ЛЕКЦИЯ 10 Нейромедиаторные аминокислоты

тема 12. Нейромедиаторные аминокислоты

Гамма-аминомаслянная кислота.
Глицин.
L-глутаминовая кислота (глутамат)


1. Гамма-аминомасляная кислота

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) широко распространена в ЦНС млекопитающих, она выявляется примерно в 50% всех нервных окончаний мозга и является основным тормозным нейромедиатором мозга (рис. 1). Обнаружена в локальных сетях интернейронов, которые очень разнообразны по форме и функциям. Кроме того, ГАМК присутствует в некоторых ассоциативных волокнах, например, связанных с базальными ганглиями, включая проекции от стриатума к бледному шару и черной субстанции ствола мозга. ГАМК-ергические нейроны (клетки Пуркинье) обнаружены и в коре мозжечка. Кроме того, установлено, что ГАМК присутствует и в поджелудочной железе, выполняя роль передатчика сигнала между
·-клетками островков Лангерганса.
Синтез ГАМК связан с глутаматом (рис. 2). Он образуется путем декарбоксилирования глутамата под действием глутаматдегидрогеназы.
Выброшенная в синаптическую щель (путем экзоцитоза) ГАМК после взаимодействия с рецепторами транспортируется с помощью системы высокоаффинного захвата в глиальные клетки. Здесь она превращается в глутамат, а затем в глутамин, который возвращается в нейроны и служит предшественником для синтеза новых молекул нейромедиатора. Однако основной путь инактивации ГАМК – нейрональный захват его пресинаптическим окончанием.






























Рецепторы. Различают два типа ГАМК-рецепторов:
ГАМКА – ионотропные рецепторы. Связывание двух молекул ГАМК с рецептором ведет к открытию канала для ионов С1- и НСО-. Так как проницаемость канала для ионов С1- в 5 раз выше, чем для НСО3-, поток хлора через канал доминирует, что позволяет ионам С1- проникать в нейрон, вызывая гиперполяризацию мембраны. В развивающемся мозге ГАМК вызывает деполяризацию мембраны. Характерная черта ГАМКА-рецептора – наличие участков связывания не только с медиатором, но и с другими физиологически активными соединениями, прежде всего лекарственными препаратами группы бензодиазепинов. Бензодиазепины имеют важные для клиники эффекты (анксиолитический, седативный, противосудорожный, миорелаксирующий) и не проявляют их в отсутствие ГАМК. Все эти соединения действуют на тот же или частично совпадающий участок (сайт) рецепторного комплекса. При этом прямые агонисты, как диазепам, увеличивают частоту открываний С1--канала, и их эффект зависит от концентрации ГАМК. «Обратные» агонисты уменьшают частоту открываний С1--канала. Помимо бензодиазепинов в ГАМКА-рецепторном комплексе обнаружены сайты связывания барбитуратов (фенобарбитал), анестетиков (этомидат), стероидов (синтетический стероид альфаксон). Все эти препараты потенцируют действие ГАМК, продлевая время существования хлорного канала в открытом состоянии. В высоких концентрациях эти соединения могут активировать С1-каналы даже в отсутствие ГАМК. Потенциацией эффектов ГАМК объясняются седативный и гипнотический эффекты этих соединений, а для барбитуратов – и противосудорожный. ГАМКА-рецептор состоит из четырех видов субъединиц (
·,
·,
· и
·), при этом
·-,
·- и
·-субъединицы могут образовывать множественные изоформы (
·1-
·6;
·1-
·3,
·1-
·3). ГАМКА-рецептор образуется ансамблем из 5 субъединиц (рис. 3), формирующих ионный канал. При этом комбинации субъединиц могут быть различными;























ГАМКв – метаботропные, модифицируют аденилатциклазную активность, что ведет к подавлению высвобождения медиатора путем угнетения Са2+-каналов или к гиперполяризации постсинаптической мембраны путем активации К+-каналов. Обнаружены ГАМКв-рецепторы в периферической нервной системе (рис. 4). Особенностью каналов данного вида является то, они функционируют в виде димера, состоящего из субъединиц:
R1 – связывает лиганд (ГАМК)
R2 – активирует три пути передачи сигнала (пунктирные линии) через комплексы G-белков (G
·
·
·):
G
· активирует аденилатциклазу, приводя к увеличению концентрации аденозин-монофосфата (сАМР);
G
·
· взаимодействует с кальциевыми каналами, уменьшая поступление ионов Са2+в клетку;
также G
·
· стимулирует калиевые каналы, увеличивая количество ионов К+, которые выходят из клетки.




























Функции ГАМК-ергической системы в ЦНС. ГАМК, тормозный медиатор, вызывает гиперполяризацию постсинаптической мембраны, в результате чего снижается нейрональная активность целевой клетки. Широкое распространение ГАМК-ергических синапсов свидетельствует о важности процессов торможения для нормального функционирования ЦНС. Экспериментальная блокада ГАМК-ергической передачи или ее нарушение в патологических случаях вызывают неконтролируемые нейрональные разряды и судороги. С нарушением ГАМК-ергической системы тесно связаны проявления эпилепсии, паркинсонизма и некоторых других поражений экстрапирамидной системы. ГАМК-ергическая система принимает участие в формировании эмоционального поведения.
Однако роль ГАМК не сводится исключительно к угнетению возбуждения в ЦНС. Тонические тормозные входы могут трансформировать активность целевых клеток, обеспечивая пространственную и временную интеграцию возбудительных входов, что лежит в основе механизма обработки информации.

2. Глицин

Как нейромедиатор впервые идентифицирован в спинном мозге. Он играет ключевую роль в рефлексах спинного мозга, вызывая реципрокное торможение мотонейронов через вставочные интернейроны (клетки Реншоу).
Глициновые рецепторы относятся к ионотропным и сопряжены с ионными каналами для хлора. Расположены они на постсинаптической мембране. Аналогично ГАМК глицин увеличивает проницаемость мембраны для ионов хлора, вызывая ее гиперполяризацию, что сопровождается тормозным эффектом. Глициновые рецепторы блокируются стрихнином, чем объясняется механизм его судорожной активности. Высвобождение глицина из нервных окончаний блокируется столбнячным токсином.
Глициновые рецепторы обнаружены и в высших отделах головного мозга, включая гиппокамп, мозжечок, кору головного мозга. Взаимодействуя с NMDA-рецепторами, они совместно с глутаматом способствуют их активации.
В противоположность ГАМКА-рецепторам на глициновые рецепторы не оказывают влияния бензодиазепины и барбитураты. Однако их активация модулируется некоторыми общими анестетиками, включая диэтиловый эфир для наркоза, фторотан, хлоралгидрат, трихлорэтилен т.д.


3. L-глутаминовая кислота (глутамат)

L-глутаминовая кислота (глутамат) – главный возбуждающий нейромедиатор в мозге млекопитающих, а также предшественник других аминокислот, в частности ГАМК. Обнаруживается во всех отделах ЦНС. Глутамат обеспечивает передачу возбудительных сигналов по длинноаксонным волокнам. В ЦНС находится около миллиона длинноаксонных нейронов, и в большинстве из них передача нервных импульсов происходит посредством глутаминовой кислоты. Так, афферентные сенсорные волокна, передающие зрительные, слуховые, тактильные, болевые сигналы, содержат в качестве медиатора глутамат. Это же относится и к большинству ассоциативных волокон, связывающих различные структуры мозга. Глутамат вовлечен в процессы восприятия и обработки стимулов, благодаря тому, что он обеспечивает быструю синаптическую передачу (в миллисекундном интервале времени).
Высвобождение глутамата из пресинаптического окончания происходит путем Са-зависимого экзоцитоза, а удаление из синаптической щели путем обратного захвата пресинаптическим окончанием.
Рецепторы к глутамату подразделяются на следующие функциональные группы (рис. 4):


ионотропные – лиганд-управляемые:
NMDA-рецепторы широко распространены в ЦНС, располагаются пресинаптически и постсинаптически. Высокая их плотность обнаружена в кортикальных структурах, базальных ганглиях, сенсорно-ассоциативных системах, в гиппокампе. NMDA-рецепторы образуют неспецифические ионные каналы, обеспечивающие прохождение ионов К+, Na+ и Са2+. В отличие от He-NMDA-рецепторов, вызывающих быструю деполяризацию, активация NMDA-рецепторов приводит к пролонгированной деполяризации мембраны. NMDA-рецепторов являются потенциал-зависимыми кальциевыми каналами, канал которых в состоянии покоя блокируются ионами Mg2+ (рис. 5). Для их разблокирования необходима деполяризация мембраны, а также глицин в качестве сомедиатора глутамата. В отсутствие глицина рецептор не активируется глутаматом. Это представляет определенный интерес с фармакологической точки зрения, так как антагонисты глициновых рецепторов могут быть использованы в качестве ингибиторов медиации глутамата. Еще одна важная особенность NMDA-рецепторов с точки зрения регуляции – их чувствительность к концентрации водородных ионов: частота открывания ионных каналов снижается по мере возрастания концентрации ионов водорода, таким образом, при рН 6,0 активация рецептора оказывается почти полностью подавленной.




























не-NMDA-рецепторы распространены по всему мозгу. Они подразделяются на подтипы:
АМРА-рецепторы (активируются аналогом глутамата) при возбуждении которых открываются каналы для ионов Na+ и Са2+, что способствует быстрой деполяризации мембран.
каинат-рецепторы (активируются каиновой кислотой), локализованы преимущественно на терминалях нейронов, высвобождающих глутамат, и при их возбуждении увеличивается его выход в синаптическую щель
При активации пресинаптических не-NMDA-рецепторов ионы Са2+ входят в пресинапс, увеличивается их концентрация в терминали, что обеспечивает высвобождение медиатора в синаптическую щель.

метаботропные – mGluR, осуществляющий свой биологический эффект через вторичные мессенджеры IP3 (инозитолтрифосфат) и DAG (диацилглицерол). Метаботропные рецепторы играют роль в механизмах памяти, боли, тревоги, в нейродегенеративных процессах.

Одновременная стимуляция метаботропного mGluR и ионотропного АМРА рецептора делает возможным развития такого процесса как долговременная депрессия синаптической передачи (Long-Term depression – LTD). Механизм формирования LTD следующий (рис. 6):
выделение пресинаптическим полюсом глутамата приводит к одновременной активации АМРА и mGluR рецепторов на постсинаптической мембране;
рецептор mGluR активирует фосфолипазу С, которая в свою очередь расщипляет PIP2 (фосфатидилинозитол-3-4,5-дифосфат) на DAG и IP3;
IP3 вызывает высвобождение Са2+ из ЭПР, кроме того, Са2+ поступает через электровозбудимые каналы мембраны клетки, что приводит к дополнительному усиления выброса кальция из ЭПР;
повышение уровня Са2+ и появление DAG совместно активируют протеинкиназу С (ПКС), которая меняет свойства АМРА рецепторов, что приводит к возникновению долговременной депрессии синаптической передачи (DTP).




































Одновременная стимуляция ионотропных NMDA и АМРА рецепторов делает возможным развитие другого процесса, характеризующего степень активности синапса – долговременной синаптической потенциации (Long-Term potentiation – LTP). Механизм формирования LTP следующий (рис. 7):
выделение пресинаптическим полюсом глутамата приводит к одновременной активации ионотропных АМРА и NMDA рецепторов на постсинаптической мембране;
через катионный канал АМРА в постсинапстическую область входят ионы Na+. деполяризующие синаптическую мембрану;
в результате деполяризации постсинаптической мембраны открывается потенциалзависимый NMDA рецептор (пора рецептора освобождается от иона Mg2+, блокировавшего его в состоянии покоя) и через него в постсинаптический полюс входят Na+ и Са2+;
вход Са2+ в клетку активирует протеинкиназу С;
параллельно Са2+ связывается в комплекс с кальмодулином и активирует Са2+/кальмодулин-киназу II;
в результате фосфорилируются синаптические белки и в мембрану встраиваются дополнительные АМРА рецепторы, что способствует проявлению долговременной синаптической потенциации (Long-Term potentiation – LTP).




































Кроме того, при одновременной стимуляции ионотропных NMDA и АМРА рецепторов возможно развитие долговременной синаптической депрессии (Long-Term depression – LTD). В данном случае будет наблюдаться процесс, противоположный описанному выше. Т.е. результатов некоторых реакций в глутаматергическом синапсе будет не встраивание новых АМРА рецепторов, а их интернализация (поглощение в клетку). Данные процесс реализуется следующим образом (рис. 8):
выделение пресинаптическим полюсом глутамата приводит к одновременной активации ионотропных АМРА и NMDA рецепторов на постсинаптической мембране;
низкоамплитудный подъем концентрации Са2+ приводит к активации протеинфосфотазы, находящейся в постсинаптической зоне;
в результате происходит дефосфорилирование синаптических белков, благодаря чему проявляется интернализация АМРА рецепторов из постсинаптической мембраны;
тем самым, уменьшается возможность связывания глутамата с освободившимися АМРА рецепторами. Благодаря этому возникает долговременная депрессия синаптической передачи (DTP).


































Нарушение глутаматергической медиации лежит в основе ряда патологических состояний нервной системы, в частности эпилепсии. Имеются экспериментальные доказательства, что процессы инициации и сохранения эпилептических приступов связаны с высвобождением глутамата при ослаблении ГАМК-ергической передачи. Beщества, блокирующие NMDA-рецепторы, используются в экспериментах в качестве антиконвульсантов.
Глутамат обнаружен в большинстве сенсорных волокон, передающих болевые стимулы. В качестве сомедиатора глутамата в этих волокнах представлен нейропептид – вещество Р. Он вызывает дополнительную деполяризацию мембраны, что способствует разблокированию потенциал-зависимых Са2+-каналов и поэтому вносит существенный вклад в передачу болевых стимулов.
АМРА-рецепторы активируются в ответ на интенсивные и короткие стимулы и обеспечивают быструю передачу болевых сигналов, NMDA-рецепторы – на последовательно повторяющиеся импульсы. Активация этого типа рецепторов в задних рогах спинного мозга приводит к расширению и пролонгированию нейрональных ответов при постоянстве стимула, что в итоге приводит к усилению болевых ощущений при длительных болях. NMDA-рецепторы вовлекаются в передачу болевых сигналов при таких патологических состояниях, как воспаление, ишемические, невропатологические, хирургические боли. Блокатор этих рецепторов – кетамин – используется в клинике для анестезии.
Глутаматные NMDA-рецепторы участвуют в процессах памяти. Экспериментально показано, что ключевую роль в механизме памяти играет длительная потенциация (LTP) пирамидных нейронов поля CA1 гиппокампа. Длительная потенциация – это устойчивое усиление эффективности синапсов в нейронах гиппокампа в ответ на высокочастотную стимуляцию. В возникновении LTP существенную роль играют высвобождение глутамата и активация постсинаптических NMDА-рецепторов на апикальных дендритах пирамидных нейронов. В результате активируются потенциал-зависимые Са2+-каналы и происходит длительная деполяризация мембраны. Важную переключающую функцию в формировании длительной потенциации пирамидных нейронов гиппокампа выполняют ГАМК-ергические механизмы, обеспечивая синхронизацию глутаматергических входов. Помимо гиппокампа LTP обнаружена в коре, миндалине и спинном мозге.
Глутамат играет важную роль в развитии мозга и пластичности его связей. Эксперименты показали, что повышенное содержание глутамата в мозге молодых животных стимулировало рост дендритов пирамидных клеток гиппокампа, способствовало развитию нейронов мозжечка. Плотность NMDА-рецепторов в хвостатом ядре и гиппокампе молодых крыс была существенно выше, чем у взрослых особей. В незрелом гиппокампе возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), образующиеся при активации NMDA-рецепторов, существенно оказались выше по амплитуде и менее чувствительны к ионам Mg2+. Результаты этих экспериментов позволяют предположить, что глутамат регулирует рост и дифференциацию нейронов развивающегося мозга.
В то же время высокое содержание возбуждающих аминокислот (глутамата и аспартата) токсично для нервной ткани. Высвобождение большого количества этих нейромедиаторов в синаптическую щель приводит к гиперактивации глутаматных рецепторов, в результате которой увеличивается концентрация Са2+ в клетках, повышается осмотическое давление, что ведет к набуханию и гибели нейронов. Кроме того, рост содержания Са2+ в клетках сопровождается активацией киназ и фосфолипаз, в результате увеличивается протеолитическая и липолитическая активность. Эти процессы, получившие название реакции «эксайтотоксичности» (exitotoxicity), - начальная ступень в гибели нейрональных и глиальных клеток при острых сосудистых нарушениях мозга и, возможно, при нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, хорея Гентингтона).









13PAGE 15


13PAGE 14115



Рис. 2. Два пути синтеза ГАМК:
Толстая стрелка – доминирующий путь, в котором углеводный скелет глутамина метаболизируется в цикле трикарбоновых кислот перед собственно синтезом ГАМК.
Тонкая стрелка – непосредственный синтез ГАМК из глутамата без вовлечения цикла трикарбоновых кислот.


·-кетоглутарат

цикл
трикарбоновых кислот

ацетил-кофермент А

ГАМК

глутамат

глутамат

глутамин

четвертичная структура
ГАМКА рецептора

сайты связывания агонистов и модуляторов

сайты связывания внутриклеточных модуляторов и сайты, принимающие участие в стабилизации и фиксации рецептора в мембране

субъединица ГАМКА рецептора

Рис. 3. Строение ГАМКА рецептора

субъединица R2
активирует 3 пути передачи сигнала
через комплексы G-белков

субъединица R1
связывает ГАМК


·
·: стимулирует
К+-каналы



·
·: ингибирует
Са2+-каналы



·: активирует АЦ сАМФ

ГАМК

К+

Са2+

цАМФ

АЦ


·


·


·


·

Рис. 4. Димер ГАМКв рецептора

Рис. 5. Схема строения NMDA-рецептора.

сайт связывания агонистов (глутамата)

сайт
связывания
Zn2+

сайт
связывания
галлюцино-генов

канал,
блокируемый
магнием










NMDA
рецепторы


АМРА
рецепторы


DAG

Рис. 1. Относительные доли основных медиаторов в головном мозгу человека.

Рис. 4. Расположение в мембране рецепторов глутамата разного типа

участок домена,
связывающий глутамат

цитозоль

внеклеточная среда

ионотропный
рецептор глутамата

метаботропный
рецептор глутамата

Рис. 6. Механизм работы глутаматных рецепторов разного типа и возникновение эффекта долговременной депрессии.
LTD – долговременная депрессия,
ПКС – протеинкиназа С,
ЭПР – эндоплазматический ретикулум.


LTD


ПКC


ЭПР


Са2+


Са2+


высвобождение
Са2+



дендритный шипик
клетки Пуркинье


Са2+


IP3


PIP2


фосфолипаза С


Na+


mGluR

АМРА
рецептор

Na+

глутамат

пресинаптическая
терминаль

пресинаптическая
терминаль


дендритный шипик
постсинаптического
нейрона


встраивание
дополнительных
АМРА рецепторов


фосфорилирование
синаптических
белков


Са2+
кальмодулин-
никаза II


ПКС


повышение
Са2+


NMDA
рецепторы


АМРА
рецепторы


глутамат


К+


К+


Nа+


Nа+


Са2+


К+


Nа+


Са2+


Рис. 7. Механизм формирования долговременного синаптического потенциирования
ПКС – протеинкиназа С.


Рис. 8. Механизм формирования долговременной синаптической депрессии


пресинаптическая
терминаль



глутамат



дендритный шипик
постсинаптического
нейрона



интернализация
АМРА рецепторов



дефосфорилирование
синаптических
белков



протеин-фосфотаза


Nа+


Nа+


Са2+


Nа+


Са2+




15

Приложенные файлы

  • doc 11389817
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий