-
наз. При этом необходимым условием является образование
комплексов ганглиозидов с ионами кальция.
Изменение состояния синаптического аппарата при прохо-
ждении нервного импульса может влиять также еще на одну
группу биохимических процессов — синтез циклических нуклео-
тидов. При этом может происходить как активация, так и ин-
гибирование ферментов этой системы. Модификация деятель-
ности циклазной системы может осуществляться путем прямо-
го воздействия через рецептор медиатором (обычным или пеп-
383
тидным) или ко-медиатором на аденилат-или гуанилатциклазу.
Активация циклазных систем связана с увеличением концен-
трации ионов кальция, так как некоторые циклазы являются
кальций-зависимыми ферментами. Синтезированные в резуль-
тате циклические нуклеотиды — цАМФ и цГМФ, в свою оче-
редь, активируют некоторые протеинкиназы, оказывающие влия-
ние на фосфорилирование ряда белков (вероятно, иных, чем
те, которые фосфорилируются под действием кальций-зависи-
мых протеинкиназ).
Изменение интенсивности фосфорилирования ряда белков,
в частности белков хроматина, РНК-полимеразы и рибосом
может влиять на синтез некоторых нейроспецифических бел-
ков. В гл.З уже приводились данные о корреляции синтеза и
содержания ряда нейроспецифических белков с формировани-
ем памяти. Среди таких белков наиболее исследованы два —
белок S-100 и белок 14-3-2. Оба белка считаются нейроспеци-
фическими, так как их содержание в головном мозге значи-
тельно превышает количество, обнаруживаемое в любом дру-
гом органе (для S-100 приблизительно в десять тысяч, а для 14-
3-2 — в 100-200 раз). При этом показано, что белок 14-3-2 со-
держится главным образом в нейронах, a S-100 — в клетках глии.
Кроме того, S-100 обнаружен в синапсах, что дает основание
полагать, что он участвует в формировании связей между нейро-
нами.
Было показано, что содержание белка S-100 в нейронах гип-
покампа начинает возрастать примерно через час после обуче-
ния, достигает максимума через 3-6 ч и через несколько суток
возвращается к исходному уровню. Сходная динамика обнару-
жена и для процесса обновления белка 14-3-2, оцениваемого по
скорости включения в него меченого лейцина.
Свидетельством в пользу того, что нейроспецифические белки
принимают участие в процессах памяти, служат эксперименты,
в которых показано, что введение антисыворотки к белку S-100
в желудочки мозга нарушает обучение крыс. Спонтанное пове-
дение, в частности двигательная активность, при этом не изме-
нялась. Кроме того, необходимо иметь в виду общеизвестные
факты, говорящие о том, что подавление синтеза белка в мозге
ведет к нарушению фазы консолидации и формирования ООП
и ДПп. Таким образом, есть все основания считать, что в осно-
ве продолжительных типов ООП лежит синтез определенных ней-
роспецифических белков, которые могут встраиваться в синап-
тические мембраны.
К числу процессов, способных опосредованно влиять на обу-
чение, относится также модификация синтеза нуклеиновых ки-
384
слот. В недавнем прошлом среди исследователей было распро-
странено представление о том, что запоминаемая информация
хранится в клетках мозга в виде последовательности нуклеоти-
дов во вновь синтезированных нуклеиновых кислотах. В связи
с этим ссылались на большое количество экспериментальных
данных, свидетельствующих о том, что при обучении происхо-
дит увеличение синтеза некоторых фракций РНК, в том числе
таких, состав которых отличается от последовательности нук-
леотидов, характерной для РНК необученных животных. По
современным представлениям, однако, эти данные объясняют-
ся не синтезом принципиально новой РНК, последовательность
нуклеотидов в которой не была закодирована в клетке (напри-
мер в ДНК), а включением, экспрессией участков генома, ответ-
ственных за описанный синтез нейроспецифических белков,
связанных с обучением.
Экспрессия определенной совокупности генов лежит в основе
структурно-функциональной организации любой специализирован-
ной клетки многоклеточного организма. Неудивительно, что при
функциональной активации нервной системы, например во
время обучения, наблюдается интенсификация процессов син-
теза РНК и белков в клетках мозга. Сейчас интенсивно изуча-
ется вопрос о том, в какой мере происходящие при обучении
изменения в экспрессии генов связаны с процессом фиксации
и какова молекулярная природа этого процесса, включают ли
эти изменения активацию транскрипции ранее “молчащих” ге-
нов или они ограничены чисто количественными сдвигами в
уровне экспрессии генов.
Неизвестно, связана ли фиксация разнокачественной инфор-
мации с экспрессией разных генов или существует универсаль-
ный для всех пластичных нейронов механизм “записи”. Основ-
ной трудностью на пути исследования этих вопросов является
слабая изученность лежащего в их основе вопроса о морфоло-
гическом и нейрофизиологическом субстрате памяти. Исследо-
вания специфической для обучения экспрессии генов на целом
мозге или его крупных подразделениях неминуемо упирается в
проблему “иголки в стоге сена”: они затрагивают огромные по-
пуляции нервных клеток, функциональная активность которых
необходима не для процесса фиксации памяти как такового, а
для так называемых неспецифических атрибутов процесса обуче-
ния (поддержание определенного уровня неспецифической ак-
тивации, восприятие сенсорной и висцеральной информации,
двигательной активности и т.д.).
Вычленение процесса фиксации памяти из этого общего
биологического контекста на уровне целого организма пока
385
трудно осуществить. Неудивительно, что основные успехи в
понимании молекулярной природьг механизма “записи” инфор-
мации в нервных клетках достигнуты на простых клеточных
моделях обучения, связанных с использованием явлений пла-
стичности в изолированных элементах нервной системы.
Наиболее изученной системой такого рода является моноси-
наптическая дуга безусловного рефлекса втягивания жабры и
сифона в ответ на слабое тактильное раздражение сифона у
брюхоногого моллюска аплизии (P.Goelet et al., 1986). Ампли-
туда этого рефлекса кратковременно ( 1 ч) повышается при од-
нократной и долговременно ( 7 дней) — при повторяющейся
болевой стимуляции области головы или хвоста. В обоих случа-
ях сенситизация связана с повышением эффективности синап-
сов между сенсорными нейронами сифона и мотонейронами
жабры и сифона. С удлинением периода болевой стимуляции
продолжительность сохранения сенситизации также постепен-
но увеличивается: кратковременная сенситизация “перераста-
ет” в долговременную.
Обе формы сенситизации имеют общую морфологическую и
нейрофизиологическую основу, но их молекулярные механиз-
мы принципиально различаются. В основе кратковременной
сенситизации лежит независимое от текущей экспрессии генов
и обратимое повышение уровня фосфорилирования группы
белков в сенсорных нейронах сифона, обусловленное кратко-
временной активацией аденилатциклазы, сопряженной с пре-
синаптическими рецепторами 5-НТ. Природа и функция боль-
шинства этих белков неизвестна, однако одним из них является
белок 5-НТ-чувствительного-канала К+, уменьшение проводи-
мости которого и составляет основу механизма сенситизации.
При долговременной сенситизации фосфорилирование тех же
белков повышено в течение срока, соответствующего длитель-
ности самой сенситизации, причем этот эффект, как и сама
сенситизация, полностью блокируется при ингибировании те-
кущей экспресии генов в период обучения. Анализ индивиду-
альных, вновь синтезированных при обучении белков методом
двумерного электрофореза позволил обнаружить избирательное
повышение скорости синтеза нескольких белков, но их приро-
да и функциональная роль пока неизвестны.
Одной из форм долговременного хранения информации в
индивидуальных нейронах, так же как в целой центральной
нервной системе, является устойчивое (дни) изменение в актив-
ности нейромедиаторных систем в ответ на адекватную синап-
тическую стимуляцию. При синаптической стимуляции симпа-
386
тических нейронов наблюдается устойчивое и многократное
повышение уровня мРНК тирозингидроксилазы (лимитирую-
щей фермент в синтезе катехоламинов) и уменьшение уровня
мРНК препротахикинина (предшественник вещества Р). Ана-
логично, адекватная синаптическая стимуляция приводит к ус-
тойчивому повышению уровня мРНК тирозингидроксилазы в
норадренергических нейронах голубого пятна и дофаминерги-
ческих нейронах черной субстанции.
Полученные при исследовании простых нейронных систем
данные касаются зачаточных механизмов мнемонической функ-
ции, свойственных многим, если не всем нейронам, на разных
уровнях центральной и периферической нервной системы. Их,
однако, явно недостаточно для объяснения таких свойств дол-
говременной памяти высших животных, как огромное инфор-
мационное разнообразие и чрезвычайная стойкость.
11.1.3. Пожизненная долговременная память
Все приведенные положения, касающиеся изменения состоя-
ния некоторых белков и моделируемые, в частности, с помо-
щью долговременной синаптической потенциации нейронов
гиппокампа, касаются лишь относительно кратковременных
процессов, сопоставимых по продолжительности с ООП, но не
с ДП . Длительность всех перечисленных нейрохимических
модификаций не превышает нескольких суток. В тех же случаях,
когда след сохраняется на протяжении многих суток, месяцев и
даже лет, происходит, по-видимому, не модификация сущест-
вующих белков, а постоянный синтез новых биополимеров, для
чего необходимы устойчивые перестройки в функционирова-
нии участков генома.
Включение синтеза новых белков может осуществляться по-
средством того же фосфорилирования (или, напротив, дефосфо-
рилирования) белков хроматина, РНК-полимеразы или рибосо-
мы. Значение синтеза белков для протекания процесса консоли-
дации и формирования долговременной памяти общепризнан-
но. Доказательством этого служит, во-первых, то, что эти про-
цессы нарушаются ингибиторами белкового синтеза, а, во-вто-
рых, что в период, следующий за обучением, когда сначала упро-
чиваются продолжительные формы ООП, а затем Происходит
закрепление следа в ДП, наблюдается интенсификация процес-
сов, связанных с синтезом белков. К таким процессам относится
интенсивное включение лейцина и фукозы в некоторые белки, в
частности в гликопротеиды. По данным Г.Маттиеса, интенсифи-
387
кация синтеза белка в период, последующий обучению, имеет
два временных максимума: первый — через 1-1,5 ч после обуче-
ния — связан с синтезом растворимых, а второй — через 6-10 ч
— с синтезом нерастворимых белков. Возможно, что на первом
этапе происходит модификация белков, связанных с продолжи-
тельной формой ООП, а на втором — с ДПп.
Очевидно, однако, что просто разовым синтезом белков с
новой структурой нельзя объяснить закрепление ДПп. Наибо-
лее стабильные из известных белков имеют период полураспа-
да, не превышающий нескольких месяцев, что явно несопоста-
вимо с продолжительностью жизни высших животных. Поэто-
му для того, чтобы след мог сохраняться в ДПп в течение не-
скольких, а иногда многих лет, требуется одновременный запуск
какой-то устойчивой системы для постоянного обновления со-
единений данного типа. Какие механизмы способны обеспе-
чить функционирование систем такого рода? Прежде всего, это
необратимые перестройки генного аппарата, когда в результате
репрессии/экспрессии участков генома часть генов выключает-
ся, а часть включается или приводится в состояние готовности
к быстрому включению. Такие процессы обеспечивают, напри-
мер, дифференцировку клеток в ходе онтогенеза и в принципе
могут протекать при формировании ДПп.
Перестройка регуляторной системы генома возможна на уров-
не ДНК посредством вырезания и (или) транслокации участков
ДНК, амплификации различных участков и ковалентной моди-
фикации нуклеотидов метилированием и деметилированием. Пер-
вые две группы процессов связаны с синтезом ДНК. Р. Касол и
соавторы показали, что у золотых рыбок при внутрижелудочко-
вом введении питозинарабинозы быстро (1 ч), сильно (на 95%)
и устойчиво (на несколько часов) происходит подавление вклю-
чения 3Н-тимидина в ДНК мозга, но не обнаруживается сколь-
ко-нибудь заметного влияния на формирование условно-реф-
лекторного навыка. Авторы работы сделали из этого вывод, что
синтез ДНК не является необходимым для формирования и
сохранения памяти. Следует отметить, однако, что этот вывод
не вполне вытекает из условий и результатов их работы. Дейст-
вительно, на приводимых авторами радиоавтографах мозга зо-
лотых рыбок видно, что преобладающий вклад в общее вклю-
чение введенного в мозговые желудочки меченого предшест-
венника в ДНК мозга вносят сильно метящиеся клетки в струк-
турах, окружающих место инъекции. В этом случае подавление
суммарного включения предшественника на 95% не исключает
возможности гораздо меньшего подавления синтеза ДНК в струк-
388
турах, наиболее удаленных от места инъекции. Относительной
сохранностью синтеза ДНК и можно объяснить успешное обу-
чение животных и сохранность навыка.
К выводу о важной роли синтеза ДНК для формирования
памяти пришли К.Райнис и соавторы, исследовавшие влияние
ингибиторов (гидроксиламин, 5-иод-2'-дезоксиуридин) на фор-
мирование и сохранность памяти у мышей. При этом 5-иод-2'-
дезоксиуридин ухудшал память только при введении за два часа
до обучения (выработка УРПИ), а гидроксиламин необратимо
нарушал воспроизведение памяти даже при введении через три
недели после обучения (выработка пищевой условной реакции и
условных реакций пассивного и активного избегания). Более
того, показано, что выработка условных рефлексов пассивного
избегания у мышей сопровождается повышением включения
меченого предшественника (3Н-тимидина) в ДНК различных
областей неокортекса, причем это включение не связано с деле-
нием и миграцией нервных клеток и преимущественно локали-
зовано в околоядрышковом хроматине. Существенными недос-
татками этой чрезвычайно впечатляющей по совокупности ре-
зультатов серии исследований можно считать использование
недостаточно специфических для синтеза ДНК ингибиторов
(особенно это относится к гидроксиламину) и отсутствие удов-
летворительных биохимических контролей.
Несколько лет назад появилось сообщение о том, что важ-
ную роль в формировании памяти может играть процесс обрат-
ной транскрипции. Авторы этого сообщения обнаружили, что в
мозге и других тканях крыс присутствует РНК-зависимая ДНК-
полимеразная активность. В гиппокампе крыс быстрообучаю-
щейся генетической линии эта активность существенно выше,
чем у крыс медленно обучающейся линии; более того, процесс
выработки пищедобывательного условного рефлекса сопрово-
ждается возрастанием этой активности в гиппокампе почти в
два раза. По мнению авторов, роль обратной транскриптазы
при формировании памяти может состоять в избирательной ам-
плификации специфически активных при обучении генов.
Выработка пищевых и оборонительных условных рефлексов
у крыс сопровождается резкой интенсификацией синтеза ДНК
в неокортексе. Этот эффект максимально выражен непосредст-
венно после обучения и быстро затухает в последующие часы.
Индуцированный обучением синтез ДНК весьма йзбирателен:
он затрагивает главным образом малоповторенные в геноме
последовательности ДНК. К сожалению, природа и функцио-
нальная роль этих последовательностей и самого избиратель-
389
ного синтеза ДНК остается пока невыясненной. Не исключе-
но, что избирательное включение меченых предшественников
при обучении в определенные последовательности ДНК обу-
словлено процессами репарации, сопряженными с активацией
транскрипции в содержащих эти последовательности участках
хроматина. Известно, например, что обучение сопровождается
повышением активности ДНКаз в мозге крыс.
При выработке условного рефлекса активного избегания
Л.Скарони и соавторы наблюдали сходное с уже описанным
повышение синтеза ДНК в мозге крыс. Однако при хрониче-
ской выработке сложного пищедобывательного навыка (доста-
вание пищи непредпочитаемой лапой) наблюдали уменьшение
синтеза ДНК в большинстве отделов мозга. Исследование уровня
синтеза ДНК в клетках разного типа (нейроны и глия) и раз-
личных субклеточных органеллах (ядра и митохондрии) пока-
зало, что индуцированные обучением изменения затрагивают
ядерную и митохондриальную ДНК нейронов, причем послед-
нюю — в большей степени. В ядерной ДНК эти изменения в
разной степени затрагивают разные (по степени повторенности
в геноме) последовательности ДНК. По-видимому, разнонаправ-
ленные изменения в общем уровне синтеза ДНК в мозге при
различных типах обучения связаны с тем, что этот показатель
является слишком сложной интегральной характеристикой ме-
таболизма ДНК, складывающейся из многих локальных эффек-
тов, каждый из которых зависит от различных протекающих в
мозге процессов. Известно, например, что уровень синтеза ДНК
в мозге крыс повышается при депривации парадоксального сна,
а также, что он испытывает закономерные циркадные колеба-
ния, выраженность которых зависит от времени года. Сущест-
венность синтеза ДНК для формирования памяти подтвержда-
ется также тем, что оба процесса подавляются при действии
электрошока.
Все эти данные свидетельствуют о возможном участии ме-
таболизма ДНК в процессах формирования и хранения нейро-
логической памяти. К сожалению, механизмы этого участия пока
остаются практически неизученными (В.В.Ашапкин, Б.Ф.Ва-
нюшин, 1984).
Энзиматическое метилирование остатков цитозина в ДНК
клеток животных рассматривается как один из основных меха-
низмов регуляции дифференциальной экспрессии генов. Для огром-
ного количества генов обнаружена обратная корреляция между
степенью метилирования остатков цитозина в области промо-
тора и экспрессией.
390
Степень метилирования ДНК в различных отделах головно-
го мозга и более тонких подразделениях каждого отдела неоди-
накова. Дексаметазон вызывает повышение, а ареколин — умень-
шение степени метилирования ДНК в мозге. Степень метили-
рования ДНК в мозге крыс возрастает при старении.
При выработке сложного инструментального пищедобыва-
тельного условного рефлекса у крыс наблюдали обратимое по-
вышение уровня метилирования ДНК в гиппокампе и неокор-
тексе, а при выработке простого пищевого условного рефлекса
— также и в мозжечке. Отмеченные изменения уровня метили-
рования затрагивают главным образом ядерную ДНК нейро-
нов. Значение выявленных обратимых изменений в уровне ме-
тилирования ДНК мозга при обучении остается неизвестным.
Представляется маловероятным, что они непосредственно свя-
заны с регуляцией транскрипции генов, поскольку, как показа-
ли многочисленные исследования последних лет, активность
генов мало зависит от общего уровня их метилирования и оп-
ределяется скорее состоянием небольшого числа “критических”
для транскрипции потенциально метилируемых участков в про-
моторной области. Сами масштабы и сроки обнаруженных сдви-
гов в метилировании ДНК при обучении свидетельствуют о том,
что они связаны с сопоставимыми глобальными процессами
синтеза ДНК (возможно, репаративного) и/или структурой ре-
организации хроматина. В связи с этим было бы интересным
выяснить возможную связь между изменением в уровне мети-
лирования ДНК мозга и синтеза в нем метаболически лабиль-
ной ДНК. Следует отметить, однако, что вновь синтезирован-
ная в мозге крыс ДНК, индуцированная обучением, существен-
но не отличается от предшествовавшей ДНК по уровню мети-
лирования. Приходится констатировать, что механизмы обра-
тимого повышения метилирования ДНК при обучении и функ-
циональная роль этого процесса пока остаются загадочными.
Основой долговременной памяти могут служить не только
структурные изменения внутри ДНК. Существуют предполо-
жения, что устойчивое состояние, связанное с экспрессией либо
депрессией определенных генов, формируется благодаря про-
цессам, описываемым на базе, например, модифицированных
моделей Жакоба и Моно. Конкретный процесс может, в част-
ности, выглядеть следующим образом. В исходном'состоянии
транскриптон, ответственный за синтез данного белка, выклю-
чен определенным репрессором. В результате какого-то воз-
действия, например вследствие процессов, происходящих в си-
наптическом аппарате, происходит экспрессия транскриптона
391
и синтез интересующего нас белка. После прекращения воз-
действия участок генома может снова оказаться репрессирован-
ным и синтез прекратится. Но в ряде случаев синтезируемый
белок оказывается способным связывать репрессор своего опе-
рона. Тогда возникает устойчивый цикл, который уже не пре-
рывается после прекращения воздействия.
Такая схема объясняет, например, почему ингибиторы син-
теза белка и ДНК не нарушают тех процессов, которые уже
прошли консолидацию и зафиксированы в долговременной
памяти. Для того чтобы прервать запущенный цикл, требуется
прекратить синтез биополимеров полностью и на очень дли-
тельный срок, а это трудно совместить с жизнью животного, к
тому же такие ингибиторы в настоящее время неизвестны. Если
же синтез белка продолжается, хотя бы и с небольшой интен-
сивностью, цикл не может быть необратимо подавлен.
Первые экспериментальные указания на справедливость мо-
делей такого типа получены при исследовании вентрального
гиперстриатума во время формирования условных рефлексов
пассивного избегания у цыплят. В мозге высших животных, как
и в ЦНС аплизии, кратковременные и долговременные формы
пластичности могут иметь общую структурную и отчасти моле-
кулярную основу: существенным компонентом механизма дли-
тельной посттетанической потенциации в гиппокампе млеко-
питающих является фосфорилирование протеинкиназой С пре-
синаптического белка F1, который, как показало изучение пер-
вичной структуры мРНК, идентичен белку GAP-43 — важней-
шему элементу процессов роста и регенерации нервных окон-
чаний (S.M.De la Monte et al, 1989). Экспрессия гена GAP-43
очень активна в развивающемся мозге в период аксогенеза. В
мозге взрослого человека ген GAP-43 наиболее активно экс-
прессируется в ассоциативных зонах неокортекса, гораздо ниже
— в проекционных и моторных зонах, умеренно — в мозжечке,
хвостатом ядре, покрышке, гиппокампе и цингулярной коре. В
мозге взрослых крыс местами наиболее активной экспрессии
гена GAP-43 являются гиппокамп и энторинальная кора, тогда
как в неокортексе, мозжечке и стволовых структурах число экс-
прессирующих нейронов очень невелико. Содержащие GAP-43
аксоны образуют редкую, но распределенную по всему мозгу
синаптическую сеть, которая, возможно, и является объектом
реорганизации при всевозможных процессах долговременной
пластичности.
Первые часы формирования долговременной памяти весьма
уязвимы к действию агентов, подавляющих текущую экспрес-
сию генов, тогда как на более поздних этапах она становится
392
относительно устойчивой (A.Goclet et al., 1986). Первичной
мишенью действия ингибиторов на ранние этапы формирова-
ния памяти вряд ли может быть экспрессия поздних эффектор-
ных генов GAP-43 или тирозингидроксилазного, поскольку
повышение уровня их экспрессии обычно наблюдается на бо-
лее поздних этапах. Маловероятно также, что включение раз-
личных эффекторных механизмов долговременной пластично-
сти является прямым ответом на синаптическую активацию.
Промежуточным звеном между этими процессами, объясняю-
щими чувствительность ранних этапов формирования памяти к
действию ингибиторов, является, вероятно, быстрая и обрати-
мая активация так называемых немедленных ранних генов (c-fos,
c-jun, c-jun-B, zif/268 и др.). Активация этих генов является наи-
более ранним (5-10 мин) и быстропроходящим (2-3 ч) ответом
клеточного ядра различных клеток на действие всевозможных
внешних стимулов (факторы роста, индукторы дифференциров-
ки, фармакологические агенты и т.д.). Более поздним послед-
ствием этого процесса является активация экспрессии эффек-
торных генов, обеспечивающая долговременный адаптивный
ответ клетки на действие внешнего стимула (начало клеточных
делений, дифференцировка, синтез мембранных рецепторов и
т.д.).
Одним из замечательных свойств немедленных ранних ге-
нов является их способность активироваться при действии са-
мых разных внешних стимулов на клеточную мембрану. Эта спо-
собность основана на присутствии в промоторной области каж-
дого из этих генов сложной мозаики взаимодействующих пози-
тивных и негативных регуляторных элементов, узнаваемых раз-
ными системами вторичных посредников. В целом немедлен-
ные ранние гены кодируют несколько обширных семейств спе-
цифических белков-регуляторов транскрипции.
Способность этих белков к продуктивному взаимодействию
с промоторными элементами разных эффекторных генов зави-
сят как от индивидуальной специфичности каждого из белков,
так и от их способности объединяться в гомо- и гетеродимеры.
Показано, что ген c-fos опосредует индуцированную фактором
роста нервов дифференцировку клеток PC 12 в неделяшиеся
ацетилхолин-чувствительные клетки, сходные с симпатически-
ми нейронами. Долговременная адаптация клеток мозга мыши
к действию конвульсантов метразола и пиротоксина включает
стадию быстрой активации немедленных ранних генов. Этот
эффект не имеет непосредственного отношения к судорожному
действию препаратов и затрагивает обширные популяции ней-
ронов в разных отделах мозга.
393
Показано также, что активация c-fos генов может быть ин-
дуктором синтеза нейротрофинов, которые способны модули-
ровать образование отростков и новых синапсов.
При индукции долговременной посттетанической потенциа-
ции в зубчатой фасции гиппокампа высокочастотной стимуля-
цией волокон перфорантного тракта наблюдается быстрая ак-
тивация одного из немедленных ранних генов, zif/268, коди-
рующего ДНК-связывающий белок с “Zn-пальцами”. Эффект
активации zif/268 совпадает с самой долговременной потенциа-
цией. Специфические антагонисты глутаматных рецепторов
NMDA блокируют генерацию ДПп и предшествующую ей ак-
тивацию гена zif/268, но не влияют на активацию этого и дру-
гих немедленных ранних генов конвульсантами. Эти и многие
другие данные позволяют выстроить одну из гипотетических
цепочек реакций, ведущих к формированию долговременной
памяти:
повторная интенсивная импульсация -> выключение рецепторов
глутамата (и, возможно, увеличение числа этих рецепторов за счет
механизма, описанного выше в разделе 11.1 и 11.2) активация не-
которых генов раннего реагирования (типа'c-fos) -> индукция синтеза
нейротрофинов -> модуляция числа синапсов и/или перестройка регу-
ляторных отношений в геноме, ведущая к постоянному включению
генов, кодирующих факторы “проторения” синапса.
В попытках раскрытия механизмов пожизненной долговре-
менной нейрологической памяти полезно сопоставление ее с
другими формами биологической памяти — генетической, эпи-
генетической и иммунологической. Первые две формы возникли
на ранних этапах эволюции, задолго до нейрологической памя-
ти, и определяли и определяют наследование структурно-функ-
циональных особенностей организма, дифференцировку кле-
ток в процессе онтогенеза и т.п. Существует, однако, еще одна
форма памяти — иммунологическая память — филогенетиче-
ски более близкая к нейрологической и, по некоторым предпо-
ложениям, тесно с ней связанная. В иммунологической памя-
ти, как и в ДПп, происходит длительная, часто пожизненная,
фиксация информации о редких, да^се единичных, событиях. В
настоящее время доказано, что формирование иммунологиче-
ской памяти не связано с образованием новых генетических
последовательностей. Происходит отбор и включение только
уже существующих в организме носителей определенных ге-
нов.
Сущность гипотезы об участии иммунологических механиз-
мов в процессах ДПп сводится к следующему. При многократ-
394
ном прохождении импульсов через синапс усиливается синтез спе-
цифических белков, например гликопротеидов, характерных лишь
для данной небольшой группы нейронов. Эти белки являются ком-
понентами синаптических мембран и при отсутствии повтор-
ной импульсации синтезируются в количествах, достаточных
только для их обновления. Если же происходит длительная
многократная импульсация, синтез этих белков значительно
усиливается и в результате возникающего их избытка они на-
чинают выделяться в околосинаптическое пространство. Вы-
шедшие белки обладают антигенными свойствами и могут взаи-
модействовать с определенными клонами клеток глии, которые
имеют сходство с лимфоцитами и способны продуцировать со-
ответствующие антигену антитела. Такие клетки обнаружены в
мозге и показана их способность продуцировать антитела, от-
личные от тех, которые образуются в других тканях.
Таким образом, мозг является в какой-то мере автоном-
ной иммунной системой. Следовательно, есть основания считать,
что вышедшие в межклеточное пространство белки-антигены
индуцируют в клетках глии процессы, подобные тем, которые
описаны для лимфоцитов — их трансформацию, размножение
и способность к синтезу антител или антителоподобных веществ,
специфически взаимодействующих с данными гликопротеида-
ми мембран тех же нейронов. Связываясь с ними, они модифи-
цируют синаптическую проводимость.
Способность к синтезу определенных антител данным кло-
ном клеток глии может сохраняться в течение всей жизни так
же, как это свойственно иммунологической памяти вообще.
Столь же продолжительной оказывается модификация синап-
сов, что и служит в конечном счете основой,ДП„.
Преимуществом гипотезы об иммунологической природе ДПп
является, во-первых, то, что она устанавливает тесное единство
нейрологической памяти с близкой к ней филогенетически, но
менее совершенной системой иммунологической памяти, а, во-
вторых, позволяет объяснить многие факты, свидетельствую-
щие о том, что клеткам глии принадлежат разнообразные функ-
ции, помимо трофических, защитных и изоляционных, обслу-
живающих метаболические процессы в нейронах, например, тот
факт, что отношение числа клеток глии к числу нейронов рас-
тет по мере филогенетического совершенствование мозга.
Иммунохимическая гипотеза памяти не противоречит су-
ществующим представлениям об иммуногенезе как о защитном
механизме. Прежде всего, образование антител — это процесс,
происходящий не только при патологии, но и в норме для уда-
395
ления компонентов организма, подлежащих на определенной
стадии уничтожению. Очень существенным является также факт
довольно строгой иммунообособленности мозга, так как без этого
нельзя себе представить протекание строго ограниченных, ло-
кальных процессов образования антител, влияющих лишь на
небольшие группы синапсов.
Таким образом, гипотеза об иммунохимических механизмах
долговременной памяти имеет целый ряд преимуществ и обос-
нований. Однако для ее окончательного доказательства требу-
ется прежде всего строгое экспериментальное подтверждение
способности клеток глии вести себя подобно лимфоцитам в от-
ношении иммунных реакций. Кроме того, пока нет прямых
сведений об образовании антителоподобных факторов при кон-
солидации, что, возможно, связано с чрезвычайной методиче-
ской трудностью их выявления. Пока имеются лишь косвенные
данные, указывающие на связь иммунных процессов с меха-
низмами памяти. Согласно этим данным, введение адъюванта
Фрейнда —стимулятора иммунных процессов — способно в
значительной мере изменять скорость выработки различных
поведенческих навыков у экспериментальных животных.
П.2. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ НЕЙРОЛОГИЧЕСКОЙ
ПАМЯТИ
Все созданные до сих пор гипотезы, касающиеся вопроса о
том, в каком виде хранится запоминаемая информация, можно
подразделить на две основные категории. Согласно одной, ос-
новой памяти является синтез новых макромолекул, не сущест-
вовавших ранее в организме (ни как таковых, ни в форме репрес-
сированных генов), а в соответствии с другой, более обосно-
ванной экспериментально, — субстратом памяти служит фор-
мирование устойчивых взаимодействий элементов нервной систе-
мы, при которых имеет место усиление или включение синтеза
ряда соединений, не новых для данного организма. Последние, как
было сказано, модифицируют работу синаптического аппарата,
создавая возможности для предпочтительного проведения воз-
буждения в определенных нервных сетях. В этом случае осно-
вой нейрологической памяти могут быть системы, подобные
тем, которые используются в ЭВМ, т.е. системы со связанными
переключателями. Запоминание при этом состоит в фиксации
определенного положения переключателей, образующих стро-
го определенную систему связей, при которой прохождение
сигналов будет направлено строго определенным образом. При
396
такой аналогии каждый нейрон может быть уподоблен много-
позиционному переключателю.
Возникает вопрос, обеспечивает ли такая модель достаточ-
ные возможности для хранения всей той информации, которая
должна фиксироваться животным (или тем более человеком) в
течение его жизни. Согласно теории информации информаци-
онная емкость некоторой структуры может быть измерена в
единицах информации (битах) по формуле I - log2N, где N —
число возможных вариантов состояния структуры, a log2N —
соответственно логарифм этого числа по основанию 2.
Определим возможную емкость нервной сети из m нейро-
нов. Если на каждой нервной клетке расположено п синапти-
ческих окончаний (т.е., согласно приведенной аналогии, лю-
бой из и переключателей может быть замкнут или разомкнут),
то число возможных состояний такой системы равно nm и ее
информационная емкость при условии, что все состояния счи-
таются равновероятными, составляет
I=log2nrn=mlog2n
Число нейронов в мозге примем равным 54 О9, а количество
синаптических контактов у каждого из них примем с точно-
стью до порядка (при заниженной оценке) равным 102. Если
хотя бы только 10% нейронов связано с памятью, то информа-
ционная емкость такой системы составляет
0,5 109log2100 « 3,3409 бит
Теоретический максимум информации, которая размещает-
ся в течение жизни в самой долговременной памяти, можно
рассчитать, исходя из сведений о максимальной скорости ввода
новой информации в мозг человека и о той доли информации,
которая надолго закрепляется в ДП. Эти показатели сравни-
тельно просто поддаются экспериментальной оценке, если поль-
зоваться легко анализируемыми источниками информации.
Исходя из экспериментальных оценок, максимальная ско-
рость ввода информации составляет 10-30 бит/с. В ДП закреп-
ляется не более одного процента вводимой информации, т.е.
скорость поступления информации в ДП можно принять рав-
ной 0,1-0,3 бит/с. При продолжительности жизни, равной се-
мидесяти годам, с учетом того, что человек бодрствует две тре-
ти жизни, непрерывно поглощая при этом информацию, общее
количество информации, зафиксированной в ДП, будет поряд-
ка 109 бит. Это в три раза меньше приведенной оценки для
информационной емкости мозга (при допущении, что в про-
цессе фиксации следа памяти участвует лишь 10% нейронов).
397
Что касается КП и ООП, то их объем много меньше, чем
объем ДП. Предположим, продолжительность ООП составляет
несколько часов и в течение этого периода в ней хранятся все
сто процентов воспринятой информации, тогда информацион-
ная емкость этой формы памяти составит ~3105 бит, что в де-
сять тысяч раз меньше рассчитанных возможностей мозга.
Так обстоит дело с возможностью хранения информации в
виде фиксированных межнейронных связей. Попытаемся те-
перь ответить на вопрос, возможно ли запасание информации в
структуре макромолекул с точки зрения их информационной
емкости. Сопоставим данные о количестве информации, кото-
рую мозг человека может накапливать в течение жизни ( ~109
бит), с информационной емкостью линейных полимеров, ис-
пользуемых системами генетической памяти.
Четыре вида нуклеотидов могут образовывать 43 — 64 вари-
анта триплетов. Информация, содержащаяся в одном триплете,
следовательно, должна была бы составить log264 = 6 бит. На
самом деле, поскольку код вырожден и некоторым триплетам
соответствуют одни и те же аминокислоты, информация, со-
держащаяся в триплете, оказывается меньше и составляет при-
близительно 4 бит. Информационное содержание одного ами-
нокислотного остатка в полипептиде, казалось бы, должно быть
таким же, как в триплете, но на самом деле оно оказывается
меньше из-за различной частоты встречаемости аминокислот и
при вычислении по формуле Шеннона составляет примерно 2
бит.
Следовательно, при информационном содержании памяти
109 бит для хранения этой информации требуется 2,5-Ю11 Д
информационной РНК, около 51011 Д ДНК и около 5 1О10 Д
белка. Согласно данным Хидена, в цитоплазме большого ней-
рона содержится 650 пг, а в ядре — 30 пг РНК, что равно, соот-
ветственно, 4-1014 и 1,81013 Д. В других нейронах содержание
РНК меньше, но все равно оно колеблется около 1013 Д. Это в
несколько сот раз больше, чем требуется для обеспечения ДП.
Количество ДНК в нейронах уступает содержанию РНК. ДНК
находится в основном в ядрах и составляет там ~61012 Д, но и
эта величина оказывается приблизительно в десять раз больше
величины, требуемой для обеспечения памяти. Другими слова-
ми, десятой доли количества ДНК или сотой доли РНК, содер-
жащейся в нейроне, достаточно для хранения нейрологической
памяти, которую человек фиксирует в течение жизни.
Доля белка, содержащегося в нейронах, необходимая для
фиксации энграммы, оказывается еще меньше.
Итак, биополимеров одного нейрона с избытком достаточно
398
для обеспечения как ограниченной во времени, так и долговре-
менной памяти мозга. Более того, количество ДНК в хромосо-
мах нейрона (как и любой клетки) таково, что, следуя цепи
рассуждений, можно дойти до предположений о генетической
передаче какой-то доли приобретенной нейрологической ин-
формации. Однако такое утверждение противоречит экспери-
ментальным данным и теоретическим представлениям совре-
менной генетики.
Приведенные расчеты следует оценивать лишь как доказа-
тельство заведомой, колоссальной избыточности информаци-
онной емкости макромолекул клеток мозга. Очевидно также,
что только из оценок информационной емкости макромолекул
не вытекает необходимость существования в мозге огромного
количества нервных клеток. Иначе говоря, только с точки зре-
ния количества информации нельзя сделать выбор между гипо-
тезой о том, что память основана на межнейронных взаимодей-
ствиях, и гипотезой о непосредственном хранении памяти в
биополимерах.
Не решает однозначно вопроса о способе хранения энграм-
мы и тот факт, что ингибиторы синтеза ДНК не подавляют ни
фиксацию, ни хранения следа в ДП. Если считать, что в ДП в
течение суток включается около 2104 бит информации, то это
составит примерно 107 Д вновь синтезируемой ДНК, т.е. всего
миллионную долю ДНК, содержащейся в одной нервной клет-
ке. Даже если допустить, что при запоминании синтезируются
десятки идентичных молекул ДНК, то и в этом случае такую
долю можно не уловить существующими аналитическими ме-
тодами и не отметить нарушения запоминания такими ингиби-
торами, как, например, цитозин-арабинозид, степень торможе-
ния синтеза ДНК которым составляет не намного более 95%.
Таким образом, вопрос о механизме хранения энграммы
приходится решать другими методами. Результаты исследова-
ний в настоящее время все в большей степени свидетельствуют
о предпочтительности гипотезы, согласно которой память хра-
нится в виде структуры межнейронных взаимодействий.
П.З. РОЛЬ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПАМЯТИ
Ввиду того, что процессы памяти тесно связаны с модифи-
кацией синаптических процессов, химические передатчики нерв-
ного возбуждения должны играть здесь принципиальную роль.
К настоящему времени накоплен большой экспериментальный
материал, касающийся значения нейромедиаторов в процессах
399
памяти и обучения. Полученные результаты свидетельствуют о
большой значимости основных медиаторов (ацетилхолин, но-
радреналин, дофамин, серотонин, ГАМК) в этих процессах, хотя
конкретные формы участия каждого медиатора, по-ввдимому,
зависят от того, какой именно тип информации запоминается.
Так, хотя известно, что способность животных к обучению,
в общем, положительно коррелирует с уровнем ацетилхолина и
отрицательно — с активностью холинэстеразы в мозге, тем не
менее выработка одних навыков сопровождается активацией, а
других — снижением активности этого фермента. В большин-
стве случаев, однако, ацетилхолин способствует выработке ус-
ловных реакций. Показано, что снижение содержания ацетилхо-
лина в мозге ингибиторами холинацетилазы нарушает обучение, а
его повышение ускоряет выработку оборонительных навыков. В
ряде исследований показано, что вещества, нарушающие обмен
ацетилхолина, вызывают амнезию, а фармакологическая акти-
вация ацетилхолиновых рецепторов облегчает и ускоряет обу-
чение и стимулирует извлечение следа из памяти.
Важная роль в регуляции процессов памяти принадлежит
системе биогенных аминов мозга (норадреналину и серотонину).
В детальных исследованиях Е.А.Громовой было показано, что
при выработке условных реакций с отрицательным (болевым)
подкреплением происходит активация норадренергической сис-
темы, а при обучении с положительным (пищевым) подкрепле-
нием содержание норадреналина в мозге и скорость его метабо-
лизма снижаются. Умеренная активация норадренергических
процессов стимулирует выработку реакций с болевым подкреп-
лением, но чрезмерное увеличение сопержатя этого медиатора в
мозге приводит к нарушению выработки всех условных реакций.
Серотонин, напротив, облегчает выработку и хранение навы-
ков, основанных на положительном подкреплении, и отрица-
тельно влияет на формирование оборонительных реакций. По
существующим представлениям норадренергическая и серото-
нинергическая системы являются в значительной степени ан-
тагонистами в отношении процессов памяти, и способность к
выработке тех или иных навыков зависит не столько от абсо-
лютного уровня содержания или метаболизма того или иного
медиатора, сколько от соотношения активностей этих систем.
Так, нарушения, вызванные увеличением содержания серото-
нина, могут быть компенсированы параллельной активацией
норадренергической системы и наоборот. -
По мнению Е.А.Громовой, существует реципрокность серо-
тонина и норадреналина в регуляции консолидации следов памяти.
400
Механизм их действия заключается в свойствах этих медиато-
ров пролонгировать многократную циркуляцию возбуждения в
нейронных системах, связанных соответственно с положитель-
ным и отрицательным восприятием информации, что является
необходимым для перехода нейродинамической фазы фикса-
ции следа в фазу структурно-химических изменений.
Сведения, касающиеся участия дофамина в регуляции про-
цессов памяти, неоднозначны. По некоторым данным, он, как
и норадреналин, может стимулировать выработку условных ре-
акций с отрицательным подкреплением. В работах Г.Маттиеса
было показано, что дофамин и его агонисты при инъекции в
гиппокамп ускоряют выработку условной реакции в лабиринте
с болевым подкреплением. Им же было показано, что этот ме-
диатор стимулирует включение лейцина и фукозы в белки гип-
покампальных нейронов, а также снижает фосфорилирование
белка В-50 и усиливает фосфорилирование фосфоинозитолди-
фосфата в клетках гиппокампа. Учитывая сказанное, есть осно-
вания считать, что дофамин участвует в регуляции синаптиче-
ских процессов, связанных с фиксацией следов памяти.
Роль других медиаторов в регуляции процессов памяти изу-
чена в меньшей степени. Из числа достаточно надежно уста-
новленных фактов можно указать на роль глутаминовой кисло-
ты, о которой было сказано в связи с гипотезой Линча и Бодри,
и на многочисленные данные, свидетельствующие о выражен-
ном угнетающем влиянии на запоминание и обучение со сторо-
ны ГАМК.
11.4. НЕЙРОПЕПТИДЫ - РЕГУЛЯТОРЫ ПАМЯТИ
С середины 60-х годов стало известно, что некоторые олиго-
пептиды, представляющие собой молекулы из небольшого чис-
ла аминокислотных остатков, способны модифицировать про-
цесс обучения и влиять на степень выработки, хранения и уга-
сания приобретенных поведенческих реакций. Среди этих пеп-
тидов оказались ранее известные гормоны, их фрагменты, а также
ряд других соединений, выполняющих в организме специфиче-
ские регуляторные функции. Из пептидов, относящихся к чис-
лу гормонов, наиболее выраженным действием на процессы
обучения и памяти обладают гормоны гипофиза —адренокор-
тикотропный (АКТГ) и вазопрессин.
При изучении влияния АКТГ на процессы памяти было по-
казано, что главная роль в его действии принадлежит фрагмен-
ту АКТГ4.10, который оказывает на эти процессы практически
401
такой же эффект, как и целый гормон. Положительным влия-
нием на обучение обладает также и еще более короткий отре-
зок АКТГ4_7, хотя его действие выражено слабее, чем у АКТГ4.)0.
Более короткие фрагменты не оказывают существенного влия-
ния на процессы обучения и памяти.
Как было выяснено, стимулирующее влияние фрагментов
АКТГ на обучение не связано с собственно гормональной функ-
цией пептида, так как фрагменты-активаторы памяти лишены
такой функции. Кроме того, установлено, что эти пептиды дей-
ствуют непосредственно на процессы фиксации, хранения и вос-
произведения памятного следа, а не на функции, связанные с
активностью и вниманием во время обучения, ибо фрагменты
АКТГ оказываются эффективными при введении их либо сразу
после сеанса обучения, либо перед воспроизведением приобре-
тенного навыка.
Гормон задней доли гипофиза — вазопрессин также обладает
ярко выраженным положительным влиянием на выработку ус-
ловных реакций у животных и функции, связанные с памятью у
людей. Будучи введенным в чрезвычайно малых дозах (около
0,001 мг на 1 кг массы тела), он ускоряет выработку и замедляет
угашение приобретенных навыков, устраняет ретроградную
амнезию, улучшает воспроизведение хранящейся в памяти ин-
формации. Стимуляция вазопрессином процессов памяти так-
же не связана с его гормональным действием, так как такое же
стимулирующее действие оказывают некоторые его аналоги и
фрагменты, не вызывающие свойственных вазопрессину гор-
мональных реакций.
Есть все основания считать, что АКТГ и вазопрессин либо
их фрагменты, образующиеся в организме в результате расщеп-
ления гормонов, не только стимулируют запоминание при вве-
дении их извне, ио постоянно функционируют в мозге в каче-
стве регуляторов процессов памяти. В пользу этого утвержде-
ния свидетельствует целый ряд фактов. Во-первых, введение
животным иммунной антисыворотки, специфически связываю-
щей вазопрессин либо АКТГ4_10, приводит к значительному ухуд-
шению их обучаемости. Во-вторых, крысы, у которых в резуль-
тате мутации нарушен синтез вазопрессина, способны к обуче-
нию в значительно меньшей степени, чем животные с нормаль-
ным уровнем этого нейропептида. В-третьих, доказано, что в
мозге существует обширная сеть вазопрессинергических ней-
ронов, синаптические окончания которых особенно многочис-
ленны в тех отделах, которые принимают активное участие в
процессах, связанных с памятью и обучением.
402
Можно, таким образом, утверждать, что вазопрессин и АКТГ
и (или) их фрагменты являются специфическими регуляторами
функций центральной нервной системы, имеющих прямое от-
ношение к процессам фиксации, хранения и воспроизведения
следов памяти. Помимо этих двух соединений существует еще
несколько нейропептидов, которые можно считать относитель-
но специфичными стимуляторами запоминания и воспроизве-
дения энграмм (табл. 11.2).
Таблица 11.2
Некоторые стимуляторы запоминания и воспроизведения
энграммы
Степень специфичности эффекта Стимуляторы
Общая ха- рактеристика Вещество
Относительно специфичные (преимуществен - но стимулируют запоминание, консолидацию, внимание) Регуляторные пептиды Вазопрессин (CYFQNCPRGa) и некоторые аналоги, дипептид pEDa, pEGa, АКТГ (MENF) и некоторые аналоги (в том числе MENFPGP). Ряд других регуляторных пептидов модулируют запоминание, но лишь в особых условиях эксперимента
Непептидные соединения Пирацетам и его аналоги, некоторые ганглиозиды
Агенты широкого спектра действия (некоторые стимуляторы запоминания и воспроизведения) Вещества, связанные с метаболизмом РНК Оротат, метилглюкаминоротат, РНК различной полимерности и происхождения
Нейростиму- ляторы Фенилалкиламины (например фенамин), фен ил алкил оиднон имины (например сиднокарб)
Некоторые антидепрессанты (например азафен) Некоторые холиномиметики и ингибиторы ацетилхолинэстеразы в ограниченном интервале доз
Непептидные специфические стимуляторы памяти практи-
чески неизвестны. Единственным таким соединением, широко
использующимся в клинике, эффект которого молйно считать
несомненным, является пирацетам. Интересно, что молекула
пирацетама, химически родственная ГАМК, в то же время близка
по конформации к некоторым пептидам, которые также суще-
ственно стимулируют запоминание и, в свою очередь, сходна
403
по структуре с активными фрагментами вазопрессина (Р.У.Ост-
ровская и др., 1989).
Что касается других непептидных соединений, обладающих
стимулирующим действием на процессы памяти (табл. 11.2), то
их действие, скорее всего, является неспецифическим, осуще-
ствляемым благодаря общей активации деятельности ЦНС.
Достаточно активным стимулятором памяти является оротовая
кислота, действие которой направлено на синтез уридинмоно-
фосфата и, следовательно, на образование РНК.
Известно, что нейропептиды могут служить как самостоя-
тельными медиаторами в синаптических окончаниях нейронов,
так и кофакторами классических (непептидных) медиаторов,
вместе с которыми они могут находиться либо в одной везикуле,
либо в различных везикулах в пределах одной терминали. Есть ос-
нования полагать, что такое сочетание группы активных ве-
ществ в пределах одной терминали является в большинстве слу-
чаев, если не во всех, необходимым для нормального функцио-
нирования синапса. Возможно, оно обеспечивает способность
пресинаптического аппарата регулировать уровень освобожде-
ния медиатора и чувствительность к приходящим стимулам.
Известно, что нейропептиды-спутники способны значительно
повышать сродство рецептора к основному медиатору. Напри-
мер, вазоактивный интестинальный пептид (ВИП) увеличивает
сродство ацетилхолиновых рецепторов к ацетилхолину более
чем в десять тысяч раз. Это свойство пептидов может иметь
большое значение, так как они, как правило, гораздо стабиль-
нее, чем непептидные.медиаторы. Если период полураспада у
последних колеблется от нескольких долей секунды до минуты,
то для многих пептидов он может составлять несколько минут
и более. В результате создаются условия для того, чтобы прово-
димость синапса увеличивалась на время, значительно превы-
шающее продолжительность КПМ.
Выделяющиеся в синаптических окончаниях пептиды спо-
собны влиять на описанные выше нейрохимические реакции в
нейронах, которые могут быть связаны с консолидацией следов
памяти. Установлено, что АКТГ, взаимодействуя с постсинап-
тическими рецепторами, увеличивает образование внутрикле-
точной цАМФ. Результатом этого может быть подавление фос-
форилирования упоминавшегося синаптосомального белка В-
50. Следующим звеном в цепи возникающих реакций будет яв-
ляться снижение уровня фосфорилирования фосфоинозитидов,
уменьшение отрицательного заряда мембраны и изменение со-
стояния ионных каналов. Известно, что вазопрессин также ока-
404
зывает влияние на уровень фосфорилирования белка В-50. Сле-
довательно, кроме кратковременных эффектов нейропептидов-
спутников, связанных с их действием на сродство рецепторов к
основному медиатору, можно представить себе их более дли-
тельное действие на поляризацию других, более отдаленно рас-
положенных мембран и на синаптическую проводимость.
Действие нейропептидов на постсинаптические рецепторы
не обязательно должно быть обусловлено их локализацией в
одном синаптическом окончании с непептидными медиатора-
ми. Возможен и такой вариант, когда в районе одного постси-
наптического рецептора расположены в непосредственной бли-
зости синаптические окончания двух нейронов, один из кото-
рых выделяет классический (непептидный), а другой — пеп-
тидный медиатор. Оба медиатора реагируют с соседними участ-
ками постсинаптической мембраны таким образом, что пептид
изменяет ее реакцию на выделение основного медиатора. В этом
случае реакция постсинаптической клетки на этот медиатор в
большой мере будет зависеть от того, пришел ли одновременно
импульс или серия импульсов от пептидергического нейрона.
Изложенные предположения о роли нейропептидов в про-
цессах нейронной пластичности и памяти не обязательно должны
относиться исключительно к вазопрессину и АКТГ, т.е. тем
пептидам, которые несомненно способны стимулировать па-
мять при их введении в организм. Вероятно, не все введенные
пептиды могут, не разрушаясь, достигать тех клеток мозга, где
они способны оказать свое действие. Кроме того, в том случае,
когда пептид вводят системно, т.е. внутривенно, внутрибрю-
шинно, подкожно или внутримышечно, его действие распро-
страняется сразу на весь организм и специфическое влияние на
процессы обучения и памяти может маскироваться другими
эффектами. Вот почему количество известных нейропептидов-
стимуляторов памяти, скорее всего, будет постепенно увеличи-
ваться.
Уже сейчас выявлены соединения, обладающие неизвестной
ранее для них способностью стимулировать процессы запоми-
нания и воспроизведения энграмм (табл.11.2). Кроме того, ус-
тановлено, что некоторые фрагменты и искусственно синтези-
рованные аналоги природных пептидов часто обладают более
выраженным действием, чем сами соединения, обнаруживае-
мые в организме. Так, выяснилось, что аналог АКТГ4_7 —
M(o)EHF(d)KF [где М(о) означает окисленную форму метио-
нина, a (d)K — D-изомер лизина] обладает активностью, в ты-
сячу раз превышающей активность самого АКТГ. Получен так-
405
же аналог АКТГ4.7, образующийся присоединением к нему трех
природных аминокислот, — MEHFPGP, который по активно-
сти не уступает исходному пептиду, но обладает значительно
более продолжительным действием. Такое увеличение актив-
ности или пролонгирование эффекта объясняется тем, что при-
соединение дополнительных аминокислотных остатков к моле-
куле пептида или замена их внутри этой молекулы делает ее
более устойчивой к метаболической деградации, в результате
чего нейропептид достигает клеток-мишеней в больших кон-
центрациях, чем это имеет место при введении природного со-
единения.
Уже упоминались случаи, когда фрагмент нейропептида ока-
зывается активнее, чем исходное вещество. Так, было показа-
но, что при внутримозговом введении фрагмента вазопрессина
NCPGa его дозы, требуемые для стимуляции обучения, оказы-
ваются на несколько порядков ниже, чем для целого вазопрес-
сина. Авторы этих исследований считают, что в регуляции про-
цессов памяти участвует не вся молекула вазопрессина, а лишь
фрагмент, отщепляющийся от молекулы благодаря специфике
метаболизма вазопрессина в ЦНС.
11.5. ПРОБЛЕМА ПЕРЕНОСА ПАМЯТИ
Предположение, что следы памяти или выработанные навы-
ки могут быть закодированы в структуре каких-то химических
соединений и переноситься с этими соединениями от одного
индивида к другому, возникло на рубеже 50-60-х годов после
исследований Мак-Коннела, проведенных на червях планари-
ях. Безусловной реакцией планарии является сокращение тела
в ответ на электроболевой раздражитель. После многократного
сочетания такого воздействия со вспышкой света у червей вы-
рабатывалась условная реакция на свет. Вслед за этим плана-
рию разрезали на две половины и выжидали месяц, пока каж-
дая половина не регенерирует до целой особи. После этого у
всех регенерировавших таким образом планарий вновь выраба-
тывали ту же условную реакцию. При этом выяснилось, что для
выработки реакции требуется время, в три раза меньшее, чем
при первоначальном обучении, независимо от того, из какого
конца — головного или хвостового — происходила регенера-
ция. Результаты заставляли предполагать, что приобретенная
условная реакция кодируется какими-то химическими вещест-
вами, которые могут храниться как в головной, так и в хвосто-
вой части червя.
406
В дальнейших экспериментах была сделана попытка опреде-
лить, какие именно химические соединения обусловливают
перенос навыка. Оказалось, что если регенерация производит-
ся в растворе рибонуклеазы, ускорение выработки реакции про-
исходит только у тех планарий, которые регенерируют из голов-
ного конца$езуяъхг.ты этих экспериментов породили предполо-
жение, что переносчиком памяти является РНК. Однако даль-
нейшие исследования, выполненные на позвоночных живот-
ных, этого предположения не подтвердили.
Аналогичные эксперименты, проводимые главным образом
на крысах, также показали, что передача некоторых форм при-
обретенных навыков с помощью химических агентов, скорее
всего, возможна. Многие исследователи склоняются, однако, к
представлению, что переносится не сам навык, а способность к
его выработке. Большая группа экспериментов, проведенных
почти одновременно в середине 60-х годов в разных лаборато-
риях и на разных моделях, показала возможность ускорения
обучения определенным навыкам у крыс-реципиентов, полу-
чавших гомогенат и экстракты мозга от обученных крыс-доно-
ров. К переносимым относились такие реакции, как нахожде-
ние правильного пути в лабиринте, инструментальные рефлек-
сы и привыкание к сильному звуковому раздражителю. Во всех
этих экспериментах у реципиентов по сравнению с контроль-
ными животными (теми, кому вводили физиологический рас-
твор или гомогенат мозга необученных животных) значительно
быстрее вырабатывалась именно та реакция, которую приобре-
ли доноры.
Дальнейшие исследования были посвящены попытке выяс-
нить химическую природу одного из таких переносчиков памя-
ти. Еще в 1965 г. Г.Унгар предположил, что фактором переноса
является не РНК, как считалось до того времени, а белок. В
дальнейшем это предположение находило все большее экспе-
риментальное подтверждение.
Тот же Г.Унгар в последующих работах использовал методи-
ку так называемого пассивного избегания, состоящую в том,
что крысу (или мышь) помещают в камеру, состоящую из двух
отсеков — темного и светлого. В соответствии со своими био-
логическими склонностями животное заходит в темный отсек,
где получает удар током. Если это болевое подкрепление запо-
минается, то при последующих помещениях в камеру животное
избегает заходить в темный отсек. В опытах Г.Унгара после ус-
тойчивой выработки условной реакции пассивного избегания у
крыс выделяли мозг и различные его фракции вводили реципи-
407
ентам-мышам, которых впоследствии тестировали по той же
методике. В результате было показано, что мыши, получавшие
экстракты мозга обученных крыс, с самого начала избегали за-
ходить в темный отсек.
Исследователями было получено большое количество оди-
наково обученных животных, достаточное для того, чтобы вы-
делить вещество, ответственное, как считалось, за перенос спе-
цифического навыка. Им оказался пептид, состоящий из 15 а.о.
Он был назван скотофобином (вещество боязни темноты).
Впоследствии были выделены и другие пептиды, перенося-
щие, как думали, определенные типы выработанных навыков.
Однако детальные исследования показали, что получить чис-
тые препараты, способные переносить закрепленные навыки,
довольно затруднительно. Чем тщательнее производилась очи-
стка выделяемой фракции, тем в меньшей степени осуществ-
лялся перенос. Синтетический скотофобин, хотя в какой-то
степени и вызывал у доноров боязнь темноты, но обладал зна-
чительно меньшей эффективностью, чем препараты, выделен-
ные из мозга.
Методика экспериментов Г.Унгара была подвергнута много-
сторонней критике. Утверждалось, например, что животные во
время опыта находятся в состоянии выраженного стресса и по-
этому выделяемый фактор является агентом переноса не памя-
ти, а стрессового состояния. Кроме того, результаты экспери-
ментов, проведенных в разных лабораториях, в большой мере
варьировали в зависимости от сравнительно небольших разли-
чий в особенностях применяемых методик. После многолетних
исследований удалось установить, что факторы переноса навы-
ков Г.Унгара, по всей вероятности, если и существуют, то не
переносят непосредственно уже сформировавшийся навык, а лишь
усиливают способность к его выработке при обучении реципиен-
тов. На этом и основано мнение многих исследователей, что
все факторы переноса на самом деле являются просто стимуля-
торами памяти, подобными уже упоминавшимся АКТГ и вазо-
прессину.
Таким образом, пока нет вполне строгих доказательств
переноса энграммы с помощью специфических химических со-
единений, вырабатывающихся в мозге донора. Трудности экс-
периментального подтверждения переноса памяти связаны, в
частности, с тем, что при выработке сложных поведенческих ре-
акций может выделяться одновременно несколько факторов, ка-
ждый из которых обусловливает определенный компонент цело-
стной реакции. Факторы эти могут взаимодействовать между
408
собой достаточно сложным образом, усиливая или подавляя друг
друга. В результате малейшие отклонения в эксперименталь-
ной процедуре могут приводить к неоднозначным результатам.
Говоря о механизмах химического переноса памяти, можно
представить себе два варианта. Либо информация закодирована в
структуре молекул переносимого вещества, либо эти вещества
запускают в мозге реципиента функциональные системы, анало-
гичные тем, которые были активированы у донора. Имеющиеся
факты не дают каких-либо свидетельств в пользу первого пред-
положения. Судя по существующим данным, веществами-пе-
реносчиками, по всей вероятности, являются малые и средние
по размерам пептиды. Однако трудно себе представить способ-
ность таких пептидов к переносу больших порций информа-
ции, усваиваемой при выработке того или иного навыка. К тому
же до сих пор не установлена с достаточной определенностью
структура таких пептидов.
Второй вариант, предусматривающий генетически обуслов-
ленное существование в мозге многочисленных схем обучения
и их активацию определенными химическими агентами, пред-
ставляется более вероятным. Одним из возможных механизмов
такого переноса могут быть упоминавшиеся иммунологические
процессы, обеспечивающие закрепление памяти. В свете гипо-
тезы об иммунохимических механизмах памяти фактором пе-
реноса может быть либо соединение, вырабатывающееся в си-
напсе в результате приходящей к нему интенсивной импульса-
ции и служащее антигеном, либо антителоподобные соедине-
ния, вырабатывающиеся в ответ на этот антиген. По химиче-
ской природе эти факторы могут быть пептидами относительно
малого размера.
Известно, что в целом ряде обычных иммунологических про-
цессов антигенная детерминанта, т.е. участок молекулы антиге-
на, ответственный за его специфичность, может представлять
собой пептид с относительно небольшим количеством амино-
кислотных остатков. Тем более, что возможность существова-
ния антител в виде молекул, значительно меньших обычных
иммуноглобулинов, допустима в изолированной иммунной сис-
теме мозга. Здесь не требуется крупных белковых молекул, в
которые, помимо узнающего участка, входит большой фрагмент
для обеспечения изоляции и уничтожения чужого антигена. Для
реализации процессов, связанных с памятью, может оказаться
достаточным пептид, близкий по размеру к узнающему участку.
В результате таких иммунохимических процессов в мозге
могут образовываться антигены или антителоподобные соеди-
409
нения. При попадании в мозг реципиента такие вещества спо-
собны найти синапсы или клетки глии, аналогичные тем, на
которых они были синтезированы и, модифицируя их деятель-
ность, обеспечить запуск соответствующей функциональной
системы.
Таковы существующие представления о возможности пере-
носа, или транспорта, запечатленной в мозге информации с
помощью химических агентов. Окончательное же решение это-
го вопроса будет зависеть от дальнейших исследований, связан-
ных с выделением, анализом структуры, синтезом и лаборатор-
ными испытаниями этих веществ.
* * *
Суммируя изложенные представления о молекулярных ме-
ханизмах памяти, можно сделать заключение, что основой ней-
рологической памяти является изменение проводимости в сети
синапсов после многократного повторения подходящих к синапти-
ческим терминалям импульсов. Поэтому события на молекуляр-
ном уровне, непосредственно связанные с запоминанием, ра-
зыгрываются в значительной мере в синапсе, но с обязатель-
ным привлечением других биохимических систем нейрона и,
по всей вероятности, клеток глии.
Следует, однако, иметь в виду, что такие представления на-
ходятся, по мнению ряда исследователей, в противоречии с дан-
ными о возможности “научения” отдельного нейрона. В опы-
тах с хорошо наблюдаемыми и всесторонне охарактеризован-
ными нейронами моллюсков установлена возможность возник-
новения реакции нейрона на условный раздражитель. Раздра-
жителем может служить, в частности, какое-либо вещество,
подводимое к нейрону. После ряда одновременных воздейст-
вий этого вещества и фактора, который при всех условиях вы-
зывает реакцию нейрона, оказывается возможным выработать
реакцию клетки только на избранное вещество.
Пока еще трудно судить о биохимических механизмах этого
явления. Однако попытаемся ответить на вопрос, каково его
возможное значение в механизмах запоминания целого мозга.
Рассмотрим сначала это явление с позиций филогенеза. Раз-
витие у одноклеточных организмов каких-то форм привыка-
ния, сенситизации и запоминания, кроме генетической памя-
ти, охарактеризованной выше, не встречает каких-либо прин-
ципиальных возражений. Нет и априорных возражений против
того, что при объединении единичных клеток по ходу эволю-
ции в многоклеточные организмы индивидуальные механизмы
410
клеточной памяти не утрачивались, а вступали в какие-то отно-
шения с другими системами. Однако можно ли, опираясь на
достигнутый уровень знаний, сравнивать относительную зна-
чимость для многоклеточных, особенно высших, животных па-
мяти огромных нейрональных ансамблей, с одной стороны, и
простую сумму памяти индивидуальных нейронов, с другой?
Выше уже отмечалось соответствие реально достижимой
информационной емкости нейрологической памяти с характе-
ристиками численности и взаимосвязанности нейронов мозга.
Определена и важнейшая роль состояния мозга для формиро-
вания не только кратковременной, но и долговременной памя-
ти. В мозге высших животных и человека отмечено наличие
отделов, зон и т.д., которые в разное время и по-разному участ-
вуют в процессе консолидации памяти. Хотя память следует
рассматривать как функцию всего мозга, это не значит, что не
существует сложной системы “разделения труда” между отдель-
ными нейронами и их группами. Все это является свидетельст-
вом качественно нового уровня, достигнутого в филогенезе по-
сле перехода к многоклеточным организмам. Поэтому можно
полагать, что способность отдельного нейрона к простейшим
формам обучения и запоминания каким-то образом интегрирована
в высших полинейрональных синаптических механизмах. Изучение
механизмов этой интеграции сейчас только начинается. Одна-
ко уже ясно, что нет оснований для противопоставления си-
наптических и “мононейрональных” гипотез о природе нейро-
логической памяти.
Различные по продолжительности и по ряду других признаков
формы памяти обеспечиваются качественно различными меха-
низмами, которые, однако, тесно связаны друг с другом. На пер-
вом этапе (при формировании КПМ) основными факторами яв-
ляются локальные и кратковременные изменения концентра-
ций калия и кальция в непосредственной близости от синапти-
ческих мембран. При более продолжительной форме памяти
(ООП) в процесс могут быть вовлечены другие механизмы, ко-
торые первоначально запускаются, с одной стороны, измене-
ниями потоков и концентраций указанных ионов, а с другой —
прямым действием медиаторов (классических или пептидных),
а также нейропептидов-спутников (ко-трансмиттеров, ко-ме-
диаторов). К таким процессам, в первую очередь' относится
изменение степени фосфорилирования белков мембран, про-
исходящее за счет кальций- или циклонуклеотид-зависимых
реакций. При этом происходит протеолиз и модификация син-
теза некоторых мембранных белков. Совокупность всех этих
411
процессов может определять ООП в различных ее формах, имею-
щих разную продолжительность — от нескольких секунд до
нескольких суток. При этом надо иметь в виду, что нейрохими-
ческие перестройки могут затрагивать не только синаптический
аппарат, но и изменять деятельность самого нейрона. Предпо-
лагается, что помимо соединений, изменяющих функциониро-
вание синапса в мозге, существуют специальные информаци-
онные вещества (гормоны, белки, пептиды и др.), действующие
в составе так называемой парасинаптической системы, т.е. ми-
нуя синапс.
В этот же период происходят процессы консолидации, фор-
мирующие наиболее продолжительную, пожизненную форму
памяти — ДПп. При этом включается или усиливается синтез
некоторых белков, возможно тех же, которые определяют дли-
тельную форму ООП. Эти белки могут либо индуцировать пе-
рестройку регуляторной системы в геноме нейрона, так что обес-
печивается поддержание измененного состава синаптических
мембран в течение всей жизни, либо включать иммунохимиче-
ские механизмы в глиальных клетках, обусловливающие посто-
янное воздействие на состояние синапса путем выработки ан-
титслоподобных соединений, специфически связывающих бел-
ки синаптической мембраны данного нейрона или группы ней-
ронов.
В целом, развитие представлений о молекулярных механиз-
мах памяти идет от попыток создания универсальных гипотез,
стремящихся объяснить все процессы, связанные с запомина-
нием в целом, к разработке все более усложняющихся пред-
ставлений о большой и разветвленной цепи реакций, опреде-
ляющих различные формы нейрологической памяти. В связи с
этим следует обратить внимание на одно важное обстоятельст-
во. Имеющиеся в настоящее время данные заставляют предпо-
лагать, что формы нейрологической памяти и обусловливаю-
щие их нейрохимические механизмы могут определяться не
только временными характеристиками, но и тем, какая именно
информация запоминается или какой тип условной реакции
вырабатывается. Например, ингибиторы кальций-зависимых
протеиназ, о роли которых в формировании нейронной пла-
стичности и ООП уже говорилось, могут нарушать выработку
только отдельных видов условных реакций, оставляя интакт-
ными другие. Аналогичные факты известны относительно не-
которых пептидных регуляторов памяти (вазопрессин и АКТГ)
и веществ, влияющих на классические медиаторы (норадрена-
лин и серотонин). Существуют типы поведенческих реакций,
412
формирование которых стимулируется вазопрессином и не за-
трагивается АКТГ, и наоборот. В некоторых случаях норадре-
налин стимулирует формирование одних форм поведения и
ухудшает приобретение других, а серотонин действует проти-
воположным образом. Имеются и другие примеры, указываю-
щие на то, что нейрохимические механизмы, ответственные за
формирование памяти, могут быть различными в зависимости
от содержания запоминаемой информации.
Таким образом, к настоящему времени не существует еди-
ной непротиворечивой теории, способной объяснять всю сово-
купность фактов, связанных с природой памяти. Проблема эта
является чрезвычайно сложной и потребует еще своего переос-
мысления с позиций различных подходов. Однако несомнен-
ный прогресс, наметившийся в последние годы в этой области,
и широкий фронт проводящихся исследований позволяет ожи-
дать в ближайшие годы существенных качественных сдвигов в
расшифровке этих механизмов.
Выводы
1. Нейрологическая память обладает сложной системной
организацией и не имеет строгой локализации в определенных
участках мозга. По современным представлениям, следы памя-
ти (энграммы) фиксируются в мозге в виде изменений состоя-
ния синаптического аппарата, в результате которых возникает
предпочтительное проведение возбуждения по определенным
нервным путям.
2. После восприятия информации, в процессе ее запечатле-
ния и фиксации, в мозге протекает ряд последовательно сме-
няющихся нейрохимических процессов. На первых этапах, в
стадии минимальной кратковременной памяти продолжитель-
ностью не более секунды, происходят изменения “быстрых”
функций синапса, связанные с выбросом и сдвигом концентра-
ции “классических” и пептидных медиаторов. В дальнейшем, в
фазе относительно ограниченной во времени памяти, длящейся
от нескольких секунд до нескольких суток, первоначальные
синаптические процессы, связанные с изменениями концен-
трации ионов кальция или циклазными системами, могут во-
влекать широкий спектр нейрохимических процессов, вклю-
чающих изменения в составе и структуре нейроспецифических
белков, в частности изменения степени их фосфорилирования,
а также модификацию синтеза РНК.
3. Для формирования пожизненной долговременной памяти
413
необходим постоянный синтез новых биополимеров, который
может быть осуществлен в случае устойчивых перестроек в функ-
ционировании участков генома. Последние могут происходить
в результате либо структурных изменений ДНК, либо образова-
ния устойчивых циклов для постоянного синтеза репрессоров
или дерепрессоров транскриптонов. Возможно также, что в
формировании долговременной памяти принимают участие
иммунологические механизмы, благодаря которым в мозге син-
тезируются антителоподобные соединения, способные в тече-
ние длительного времени модифицировать деятельность синап-
сов в определенных нервных путях.
4. В механизмах формирования памяти принимают участие
как “классические” медиаторы, так и большое число нейро-
пептидов, выполняющих функции медиаторов и нейромодуля-
торов. Среди таких нейропептидов наиболее изучены вазопрес-
син и фрагменты АКТГ, введение которых в организм в не-
больших дозах значительно стимулирует процессы, связанные
с запоминанием и извлечением информации из памяти. Суще-
ственно при этом, что влияние пептидных гормонов на память
не связано с их собственно гормональными функциями.
5. Имеются сведения о том, что при обучении в мозге жи-
вотных вырабатываются определенные олигопептиды, которые
способны при введении необученным животным стимулиро-
вать у них выработку аналогичного навыка. Однако конкрет-
ные механизмы такого “транспорта памяти” пока не известны.
414
Глава 12
Биохимические пути в исследовании механизмов
психических и нервных болезней
И.П.Ашмарин, Е.П.Каразеева, П.В.Стукалов
Патологические состояния центральной нервной системы
многочисленны, многообразны и чрезвычайно сложны по ме-
ханизму возникновения и развития. В рамках одной главы на-
стоящего руководства невозможно, да и не нужно, рассматри-
вать громоздкий, подчас противоречивый и пока далекий от
строгости комплекс данных и гипотез по каждой из основных
болезней центральной нервной системы. Такая попытка в рам-
ках нейрохимического руководства была бы несостоятельна так-
же в силу невозможности разделения, хотя бы временного, био-
химических и физиологических механизмов этих болезней.
Поэтому в этой главе будут показаны только пути, на которых
ученые-биохимики добились некоторых успехов в познании от-
дельных (далеко не всех!) элементов патологических процес-
сов, лежащих в основе ряда болезней и болезненных состояний
центральной нервной системы.
Читатель найдет в данной главе часть материала, которая в
виде отдельных фрагментов уже фигурировала в предыдущих
разделах. Однако там эти фрагменты лишь демонстрировали
значимость фундаментальных нейрохимических исследований
для медицины. В дальнейшем изложении они образуют вместе
с новым материалом общий обзор по ряду узловых моментов
патологической нейрохимии, который должен быть, по замыс-
лу авторов, доступен для биохимиков и физиологов, не имею-
щих медицинского образования, и для медиков, так или иначе
связанных с нейрохимией.
12.1. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ВНУТРЕННЕГО
ПОДКРЕПЛЕНИЯ (ВОЗНАГРАЖДЕНИЯ) ПРИ
НАРКОМАНИЯХ
У примитивно устроенных организмов цепочка, реакций в
центральной нервной системе, начинающаяся под действием
той или иной мотивации, например голода, инстинкта продол-
жения рода и т.п., имеет минимальное число промежуточных
звеньев и завершается непосредственным достижением или не-
достижением цели. Достижение конечной цели является про-
415
стейшим подкреплением, вознаграждающим фактором. У от-
носительно высокоразвитых организмов процесс достижения
цели может быть разделен на большее число этапов. Заверше-
ние промежуточного этапа не вознаграждается конечным ре-
зультатом и, как установлено, существует система так называе-
мого внутреннего подкрепления. Например, выполняя опреде-
ленную работу, современный человек, как правило, не получа-
ет после ее завершения пищевого вознаграждения, но получает
деньги, испытывая при этом определенное удовлетворение и
уверенность в возможности с помощью денег реализовать цель
(или одну из конечных целей) — приобретение и потребление
пищи. В центральной нервной системе чувство удовлетворения
может быть обеспечено с помощью ряда гуморальных факто-
ров, к которым в первую очередь относятся нейропептиды —
некоторые из опиоидов, нейротензин и др.
Простейший эксперимент, позволяющий в опытах на живот-
ных выявить эти гуморальные факторы, состоит в предоставле-
нии им возможности выбора веществ, вызывающих приятные
ощущения при самовведении в желудочек мозга. Белая крыса,
например, с вживленными в мозг канюлями, имеющая возмож-
ность нажатием той или иной педали инъецировать себе раствор
одного из испытуемых веществ, довольно быстро переходит от
беспорядочного нажатия разных педалей к заведомо предпочти-
тельному самовведению довольно узкого круга веществ. Суще-
ствуют и более сложные формы такого рода экспериментов.
В результате, к категории предпочитаемых веществ — веро-
ятных внутренних факторов подкрепления — сейчас относят
некоторые из опиоидных нейропептидов — [3-эндорфин и энке-
фалины (в большей мере — лей-энкефалин), а также нейротен-
зин. Одновременно выявляются и нейропептиды, обладающие
противоположным действием: вазопрессин и, по-видимому, ме-
ланостатин и тиролиберин.
Вводя себе извне нейропептиды вознаграждения, животное
обходится без нормального механизма, необходимого в естест-
венных условиях для обеспечения пути к цели, завершение ко-
торого вознаграждается образованием внутреннего химическо-
го сигнала — фактора внутреннего удовлетворения.
Многие исследователи рассматривают эти эксперименты как
модель наркомании. Существо наркомании состоит, с этой точки
зрения, в подмене внешним химическим агентом естественно-
го внутреннего химического вознаграждения. Такая подмена при
доступности химического эквивалента внутреннего фактора не
требует целенаправленного труда и ряда других процессов для
того, чтобы достичь состояния удовлетворения, наслаждения и
416
т.п. Экзогенные опиаты — морфин и его аналоги — являются
эквивалентами внутренних опиоидов, взаимодействуя с теми
же классами рецепторов головного мозга, что и опиоидные ней-
ропептиды. Характерно, что наиболее апробированным средст-
вом снятия абстинентных состояний у наркоманов* является
специфический блокатор опиатных рецепторов — налоксон, а
также его аналоги.
Механизмы наркоманий, вызванных опиатами, находят, та-
ким образом, истолкование, которое можно отнести к категории
достаточно обоснованной гипотезы. Сложнее обстоит дело с ря-
дом других наркотиков — кокаином, каннабиноидами, ЛСД, мец-
калинами и др. В отношении некоторых из них рассматриваются
гипотезы, аналогичные изложенной выше. В частности, катехо-
ламины, особенно норадреналин, и серотонин, в определенных
зонах мозга участвуют в процессах внутреннего подкрепления.
Об этом свидетельствует наличие зон, расположенных по ходу
катехоламинергических и серотонинергических путей, раздраже-
ние которых (в том числе при хирургических операциях на мозге
людей) вызывает ощущения удовлетворения, удовольствия и т.п.
Многие из упомянутых выше наркотинов известны как агенты,
вмешивающиеся в катехоламинергическую и серотонинергиче-
скую нейротрансмиссию. Поэтому, хотя и с меньшей степенью
доказательности, чем в случае опиатных наркотиков, гипотеза о
наркомании, как подмене факторов внутреннего подкрепления,
правомочна и для многих неопиатных соединений. Следует так-
же иметь в виду, что механизмы и химические факторы внут-
реннего подкрепления известны лишь частично.
В рамки изложенной гипотезы пытались заключить и дан-
ные о механизмах алкоголизма. Прослеживаются сложные свя-
зи между развитием алкоголизма, уровнями опиоидных пепти-
дов, непептидных факторов, подобных опиатам, катехолами-
нов, серотонина и других гуморальных регуляторов. Сложность
этих связей такова, что, не исключая роли факторов внутренне-
го подкрепления, целесообразно рассмотреть ряд данных о ме-
ханизмах алкоголизма особо.
12.2. АЦЕТАЛЬДЕГИД, НЕПЕПТИДНЫЕ И ПЕПТИДНЫЕ
ОПИОИДЫ И АЛКОГОЛИЗМ
Первые исследования биохимических механизмов алкоголизма
привели к установлению трех важных фактов. Во-первых, эта-
*Болезненных состояний, возникающих после резкого прекращения сис-
тематического потребления наркотика.
417
нол является мембранотропным агентом и может в концентра-
циях, вызывающих опьянение, менять состояние рецепторов и
многих энзимов, инкорпорированных в мембрану. Во-вторых,
широко представленный в организме, особенно в печени, фер-
мент — алкогольдегидрогеназа, участвующая в метаболизме мно-
гих регуляторных соединений (гамма-оксимасляной кислоты,
ряда стероидов, некоторых биоаминов и др.), вступает в кон-
такт с поступающим извне этанолом и как бы отвлекается от
ряда нормальных функций, что, в свою очередь, ведет к откло-
нениям в синтезе ряда регуляторов. В-третьих, наконец, алко-
гольдегидрогеназа быстро превращает часть поступающего эта-
нола в ацетальдегид; последний может быть источником обра-
зования ряда биоактивных факторов и, кроме того, его прямое
действие на мозг вызывает неприятные ощущения — синдром
похмелья; далее ацетальдегид постепенно окисляется митохон-
дриальной ацетальдегиддегидрогеназой и образующийся ацетат
может служить для синтеза жирных кислот и т.п.
Ощущения, вызываемые ацетальдегидом, явились отправной
точкой для создания ряда противоалкогольных средств, подав-
ляющих ацетальдегиддегидрогеназу, повышающих тем самым
уровень, ацетальдегида и ускоряющих, в результате, развитие
тяжелого состояния после приема даже небольших доз алкого-
ля. В практику вошел, в частности, такой ингибитор этого фер-
мента, как тетурам, систематическое введение которого прино-
сит определенную пользу в лечении алкоголизма. Особенно пер-
спективными оказались воздействия, позволяющие на длитель-
ное время изменять активность двух указанных главных фер-
ментов метаболизма этанола. В экспериментах на крысах-алко-
голиках эффективной оказалась индукция аутоантител, связы-
вающих эти ферменты.
Далее было установлено, что ацетальдегид, взаимодействуя с
дофамином, может образовать в организме так называемый саль-
солинол:
а взаимодействуя с серотонином, — метил-тетрагидро-₽-карбо-
лин:
418
Эти соединения имеют некоторое структурное сходство с
морфином.
Адетальдегид способен также тормозить один из этапов ка-
таболизма дофамина — его окислительное дезаминирование, —
так что накапливается промежуточный продукт — 3,4-диокси-
фенилацетатальдегид. Последний, взаимодействуя опять-таки с
дофамином, образует тетрагидропапаверолин, способный, в свою
очередь, превращаться в соединения, все более приближающиеся
по структуре к морфину, в том числе — норморфин:
419
В последние годы прослежены метаболические пути, веду-
щие к образованию в организме млекопитающих даже кодеина
и морфина, хотя и в очень малых количествах. Более того, сей-
час можно считать, что в микроконцентрациях многие соеди-
нения этого ряда постоянно представлены в мозге. Однако вве-
дение извне этанола и образование из него ацетальдегида резко
повышает уровень морфиноподобных соединений.
Установлена способность сальсолинола и других эндогенных
аналогов морфина, образующихся с участием ацетальдегида,
служить как агонистами, так и блокаторами опиоидных рецеп-
торов в зависимости от концентрации и других условий. След-
ствия такого взаимодействия могут состоять, во-первых, в под-
мене эндогенных факторов вознаграждения (на какой-то ста-
дии приема алкоголя) и, во-вторых, если концентрация сальсо-
линола в организме алкоголика постоянно повышена (а это дей-
ствительно так для определенной категории алкоголиков), то
блокада рецепторов в отношении собственных эндогенных, наи-
более адекватных, факторов вознаграждения может вызвать
постоянное чувство неудовлетворенности и побуждать к поис-
ку наркотических средств.
Пока трудно отдать предпочтение одной из этих возможно-
стей, но образование сальсолинола и подобных ему непептид-
ных морфиноподобных соединений при алкоголизме указыва-
ет на вероятную связь опиоидной системы с механизмом алко-
голизма. К этой же мысли приводит тот факт, что классический
блокатор опиатных рецепторов — налоксон, упоминавшийся в
предыдущем разделе, оказался полезен также при лечении ал-
коголизма.
Наконец, показательно, что у большинства алкоголиков воз-
растает уровень антител к морфинеподобным соединениям.
Понятна поэтому настойчивость, с которой современные ис-
следователи после открытия опиоидных пептидов (а это про-
изошло позже обнаружения сальсолинола и других морфино-
подобных веществ, образующихся после потребления алкого-
ля) ищут корреляции между уровнем последних, а также со-
стоянием опиоидных рецепторов, с одной стороны, и глубиной
и фазой алкоголизма, с другой стороны. Найденные сейчас кор-
реляции, подтверждающие более или менее значительное уча-
стие системы опиоидов в механизмах алкоголизма, свидетель-
ствуют о довольно сложных отношениях, подчас противоречи-
вых. Так, например, показано меньшее содержание мет-энке-
фалина в мозге предрасположенных к алкоголю животных и
меньшая концентрация в гипоталамусе p-эндорфина у живот-
420
ных со сформированным алкоголизмом и наследственно пред-
расположенных к алкоголизму.
Установлено также, хотя и не на всех экспериментальных
моделях, что введение таким животным этанола повышает уро-
вень мет-энкефалина и р-эндорфина.
Можно пытаться толковать эти данные так, что сниженные
уровни эндогенных опиоидов в мозге обусловливают влечение
к этанолу как к фактору, ведущему к образованию в мозге опио-
идов, т.е. к нормализации гуморальных систем вознагражде-
ния. С этим согласуются феномены снятия абстиненции и не-
которого снижения влечения к алкоголю при введении извне
опиоидных нейропептидов, а также некоторых ингибиторов
протеолитического распада опиоидных пептидов в организме
(И.П.Анохина, Л.Ф.Панченко, 1988). Однако ряд эксперимен-
тальных данных трудно согласовать с таким толкованием. Так,
в отличие от мет-энкефалина содержание лей-энкефалина в
мозге предрасположенных к алкоголизму животных повышено.
Противоречивы данные об изменениях уровня р-эндорфина
в плазме и цереброспинальной жидкости при введении этано-
ла. Источником недоразумений является также то, что при ал-
коголизме возможны, и в ряде работ зарегистрированы, не только
изменения уровня эндогенных опиоидов, но и состояния их
рецепторов в силу упоминавшейся мембранотропности этано-
ла. Есть данные о снижении сродства энкефалинов к их рецеп-
торам под действием этанола. Следовательно, для строгого уче-
та роли эндогенных опиоидов при алкоголизме необходимо совме-
стное рассмотрение данных об уровне опиоидов и о состоянии их
рецепторов. Таких данных пока недостаточно.
Богатый, хотя опять-таки неоднозначный, эксперименталь-
ный материал собран о роли катехоламинов и серотонина в
развитии алкоголизма. Здесь прослеживается четкая зависимость
действия этанола от этапа, фазы развития алкоголизма (И. П.Ано-
хина, Б.М. Коган, 1986) .
Однократный прием этанола вызывает вначале усиленный
выброс катехоламинов — дофамина и норадреналина, обуслов-
ленный, вероятно, мембранотропным действием алкоголя на
пресинаптические рецепторы (например, снижается активность
а2-адренергических рецепторов, тормозящих выход катехола-
минов, подавляется активность энзимов, расщепляющих кате-
холамины, и активность системы обратного захвата катехола-
минов терминалью). Секретируемые катехоламины входят в
число факторов внутреннего вознаграждения, вызывающих эй-
форическое состояние. После выброса катехоламинов срабаты-
421
вает система обратной регуляции, которая не просто нормали-
зует состояние системы, а создает временный дефицит катехо-
ламинов в синаптической щели и жидкостях организма. Воз-
можно, это служит одним из побуждающих факторов к повто-
рению приема этанола.
При развитии хронического алкоголизма состояние снижен-
ного выхода, усиленной деградации и повышенного обратного
захвата катехоламинов как бы закрепляется, создавая, как по-
лагают, постоянный механизм, побуждающий к частому прие-
му этанола для временной коррекции этих нарушений. Полное
прекращение приема алкоголя на стадии развитого хрониче-
ского алкоголизма ведет к экстренной мобилизации всех суще-
ствующих механизмов синтеза, выброса и сохранения катехо-
ламинов в синаптической щели. Разрегулированная на преды-
дущих стадиях система срабатывает так, что происходит не нор-
мализация уровня катехоламинов, а чрезмерное возрастание их
концентрации, в частности дофамина. Они участвуют в разви-
тии абстиненции.
Сходной является, в общем, и динамика изменений выхода
и превращений серотонина. Извращения его выброса могут быть
связаны с эйфорией и галлюцинациями (сравнить с эффектами
ЛСД) . Вместе с тем роль серотонинергической системы пред-
ставляется пока неоднозначной. Так, с одной стороны, ряд сти-
муляторов синтеза и выхода серотонина, блокаторы обратного
захвата и многие агонисты подавляют влечение к этанолу (6-
гидрокситриптофан, апоморфин, дексфенфлюрамин, бромкрип-
тин, соли лития и др.). В то же время селективные антагонисты
5НТ3-рецепторов (онданстерон) и такие ингибиторы синтеза
серотонина, как р-хлорфенилаланин, также подавляют потреб-
ление этанола. Активная иммунизация животных против серо-
тонина (при введении ковалентных конъюгатов этих веществ
или их аналогов с антигенами-носителями) ведет к снижению
его уровня в плазме крови и в мозге и к подавлению влечения к
алкоголю экспериментальных животных (Г.Н.Крыжановский,
В.А.Евсеев, 1988; И.П.Ашмарин и сотр., 1989). По-видимому,
участие серотонинергической системы в механизмах влечения
к алкоголю очень тесно связано с типом рецепторов серотони-
на, а также локализацией как рецепторов, так и мест синтеза
этого медиатора.
В механизмы наркоманий и алкоголизма вовлечена также
главная тормозная система мозга — ГАМК-ергическая. Подав-
ление этой системы позволяет понять устойчивость патологи-
ческих влечении.
422
Характерно, что действие на влечение к алкоголю ряда ней-
ропептидов более или менее коррелирует с их участием в раз-
витии или подавлении стрессовых состояний. Вообще извест-
но, что стресс сам по себе стимулирует влечение к алкоголю.
Пептид дельта-сна, оказавшийся сильным противострессовым
агентом, достоверно снижает потребление этанола эксперимен-
тальными животными при систематическом его введении. У
предрасположенных к алкоголю белых крыс его содержание в
плазме крови и стриатуме снижено.
В целом представленные результаты исследований в области
нейрохимических механизмов алкоголизма не образуют пока
единой стройной картины, но свидетельствуют об относитель-
ной близости времени, когда она сформируется.
12.3. СТРАХ, ФОБИИ, р-КАРБОЛИНЫ, ЭНДОЗЕПИНЫ И
ХОЛЕЦИСТОКИНИН-4
Сравнительно давно фармакологи создали новый класс тран-
квилизаторов — бензодиазепины, вошедшие сейчас в широкую
медицинскую практику. Затем были выявлены рецепторы этих
соединений в головном мозге. Поскольку не были известны внут-
ренние лиганды этих рецепторов, их обозначили как рецепто-
ры диазепама (одного из распространенных представителей этой
группы). Далее, оказалось, что эти рецепторы являются частью
рецепторов гамма-аминомасляной кислоты (ГАМКд-рецепто-
ров) или самостоятельным рецептором, прочно связанным с
рецептором ГАМК. Наконец, удалось выделить часть эндоген-
ных лигандов этих рецепторов: во-первых, большой пептид —
эндозепин, состоящий примерно из сотни аминокислотных ос-
татков, его активные фрагменты — малые 18- и 6-членные пеп-
тиды и, во-вторых, непептидные соединения — производные
так называемых р-карболинов. Примером последних является
метилтетрагадро-р-карболин, образование которого описано в
разделе 12.2. Активные фрагменты эндозепинов имеют струк-
туру: QATVGDVNTDRPGLLDLK и GLLDLK.
Эти соединения оказывают действие на поведение живот-
ных, обратное действию ГАМК и ее аналогов. Они вызывают
беспокойство, проявления страха и в опытах на грызунах про-
конфликтное поведение. В США документировано острое бес-
покойство, паническое состояние людей, которым вводили одно
из производных p-карболина (карбоксилированный по 3-й по-
зиции р-карболин).
Что касается транквилизаторов — бензодиазепинов, с кото-
423
рых начался этот цикл исследований, то они оказались блока-
торами рецепторов эндозепинов, подавляющими их взаимодей-
ствие с эндогенными факторами страха, беспокойства и про-
конфликтного поведения.
В последние годы внимание нейрохимиков и психиатров
привлек еще один пептид, вызывающий беспокойство, страх и
паническое поведение как у людей, так и у животных, — наи-
меньший из обнаруживаемых в мозге С-концевых фрагментов
холецистокинина — ХЦК-4. Его действие на поведение опо-
средовано стимуляцией некоторых отделов дофаминергической
системы через специальные рецепторы ХЦКВ. Уже синтезиро-
ваны антагонисты ХЦК-4, с помощью которых удается снизить
уровень тревожности и панических реакций как в опытах на
животных, так и в первых клинических исследованиях.
Для понимания биохимических механизмов ряда расстройств
психики значение этих открытий весьма велико. Многие пси-
хические расстройства сопровождаются навязчивыми страхами,
фобиями, крайне беспокойным и конфликтным поведением.
Они характерны, в частности, для поздних стадий алкоголизма,
некоторых проявлений шизофрении и др.
12.4. ДОФАМИН И ПАРКИНСОНИЗМ
Раскрытие биохимических процессов, лежащих в основе бо-
лезни Паркинсона — глубокого нарушения стереотипной двига-
тельной активности, ее координации и инициации, — стало од-
ним из первых ярких достижений патологической нейрохимии.
Синдром болезни удалось воспроизвести в экспериментах
на животных, вводя им 6-оксидофамин. Этот аналог дофамина
проникает в везикулы нервных окончаний, предназначенные
для накопления и выброса катехоламинов, конкурирует с по-
следними за включение в везикулы и, в конечном счете, подав-
ляет катехоламинергическую трансмиссию. Этот процесс иногда
называют химической десимпатизацией, имея в виду особую роль
катехоламинов в симпатической нервной системе. Однако это
название неточно, ибо катехоламины широко распространены
и функционируют во многих других отделах нервной системы.
Дофаминергические нейроны стриатума, части хвостатого
ядра и особенно черной субстанции, являющиеся основными
центральными организаторами стереотипной двигательной ак-
тивности, оказались высокочувствительными к такому дейст-
вию 6-оксидофамина. В результате впервые удалось, вводя ве-
щество определенной биохимической направленности дейст-
424
вия, вызвать такое специфическое заболевание, как паркинсо-
низм.
В последние годы появилась возможность еще более точно-
го определения нейронов, повреждение которых достаточно для
возникновения паркинсонизма. Синтетический нейротоксин —
метилфенилтетрагидршшридин (или его метаболиты) избиратель-
но связывается с меланинсодержащими нейронами черной суб-
станции, вызывая их депигментацию и паркинсонический син-
дром. Отмечено также существенное снижение содержания в
черном веществе мет-энкефалина и холецистокинина и обнару-
жен, наконец, дефицит одного из глиальных белков, выпол-
няющих тропические функции по отношению к нейронам, син-
тезирующим глутамин.
Участие дофаминергических систем в паркинсоническом
синдроме предполагает возможность облегчения синдрома вве-
дением в мозг дофамина. Поскольку дофамин не проходит ге-
матоэнцефалический барьер, воспользовались для введения боль-
ным его ближайшим предшественником — дноксифенилалани-
ном. Он существенно облегчает состояние паркинсоников. Сле-
дует, однако, подчеркнуть, что длительное введение больным
больших доз диоксифенилаланина, значительно усиливающего
синтез дофамина во всех отделах мозга, может вести к появле-
нию симптомов, сходных с другим психическим заболеванием
— шизофренией, одним из физиологических и биохимических
проявлений которого является именно гиперактивность дофа-
минергической системы.
Новейший путь лечения паркинсонизма состоит в пересад-
ках клеток или участков ткани здорового мозга из мезэнцефа-
лона человеческих плодов, способных продуцировать дофамин,
в определенные участки мозга больного. Заметим, что особен-
ности иммунологического статуса мозга значительно облегчают
такие пересадки (в отличие от пересадок других тканей и орга-
нов вероятность отторжения трасплантата здесь значительно
ниже). Результаты первых серий таких пересадок обнадежива-
ют. Сейчас накапливается опыт длительного наблюдения след-
ствий этих операций и разрабатываются культуры клеток мез-
энцефалона с тем, чтобы отказаться от использования материа-
лов, получаемых при абортах.
12.5. ШИЗОФРЕНИЯ, КАТЕХОЛАМИНЫ И ВНУТРЕННИЕ
НЕЙРОЛЕПТИКИ
Практически полный отказ современной психиатрии от па-
425
лат для буйных психических больных объясняется двумя при-
чинами, различными внешне, но сходными по сути. Первая
состоит в хирургическом вмешательстве — перерезании катехол-
аминергических путей, идущих к лобной коре от таламуса, ре-
тикулярной формации, черной субстранции и некоторых дру-
гих отделов мозга. Довольно эффективное для снятия агрессив-
ных проявлений шизофрении, это средство, тем не менее, свя-
зано с определенной деградацией умственных способностей и в
настоящее время уступило место фармакологическим воздейст-
виям. Последние состоят в подавлении рецепции и/или секре-
ции катехоламинов, особенно дофамина, такими соединения-
ми, как галоперидол, трициклические нейролептики и др. Строго
говоря, эти агенты не столько лечат больных от шизофрении,
сколько подавляют ее проявление: агрессивное поведение, гал-
люцинации, стереотипную двигательную активность и т.п.
Эффективность указанных средств приближает к понима-
нию механизмов болезни, включающих глубокое извращение и
патологическое усиление в определенных отдела?, мозга шизоф-
реников катехоламинергической, особенно дофаминергической,
трансмиссии. Установлено 4-5-кратное повышение плотности
рецепторов дофамина D4 (недавно открытая разновидность до-
фаминовых рецепторов, близкая к D2). Показательно, что одно
из лучших антипсихотических лекарств — клозапин — обладает
наибольшим сродством именно к рецепторам D4. Выявлен так-
же значительно повышенный уровень дофамина в височной доле
головного мозга, особенно в левой миндалине. Отмечен и ряд
морфологических изменений в тех же отделах — увеличение
объема боковых желудочков, утончение парагиппокампальной
коры и др.
Противоречивыми, в отличие от закономерных изменений
содержания дофамина, являются сведения о содержании но-
радреналина в различных отделах мозга шизофреника. Относи-
тельно воспроизводимы лишь данные о повышении уровня но-
радреналина в цереброспинальной жидкости.
Особого внимания заслуживают сообщения о воспроизведе-
нии отдельных проявлений шизофрении при воздействии аген-
тов, так или иначе вмешивающихся в состояние катехолами-
нергической и серотонинергической систем. Так, аналог дофа-
мина — растительный алкалоид мецкалин (триметоксифенила -
мин) вызывает галлюцинации, в том числе цветные, имеющие
сходные элементы с шизофреническими. Выше, в разделе о
паркинсонизме, упоминался эффект длительного введения боль-
ших доз диоксифенилаланина — предшественника дофамина,
426
который усиливает синтез последнего и может вызвать шизо-
идные изменения поведения у людей. Животные, получившие
высокие дозы другого аналога биоаминов — фенамина, после
периода возбуждения проявляют монотонную, стереотипную
двигательную активность, напоминающую таковую у шизофре-
ников.
Галлюцинаторные явления, наблюдаемые при введении не-
которых аналогов серотонина, например диэтиламида лизерги-
новой кислоты (ЛСД), также заслуживают внимания с точки
зрения возможной роли при шизофрении не только извраще-
ний катехоламинергической, но и серотонинергической транс-
миссии.
Картина патологического, несбалансированного усиления при
шизофрении катехоламинергических и, возможно, серотони-
нергических систем в определенных участках мозга хорошо со-
гласуется и с данными об изменении набора и активности мо-
ноаминооксидаз (МАО), расщепляющих соответствующие ней-
ромедиаторы после выхода из нервного окончания. Из четырех
форм МАО, обнаруженных в мозге человека, — I, Па, Пр и III
— у шизофреников отсутствует III и существенно модифици-
рована II форма.
Наконец, в механизмы шизофрении вовлечена еще одна ней-
ромедиаторная система — глутаматергическая. Отмечено ее зна-
чительное ослабление во фронтальной коре (коррелирующее
также с частичным морфологическим обеднением коры шизоф-
реников). Напомним, что с этой системой особенно тесно свя-
зан ряд высших функций мозга. Такой антагонист глутамата,
как пенциклидин, имитирует некоторые симптомы шизофре-
нии на животных. Сейчас изучается возможность применения
агонистов глутаматергических рецепторов для терапии шизоф-
рении.
Меньше данных накоплено пока в отношении изменений
пептидной регуляции при шизофрении.
Как показано в гл.9, в нервных окончаниях, как правило, встре-
чаются те или иные ассоциации классических нейромедиаторов
с нейропептидами. В частности, дофаминергические окончания
особенно часто содержат холецистокинин-8, вазоактивный инте-
стинальный пептид и, реже, соматостатин и вещество Р. В норад-
рененргических окончаниях частыми спутниками норадренали-
на являются нейропептиды Y и энкефалины Известно также, что
холецистокинин-8 и, с меньшей определенностью, соматоста-
тин тормозят дофаминергическую передачу. Аналогичные дан-
ные имеются в отношении действия энкефалинов на норадре-
нергическую трансмиссию. Активатором же норадренергической
427
передачи является нейропептид Y, а дофаминергической, опять-
таки с меньшей определенностью, — вазоактивный интестиналь-
ный пептид. Поэтому существенное значение имеют данные о
снижении содержания холецистокинина-8 в гиппокампе и мин-
далине мозга шизофреников. Снижено также содержание в гип-
покампе соматостатина, а в миндалине — мет-энкефалина и ве-
щества Р, однако концентрация вазоактивного интестинального
пептида в миндалине повышена.
Со всей этой группой данных ассоциируются сведения о ней-
ролептическом действии холецистокинина-8 и родственного ему
пептида — церулеина, а также некоторых эндорфинов. Оно про-
является в тестах, разработанных в свое время для отбора ле-
карств-нейролептиков: по способности вызывать каталепсию,
по действию на агрессивное поведение, по подавлению эффек-
тов фенамина и др. Снижение ими дофаминергической транс-
миссии показано и в экспериментах на клеточном уровне. Все
это послужило основанием для наименования холецистокини-
на-8, а также дезтирозил- и дезэнкефалин-эндорфинов эндо-
генными нейролептиками. К сожалению, попытки использо-
вать их как лечебные средства для купирования шизофрениче-
ского синдрома у людей пока не дали ощутимых результатов.
Можно говорить пока лишь о положительных тенденциях, в
частности о перспективности совместного применения холеци-
стокинина или церулеина с обычными нейролептиками (Э.Э.-
Васар, 1988).
Более перспективными представляются исследования, осно-
ванные на данных о способности короткого концевого тетра-
пептида холецистокинина — ХЦК-4 — вызывать состояния тре-
воги, страха и паники. Они описаны выше — в разделе о меха-
низмах страха и фобиях. Действие ХЦК-4 опять-таки связано с
активацией части дофаминергической системы. Поэтому на
синтезе и испытаниях антагонистов ХЦК-4 основаны надежды
на создание нового класса лекарственных веществ для лечения
некоторых форм шизофрении.
12.6. КАТЕХОЛАМИНЫ, НЕЙРОПЕПТИДЫ И ДЕПРЕССИВНЫЕ
СОСТОЯНИЯ
Подавление катехоламинергической и серотонинергической
систем сопряжено с депрессивным состоянием. Однако карти-
на подавления катехоламинергической трансмиссии при депрес-
сиях не является простым обращением того, что наблюдается,
например, при агрессивных формах шизофрении, а механизмы
428
депрессий не сводятся только к нарушениям классических ме-
диаторных систем.
Накопилось немало данных о существенном снижении но-
радренергической трансмиссии при депрессиях. В меньшей сте-
пени снижается активность серотонинергической системы. Еще
меньше сдвигов в дофаминергической трансмиссии. Отсутству-
ют существенные изменения в других классических нейроме-
диаторных системах. В согласии с этими данными находится
эффективность снятия депрессии большой группой лекарствен-
ных средств — имнпрамином, амитриптилином, инказаном и мно-
гими другими, действие которых состоит либо в торможении
обратного захвата норадреналина и серотонина, либо в ингиби-
ровании их расщепления моноаминооксидазами. Заметим лишь,
что таков механизм действия антидепрессантов только на на-
чальных этапах применения (в течение первых 2 недель). При
длительном же их введении включаются сложные изменения в
рецепции медиаторов (P.Wilner, 1985). При введении людям
веществ, снижающих уровень катехоламинов, может возник-
нуть депрессия. Таким веществом оказался резерпин, приме-
няемый при лечении гипертонии (а ранее — и шизофрении).
Таким образом, значимость снижения активности катехола-
минергической системы при развитии депрессий очевидна; од-
нако это снижение не является простой противоположностью
тем изменениям, которые описаны для шизофрении. При ши-
зофрении — преобладающее усиление дофаминергической
трансмиссии, при депрессии — преимущественное подавление
норадренергической и серотонинергической. Полагают также,
что в характерном для депрессий подавлении психической и
двигательной активности участвует также дисбаланс между воз-
буждаюшей глутаматергической и тормозной ГАМК-ергической
системами, отмечаемый как при депрессиях, так и при шизоф-
рении. Наконец, в мозге больных депрессиями (погибших при
несчастных случаях) обнаружены значительные.изменения плот-
ности опиатных рецепторов. Это указывает на возможные от-
клонения в системе “внутреннего вознаграждения “ (см. 1-й
раздел настоящей главы).
Маниакальные состояния, противоположные депрессиям по
симптоматике (нередко маниакальные и депрессивные состоя-
ния чередуются у одного и того же больного — маниакально-
депрессивный синдром), сопровождаются, ъ Общем, противо-
положной направленностью изменений биоаминов и других
регуляторных факторов.
429
12.7. СУДОРОЖНЫЕ СОСТОЯНИЯ, ЭПИЛЕПСИЯ,
ГЛУТАМАТНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ И ИХ АНТАГОНИСТЫ
Биохимические механизмы судорожных состояний и особен-
но такой болезни, как эпилепсия, принципиально отличаются
от описанных выше для шизофрении, депрессий, наркоманий
и алкоголизма (Г.Н.Крыжановский, 1980; С.А.Дамбинова, 1989).
Важная роль в индукции синдрома эпилепсии принадлежит
глутаминергической системе. Очевидно также значение ГАМК-
ергической и эндозепамергической систем.
С глутаминергической трансмиссией тесно связана не толь-
ко возможность индукции судорожных состояний, но и ряд
высших функций ЦНС, таких, например, как память (см. гл.11).
В этом одна из причин того, что эпилепсия не сводится к судо-
рожному синдрому и сопряжена с рядом сложных изменений
психики.
Рецепторы глутаминовой кислоты, как было показано в гл.8,
— образования сложные и неоднородные. Характерно, что рас-
крытие их структуры и разнообразия было ускорено обнаруже-
нием веществ, которые иногда называют возбуждающими ней-
ротоксинами. К ним относится каиновая кислота, квисквалевая
кислота и ряд других соединений, многие из которых имеют
общие с глутаматом элементы структуры (см. гл. 8). Сам по
себе глутамат при интрацеребральном введении в определен-
ные зоны мозга может вызывать приступы судорог. Однако каи-
нат и квисквалат оказались особенно мощными индукторами
судорог и, более того, агентами, способными специфически
разрушать нейроны, несущие глутаматные рецепторы.
На глутаматных рецепторах выявлены участки связывания
барбитуратов — агентов, тормозящих их функцию и обладаю-
щих соответственно противосудорожной активностью. Один из
самых мощных и специфичных блокаторов NMDA-глутамат-
ных рецепторов — 2-амино-7-фосфоногептановая кислота — пре-
дотвращает припадки эпилепсии у экспериментальных живот-
ных. Все это заставляет считать изменения глутаминергической
трансмиссии одними из узловых в патогенезе эпилептиморф-
ных судорожных состояний.
Поддержкой этой же гипотезы служит обнаружение в плаз-
ме крови эпилептиков значительно повышенных уровней ан-
тител к белкам глутаматного рецептора (С.А.Дамбинова, 1988).
Это используется для диагностики скрытых форм эпилепсии и
оценки тяжести заболевания. Подобное явление отражает, по-
видимому, снижение функций гематоэнцефалического барьера
430
при развитии эпилепсии, сопровождающееся ^выходом в пери-
ферический кровоток определенных количеств белков рецеп-
тора и их фрагментов, и, далее, образованием антител к ним
(напомним, что в силу частичной иммунной автономии мозга
многие его специфические белки воспринимаются вне централь-
ной нервной системы как чужеродные). Возможно, сам патоге-
нез эпилепсии подобен патогенезу аутоиммунных болезней мозга
(см., например, раздел 12.9), при которых аутоантитела к бел-
кам мозга служат основным повреждающим фактором. В том,
что последняя гипотеза правомочна, убеждают, во-первых, дан-
ные о повышенном уровне в плазме крови эпилептиков не только
антител к белкам глутаматного рецептора, но и к другим бел-
кам и липидам синаптических мембран мозга, например к бел-
ку S-100 (А.П.Полетаев, 1987), а также результаты эксперимен-
тов с введением в мозг антител, полученных к различным бел-
ковыми и липидным фракциям мозга. Эпилептиформные про-
цессы возникали, в частности, при инъекции антител к некото-
рым фракциям ганглиозидов.
Другая система, связь которой с судорожными состояниями
и эпилепсией весьма вероятна, - ГАМК-ергическая.
Тормозные функции ГАМК-ергической системы носят более
универсальный, менее специфический характер, чем функции
возбуждающих нейромедиаторных систем. Это отражает, в ча-
стности, тот факт, что доля ГАМК-ергических терминалей в
мозге является наибольшей. Снижение судорожной готовности
и облегчение судорожных состояний установлено при централь-
ном введении ГАМК, а также при периферическом введении
его аналогов, способных проходить через гематоэнцефаличес-
кий барьер. Таков же эффект соединений, тормозящих распад,
стимулирующих синтез и обратный захват ГАМК: вальпроата
натрия (противоэпилептического агента, получившего широкое
применение), а также прогабида, у-ацетилен-ТАМК и др.
На рецепторах ГАМК обнаружен барбитурат-связывающий
участок. В этом случае в отличие от аналогичного участка на
глутаматных рецепторах барбитураты усиливают эффект основ-
ного нейромедиатора.
Таким образом, барбитураты проявляют противосудорож-
ное действие, изменяя состояние двух категорий рецепторов:
глутаматных, подавляя возбуждающее действие их. лигандов, и
ГАМКд-рецепторов, стимулируя их тормозное действие.
Еще более подтверждает представление о роли ГАМК-ерги-
ческой системы в предотвращении и купировании судорожных
состояний тот факт, что подавление синтеза ГАМК, напротив,
431
провоцирует судороги. Ярким примером являются судороги у
людей при авитаминозе £L. Витамин В6 служит предшествен-
никам пиридоксаль-5-фосфата, который, в свою очередь, явля-
ется кофактором глутаматдекарбоксилазы, катализирующей по-
следнюю стадию синтеза ГАМК. Провоцируют судороги и та-
кие ингибиторы этого фермента, как аллилглицин, гидразиды и
др. Судорожные припадки вызывает и один из ядов грибов -
пикротоксинин, тоже связывающийся с ГАМК-рецепторами и
подавляющий их активность. С ГАМК-рецепторами сопряже-
ны, как показано в разделе 12.6, участки связывания эндозепи-
нов — пептидов, вызывающих возбуждение, страх и прокон-
фликтное поведение. Они снижают активность ГАМК-рецеп-
торов. Понятно поэтому, что блокаторы рецепторов эндозепи-
нов — бензодиазепиновые транквилизаторы (диазепам, феназе-
пам и др.) — оказались агентами, облегчающими эпилептиче-
ские процессы.
В этой связи, хотя излагаемый материал касается природы
эпилепсии и эпилептических судорог, следует отметить и дан-
ные о патогенезе судорог, вызываемых такими ядами, как стрих-
нин и столбнячный токсин. Стрихнин блокирует рецепторы гли-
цина, второго по значимости после ГАМК тормозного медиа-
тора центральной нервной системы, функционирующего пре-
имущественно в спинном мозге. Действие же столбнячного ток-
сина направлено преимущественно на блокаду выхода ГАМК
из нервных окончаний в головном мозге, что ведет к блокаде
тормозных влияний на мотонейроны. Эти данные опять-таки
подчеркивают роль нарушений систем тормозных нейромедиа-
торов.
Была бы, однако, ошибочной попытка свести патогенез эпи-
лепсии и ряда других судорожных состояний только к измене-
ниям глутаминергической системы или ее баланса с ГАМК-
ергической системой. Яркой иллюстрацией сложности пробле-
мы и недопустимости поспешного формирования гипотез в этой
области являются, например, данные о способности опиоидно-
го пептида — мет-энкефалина — вызывать судороги при ап-
пликации в некоторых участках мозга — вне зон, где он прояв-
ляет аналгетическое действие, типичное для опиоидов. Эти дан-
ные послужили также основой для предположений, что эпи-
лептический приступ — результат чрезмерно высокого выброса
энкефалина из опиоидергических терминалей с распростране-
нием его на зоны мозга, где он способен индуцировать судоро-
ги. Предэпилептическое состояние — аура — истолковывалось
при этом как эйфоригенное действие опиоида. К сожалению,
432
вся известная совокупность данных о механизмах эпилепсии не
позволяет принять столь простое толкование. Здесь особенно
важно сочетанное исследование биохимических и физиологи-
ческих механизмов эпилепсии (Г.Н. Крыжановский, 1990).
Особого внимания заслуживают появляющиеся в последнее
время данные о роли пептидергических систем при эпилепсии
(Г.Н.Крыжановский, Р.Н.Глебов, 1983) и о существовании эн-
догенных пептидных лигандов глутаматных рецепторов
(С.А.Дамбинова, 1989).
Патогенез судорожных состояний и эпилепсии в отличие от
многих других психических болезней тесно связан с измене-
ниями энергетических процессов в нейронах, причем в тех из
них, которые входят в патологические эпилептогенные очаги
(иногда такие нейроны с измененными уровнями возбудимо-
сти называют “эпилептическими”).
Отмечены изменения метаболической структуры нейронов
и их митохондрий: повышение проницаемости мембран для К+
и Na+, коррелирующее с повышением чувствительности бел-
ков мембран к протеиназам, снижение синтеза АТФ и др. Ано-
мальные локальные изменения концентраций К+ и Na+, а так-
же NH4+, выделяющегося при эпилептическом приступе в ре-
зультате усиления реакций дезамидинирования, могут вызывать
или облегчать деполяризацию постсинаптических зон, снижать
порог возбудимости и провоцировать судорожный приступ.
С поддержанием энергетического статуса мозга тесно связа-
на система аденозиновых рецепторов Aj. Эти рецепторы вы-
полняют ряд тормозных энергосберегающих функций, вызывая
седативные и противосудорожные эффекты. Включение их осу-
ществляется аденозином и аденозинмонофосфатом — конеч-
ным продуктом утилизации таких макроэргов, как АТФ и АМФ.
Показаны изменения уровня этих соединений при эпилепсии и
изучается возможность создания на этой основе новых проти-
воэпилептических средств.
Сейчас трудно окончательно решить вопрос о первичности
нарушений в медиаторных, рецепторных или энергетических
системах в патогенезе эпилепсии. Несомненно, однако, их взаи-
модействие. На это указывают глубокие локальные изменения
энергетических систем при инъекции каиновой кислоты имен-
но в патологически измененных участках “эпилептического”
мозга.
433
12.8. ХОЛИНЕРГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОЗГА, 0-АМИЛОИД,
НЕЙРОПЕПТИДЫ И СЕНИЛЬНЫЕ ДЕМЕНЦИИ
Разновидность старческого слабоумия, так называемая се-
нильная деменция Альтцгеймеровского типа, сопровождается пре-
жде всего дегенерацией большого числа подкорковых нейро-
нов, холинергические терминали которых широко распростра-
нены в мозге. Далее возникают дегенеративные процессы в м-
холинергических системах коры и гиппокампа, сопровождае-
мые снижением уровня ключевого энзима синтеза ацетилхоли-
на — холинацетилтрансферазы и характерными морфологиче-
скими изменениями: дефицитом крупных пирамидных нейро-
нов, появлением скоплений белка — [3-амилоида ,так называе-
мых сенильных бляшек и нейрофибриллярных сплетений —
внутри нейронов и в области нервных окончаний. В норме бе-
лок-предшественник р-амилоида, состоящий из 695 аминокис-
лотных остатков, входит в состав внешней мембраны нейронов
и выполняет, по крайней мере, две функции: 1) участвует в
межнейронных контактах и 2) частично расщепляясь специфи-
ческими протеазами, образует большой N-концевой фрагмент
(около 620 аминокислотных остатков), который выходит во вне-
клеточные среды мозга и принимает участие в процессах кон-
солидации памяти. При болезни Альтцгеймера искажается про-
теолиз белка-предшественника и из средней его части вышеп-
ляется небольшой фрагмент из 41 аминокислотного остатка —
собственно р-амилоид, откладывающийся на поверхности ней-
ронов. Перестает формироваться и упомянутый выше большой
фрагмент, стимулирующий консолидацию памяти. В результа-
те (а также с участием нарушений холинергической системы)
возникает глубокое нарушение способности больных к запоми-
нанию.
Дегенерация больших групп нейронов, входящих в м-холи-
нергическую систему, сопровождается также глубокими изме-
нениями ряда нейропептидных систем. К сожалению, пока нель-
зя сказать, какие из них первичны, а какие вторичны, но оче-
видно очень значительное снижение уровней кортиколиберина
в затылочной коре и в хвостатом ядре, а также соматостатина в
височной и лобной коре. В то же время возрастает уровень ней-
ропептида Y в так называемой безымянной субстанции.
В отличие от ряда других психических болезней пока мало
информации о лекарственных средствах, облегчающих сениль-
ную деменцию, и поэтому мало соответствующих дополнитель-
ных косвенных указаний на биохимические механизмы болез-
434
ни. Можно лишь отметить имеющиеся неравноценные данные
о кратковременно облегчающих болезнь средствах, усиливаю-
щих холинергическую трансмиссию, что, во всяком случае, не
противоречит изложенным выше представлениям.
В порядке иллюстрации того, как вредна поспешность в
формировании научных гипотез, следует упомянуть предполо-
жение о том, что причиной болезни Альтцгеймера является ток-
сическое действие алюминия. Авторы гипотезы исходили из
сообщений о высоком содержании алюминия в нейронах гип-
покампа и некоторых других отделах мозга у людей, страдав-
ших болезнью Альтцгеймера. Этот факт был сопоставлен с ши-
роким употреблением алюминиевой посуды и содержащих алю-
миний пищевых добавок в современную историческую эпоху.
Однако, по данным последних работ в этой области, изменения
содержания алюминия если и существуют, то не столь велики,
как казалось ранее, причем есть основания полагать, что про-
никновение в мозг и связывание нейронами алюминия — это
вторичный процесс, являющийся следствием нарушения защит-
ной функции гематоэнцефалического барьера.
12.9. КАТИОННЫЙ БЕЛОК МИЕЛИНА, НАРУШЕНИЯ
ИММУНОЛОГИЧЕСКОЙ АВТОНОМИИ МОЗГА,
АЛЛЕРГИЧЕСКИЙ ЭНЦЕФАЛОМИЕЛИТ
И РАССЕЯННЫЙ СКЛЕРОЗ
Значительным достижением нейрохимии и нейроиммуноло-
гии является раскрытие ведущих механизмов ряда заболеваний,
в основе которых лежит процесс повреждения и частичного рас-
сасывания миелиновой оболочки аксонов, в том числе головного
мозга. Этот процесс характерен для таких заболеваний, как ал-
лергический энцефалит и рассеянный склероз, и сопровожда-
ется глубокими нарушениями функций ЦНС, в частности ано-
рексией, атаксией и параличами; завершается он в значитель-
ной доле случаев летально.
Ключевым экспериментом послужило открытие возможно-
сти вызывать аллергический энцефалит у разнообразных экс-
периментальных животных, если вводить им периферически
собственный катионный белок миелина (КБМ) с иммуностиму-
лятором — адъювантом Фрейнда.
КБМ составляет около трети белков миелина и представляет
собой крупный пептид, включающий 160-190 а.о., среди кото-
рых особенно велика доля остатков основных аминокислот —
лизина, аргинина и гистидина — около 25% суммарно. Даже од-
435
нократное введение этого белка в дозах менее 0,1 мг/кг с им-
муностимуляторами вело через 2-4 недели к развитию у боль-
шей части животных аллергического энцефалита. Были выяв-
лены, далее, несколько участков КБМ, ответственных за этот
эффект. Минимальными по размеру оказались FSWGAEGQR
(из КБМ человека) и GSLPQKAQRPQDEN (из КБМ грызу-
нов), энцефалитогенность которых близка или даже превышает
исходный КБМ.
В конечном счете сложилось представление о том, что кати-
онный белок миелина или его фрагменты, вводимые животным
системно или поступающие из мозга в общий кровоток в ре-
зультате какого-то повреждения гематоэнцефалического барье-
ра, могут восприниматься внемозговой иммунной системой как
чужеродные при условии одновременной иммуностимуляции.
Возможность восприятия специфических белков центральной
нервной системы как чужеродных является следствием частич-
ной иммунологической автономии мозга, возникающей еще в
эмбриогенезе. Поэтому поступление катионного белка миели-
на или его фрагментов на фоне иммуностимуляции ведет к раз-
витию против них иммунного ответа. В частности, происходит
специфическая активация Т-лимфоцитов; процесс завершается
привлечением и активацией макрофагов, которые и поврежда-
ют миелин.
Поддержкой гипотезы об иммунных механизмах аллергиче-
ского энцефалита служат данные о возможности его профилак-
тики (в эксперименте на животных) введением больших доз тех
же фрагментов катионного белка миелина, но без иммуности-
муляторов. Хотя удовлетворительное объяснение механизма
возникающей толерантности — задача трудная, очевидна спе-
цифичность явления, ибо ряд пептидов и белков, близких по
содержанию основных аминокислот не дают профилактического
эффекта.
Раскрытие иммунохимических основ аллергического энце-
фалита и близких к нему болезней — рассеянного склероза и
энцефалита, возникающего иногда после вакцинации против
вируса бешенства, — заставляет исследователей с возрастаю-
щим вниманием относиться к данным об иммунохимических
процессах при других психонейрологических болезнях. Выше
уже упоминались предположения о возможной роли этих про-
цессов в патогенезе эпилепсии. Разнообразные спектры анти-
тел к мозгоспецифическим белкам и ряд изменений иммуно-
компетентных клеток регистрируются при шизофрении, депрес-
сиях и др. Очевидной представляется важность накопления и
436
обобщения данных, находящихся на стыке нейрохимии и ней-
роиммунологии.
Выводы
1. Один из механизмов наркоманий и алкоголизма состоит в
имитации наркотиком, этанолом или (и) их метаболитами функ-
ций эндогенных соединений, являющихся в норме факторами
“внутреннего подкрепления”, “вознаграждения” и т.п. (опио-
идные пептиды, некоторые катехоламины, сальсолинол и его
аналоги и др.). Воздействие на их образование и рецепцию —
перспективный путь преодоления состояний абстиненции и за-
висимости.
2. Главные ферменты метаболизма этанола — алкогольде-
гидрогеназа и ацетальдегиддегидрогеназа. Модуляция их актив-
ности оказывает влияние на формирование и поддержание за-
висимости от алкоголя.
3. Основные нейрохимические механизмы болезни Паркин-
сона состоят в подавлении синтеза дофамина клетками черной
субстанции мозга.
4. Важными элементами нейрохимических механизмов ши-
зофрении являются: усиление синтеза дофамина (и эффектив-
ности дофаминергической передачи) в височных и некоторых
других областях мозга, усиление и извращение катехоламинер-
гической импульсации в направлении от ряда структур средне-
го мозга к лобной коре, извращение систем удаления и окисли-
тельного расщепления моноаминов, изменение пептидергиче-
ской трансмиссии (в том числе связанной с холецистокини-
ном-8, дезтирозил-гамма-эндорфином и др.). Факторы, подав-
ляющие первые два из указанных процессов, временно приос-
танавливают проявления шизофрении.
5. В основе депрессивных состояний лежит понижение кате-
холаминергической (в первую очередь, норадренергической)
трансмиссии. Определенную роль играет и извращение серото-
нинергической системы. Факторы, подавляющие обратный за-
хват и распад катехоламинов, препятствуют проявлению депрес-
сий.
6. Важным элементом механизмов тревожности, патологи-
ческого страха и проконфликтного поведения может быть ак-
тивация систем, генерирующих и рецептирующих эндозепины
и производные бета-карболина.
7. Характерной чертой патогенеза эпилепсии и ряда других
судорожных состояний является повышение и извращение эф-
437
фективности глутаминергической трансмиссии и нарушения в
ГАМК-ергической системе. Факторы, подавляющие первую сис-
тему и особенно активирующие вторую, способны купировать
судорожные синдромы и некоторые другие проявления эпи-
лепсии.
8. Основой проявлений ряда старческих психозов (в том числе
болезни Альтцгеймера) является нарушение холинергической
трансмиссии. Они сопряжены также с извращением синтеза и
патологическим накоплением одного из белков ЦНС — бета-
амилоида.
9. Многие болезни мозга связаны с иммунохимическими
процессами, в том числе с нарушением иммунной автономии
мозга. Демиелинизирующие болезни — аллергический энцефа-
лит, рассеянный склероз и др. — могут быть вызваны иммуни-
зацией к катионному белку миелина. При эпилепсии, шизоф-
рении и некоторых других психических болезнях в крови обна-
руживаются антитела к отдельным нейроспецифическим бел-
кам.
438
Литература
К ГЛАВЕ I
Ашапкин В.В., Ванюшин Б.Ф. Дифференциальная активность
генов в мозге животных и биохимические механизмы ее регуля-
ции // Успехи современной биологии. 1984. т.98, с.323-337.
Иванов В.А. Репарация ДНК в нервных клетках млекопи-
тающих //Нейрохимия. 1989. т.8, с.293-306.
Goodman Н., Low J. Molecular probes for gene expression //
In: Basic Neurochemistry / Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff,
R.W.Albers, P.B.Molinoff. New York, 1993. p.515.
He X., Treacy M.N., Simmons D.M. et al. Expression of a large
family of POU-domain regulatory genes in mammalian brain devel-
opment /I Nature. 1989. v.340.p.355-42.
Rakic P. Specification of cerebral cortical areas//Science. 1988.
v.24I. p.170-176.
Suzuki K. Molecular genetic approaches to inherited neurologi-
cal degenerative disorders // In: Basic Neurochemistry / Ed.
G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers, P.B.Molinoff. New York, 1993.
p.523.
Tobin A.J. Gene expression in the mammalian nervous system
// ibid, p.493.
К ГЛАВЕ 2
Возбуждающие аминокислоты как трансмиттеры / под ред.
К.С.Раевского // Итоги науки и техники. ВИНИТИ, сер. Фи-
зиология человека и животных. М.. 1988. т.36.
DeLorey Т.М., Olsen R.W. GABA and glycine // In: Basic
Neurochemistry I Ed. C.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers,
P.B.Molinoff. New York, 1993. p.389.
Dingledine R., McBain C.J. Excitatory amino acid transmitters /
I ibid, p.367.
Latendre C.H., Nagaiah K., Guroff G. Brain amino acids // In:
Biochemistry of brain / Ed. S.Kumar. Pergamon Press-, 1980. p.349-
382.
Oja S.S. Neurochemical asspects of amino acid transmitters and
modulators // Med. Biol. 1987. v.65. N 2-3. p.143-152.
439
Yudkoff M. Disorders of amino acid metabolism // In: Basic
Neurochemistry I Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.AIbers,
P.B.Molinoff. New. York, 1993. p.8i3.
К ГЛАВЕ 3
Березин B.A., Гайдар Л.И. Специфические гликопротеи-
ны нервной ткани // Нейрохимия. 1987. т.6. №3. с.442-455.
Березин В.А. Характеристики мембранных и нейроспеци-
фических белков // Нейрохимия. 1984. т.З. №1. с.54-70.
Hammerschlag R., CyrJ.L., Brady S.T. Axonal transport and
the neuronal cytoskeleton // In: Basic Neurochemistry I Ed.
GJ.Siegel, B.M.Agranoff, R.W.AIbers, P.B.Molinoff. New York, 1993.
p.545.
Pawson T. Protein modules and signalling networks // Nature.
1995. v.373. № 6515. p.573-580.
К ГЛАВЕ 4
Болдырев A.A., Курелла Е.Г., Павлова Т.Н., Стволинский
С.Л., Федосова Н.У. Биологические мембраны. М., 1992.
Костюк П.Г. Кальций и клеточная возбудимость. М., 1986.
Крепе Е.М. Липиды клеточных мембран. Л., 1981.
Agranoff B.W., Hajra А. К. Lipids // In: Basic Neurochemistry /
Ed. GJ.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.AIbers, P.B.Molinoff. New
York, 1993. p.97.
Albers R.W. Membrane structure and function // ibid. p.33.
Albers R.W., Siegel G.J., Stahl W.L. Membrane transport // ibid,
p. 49.
Morell P., Quarles R.H., Norton W.T. Myelin formation, struc-
ture and biochemistry // ibid, p.l 17.
К ГЛАВЕ 5
Ещенко Н.Д. Цикл трикарбоновых кислот и его регуляция в
головном мозгу// Нейрохимия, 1982. т.1, вып.2. с.200-213.
Clarhe D.D., Sokoloff L. Circulation and energy metabolism of
the brain // In: Basic Neurochemistry / Ed. GJ.Siegel,
B.W.Agranoff, R.W.AIbers, P.B.Molinoff. New York, 1993. p.645.
Siesjo B.K. Hypoxia and brain metabolism // Adv. Neurol.
1980. v.24. p.53-84.
440
К ГЛАВЕ 6
Шепард Г. Нейробиология. М., 1987.
Basic Neurochemistry / Ed. G.J.Siegel, B.WAgranoff, R.W.Albers,
P.B.Molinoff. New York, 1993.
Arenander A.T., de Vellis J. Development of the nervous system /
I ibid. p. 575.
Raine C.S. Neurocellular anatomy // ibid. p.3.
К ГЛАВЕ 7
Физиология человека, (в ред. Р.Шмидт, Г.Тевс) М., 1985.
т.1, с.266.
Глебов Р.Н., Крыжановский Г.Н. Функциональная биохи-
мия синапсов. М., 1978.
Раевский КС., Георгиев В.П. Медиаторные аминокислоты.
М., 1986.
Шепперд Г. Нейробиология. М., 1987. т.1, с.454.
Butler A.R., Flitney F.W., Williams D.L.H. NO, nitrosonium
ions, nitroxide ions, nitrosothiols and iron-nitrosyls in biology: a chem-
ist’s perspective //TIPS., 1995. v.16. №1. p.18-22.
Gampbell G. Cotransmission //Ann. rev. Pharmacol, and Toxicol.,
1987. v.27. p.51-70.
DeLorey T.M., Olsen R.W. GABA and glycine // In: Basic
Neurochemistry / Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers,
P.B.Molinoff. New York, 1993. p.389.
Dingledine R., McBain C.J. Excitatory amino acid transmitters
11 ibid, p.367.
Erulkar S.D. Chemically mediated synaptic transmission: an over-
view // ibid, p.181.
Frazer A., Hensler J.G. Serotonin // ibid. p. 283.
Green J.P. Histamine // ibid, p.309.
Hille B., Catterall W.A. Electrical excitability and ion channels
// ibid. p.75.
Linden J. Purinergic systems // ibid. p. 401.
McQueen J.F. Classical transmitters and neuromodulators // Trans-
mitter Mol. Brain, 1987. Pt.1,2. p.7-16.
Presynaptic facilitation, presynaptic inhibition and the molecular
biology of second messenger systems in Aplysia // Biol. Bull., 1988.
v.175. N 3. p.441-443.
Taylor P., Brown J.H. Acetylcholine // In: Basic Neurochemistry
I Ed. GJ. Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers, P.B.Molinoff. New York,
1993. p.231.
441
Weiner N., Molinoff P.B. Catecholamines 11 ibid, p.261.
К ГЛАВЕ 8
Кроме представленной ниже литературы к данной главе, к
ней относится также вся литература к предыдущей 7-й главе.
Дамбинова С.А. Нейрорецепторы глутамата. Л., 1989.
Сергеев П,В., Шимановский Н.Л. Рецепторы физиологиче-
ски активных веществ. М., 1987.
Agranoff B.W., Fisher S.K. Phosphoinositides // In: Basic
Neurochemistry I Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers,
P.B.Molinoff. New York, 1993. p.417.
Frey K.A. Positron emission tomography // ibid, p.935.
McGonigle P., Molinoff P.B. Receptors and signal transtuction:
classification and quantitation // ibid, p.209.
Simon E.J., Hiller J.M. Opioid peptides and opioid receptors
I I ibid. p. 321.
К ГЛАВЕ 9
Ашмарин И.П., Каменская М.А. Нейропептиды в синапти-
ческой передаче / Итоги науки и техники, физиология челове-
ка и животных. М., 1988.
Ашмарин И.П., Обухова М.Ф. Регуляторные пептиды,
функционально-непрерывная совокупность // Биохимия. 1986.
т.51. вып.4. с.3-8.
Ашмарин И.П. Филогенетически древние регуляторные
пептиды в новейших системах высших позвоночных // Журн.
эволюц. биохим. и физиол., 1986. т.22. N 4. с.369-375.
Галоян А.А. Гликопептидные гормоны гипоталамуса //
Нейрохимия, 1987. т.6, вып.1. с.3-8.
Климов П.К. Физиологическое значение пептидов мозга для
деятельности пищеварительной системы. Л., 1986.
Brownstein M.J. Neuropeptides // In: Basic Neurochemistry /
Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers, P.B.Molinoff. New
York, 1993. p. 341.
Endogenous regulatory peptides // Academiai Kiado /Ed.
J.Menyhart. Budapest, 1989.
442
К ГЛАВЕ 10
ИткесА.В., Туницкая В.Л., Северин Е.С. Регуляция биоло-
гической активности клетки системой вторичных мессендже-
ров: сАМР, 2',5'-олигоаденилата и кальция // Успехи биол. хи-
мии, 1985. т.26, с.125-152.
Костюк П.Г. Кальций и клеточная возбудимость. М., 1986.
Орлов С.Н. Кальмодулин: общие проблемы физико-химиче-
ской биологии // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР,
М., 1987.
Nestler E.J., Greengard Р. Protein phosphorylation and the regu-
lation of neuronal function // In: Basic Neurochemistry / Ed.
G J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers, P.B.Molinoff. New York, 1993.
p.449.
Nestler E.Y., Dumon R.S. G proteins and cyclic nucleotides in
the nervous system // ibid, p.429.
Schwartz J.H., Greenberg S.M. Molecular mechanisms for
memory: second-messenger induced modifications of protein kinases
in nerve cells. // Ann. Rev. Neurocaience, 1987. v.lO. p.459-476.
Wolfe L.S., Horrocks L.A. Eicosanoids // In: Basic Neurochemistry
/ Ed. GJ.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.AIbers, P.B.Molinoff. New
York, 1993. p.475.
К ГЛАВЕ 11
Ашмарин И.П. Загадки и откровения биохимии памяти. Л.,
1975.
Бородкин Ю.С., Шабанов П.Д. Нейрохимические механиз-
мы извлечения следов памяти. Л., 1986.
Вартанян Г.А., Пирогов А.А. Механизмы памяти централь-
ной нервной системы // Под ред. Г.А.Вартаняна. Л., 1988.
Механизмы памяти. Л., 1988 (Руководство по физиологии).
Abraham W. С., Dragunow W., Tate W. Р. The role of immedi-
ate early genes in the stabilization of long-term potentiation. // Molec.
Neurobiol., 1991. v.5. N. 2-4. p.297-314.
Agranoff B.W., Uhler M.D. Learning and memory // In: Basic
Neurochemistry / Ed. GJ.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.AIbers,
P.B.Molinoff. New York, 1993. p.1025.
Jin L.M., Ninomiya H., RochJ.M., Schubert D. et al. Peptides
containing the RERMS sequence of amyloid P/A4 protein precursor
bind cell surface and promote neurite extension // J. Neurosci.,
1994. v.14. N 9. p.5461-70.
443
Kovacs G.L., de Wied D. Peptidergic modulation of learning
and memory processes // Pharmacol. Rev., 1994. v.46.. N 3. p.269-
291.
Ng K.T., Gibbs M.E., Crowe S.F., Sedman G.L. et al. Mo-
lecular mechanisms of memory formation // Molec. Neurobiol., 1991.
v.5. N 2-4. p. 333-350.
К ГЛАВЕ 12
Анохина И.П., Коган Б.М., Иванец Н.Н. Alcohol and alco-
hol problems research. // Brit. J. of Addiction, 1987. v.82. p.23-30.
Дамбинова C.A. Нейрорецепторы глутамата. Л. 1989.
Крыжановский Г.Н., Евсеев В.А. Нейропатофизиологиче-
ский и нейроиммунопатологический подход к пониманию ме-
ханизмов и разработке принципов патогенетической терапии
алкоголизма. // Вестник АМН СССР, 1988. N 3. с. 10-14.
Крыжановский Г.Н., Глебов Р.Н. Пептиды мозга и эпилеп-
тическая активность. // Ж. невропатологии и психиатрии,
1983. т.83. N 6. с.918-1025.
Barchas J.D., Hamblin M.W., Malenka R.C. Biochemical hy-
potheses of mood disorders and anxiety // In: Basic
Neurochemistry I Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers,
P.B.Molinoff. New York, 1993. p.979.
Barchas J.D., Faull K.F., Quinn B., Elliott G.R. Biochemical
aspects of the psychotic disorders // ibid, p.959.
Bhargava H.N. Diversity of agents that modify opioid tolerance,
physical dependence, abstinence syndrome and self-administrative
behavior. 11 Pharm. Rev., 1994. v.46. N 3. p.293-324.
McEwen B.S. Endocrine effects on the brain and their relation-
ship to behavior // In: Basic Neurochemistry / Ed. G.J.Siegel,
B.W.Agranoff, R.W.Albers, P.B.Molinoff. New York, 1993. p.1003.
Meldrum B. Epileptic seizures // ibid, p.885.
Schaefer G.J. Opiate antagonists and rewarding brain stimulation.
// Neurosci. Biobehav. Rev., 1988. v.12. p.l-I7.
Schorderet M. Alzheimer’s disease: fundamental and therapeu-
tic aspects. I/ Experientia, 1995. v.51. N 2. p.99-105.
Selkoe D.J. Biochemistry of Alzheimer’s disease // In: Basic
Neurochemistry / Ed. G.J.Siegel, B.W.Agranoff, R.W.Albers,
P.B.Molinoff. New York, 1993. p.919. ’
444
Предметный указатель
Авитаминоз В6 432
Аденилатциклаза 275, 290, 335, 336
Аденилатциклазы 384, 386
S-аденозилметионин 58, 63
Адренокортикотропин (АКТГ) и аналоги 75, 297-305
Аксональный транспорт 189
Аланинаминотрансфераза 43, 164
Алкоголизм 417
Алкогольдегидрогеназа 418
Аллергический энцефалит 435, 436
Альдолаза 86
Аминазин 197
2-амино-7-фосфоногептановая кислота 430
Аминокислоты
аланин 38, 39
у-аминомасляная 37, 38, 39, 47, 50, 51, 171
аргинин 38, 66
ароматические 62
аспарагин 38, 171
аспарагиновая 37, 38, 39, 42, 171
валин 38, 139
возбуждающие 283, 284
восстановительное аминирование 43
ГАМК (см. у-аминомасляная кислота)
гистидин 38, 65
глицин 38, 39, 40, 55-58
глутамин 38, 42, 47, 171, 196
глутаминовая 37, 38, 39, 47, 196, 401, 430
дикарбоновые 42
изолейцин 38
источник энергии 164, 171
компартментализация метаболизма 51-55, 196
лейцин 38
лизин 38, 39, 66
локализация 39
метионин 38, 58
окислительное дезаминирование 44
орнитин 67
переаминирование 43, 44
пироглутаминовая 47
445
пролин 38
серин 38
содержание 38, 39
таурин 38, 39, 60, 61
тирозин 38, 39, 62, 65
транспорт 39, 40
треонин 38
триптофан 38, 54, 196
фенилаланин 38, 62, 64
цистатионин 38, 59
цистеин 38, 42
энергетические функции 42, 44
Аминотрансфераза 162, 164
Амитриптилин 429
Аммиак 47
Амнезия
антероградная 378
ретроградная 378
Ангиотензины 300
Анестетики 359
Антидепрессанты 403, 429
Антитела 321
Апоморфин 422
Арахидоновая кислота 111, 357
Аргиназа 67
Аргининемия 67
Аргининосукциназа 67
Аргининсукцинатацидурия 67
Аргининсукцинатсинтетаза 67
Арил сульфатаза 86
Аспартат-малатный шунт 45
Аспартиламинотрансфераза 43, 44
Астроциты 193, 194
Атриопептиды 300
№,К-АТФаза 99, 133, 188, 202, 203, 247, 253-255, 379
№,Са-АТФаза 255
Ацетальдегид 418, 419
Ацетальдегидрогеназа 418
N-ацетилгалактозамин 78, 134
N-ацетилнейраминовая кислота 78, 125, 134
Ацетилсеротонинметилтрансфераза 62
Ацетилтрансфераза 62
Ацетилхолин
446
синтез 173
содержание 400
Ацетилхолинэстераза 25, 257
ингибиторы 403
Ацилобменный механизм 100-101
Аэробное окисление 157, 156
Баклофен 279
Барбитураты 430
Белки
14-3-2 85, 384
В-50 75, 330, 360, 382, 383, 404
BSP 2 79
Са2+-связывающие 71
САР-43 392
D2 79
F1-20 76
G-белки 112, 274-276, 289, 326, 335-336, 367
К4 79
L-1 79
МАР-2 354
МВА-2 80
N-CAM 79, 80
NSA-3 80
Ng-CAM 79
S-100 71-74, 159, 354, 384
SNAP 215
Т-фактор 82
Thy-1 80
Агравала 118
актин 83, 215
р-амилоид 80
анкирин 84
Р-АРР 80, 89
Вольфграма 90, 118
гистоны 94, 133
глиальный фибриллярный кислый (GFA) 91
гликолипопротеины 77
а2-гликопротеин 91
гликопротеины 77, 88
идентификация 69-70
калбиндины 71
калпеин 75, 382
кальмодулин 74, 215, 350
447
кальцинейрин 74, 362
катионный белок миелина 90, 118-119, 435
кинезин 84
клатрин 85, 331
коллаген 83
липофилин 90, 118
метаболизм 92, 198
миелинассоциированный гликопротеин 90
миозин 81
модуляторы мембран 71
нейростенин 83
нейротрофины 87, 88
нейротубулин 82
нейрофизины 87
полисиалогликопротеины 79
протеолипцды 118
сиалогликопротеин GP-350 74
синапсины 76, 215, 353, 364-365
синаптобревин 76, 215
синаптогамин 215
синаптопорин 215, 216
синаптофизин 76, 216
синтаксин 76, 216
сократительные 81
спектрин 84
тубулин 82, 133
фодрин 75, 382
фосфомиристин 74
фукозосодержащие 80
цитоскелетные 81
эпендимины 88
Белки-транспортеры 198, 257
Бензодиазепины 280, 423, 432
Бета-амилоид 434, 438
Болезнь
Альцгеймера 434-438
Паркинсона 291, 437
Бомбезины 300
Бромкриптин 422
Вазопрессин и аналоги 299, 327, 330, 402-406, 416
Вальпроат натрия 431
Вещество К 24
Внутреннее подкрепление (внутреннее вознаграждение) 415,416
448
Внутренние нейролептики 426, 428
Восстановительное аминирование 43
Вторичные мессенджеры 327
диацилглицерол 111, 327-328, 356
инозитолфосфаты 277, 286, 327-328, 355
цАМФ 135, 275, 289, 292, 327, 334, 336-371, 384
цГМФ 275, 327, 334, 345-349, 384
Галактозилтрансфераза 133
Галактолипиды 116
Галоперидол 426
ГАМК (Гамма-аминомасляная кислота) (см. медиаторы)
ГАМК-шунт 177
Гамма-оксимасляная кислота 418, 431-432
Гамма-сцинтиграфия 270
Ганглиоблокаторы 278
Ганглиозиды 99, 122, 123, 141, 142, 383
ацетилирование 137, 138
в онтогенезе 140
иммунные свойства 139
лактонные формы 136
лечебное действие 131
локализация 125, 126
межклеточное гликозилирование 133
нейритогенез 130
номенклатура 124
содержание 141
электрогенность 134
Гексокиназная реакция 152-155
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) 154, 169
Гены
в ЦНС беспозвоночных 27, 31
в ЦНС позвоночньгх 31-36
гомеобокс 32-34
первоочередного реагирования 35, 394
реализаторы 28
селекторные 28
экспрессия 19, 21, 25, 26, 27, 31-34, 385
эффекторные 393
Гепарин 78
Гиалуроновая кислота 78
Гидроксилаза 25
Гипоксия 166
Гипертиреоз 166
449
Гипоталамические либерины и статины 298, 299
Гистаминаза 66
Гистаминметилтрансфераза 66
Гистидиндекарбоксилаза 66
Гистогормоны непептидные 297
Гистоны 15, 17, 94
ацетилирование 17
фосфорилирование 133
Гексокиназа — см. гексокиназная реакция
Гликозилтрансфераза 133
Гликокаликс 121
Гликолиз 153, 156, 157, 160
Гликосфинголипиды 122
Глиоксиловая кислота 57
Глицентины 299
Глицинаминотрансфераза 56
Глия 11
аэробный гликолиз 159
гликолиз 159
пентозофосфатный путь 158
рецепторы 258
Глутаматдегидрогеназа 43
Глутаматдекарбоксилаза 132
у-глутамилтранспептидаза 40
у-глутамилциклотрансфераза 41
у-глутамильные пептиды 48
у-глутамильный цикл 40
Глутаминаза 47
Глутаминовый цикл 47
Глутаминсинтетаза 47
Глутатион 38, 40, 41, 48
Глюкагонсекретины 299
Глюкоза
гипогликемия 148
переносчики через ГЭБ 149
потребление 147
содержание 148
Глюкозо-6-фосфат 154-158
Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа 159
Гонадотропин (люлиберин) 129
Гормоны 297
Гуанилатциклаза 275, 348, 384
ДНК
450
ингибиторы 389
кДНК 21
метаболическая 14
метилирование 390
полиплоидия 10
репарация 390-391
синтез II, 13, 389-390
содержание 10, 398
тринуклеотидные повторы 10
ДНК-лигаза 13
ДНК-полимераза
а, Р, у, 8 13
РНК-зависимая 389
ДНК-топоизомераза 13
ДНКазы 13, 17
ДОФА-декарбоксилаза 64
Дегидрогеназа янтарного полуальдегида 51
Дезоксинуклеотидилтрансфераза 13
Декарбоксилаза ароматических аминокислот 65
Дерморфины 299
Диазепам 432
Дибутирил-цАМФ 337
Дигидросфингозин 123
Дикарбоновые кислоты 173, 174, 176, 177
Динорфины 308
Диоксифенилаланин 427
Дифференциация клеток ЦНС 130
Дофамингидроксилаза 65
Дыхание
головной мозг 146
дыхательная цепь митохондрий 180
мозжечок 146
продолговатый мозг 146
промежуточный мозг 146
спинной мозг 146
средний мозг 146
Дыхательный коэффициент 147
Енолаза 161, 201
Жирные кислоты 97, 100
источник энергии 168
миристиновая 74
Иерархия 313, 315
Изоцитратсинтазные реакции 174-176
451
Имипрамин 197, 429
Инказан 429
Интерферон 129
Информоны 297
Иодтиронины 321
Ионные насосы 247, 253
Казаморфины 299
Каиновая кислота 430
Калпеин 76, 382
Кальцитонины 300
Каналы ионные 247
воротные токи 248
калиевые (К+) 24, 251, 252, 342, 343
кальциевые (Са2+) 252, 253, 341
натриевые (Na+) 249, 250, 252, 342, 343
потенциалзависимые 247
селективность 249
управляемые химически 249
хлорные (С1~) 281
Каннабиноиды 417
Карбангидраза 118
р-карболины 281, 308
метил-тетрагидро-бета-карболин 418
Катехоламины (см. медиаторы)
Квискваловая кислота 430
а-кетоглутарат 162
а-кетоглутаратдегидрогеназа 177
Кетоновые тела 168, 169
Кинины 300
Кинурениновый путь 63
Ко-трансмиттеры
Кодеин 308, 418
Кокаин 417
Компартментализация метаболизма 51-53, 200
Континуум 312
Кортикотропины 299
Коэнзим А 160, 165
Креатинкиназа 87, 181
ЛСД 417, 427
Лактатдегидрогеназа 162, 164, 201
Либерины см. Гонадотропины
Лизофосфатидилхолин 99, 204
Липиды
452
астроглии 99
белого вещества 98, 116, 123, 141
в онтогенезе 141
мембран 101, 102, 116, 123
миелина 99
нейронов 99
олигодендроглии 99
серого вещества 98, 116, 141
Люлиберин см. гонадотропин 298, 299
Лютеотропин 129
Макроглия 193
Макроэргические соединения
АТФ 175-177
ГТФ 175-177
креатинфосфат 175-177
фонд 181
Малатдегидрогеназа 45, 161, 162, 200
Медиаторы 217
адреналин 232
аспартат 235-237
ацетилхолин 226, 230, 321
вазоактивный интестинальный пептид (ВИП) 239, 427,
428, 404
вещество Р 24, 238, 427
ГАМК 235-237, 401, 431, 432
гистамин 234, 235
глицин 235-237
глутамат 235-237, 162, 171, 430
деградация 220
депрессия выхода 211
дофамин 129, 225, 233, 401, 418, 421, 422, 426, 428
катехоламины 321, 336, 417, 424-428
кванты 209
люлиберин 242
моноамины 231
нейропептид У 241, 427, 434
неквантовая утечка 212
нитроксид 244
норадреналин 225, 232, 400, 421, 426, 428
обратное поглощение 220
октопамин 233
пептидные 238, 219
пурины .235-237
453
серотонин (5 НТ) 129, 225, 234, 321, 400, 417, 422-428
соматостатин 240, 427, 428, 434
сопутствующие (котрансмиттеры, сомедиаторы) 222, 223
таурин 235-237, 229
Мезаксон 113
Меланокортины 300
Меланостатины 300, 416
Мелатонин 63
Мембраны 101
бислой 103, 108
гетерогенность планарная 102
гетерогенность поперечная 102
диффузия 103, 104
синаптические 125
транспорт 103
фазовые переходы 104-108
ферменты 103, ПО
Метилтрансфераза 103
Метилтрансфераза фосфолипидов 330
Метилфенилтетрагидропиридин 425
Метионинаденозилтрансфераза 58
Мецкалин 417, 426
Миастения 278
Миелин 100, 113-121
Миелинизация 119
Микроглия 193
Микротрубочки 81, 82
Миорелаксанты 278
налоксон 293, 417, 420
налтрексон 293
Митохондрии 179-181
Модуляция 255
ауторегуляция 221, 222
пресинаптическая 221, 222
постсинаптическая 221, 222
Молочная кислота 163
Моноаминооксидазы (МАО) 201, 427
Моносиалоганглиозид 117
Морфин и аналоги 293, 417
Мусцимол 279
Наркомании 415
Негистоновые белки
метилирование 18
454
фосфорилирование 18
хроматина 18
Нейраминидаза 134
Нейрогенез 11
Нейрогормоны 219
Нейромедиаторные пути 223, 226
ацетилхолиновые 226, 227
ГАМК 224, 228, 229
глициновые 229
глутаматные 227, 228
дофаминовые 225
катехоламиновые 224
моноаминовые 225, 226
норадреналиновые 225
серотониновые 225
тауриновые 229
Нейромодуляторы 219, 221-222, 240
Нейроны
веретенообразные 193
звездчатые 193
пирамидные 193
число 397
Нейропептиды
CGRP (см. ко-кальцигенин)
CLIP 316
DBI 300
FMRFa 299, 307
адренокортикотропин 299, 301, 302, 305, 308, 313, 316,
317
адренорфин 299, 308
ангиотензин 300, 304, 305, 306, 320
арг-вазопрессин 303, 305, 306, 309, 320
атриопептид 300, 304, 306, 311
бомбезин 299-306, 48
вазоактивный интестинальный пептид 299-306
вазотоцин 299-306
вещество Р 299-306
галанин 299-306
гастрин 299-306
гастрин-рилизинг гормон 299-306
гептапептид 299-306
глицентин 299-306
глюкагон 299-306
455
глюторфин 299-306
дельта-сна пептид 299-306
дерморфин 299-306
динорфин 299-306
казаморфин 299-306
каллидин 299-306
кальцитонин 299-306
кассинин 299-306
ко-кальцитенин 299-306
кортиколиберин 299-306
ксенопсин 299-306
Р-липотропин 316
лей-энкефалин 299-306
леуморфин 299-306
литорин 299-306
люлиберин 299-306, 48
мезотоцин 299-306
меланостатин 299-306, 320
меланотропин 299-306
мет-энкефалин 299-306
мет-энкефалин RF 299-306, 320
мет-энкефалин RGL 299-306
мотилин 299-306
нейромедин 299-306
нейропептид Y 299-306
нейротензин 48, 299-306
0-неоэвдорфин 299-306
окситоцин 299-306, 320
октапептид 299-306
пептид Н1 299-306
пептид YY 299-306
риморфин 299-306
секретин 299-306
соматокринин 299-306
соматолиберин 299-306
соматостатин 299-306, 320
тиролиберин 48, 299-306
тиротропин 332
холецистокинин 299-306, 310, 423-425
церулеин 299-306
эндозепины 299-306, 311, 423
эндорфины 293
а-эндорфин 299-306, 428
456
p-эндорфин 299-306, 416, 417, 428
у-эндорфин 299-306, 320, 428
эндотелии 299-306
энкефалины 293, 416, 417, 427
Нейротензины 299-306, 416
Нейрофиламенты 83
Нематики 104
Нервный импульс 247
Норморфин 419
Нуклеиновые кислоты 194
содержание в глии 195
содержание в нейронах 211, 195
Нуклеосомы 14-16
Нуклеотиды
циклические 283
Обратный захват 257
Окислительное дезаминирование 44
Оксибутиратдегидрогеназа 169
Оксидазы аминокислот 57
6-оксидофамин 424
Окулоцеребральный синдром 42
2', 5' -олигоаденилат 343
Олигодендроциты 193, 194
2', 5' -олигосинтетаза 343, 344
Онтогенез 25
дифференциация нейронов 30, 31
Опиоидные пептиды 299-306
Орнитинкарбомоилтрансфераза 67
Оротовая кислота 404
ПДГ-киназа 166, 167, 168
Память
биологическая 372
генетическая 394
долговременная 365-367
долгосрочная 375
иммунологическая 372-394
иммунологическая теория ДПП 394
информационная емкость 396-399
краткосрочная 375, 376
лабильная 375
локализация 374
минимальная кратковременная (КЛМ) 375
нейрологическая 37
457
оперативная 375
относительно ограниченная во времени (ООП) 375
пожизненная долговременная (ДПп) 376, 387, 388, 394,
395
промежуточная 375
стадии 375
эпигенетическая 394
“Панкреатические” пептиды 299-306, 309
Паракринные гормоны 243
Параэнкефалиновые опиоиды 299-306, 307
Паркинсонизм 424
Патология
состава миелина 120, 121
ганглиозидозы 140
Пенциклидин 427
Переаминирование 43, 44
Пикротоксинин 432
Пипеколовая кислота 66
Пирацетам 404
Пировиноградная кислота 161, 162, 164
Пируватдегидрогеназа 161, 164, 165, 166, 169
Пируваткарбоксилаза 161, 164, 165, 166
Плазмалогены 98, 116
Пластичность нейронов 380
Потенциал 248
действия 248
концевой пластинки 209
покоя 248
постсинаптический вызванный 209
Потенциация 372
длительная 216
кратковременная посттетаническая 216
Препротахикинин 24
Принцип Дейла 218
Прогабид 430
Продинорфин 299-306, 308, 316
Проопиомеланокортин 299-306, 316
Простагландины 111, 337, 357
Протеинкиназа А 337
изоформы 338-339
механизм действия 338, 339
регуляция Na- и К-каналов 342, 343
регуляция Са-каналов 341
458
структура 350
фосфорилирование 337, 339-341, 355
Протеинкиназа В 351, 381
локализация 351
изоформы 351-353
ингибиторы 354
фосфорилирование 337, 339-341, 355
структура 351
Протеинкиназа С 75, 111, 357, 382, 392
активаторы 358-359
локализация 358
активация 358
Протеинкиназа G 347
изоформы 347
локализация 347, 348
специфический субстрат 348
структура 347
участие в хранении информации 346-349
фосфорилирование 347
Протеинкиназы 18
Протеолиз 296, 315-319
Процессинг 315
Проэнкефалин А 299-306
РНК 19
нуклеотидные последовательности 21, 22
поли(А)РНК 20
проблема переноса памяти 406
синтез 19, 382
содержание 19, 398
РНКаза L 344
Рассеянный склероз 435
Регуляторные пептиды (см. нейропептиды)
Регуляторные цепи 32
Резерпин 429
Репарация 12, 13
Рецепторы 255
АМРА 283
NMDA 283-286, 430
“не NMDA” 286, 287
адренергические 288-290, 421-422
аденозиновые 433
ауторецепторы 222
ацетилхолиновые 276
459
возбуждающие 256
ГАМК 279-282, 432
гетерорецепторы 222
гистамина 267
глицина 291, 292
глутамата 283, 433
дофамина 290, 291
ионотропные 272
каината 283
квисквалата 283
кластеры 336
константа диссоциации 262-266
координаты Скетчарда 262-266
метаботропные 272, 274-276
мускариновые 276-279
нейропептидов 293, 325
никотоновые 276-279
норадреналина 421
опиатов 293, 294
пресинаптические 222
пуринов 292-293
серотонина (5-НТ) 291, 386
синтез 261
сродство к лиганду 266
тормозные 256
ферменты 293-294
Рибонуклеотидредуктаза 12
Сальсолинол 418
Сенильные деменции 434
Сенситизация 11
Серингидроксиметилтрансфераза 55, 56
Серотонин 62, 63
Сиалилгалактозилцерамид 117
Сиалилтрансфераза 133, 134
Синапсы 256
активные зоны 207
возбуждающие 208
дентрит-дентритные 256
дентрито-аксональные 256
ионотропные 218
метаботропные 219
пластичность 216
синаптосомы 135, 212
460
сомато-аксональные 257
тормозные 208
фазы постактивационных изменений 216
химические 208
электрические 207
Синаптосомы (см. синапсы) 100
Скотофобин 407
Смектики 105
Сплайсинг 24
Статины 298, 299-306
Страх, фобии 423, 424
Стрихнин 281, 432
Судорожные состояния 430
Сукцинатдегидрогеназа 177, 178, 200
Сукцинатлиаза 46
Сукцинатсинтетаза 46
Сульфатиды 98, 99, НО, 116
Сфинганин 123
4-Сфингенин 123
Сфингозин 124, 123
Сфингомиелин 98, 99
Тахикинины 299-306
Теофиллин 343
Терминаль
пузырьки (везикулы) 210, 212
экзоцитоз 212
Тетрагидропапаверолин 419
Тетурам 418
Тиамин 166
Тимидинкиназа 12
Тиолаза 169
Тирозиноксоглутаратаминотрансфераза 64, 65
Тирозинаминотрансфераза 43
Тирозингидроксилаза 65, 343
Тиролиберин (см. нейропептиды)
Тиротропин 129
Токсин
а-бунгаротоксин 267
а-тубокурарин 277
ботулинический 77, 216
ботулический 77
каракурта 210
столбнячный 77, 216, 430
461
тетродотоксин 249
холерный 129
Томография позитронно-эмиссионная 270
Тоцины 299-306
Трансаминаза 43
Трансаминаза ГАМК 43, 50, 51
Триптофангидроксилаза 62
Триптофандекарбоксилаза 62
Триптофанпиролаза 63
Трифтазин 341
Трициклические нейролептики 426
Тромбоксан 357
Уридинмонофосфат 404
Феназепам 432
Фенамин 427
Фенилаланиндекарбоксилаза 64
Фенилалкиламины 403
Фенилалкилсиднонимины 403
Фенилкетонурия 64, 65
Фенотиазины 359
Фибронектин 129
Фодрин 382
Форболовые эфиры 360
Фосфатидилсерин 99, 116
Фосфатидилхолин 99, 116
Фосфатидилэтаноламин 99, 116
Фосфатидная кислота 99, 204
Фосфогексоизомераза 157
6-фосфоглюконатдегидрогеназа 158
Фосфодиэстераза 112, 345-347
изоформы 345
ингибиторы 346
структура 345-346
фосфорилирование 345-346
Фосфоинозитиды 99, 111, 112, 204, 288, 356, 383
Фосфоинозитолы 111, 204, 383
Фосфолипаза Al, А2 101
Фосфолипаза С 101, 205, 275, 276, 355
Фосфолипиды 99, 97, 100, 116, 204
Фосфопротеинфосфатазы 362-364
активаторы 362
ингибиторы 362, 363
локализация 363
462
синаптических мембран 364
структура 361-363
Фосфофруктокиназа 157, 159
Фосфофруктокиназная реакция 159, 160
EF-фрагмент 71
Фукоза 80
Хартнупа синдром 42
Холестерики 105
Холестерин 99, 106, 116, 117, 141, 143
Холецистокинины (см. нейропептиды) 428
Холинацетилаза 400
Холинацетилтрансфераза 434
Хондроитин 78
Хроматин 14-18
фосфорилирование 384
Цереброзиды 98, 99, 116
Церулеин 428
Церулеины 299-306, 428
Цикл трикарбоновых кислот 42-45, 164, 165, 170, 171, 173, 176-
178, 180
2,3-циклическая нуклеотид-3-фосфогидролаза 117
Цистатионаза 59
Цистатионинсинтетаза 59
Цистиноз 42
Цитохромоксидаза 200
Цитратсинтазная реакция 173
Цитруллинемия 67
Шизофрения 426-428
Эйкозасфинганин 123
4-эйкозасфингенин 123
Экзонуклеаза 13
Экспрессия генов 385
Экстраклеточный матрикс — см. гликокаликс
Эктофукозилтрансфераза 133
Электросекреторное сопряжение 210
Энграмма 373
перенос 407
Эндозепины (см. нейропептиды)
Эндотелины (см. нейропептиды)
Энергозависимые процессы 183-190
Энкефалины (см. нейропептиды)
Эпилепсия 430
Этанол 421
Ядерно-магнитный резонанс 270
463
Содержание
Предисловие....................................... 3
Введение
Основные биохимические особенности нервной
системы...................................5
Часть I Состав и метаболизм головного мозга
и периферической нервной системы....................9
Глава 1 Особенности нуклеиновых кислот и хроматина
нервной ткани.......................................9
1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДНК В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ.
ПРОБЛЕМА “ИЗБЫТОЧНОЙ” ДНК.........................9
1.2. РЕПЛИКАТИВНЫЙ СИНТЕЗ ДНК И ПРОЛИФЕРАЦИЯ
НЕРВНЫХ КЛЕТОК...................................11
1.3. РЕПАРАЦИЯ ДНК В МОЗГЕ ЖИВОТНЫХ...............12
1.4 ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМАТИНА
В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ................................14
1.5. РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ МОЗГА................19
1.6. МОЗГОСПЕЦИФИЧЕСКАЯ ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ..........19
1.6.1. Характеристическая последовательность
нуклеотидов в РНК мозга.......................21
1.6.2. Альтернативный процессинг пре-мРНК в мозге.22
1.7. ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОМА И ОНТОГЕНЕЗ МОЗГА ЖИВОТНЫХ .25
1.7.1. Экспрессия генов в ЦНС беспозвоночных..27
1.7.2. Экспрессия генов в развивающейся нервной
системе позвоночных...........................31
Выводы ...................................... 35
Глава 2 Свободные аминокислоты нервной системы.....37
2.1. СОДЕРЖАНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ТРАНСПОРТ
АМИНОКИСЛОТ.......................................37
2.2. МЕТАБОЛИЗМ ДИКАРБОНОВЫХ АМИНОКИСЛОТ
И ГЛУТАМИНА.......................................42
2.2.1. Глутамат и аспартат....................42
2.2 2. N-Ацетил аспарагиновая кислота.......49
2.2.3. Гамма-аминомасляная кислота........... 50
2.3. КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА
464
АМИНОКИСЛОТ.......................................51
2.4. ГЛИЦИН И ПУТИ ЕГО ОБМЕНА.........................55
2.5. СЕРУСОДЕРЖАЩИЕ АМИНОКИСЛОТЫ......................58
2.6. АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНОКИСЛОТЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ
И ИХ МЕТАБОЛИЗМ...............................62
2.7. ОСНОВНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ............................66
Выводы ...........................................67
Глава 3. Белки нервной системы.........................69
3.1 . НЕФЕРМЕНТНЫЕ НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ СА2+-
СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ.............................71
3.2 . НЕФЕРМЕНТНЫЕ НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ,
ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА ПРОЦЕССЫ АДГЕЗИИ И
МЕЖКЛЕТОЧНОГО УЗНАВАНИЯ.......................77
3.3 . СОКРАТИТЕЛЬНЫЕ И ЦИТОСКЕЛЕТНЫЕ БЕЛКИ
НЕРВНОЙ ТКАНИ.................................81
3.4 НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ - ФЕРМЕНТЫ...............85
3.5 СЕКРЕТИРУЕМЫЕ РЕГУЛЯТОРНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ
НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ..........................87
3.6 БЕЛКИ МИЕЛИНА...:.................................90
3.7 НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ ГЛИИ.....................91
3.8 ИНТЕНСИВНОСТЬ МЕТАБОЛИЗМА БЕЛКОВ В РАЗЛИЧНЫХ
ОТДЕЛАХ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ...........................92
Выводы ...........................................94
Глава 4 Липиды центральном нервной системы и структура
клеточных мембран...............................96
4.1. РОЛЬ АЦИЛОБМЕННОГО МЕХАНИЗМА....................100
4.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНЕ..................101
4.3. ДИНАМИЧНОСТЬ БИЛИПИДНОГО СЛОЯ МЕМБРАНЫ.....103
4.4. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНЕ.............104
4.5. РОЛЬ БЕЛКОВ В ДИНАМИЧНОСТИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ ... 108
4.6. УЧАСТИЕ ЛИПИДОВ В РЕЦЕПЦИИ И ПЕРЕДАЧЕ
ВНУТРЬ КЛЕТКИ СИГНАЛА.........................НО
4.7. МИЕЛИН В ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ......113
4.8. ЛИПИДЫ ВНЕШНЕЙ ЗОНЫ МЕМБРАН МОЗГА...............121
4.8.1. Ганглиозиды — специфические липиды
экстраклеточного матрикса мембран мозга:...122
4.8.2. Локализация ганглиозидов в головном мозге.125
4.8.3. Организация ганглиозидов в мембране.......126
4.8.4. Ганглиозиды и передача информации через
мембраны............................128
465
4.8.5. Участие ганглиозидов в дифференциации клеток... 130
4.8.6. Терапевтические эффекты ганглиозидов...131
4.8.7. Межклеточное гликозирование ганглиозидов.133
4.8.8. Электрогенность ганглиозидов и ее модификация.. 134
4.8.9. Лактонные формы ганглиозидов...........136
4.8.10. О-ацетилирование ганглиозидов — один из
возможных механизмов изменения их структуры ... 137
4.8.11. Иммунологические свойства ганглиозидов.139
4.8.12. Ганглиозидозы..........................140
4.9. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ЛИПИДОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ.......140
Выводы ........................................142
Глава 5. Энергетический обмен головного мозга.......145
5.1. ПОТРЕБЛЕНИЕ ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ КИСЛОРОДА.........145
5.2 ПОТРЕБЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ............147
5.3. ГЛИКОГЕН КАК ВОЗМОЖНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ИСТОЧНИК В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ..........................150
5.4. АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ
И МЕХАНИЗМЫ ЕГО РЕГУЛЯЦИИ..........................151
5.4.1. Пуги утилизации глюкозы в мозге; гликолиз и
механизмы, контролирующие его скорость.........152
5.5 ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И МЕХАНИЗМЫ,
КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ЕГО СКОРОСТЬ В МОЗГЕ................164
5.5.1. Пути пополнения пула метаболитов ЦТК в мозге .. 165
5.5,2. Цитратсинтазная реакция и регуляция ее
скорости в мозге........................173
5.5.3. Изоцитратдегидрогеназные реакции и их
регуляция в мозге.......................174
5.5.4. Этапы окисления дикарбоновых кислот....176
5.6 КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МИТОХОНДРИЙ
И ИХ СООТНОШЕНИЕ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ.................179
5.7. ФОНД МАКРОЭРГИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В МОЗГЕ;
ИНТЕНСИВНОСТЬ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ
И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ................................181
5.8. ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ
НЕРВНОЙ ТКАНИ.....................................183
Выводы ........................................190
Глава 6 Биохимические особенности и взаимодействие
нейронов и нейроглии................................193
6 1. СОСТАВ И МЕТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.......195
6.2. СОСТАВ И МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ...196
466
6.3. ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ НЕЙРОНОВ
И НЕЙРОГЛИИ....................................200
6.4. ФОСФОЛИПИДЫ НЕЙРОНОВ И НЕЙРОГЛИИ....204
Выводы .........................................205
Часть II Функциональная биохимия нервной
системы..............................................207
Глава 7 Синаптическая передача. Медиаторы............207
7.1. МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО
СИНАПСА. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ОСВОБОЖДЕНИЯ
НЕЙРОМЕДИАТОРА.................................209
7.2. ЭКЗОЦИТОЗ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ......................212
7.3. СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ.....................216
7.4. МЕДИАТОРЫ......................................217
7.4.1. Принцип Дейла............................218
7.4.2. Многообразие синаптических медиаторных функций 218
7.4.3. Нейромедиаторная функция.................220
7.4.4. Нейромодуляторы..........................221
7.4.5. Сопутствующие медиаторы..................222
7.4.6. Локализация нейромедиаторных путей.......223
7.4.7. Характеристики индивидуальных медиаторов.230
Выводы .........................................244
Глава 8 Молекулярные механизмы передачи импульса в
мембранах нейронов. Ионные каналы, рецепторы.....246
8.1. БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ.246
8.2. Na-КАНАЛЫ......................................249
8.3. К-КАНАЛЫ.......................................251
8.4. Са-КА НАЛЫ.....................................252
8.5. СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА ИОНОВ.
Na+/K+ И Na+/Ca2+ - НАСОСЫ.....................253
8.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ
ПЕРЕДАЧИ, РЕЦЕПТОРЫ............................255
8.7. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НЕЙРОРЕЦЕПТИИ....................257
8.8. БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ
НЕЙРОРЕЦЕПТИИ................................ 262
8.9. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ
ИОНОТРОПНЫХ РЕЦЕПТОРОВ.........................272
8.10. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАБОТРОПНЫХ
МЕДЛЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ...........................274
8.11. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТДЕЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРНЫХ СИСТЕМ . 276
467
Выводы .......................................295
Глава 9 Нейропептиды..............................298
9.L КЛАССИФИКАЦИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
НЕЙРОПЕПТИДОВ. ПОНЯТИЕ О ФУНКЦИОНАЛЬНОМ
КОНТИНУУМЕ НП И КАСКАДНОЙ РЕГУЛЯЦИИ.............298
9.2. БИОСИНТЕЗ И ПРОЦЕССИНГ НЕЙРОПЕПТИДОВ.......315
9.3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕЙРОПЕПТИДОВ,
ОТЛИЧАЮЩИЕ ИХ ОТ ОБЫЧНЫХ, КЛАССИЧЕСКИХ
НЕЙРОМЕДИАТОРОВ.................................319
9.4. РЕЦЕПТИЯ РЕГУЛЯТОРНЫХ ПЕПТИДОВ.............325
9.4.1. Внутриклеточные процессы, следующие за
рецепцией регуляторных пептидов.............326
Выводы ......................................332
Глава ЮПостсинаптнческая трансформация сигнала. Вторичные
посредники. G-белки и протеинкиназы нервной ткани .... 334
10.1. ЦАМФ-ЗАВИСИМОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ............335
10.1.1. Аденилатциклаза, ее активация........335
10.1.2. Протеинкиназа........................337
10.1.3. Фосфодиэстераза......................345
10.2. ЦГМФ-ЗАВИСИМОЕ ПРОТЕИНФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.
ПРОТЕИНКИНАЗА G.................................347
10.3. Са-КАЛЬМОДУЛИН-ЗАВИСИМОЕ
ПРОТЕИНФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.........................349
10.4. Са1+-ФОСФОЛИП ИД-ЗАВИСИМОЕ
ПРОТЕИНФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.........................355
10.4.1. Образование диацилглицерина
и инозитолфосфатов..........................355
10.4.2. Протеинкиназа С......................357
10.5. ФОСФОПРОТЕИНФОСФАТАЗЫ.....................362
10.6. ГИПОТЕЗЫ О РОЛИ ПРОТЕИНКИНАЗ И ДРУГИХ
ПОСТСИНАПТИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СИГНАЛА В
МЕХАНИЗМАХ ПАМЯТИ...............................365
10.7. G-БЕЛКИ...................................367
Выводы ......................................370
Глава 11 Нейрохимические основы памяти............372
11.1. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ПАМЯТИ..........................................373
11.1.1. Минимальная кратковременная память...376
11.1.2. Память, относительно ограниченная во времени.... 376
11.1.3. Пожизненная долговременная память....387
468
11.2. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ НЕЙРОЛОГИЧЕСКОЙ
ПАМЯТИ......................................396
11.3. РОЛЬ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПАМЯТИ.399
11.4. НЕЙРОПЕПТИДЫ - РЕГУЛЯТОРЫ ПАМЯТИ........401
11.5. ПРОБЛЕМА ПЕРЕНОСА ПАМЯТИ................406
Выводы ....................................413
Глава 12 Биохимические пути в исследовании механизмов
психических и нервных болезней..................415
12.1. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ВНУТРЕННЕГО ПОДКРЕПЛЕНИЯ
(ВОЗНАГРАЖДЕНИЯ) ПРИ НАРКОМАНИЯХ..............415
12.2. АЦЕТАЛЬДЕГИД, НЕПЕПТИДНЫЕ И ПЕПТИДНЫЕ
ОПИОИДЫ И АЛКОГОЛИЗМ........................417
12.3. СТРАХ, ФОБИИ, В-КАРБОЛИНЫ, ЭНДОЗЕПИНЫ И
ХОЛЕЦИСТОКИНИН-4............................423
12.4. ДОФАМИН И ПАРКИНСОНИЗМ..................424
12.5. ШИЗОФРЕНИЯ, КАТЕХОЛАМИНЫ И ВНУТРЕННИЕ
НЕЙРОЛЕПТИКИ..................................425
12.6. КАТЕХОЛАМИНЫ, НЕЙРОПЕПТИДЫ И ДЕПРЕССИВНЫЕ
СОСТОЯНИЯ.....................................428
12.7. СУДОРОЖНЫЕ СОСТОЯНИЯ, ЭПИЛЕПСИЯ,
ГЛУТАМАТНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ И ИХ АНТАГОНИСТЫ........430
12.8. ХОЛИНЕРГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОЗГА, В-АМИЛОИД,
НЕЙРОПЕПТИДЫ И СЕНИЛЬНЫЕ ДЕМЕНЦИИ.............434
12.9. КАТИОННЫЙ БЕЛОК МИЕЛИНА, НАРУШЕНИЯ
ИММУНОЛОГИЧЕСКОЙ АВТОНОМИИ МОЗГА,
АЛЛЕРГИЧЕСКИЙ ЭНЦЕФАЛОМИЕЛИТ
И РАССЕЯННЫЙ СКЛЕРОЗ.......................435
Выводы ....................................437
Литература...........................439
Предметный указатель............................44S
469