Молекулярные механизмы передачи импульса в мембранах нейронов. Ионные каналы, рецепторы (стр. 8 из 10)
На рис. 9 представлены консервативные участки известных нейрорецепторов, выявленных при анализе нуклеотидных последовательностей. Характерными особенностями являются высокая степень в гомологии аминокислотной последовательности и расположении трансмембранных участков М1-М4. Обязательное присутствие двух цистеинов в районе 140-150 аминокислоты на расстоянии 14 нуклеотидов друг от друга — отличительная черта нейрорецепторов 1-го класса. Возможно, что все эти нейрорецепторы принадлежат одному семейству белков, кодируемых родственными генами.
Глутаматные рецепторы. Наличие глутаматсвязывающей активности, независимой от присутствия в среде ионов Na, обнаружено практически во всех структурах головного мозга. Наибольшее количество этих участков — в коре больших полушарий, гиппокампе, полосатом теле, среднем мозге и гипоталамусе.
Согласно современным представлениям, существует несколько подтипов глутаматных рецепторов. Их классифицируют прежде всего на основе изучения действия широко известных аналогов глутамата: N-Memn-D-аспартата, а-амино-З-пид-рокси-5-метил-4-изоксазол-пропионовой кислоты, каиновой кислоты, квискваловой кислоты. В табл. 5 представлена структура дикарбоновых возбуждающих аминокислот и некоторых их аналогов. В литературе принято выделять прежде всего два главных подтипа глутаматных рецепторов: NMDA- и не-NMDA-рецепторы. К He-NMDA-рецепторам относятся рецепторы 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 глутамата, которые участвуют в разнообразных событиях в ЦНС. В мозге млекопитающих NMDA-связывающие участки локализованы 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, формированию нейрональной пластичности и механизмам памяти, а также к патологическим явлениям нейрональной дегенерации в случае болезни Альцгеймера, церебральной ишемии и др.
Таблица 5
Структура кислых возбуждающих аминокислот и некоторых
их аналогов
NMDA-рецепторы состоят из ряда субъединиц сМг = 40-92 кД и легко олигомеризуются, образуя высокомолекулярные комплексы сМг = 230-270 кД. Эти белки являются гликопротеид-липидными комплексами, формирующими ионные каналы для катионов Na+, К+, Са+. Молекула глугаматного рецептора содержит большое количество гидрофобных аминокислот, которые связаны и с внутренней, и с внешней частью мембраны, организуя взаимодействие с липидами.
Рецептор NMDA имеет несколько участков, взаимодействующих аллостерически. Выделяют пять функционально различных участков, взаимодействие с которыми приводит к изменению 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 Mg+- связывающий участок;
5) тормозной участок связывания двухвалентных катионов. Наиболее специфический синтетический агонист этих рецепторов — NMDA — не обнаружен в мозге. Предполагается, что кроме глутамата эндогенными медиаторами в этих рецепторах является L-аспартат и L-гомоцистеинат.
Из наиболее известных антагонистов рецепторов NMDA типа можно назвать 0-2-амино-5-фосфоновалериат' и D-2- ами-но-7-фосфоногептаноат. Более специфичны, однако, новые синтетические антагонисты: 3--пропил-Ь-фосфонат и МК-801.СРРл МК-801 - это неконкурентные ингибиторы NMDA, они не действуют непосредственно на участки связывания глутамата.
Своеобразна роль глицинового участка. Глицин в концентрации ОД мкМ увеличивает ответы NMDA-рецептора, и этот эффект не может быть заблокирован стрихнином /напомним, что последний является блокатором самостоятельных глициновых рецепторов). Сам глицин не вызывает ^ответа, а лишь увеличивает частоту открывания канала, не влияя на амплитуду тока при действии агонистов NMDA. Наличке глицина вообще 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 Са+. Предполагают, что внутриклеточный Са+, концентрация которого возрастает 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 уменьшаются при высокой гиперполяризации или деполяризации; следовательно, ионные каналы NMDA-рецепторов являются в определенной мере потенциалзависимыми. Ионы Mg+ селективно блокируют активность рецепторов при таких сдвигах потенциалов. Ионы цинка также ингибируют ответ, но не имеют потенциалзависимого действия, очевидно влияя на другой участок связывания.
К другому подтипу рецепторов глутамата — не NMDA-pe-цепторам — относятся, в частности, рецепторы квискваловой кислоты. Изучение последних привело к пересмотру представления о том, что действие глутамата как нейромедиатора сводится лишь к деполяризации мембраны. Многие типы глутамат-ных рецепторов, и в особенности рецепторы квисквалата, могут функционировать как медленнодействующие метаботропные.
Они вполне соответствуют общим характеристикам метабо-тропных рецепторов, изложенным выше. Пептидная цепочка, составляющая их основу, содержит от 870 до 1000 аминокислотных остатков.
Часть He-NMDA-рецепторов—mGlnRl—реализует сигнал через 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.
Имеются сведения о том, что рецепторы этой категории участвуют в механизмах синаптогенеза и в изменениях, возникающих при деафферентации. В целом этот тип глутаматных рецепторов, как полагают, участвует в механизмах пластичности аналогично рецепторам NMDA. Но при этом активация рецепторов NMDA блокирует механизм инозитолфосфатной регуляции, связанной с He-NMDA-рецепторами, и наоборот: антагонисты NMDA усиливают действие глутамата на не-NMDA-pe-цепторы.
Весьма интересным примером современных методов изучения рецепторов служит цикл работ с кДНК и ^РНК, кодирующими белки глутаматных рецепторов. Существуют библиотеки полноразмерных генов или их фрагментов мозга млекопитающих. Имея поликлональные антитела к самым разнообразным нейрорецепторам, можно выделить с помощью иммунологического скрининга клоны ДНК, способные продуцировать искомые белковые фракции. Так, недавно из библиотеки кДНК были выделены клоны рекомбинантного фага, дающие положительный иммунологический сигнал на антитела, полученные к глутаматсвязывающему мембранному белку с Мг = 60 кД. Анализ ДНК, выделенной из этого фага, позволил обнаружить наличие вставки кДНК размером 500 нлт, которая способна продуцировать белок с Мг = 14 кД и соответствует узнающей 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, которые являются удобным объектом изучения электрофизиологических свойств нейрорецепторов. Ооциты лягушки обладают эффективным белок-синтезирующим аппаратом, но не имеют собственных нейрорецепторов. После инъекции чужеродной мРНК был измерен мембранный потенциал ооцитов в присутствии глутамата и его аналогов. Оказалось, что выделенная фракция мРНК способна кодировать синтез denovoглутаматных рецепторов каинатного типа.
Возможность одновременного синтеза всех подтипов глутаматных рецепторов в ооцитах лягушки была продемонстрирована другими исследователями. Введение тотальной мРНК, выделенной из мозга крыс, приводило к появлению электрофизиологических ответов у ооцитов на аппликацию NMDA, каината и квисквалата. Более того, ионные токи, регистрируемые на мембране, мало отличались от таковвгх:, обнаруженных на мембранах нейронов. Были, таким офазом, представлены убедительные факты в пользу того, что основные компоненты рецепторного комплекса для глутамата синтезируются совместно, причем биосинтез их не зависит от клетки-носителя и типа мембраны, в которую они затем встраиваются.
Перспективными являются исследования шклада глутаматных рецепторов в патохимию ряда заболеваний ЦНС. Полагают, что эти нейрорецепторы могут служить маркерами деструктив
ных повреждений возбуждающих глутаматергических путей головного мозга и участвовать в аутоиммунных реакциях организма человека. Установление роли глутаматных рецепторов в патогенезе нервно-психических заболеваний — это не единственное направление современной медицины. Появились уже конкретные примеры использования разных антагонистов глутаматных рецепторов против явлений укачивания, токсического действия высоких парциальных давлений кислорода, при лечении инсультов и др.. Кроме того, антагонисты глутаматных рецепторов могут составить основу для создания малотоксичных инсектицидных препаратов для сельского хозяйства.