Жизненный цикл медиатора

Этот и следующие разделы данного пособия посвящены химическим аспектам работы нервной системы, описанию различных медиаторных систем и психотропных препаратов. Однако, прежде чем перейти к конкретным веществам, осуществляющим и регулирующим синаптическую передачу, следует рассмотреть жизненный цикл "обобщенного" медиатора. Он включает в себя следующие стадии: синтез, загрузку в везикулу и транспорт в пресинаптическое окончание; выделение в синаптическую щель; связывание с рецептором на постсинаптической мембране; инактивацию.

Образование медиатора часто происходит непосредственно в пресинаптическом окончании. Это возможно тогда, когда процесс синтеза является химически относительно простым и не требует каких-либо труднодоступных предшественников. Если эти условия не выполняются, образование медиатора идет в теле нейрона. Особенно это характерно для пептидных медиаторов, возникающих в результате "вырезания" из более крупных белковых молекул. С синтезом каждого конкретного медиатора связаны специфические ферменты, осуществляющие соответствующие реакции. От их количества и активности в конечном счете зависит активность медиаторной системы.

Синтезированные в теле нейрона молекулы медиатора переносятся сначала в эндоплазматическую сеть, а затем в аппарат Гольджи. Этот органоид обеспечивает экзоцитоз медиаторов, предварительно упаковывая их в мембранные пузырьки – везикулы. Образовавшиеся везикулы с помощью быстрого аксонного транспорта переносятся в пресинаптические окончания.

В случае, когда медиатор синтезируется сразу в пресинаптическом окончании, аппарат Гольджи способен формировать пустые везикулы. Они аналогичным образом переносятся по аксону. Заполнение пузырьков медиатором осуществляется непосредственно в пресинаптическом окончании (за счет работы специальных молекулярных насосов). Число скапливающихся в пресинаптичеком окончании везикул измеряется тысячами. Истощение запасов медиатора даже при интенсивной передаче информации происходит весьма редко (обычно на фоне действия специальных фармакологических агентов).

Каждый нейрон производит только один основной медиатор (ацетилхолин, дофамин и т.п.). Однако в пресинаптическом окончании нередко можно обнаружить и другие вещества, способные к передаче нервных сигналов. Это так называемые комедиаторы (например, пептиды). Они обнаруживаются в очень небольших количествах и обычно находятся в везикулах, отличающихся по форме и размеру от пузырьков с основным медиатором.

Выброс содержимого везикул запускается в момент прихода в пресинаптическое окончание потенциала действия (рис. 10). При этом, по существу, происходит превращение электрического сигнала в химический. Такое превращение представляет собой довольно сложную задачу и реализуется в несколько этапов. Первый из них заключается в открывании потенциал-зависимых Са²⁺-каналов.

Каналы подобного рода широко распространены в нервной системе. В данном случае они находятся в мембране пресинаптического окончания и открываются при его деполяризации, которая вызывается приходом ПД. В результате в клетку входит определенная порция ионов Са²⁺, и их содержание внутри окончания возрастает в 10-100 раз. Понятно, что чем больше концентрация Са²⁺ во внешней среде, тем больше будет число вошедших ионов.

Основное назначение ионов Са²⁺ в пресинаптическом окончании – это воздействие на сложный белковый комплекс, встроенный в мембрану везикул. Комплекс этот включает белки, ответственные за фиксацию ("заякоривание") пузырька в цитоплазме пресинаптического окончания и за его контакт с пресинаптической мембраной. Под действием Са²⁺ (предполагается, что для этого нужно четыре иона) везикула приходит в движение. Достигая пресинаптической мембраны, пузырек "слипается" с ней, в результате чего медиатор попадает в синаптическую щель. Весь этот процесс протекает очень быстро – в течение 1-5 мс. Интересно, что примерно через 10 с можно наблюдать процесс восстановления везикул: они отделяются от пресинаптической мембраны и возвращаются в пресинаптическое окончание. В дальнейшем эти пустые пузырьки могут быть вновь заполнены медиатором.

Интересно, что через кальциевые каналы способны проникать и ионы Mg²⁺, конкурируя с кальцием. Следовательно, появление в межклеточной среде магния уменьшает итоговое число вошедшего в окончание кальция. Поэтому введение большого количества Mg²⁺, (например, в форме магнезии – MgSo₄) приводит к уменьшению выброса медиатора и, следовательно, к ослаблению синаптической передачи сигналов.

Попав в синаптическую щель, медиатор менее чем за 1 мс вступает во взаимодействие со встроенными в пресинаптическую мембрану специализированными белковыми рецепторами. Пространственная организация такого рецептора предусматривает существование у него "активного центра" - участка в белковой молекуле, имеющего определенную форму и распределение зарядов. Такому участку строго соответствует пространственная конфигурация медиатора и распределение зарядов на его молекуле. Активный центр рецептора и медиатор способны формировать комплекс (по принципу «ключ к замку»). Непосредственным следствием этого является активация рецептора, а следствием относительно отдаленным – развитие постсинаптических потенциалов и запуск ПД.

Контакт медиатора и рецептора может приводить к разным последствиям в зависимости от того, к какому типу принадлежит тот или иной конкретный рецептор. Типов этих, в наиболее общем случае, выделяют два – ионотропные и метаботропные рецепторы.

Активация метаботропного рецептора (рис. 11) приводит к изменению внутриклеточного метаболизма, то есть течения некоторых биохимических реакций. С внутренней стороны мембраны к такому рецептору присоединен целый ряд других белков, выполняющих частью ферментативные, частью передающие ("посреднические") функции. Белки-посредники относятся к группе G-белков. Под влиянием активированного рецептора G-белок воздействует на белок-фермент, переводя его в активное "рабочее" состояние. Это значит, что запускается определенная химическая реакция. Суть ее состоит в том, что некоторая молекула-предшественник превращается в сигнальную молекулу – вторичный посредник.

Вторичные посредники - это мелкие, способные к быстрому перемещению молекулы или ионы, передающие сигнал внутри клетки. Этим они отличаются от "первичных посредников" – медиаторов и гормонов, передающих информацию от клетки к клетке. Наиболее известным вторичным посредником является цАМФ (циклическая аденозин-моно-фосфорная кислота), образуемая из АТФ с помощью фермента аденилатциклазы. Похожа на него цГМФ (гуанозин-моно-фосфорная кислота). Другими важнейшими вторичными посредниками являются инозитолтрифосфат и диацилглицерол, образуемые из компонентов клеточной мембраны. Чрезвычайно велика роль Са²⁺, входящего в клетку снаружи через ионные каналы или высвобождающегося из особых мест хранения внутри клетки ("депо" кальция). В последнее время много вниманию уделяется очень короткоживущему вторичному посреднику NO (оксиду азота). Показано, что NO способен передавать сигнал не только внутри клетки, но и между клетками (в том числе от постсинаптического нейрона к пресинаптическому).

Заключительный шаг в передаче химического сигнала – воздействие вторичного посредника на хемочувствительный ионный канал. Это воздействие протекает либо непосредственно, либо через дополнительные промежуточные звенья (например, ферменты). В любом случае происходит открывание ионного канала и развитие ВПСП либо ТПСП. Продолжительность и амплитуда их первой фазы будет определяться количеством вторичного посредника, которое, в свою очередь, зависит от количества выделившегося медиатора и длительности его взамодействия с рецептором.

Таким образом, механизм передачи нервного стимула, используемый метаботропными рецепторами, включат в себя несколько последовательных этапов. На каждом из них возможна регуляция (ослабление либо усиление) сигнала, что делает реакцию постсинаптической клетки более гибкой и адаптированным к текущим условиям. Вместе с тем, это же приводит к замедлению процесса передачи информации. Вот почему в ходе эволюции возникла потребность в более быстром пути проведения сигналов, в результате чего появились ионотропные рецепторы.

В случае ионотропного рецептора (см. рис. 13) чувствительная молекула содержит не только активный центр для связывания медиатора, но также ионный канал. Воздействие медиатора на рецептор приводит к практически мгновенному открыванию канала и развитию постсинаптического потенциала. По такому принципу работают, например, нервно-мышечные синапсы.

Инактивация является заключительным этапом жизненного цикла медиатора. Смысл этой стадии состоит в прекращении его действия на рецептор (прерывание сигнала). Действительно, ПД, распространяющиеся по мембране нервных клеток, являются дискретными, ограниченными во времени событиями. Для адекватной передачи сигнала с нейрона на нейрон эта дискретность должна сохраняться. Соответственно, синаптическая передача также должна быть ограничена во времени и иметь механизмы не только запуска, но и прекращения.

В простейшем случае инактивация осуществляется прямо в синаптической цели. При этом фермент эффективно разрушает все свободно плавающие молекулы медиатора. Конечно, часть из них все же успевает достичь постсинаптической мембраны. Однако и их связь с активными центрами рецепторов не является абсолютно стабильной. Дело в том, что взаимодействие лиганд-рецептор является обычно вероятностным. Это значит, что реально молекула медиатора находится в связи с активным центром, скажем, 2/3 времени, но 1/3 – свободно плавает в синаптической щели. Именно в этот момент она и может быть инактивирована.

Второй способ инактивации предполагает всасывание медиатора из синаптической щели с помощью особых белков-насосов. Эти белки могут находиться либо на мембранах глиальных клеток либо на пресинаптической мембране. В первом случае медиатор быстро переносится внутрь глиальных клеток, после чего разрушается специализированным ферментом. Во втором случае медиатор возвращается в пресинаптическое окончание (обратный захват). В дальнейшем он также может быть разрушен, но может и повторно загружаться в пустые везикулы. Последний вариант позволяет наиболее экономно расходовать те медиаторы, синтез которых связан для нейрона с определенными проблемами (мало предшественника, длительная цепочка реакций и т.п.).

Скорость процесса инактивации определяет общее время воздействия медиатора на рецептор. Именно от этого в конечном итоге зависит амплитуда постсинаптических потенциалов, а, значит, запуск ПД и продолжение проведения сигнала по нейронной сети. При повреждении элементов системы инактивации мы наблюдаем значительное увеличение эффективности синаптической передачи. Действительно, в этом случае выделившийся медиатор будет значительно дольше воздействовать на рецепторы, и амплитуда ВПСП либо ТПСП заметно возрастет.

Все нейроны делятся на типы в зависимости от медиатора, который они вырабатывают. При этом к названию медиатора прибавляется “-ергический”. Так, ацетилхолинергические нейроны, синтезирующие ацетилхолин, образуют ацетилхолинергическую систему, нейроны, синтезирующие глутаминовую кислоту – глутаматергическую систему и т.д.

Нейрон может быть связан с нейронами как своей медиаторной системы, так и других систем. Дело усложняется тем, что, как правило, рецепторов к одному медиатору не один тип, а два и более, причем для одного медиатора могут существовать как ионотропные, так и метаботропные рецепторы.

Вещества, влияющие на различные этапы жизненного цикла медиаторов, имеют огромное значение для жизни человека. Они образуют группу так называемых психотропных препаратов – соединений, влияющих на различные аспекты деятельности мозга: общий уровень активности, память, эмоциональные переживания и др. При этом наиболее часто используются вещества, изменяющие взаимодействие рецептора и медиатора, а также влияющие на хемочувствительные ионные каналы.

Вводя в организм молекулы, сходные по структуре с медиатором, можно наблюдать, как они соединяются с активными центрами соответствующих рецепторов и возбуждают их. В результате эффект применяемого препарата будет аналогичен действию самого медиатора. Вещества такого рода называют агонистами медиатора. Влияние агонистов на синапс нередко оказывается очень длительным и эффективным. Это объясняется тем, что прочность их связывания с рецепторами нередко больше, чем у медиатора, а системы инактивации не способны быстро удалить агонист из синаптической щели.

В более сложном случае вводимые извне молекулы лишь частично похожи на медиатор. Тогда, соединяясь с активными центрами рецепторов, они будут их занимать (т.е. прекращать к ним доступ медиатора; конкурировать с ним), но не будут возбуждать рецептор. В результате эффект применяемого препарата будет противоположен действию медиатора. Вещества такого рода называют конкурентными антагонистами (блокаторами) медиатора. Существует также понятие неконкуретного антагониста. В этом варианте вводимый препарат нарушает действие медиатора, блокируя хемочувствительные ионные каналы.

Часть агонистов и антагонистов медиаторов являются веществами природного происхождения. Их существование – результат длительных эволюционных процессов, в ходе которых одни живые организмы (прежде всего, растения) "изобретали" вещества, защищающие их от поедания другими организмами. Природными психотропными препаратами являются и яды животных-охотников (змеи, пауки и т.п.).

Вторая часть агонистов и антагонистов – синтетические соединения, создаваемые человеком. В ходе их разработки химикам и фармакологам приходится учитывать целый ряд требований. Во-первых, в структуре такого вещества должен присутствовать "ключевой" участок, соответствующий молекуле медиатора. Во-вторых, такой препарат должен быть устойчив к действию систем инактивации. В-третьих, он должен проникать через барьеры организма – гемато-энцефалический и, желательно, кишечный. Только в этом случае можно достичь мозга при введении в организм в виде таблетки либо инъекции. В настоящее время агонисты и антагонисты медиаторов (а также соединения, влияющие на синаптическую передачу другими путями) широко применяются в клинике. Вместе с тем, в больших дозах многие из них являются наркотиками и ядами, что также свидетельствует о необходимости их серьезного изучения.

Медиаторы очень разнообразны по своей химической структуре. В связи с этим среди них выделяют группы моноаминов (производных аминокислот), аминокислот, пептидов (цепочек аминокислот). Своеобразную химическую природу имеет ацетилхолин, с которого мы и начнем обзор основных медиаторных систем и связанных с ними психотропных препаратов.