Синаптическая передача. Медиаторы
Введение
Ч. Шеррингтонобосновал представление об отсутствии межклеточной непрерывности в нервнойсистеме и ввел понятие синапс дляобозначения структуры, которая опосредует передачусигнала от окончаний аксона к эффекторной клетке – нейрон), мышечному волокну,секреторной клетке железы. Синапс состоит из пресинаптического окончания и постсинаптической мембраны, разделенных синоптической щелью, которая заполнена рыхлымколлагеноподобным веществом.
Существуютдва способа синаптической передачи – электрический и химический.
Возможно исочетание обоих механизмов, электрического и химического, в одном смешанномсинапсе, однако в нервной системе млекопитающих преобладают чисто химические синапсы.
В электрических синапсах, количество которых в нервной системеотносительно невелико, потенциал действияпресинаптических окончаний обеспечивает ток, который деполяризуетпостсинаптическую мембрану. Морфологическую основу электрическойпередачи составляет щелевой контакт, для которогохарактерны тесное прилегание пре- и постсинаптической мембран, большая площадьконтакта этих мембран, наличие ультраструктур, снижающих электрическоесопротивление в области контакта, – своего рода каналов, организованных в ввдеправильной сети между пре- и постсинаптической мембраной.
Электрофизиологическими критериями электрическойсинаптической передачи являются: 1) отсутствие синаптической задержки; 2)проведение возбуждения в обоих направлениях; 3) независимость от потенциалапресинаптической мембраны; 4) устойчивость к изменениям концентрации ионовкальция и магния в среде, к асфиксии, низкой температуре, некоторымфармакологическим воздействиям.
Функциональная роль электрических синапсов состоит восуществлении срочной передачи сигналов, обеспечивающей синхронизациюэлектрической активности группы нейронов, например группы мотонейронов во времяпрыжковых движений лягушки или плавательных движений рыбы. Электрическиесинапсы обнаруживаются между нервными клетками, однотипными по структуре и функциям.
Эволюциянервной системы сопровождается уменьшением числа электрическихсинапсов в пользу другого способа передачи – химического. В химическом синапсе нервный импульс вызывает освобождение изпресинаптических окончаний химического посредника – нейромедиатора, которыйдиффундирует через синоптическую щель и вступает во взаимодействие сбелками-рецепторами постсинаптической мембраны, В результатепроисходит генерация постсинаптического потенциала.
Химическиймеханизм синаптической передачи по сравнению с электрическим более эффективнообеспечивает основные функции синапса: 1)одностороннее проведение сигнала; 2) усиление сигнала; 3) конвергенцию многихсигналов на одной постсинаптической клетке, пластичность передачи сигналов.
Химическиесинапсы передают два вида сигналов – возбуждающий и тормозной. В возбуждающих синапсах нейромедиа-тор, освобождаемый изпресинаптических нервных окончаний, вызывает в постсинаптической мембраневозбуждающий пост-синаптический потенциал – локальную деполяризацию, а в тормозных синапсах – тормозной постсинаптическийпотенциал, как правило, – гиперполяризацию. Снижение сопротивления мембраны,происходящее во время тормозного постсинаптического потенциала, ведет ккороткому замыканию возбуждающего постсинаптического тока, тем самым ослабляяили блокируя передачу возбуждения.
В настоящейработе рассмотрены организация пресинаптического окончания, механизмыэкзоцитозо. Ейромедиаторов, химическая природа и функциональные особенностимедиаторов.
1. Морфофункциональная организацияхимического синапса. Квантовая теория освобождения нейромедиатора
Одним изсамых детально изученных химических синапсов считается нервно-мышечноесоединение скелетных мышц, в котором нейромедиатором служит ацетилхолин. Относительная доступность этогосинапса и удобство для изучения позволили нобелевскому лауреату Б. Катцу в 50‑егоды провести мик-роэлектрофизиологические исследования, которые вместе сданными электронной микроскопии составили основу квантовой теории синаптической передачи, справедливойдля самых разных химических синапсов.
Согласно этойтеории процесс освобождения нейромедиатора складывается из отдельных элементарных реакций, каждая из которых представляет собойвыход одного кванта нейромедиатора. Когда потенциал пресинаптическоймембраны находится на уровне покоя, т.е. к пресинаптическим окончаниям не поступаютнервные импульсы, кванты нейромедиатора тоже освобождаются, но спонтанно и снизкой скоростью. Ответом постсинаптической мембраны на отдельные квантыявляется возникновение миниатюрных постсинаптических потенциалов, в случаенервно-мышечного синапса они называются миниатюрнымипотенциалами концевой пластинки. Деполяризация пресинаптическоймембраны во время нервного импульса ведет к практически синхронномуосвобождению большого количества квантов – до нескольких сотен. В результатевозникает вызванный постсинаптический потенциалов нервно-мышечном синапсе онназывается потенциалом концевой пластинки), который, вслучае достижения пороговой амплитуды, ведет к генерации потенциала действия впостсинаптической клетке.
Освобождениеиндивидуальных квантов представляет собой статистический процесс: нервноеокончание содержит п элементарныхединиц, каждая из которых имеет независимую от других единиц вероятность ответана нервный импульс. Если средняя вероятность ответа равна Ру то среднее число квантов, освобожденныхв ответ на нервный импульс, определяется уравнением т=пР.
Повышениевероятности освобождения квантов при деполяризации пресинаптической мембранысвязано с открыванием потенциал-зависимых Са+-каналов мембраны ивходом Са в соответствии с их электрохимическим градиентом в пресинаптичскоеокончание. Таким образом, ионы Са участвуют в процессе электросекреторного сопряжения.
Квантовыйхарактер синаптической передачи обусловлен тем, что нейромедиатор хранится в синаптических пузырьках. Присутствие везикул диаметром 40–200нм, окруженных относительно плотной для электронов мембраной толщиной 4–5 нм,является характерной морфологической особенностью химических синапсов. Объемсинаптического пузырька в двигательных нервных окончаниях диафрагмы крысы составляет5,2–10нм. Такой пузырек может содержать порядка АЛ О молекул АХ, что вполне соответствует результатам оценкимолекулярного состава кванта АХ – -10 молекул.
Синаптическиепузырьки в аксоплазме нервного окончания сосредоточены в области, приближенной кпресинаптической мембране, около синаптической щели, причем пузырькираспределяются неравномерно, группируясь у периодически выступающих ваксоплазму утолщений пресинаптической мембраны – активных зон. По-видимому, в активных зонахнаходятся скопления потенциал-зависимых Са+-каналов, обеспечивающихвход Са+ в пресинаптическое окончание во время потенциала действия.В активных зонах обнаружены регулярно расположенные розеткообразные мембранныечастицы диаметром около 15,0 нм, количество которых возрастает во времядеполяризации пресинаптической мембраны. Можно предполагать, что эти частицыпредставляют собой точки слияния синаптических пузырьков с активной зоной, т.е.участки экзоци-тоза нейромедиатора в синаптическую щель.
Прифизиологических значениях частоты и длительности стимуляции нерва не удаетсявыявить изменения количества синаптических пузырьков, несмотря на наблюдаемыеизменения количества освобождаемого медиатора. Только при воздействиях,вызывающих истощение пресинаптических запасов медиатора, отмечается некоторыйпараллелизм изменений постсинаптических потенциалов и морфологическиххарактеристик пресинаптических окончаний.
В периодначального бурного освобождения медиатора, когда резко повышается частотаспонтанных миниатюрных постсинаптических потенциалов, в области активных зонпоявляются многочисленные омегаподобные впячивания пресинаптической мембраны,которые соответствуют слипанию мембраны пузырька с участком освобождения. Вфазу снижения квантового состава вызванных постсинаптических потенциаловнаблюдается уменьшение количества синаптических пузырьков и увеличение площадиповерхности пресинаптического окончания за счет встраивания мембрансинаптических пузырьков в пресинаптическую мембрану. В дальнейшем идет процессрециклизации синаптических пузырьков: от пресинаптической мембраны в нервноеокончание отпочковываются мембранные структуры, которые сливаются, образуяокруженные мембраной цистерны; затем от цистерн отделяются синаптическиепузырьки, вновь заполняемые медиатором, синтезированном в цитоплазме.
Процессрециклизации синаптических пузырьков прослежен с помошью пероксидазы хрена. При добавлении этого маркера в средуинкубации электрическое раздражение нерва сопровождается усиленным захватоммаркера синаптическими пузырьками и цистернами. Если после этого перенестипрепарат в среду, не содержащую пероксидазу хрена, и вновь подвергнуть егостимуляции, то пероксидаза освобождается в среду при экзоцитозе содержимогосинаптических пузырьков.
Оценкудинамики изменений запасов медиатора в пресинаптическом окончании во времяритмического раздражения нерва можно производить электрофизиологически путемизмерения амплитуды и расчета квантового состава постсинаптических потенциалов.Классическими объектами для такихисследований стали нервно-мышечный синапс и симпатический ганглий. Структурыцентральной нервной системы, где на теле или дендрите одного нейронаконвергируют много взаимодействующих синапсов, непригодны для таких оценок.Ритмическое раздражение двигательного нерва скелетной мышцы млекопитающегосопровождается быстрым снижением количества освобождаемого в ответ на каждыйимпульс медиатора, вплоть до некоторого относительно постоянного уровня. Этоявление, называемое депрессией, показывает,что запас медиатора, способного к освобождению, ограничен и пополняетсямедленнее, чем расходуется. Депо АХ в нервно-мышечном синапсе оцениваютпримерной цифрой 210 квантов. Быстрая депрессия потенциалов концевой пластинкиотражает расходование небольшой части депо АХ – так называемой фракции доступного медиатора, которая составляет примерно 10квантов для нервно-мышечного синапса лягушки.
Интереснойособенностью метаболизма пресинаптических окончаний является предпочтительнаясекреция вновь синтезированного в цитоплазме медиатора. После инкубации нервно-мышечногопрепарата или симпатического ганглия в среде с меченым предшественникомАХ-холином ритмическое раздражение нерва приводило к секреции – АХ. Очевидно,существует фракция расположенных у активных зон синаптических пузырьков,которые после экзоцитоза их содержимого сразу же подвергаются рециклизации,заполняются только что синтезированным в цитоплазме медиатором и вновь готовы кэкзоцитозу.
Следуетотметить, что наряду с зависимой от ионов Са квантовой секрецией медиатора,которая обеспечивает передачу сигнала через синапс к постсинаптической клетке,а также происходит спонтанно, в отсутствие нервных импульсов, существуетпостоянная неквантовая утечка молекулмедиатора из нервного окончания. В нервно-мышечном синапсе лягушки имлекопитающих неквантовая утечка создает концентрацию АХ в синаптической щелипорядка 10~-10~М. Общее количество АХ, секретируемого неквантовым способом,превышает выход АХ, обусловленный спонтанной квантовой секрецией.Предполагается, что неквантовая секреция медиатора играет трофическую роль.
Нервно-мышечныйсинапс является экспериментальным объектом, удобным для исследованияэлектрофизиологическими методами. Однако изоляция нервных окончаний и синаптическихпузырьков для биохимического исследования крайне затруднена вследствие того,что двигательные нервные окончания составляют слишком малую долю от объематкани скелетной мышцы. Гораздо более адекватным препаратом для изученияэкзоцитоза нейромедиаторов являются синаптосомы – пресинаптическиеокончания, выделяемые из нервной ткани, как правило, вместе с веществом,заполняющим синаптическую щель, и участком постсинаптической мембраны. Деполяризациясинаптосом физиологическим раствором с высокой концентрацией К+вызывает зависимую от Са»^ секрецию нейромедиаторов.
2. Экзоцитоз нейромедиаторов
Внейрохимическом плане лучше других синапсов изучен электромоторный синапс электрического органа рыб, гденейро-медиатором служит АХ. В начале 70‑х годов в лаборатории В.Уит-такера в ФРГ впервые удалось выделить изолированную фракцию синаптическихпузырьков из электрического органа ската Torpedo marmorata. Именно на этом объекте с помощью биохимических,иммуноцитохимических методов и ядерного магнитного резонанса полученыфундаментальные сведения о структуре и функциях синаптических пузырьков иразработана схема их жизненного цикла.
/>
В аппаратеГольджи сомы нейрона формируются мембранные образования в виде пузырьков, незаполненных медиатором. Эти пузырьки направляются в пресинаптическое окончаниес помощью системы быстрого аксонного транспорта. В пресинаптическом окончаниипузырьки заполняются медиаторами посредством АТФ-зависимого протонного насоса.Молекулы протонной АТФазы входят в состав мембраны синаптических пузырьков иподдерживают определенный уровень мембранного потенциала. Мембранасинаптического пузырька содержит также стимулируемую кальмодулином Са+-АТФазу,которая обеспечивает поглощение пузырьками ионов Са. Популяция зрелыхпузырьков. Циклы экзоцитоз – эндоцитоз повторяются.
Эта схемасогласуется с электрофизиологическими данными о квантовом характере секрециинейромедиатора и о численности квантов разных размеров в одном и том жепресинаптическом окончании, а также с радиохимическими сведениями опредпочтительном освобождении вновь синтезированного медиатора. Таким образом,пресинаптическос окончание можно рассматривать как систему, в определенной мереавтономную по отношению к телу нейрона.
Синаптическиепузырьки диаметром 50–60 нм, так называемые малые прозрачные синаптические пузырьки, аналогичныехолинергическим синаптическим пузырькам из электрического организма ската,выделены из разных отделов нервной системы представителей практически всехтаксономических групп животных. Эти пузырьки отличаются низкой электроннойплотностью содержимого. Они заполнены низкомолекулярныминейромедиаторами в отличие от больших электронно-плотных пузырьков,заполненных медиаторами пептидной природы.
Ключевуюпроблему в изучении экзоцитоза нейромедиаторов представляет вопрос о механизмах сближения синаптического пузырька с активной зонойпресинаптической мембраны и взаимодействия мембраны пузырька с активной зоной. Имеютсяданные о том, что эти процессы зависят. от Са+ – универсальноговнутриклеточного посредника, участие которого в секреторных процессах можетбыть обусловлено активацией актомиозино-вых филаментов цитоскелета, мембраннойфосфолипазы А2, аде-нилатциклазы, Са+/кальмодулин-зависимыхпротеинкиназ и ряда других Са+-связывающих белков.
Известно, чтосвязывание Са+ с кальмодулином индуцирует фосфорилирование рядабелков синаптосом. Ингибиторы кальмодулина и кальмодулинкиназы блокируютосвобождение нейромедиаторов, вызываемое деполяризацией синаптосом. Привоздействии различных факторов, влияющих на количество освобождаемого медиатораи на фосфорилирование белков, выявленакорреляция между изменениями секреции нейромедиаторов и фосфорилированиембелков синаптосом.
Независимо оттого, из какого отдела нервной системы они получены и какой нейромедиаторсодержат, малые синаптические пузырьки характеризуются специфическим набороминтегральных мембранных белков, к которым относятся синапсины – фосфопротеины,фосфорилируемые цАМФ- и Са+-зависимыми протеинкиназами, синаптофизин– гликопротеин, пронизывающий мембрану; синаптобревин – негликозилированныйбелок, находящийся на цитоплазматической поверхности пузырьков; белок SNAP‑25;синтаксин, синаптогамин, синаптопорин и др.
Особая роль всближении синаптического пузырька с активной зоной отводится синапсину. Этот белок, который состоит из двухполипептидов с молекулярной массой 86 и 80 кД, ассоциирован сцитоплазматической поверхностью мембраны синаптического пузырька. Примикроинъекции фосфорилированной формы синапсинов в пресинаптическое окончаниегигантского аксона кальмара наблюдается повышение амплитуды и скоростинарастания постсинаптического потенциала, что свидетельствует об увеличениисекреции медиатора; дефосфорилированные формы синапсиноз не вызывали такогоэффекта.
Аналогичноеувеличение секреции медиатора происходит при микроинъекции Са+/кальмодулина.Показана способность очищенных синапсинов взаимодействовать в зависимости отсостояния фосфорилирования с белками мембраны синаптического пузырька и с F‑актином цитоскелетапресинаптического окончания. Предложена следующая схема участия синапсинов вэкзоцитозе. В отсутствии деполяризации пресинаптического окончания, когдаконцентрация Са+ в цитоплазме низка, дефосфорилированный синапсин,связанный с цитоплазматической поверхностью пузырька, взаимодействует сцитоскелетом, обеспечивая резервирование и иммобилизацию пузырька. При деполяризациипресинаптической мембраны происходит вход Са+ в пресинаптическоеокончание — активация Са+/кальмодулинкиназы -> фосфорилированиесинапсина I -» ослабление связи между синапсином и пузырьком, а такжесинапсином и F‑актином.В результате синаптический пузырек перемещается вдоль микротрубочек настратегическую позицию v активнойзоны.
Далеенаступает цепь реакций, обеспечивающих контакт пузырька с пресинаптическоймембраной и его плавление. Здесь опять-таки процесс инициируется Са+,который связывается с другим белком пузырька синаптогамином Именно Са+-синаптогаминвзаимодействует с фосфолипидами и с комплексом других белков, регулирующихплавление везикулы, – синаптобревином,синтаксыном и синаптофизином. В заключениепроисходит активация белка синаптопорина, формирующего пору, какал, черезкоторый изливается содержимое везикулы.
В поискахмолекулярных механизмов слияния мембраны синаптического пузырька спресинаптической мембраной выявлено, что ботулинический и столбнячный токсины, блокирующий экзоцитоз нейромедиаторовиз синаптических пузырьков, повреждают именно указанную выше триаду белковпузырька – синаптобревин, синтаксин и SNAP‑25.
Ряд другихдеталей конечного этапа экзоцитоза пока не выяснен. Существует предположение,что выброс нейромедиаторов происходит при активном сокращении стенок пузырька сучастием актомиозинподобных белков, активируемых ионами Са.
Синаптическая пластичность означает способность синапсов к функциональным и морфологическим перестройкам впроцессе синаптической активности. Свойство пластичности синапсовсоставляет основу таких явлений, как обучение, память.
Изменениеэффективности синапса после активации определяется увеличением или уменьшением амплитуды постсинаптическихпотенциалов, которые в свою очередь связаны с изменением количестванейромедиатора, высвобождаемого из пресинаптических окончаний.
Существуетнесколько основных фаз постактивационныхизменений синаптической эффективности.
1. Облегчение– повышение амплитуды постсинаптического потенциала в начальный периодритмической серии пресинаптических импульсов.
2.Кратковременная посттетаническая потенциация – повышение амплитудыпостсинаптического потенциала при ритмической активации нервного окончания втечение десятков секунд.
3.Постактивационная депрессия постсинаптических потенциалов, которая развиваетсяпараллельно и взаимодействует с процессом потенциации.
4. Длительнаяпотенциация постсинаптических потенциалов, которая медленно развивается вследза кратковременной потенциацией и продолжается в течение часов и даже дней.
Эти явлениясвязаны с изменением концентрации Са+ в пресинаптических окончанияхво время ритмической активности. Длительные модификации синаптическойэффективности ассоциируются с изменениями фосфорилирования синаптическихбелков.
Следуетупомянуть, что наряду с пресинаптическими механизмами существуют ипостсинаптические механизмы, основанные на изменениях чувствительностирецепторов нейромедиаторов.
3. Медиаторы
Развитиепредставлений о химической медиации нервных импульсов началось в начале века врезультате открытий О. Лёви, Дж. Эллиота, ПДейла, которые показали, чтопередача сигнала в нейроэффекторных соединениях опосредуется высвобождением АХили норадреналина из нервных окончаний.
До 50‑хгодов к медиаторам относили две группы низкомолекулярных соединений, которыесейчас называются «классическими», «традиционными» медиаторами, – амины и аминокислоты. В 60‑егоды Дж. Бэрнсток открыл третью группу медиаторов – пуриновые нуклеотиды. В 1953 г. Ф-Лембек вьщвинул предположение о медиаторной роли пептида – вещества Р, обнаруженного еще в 30‑е годы в мозге и встенках кишечника в виде вещества, которое усиливало сокращения изолированнойкишки и вызывало временную гипотензию. Свое название вещество Р получило отслова «powder», поскольку его первооткрывателиработали с высушенными в виде порошка экстрактами тканей. Разработкаиммуноцитохи-мических и радиоиммунологических методов позволила в 70 – 80‑егоды выявить в разных отделах нервной системы позвоночных и безпозвоночныхмножество пептидов, участвующих в синаптической передаче. Нейропептиды составляют четвертую, самуюмногочисленную группу медиаторов и, кроме того, выступают как модуляторыдействия других медиаторов.
3.1. Принцип Дейла
В 30‑егоды Г. Дейл пришел к выводу, что идентификация медиатора в периферическихокончаниях сенсорного нейрона позволяет судить о природе химической передачи вцентральном синапсе этого нейрона. Со временем принцип Дейла стал толковатьсякак постулат, согласно которому каждый нейрон содержит единственное медиаторноевещество, которое высвобождается во всех окончаниях этого нейрона. В такомпонимании принцип Дейла, безусловно, не соответствует действительности.
С современныхпозиций принцип Дейла соответствует, по-видимому, формулировать как положение о метаболической за-еисимости аксона и его окончаний от тела клетки. Известныйнейробиолог Дж. Экклс считает, что именно такой смысл вкладывал в свой вывод исам Г. Дейл.
3.2. Многообразие синаптических медиаторных функций
В настоящеевремя представление о химическом кодировании сигналов в нервной системеосновываются на принципе множественности химическихсигналов: в индивидуальном нейроне синтезируется более одногомедиатора; каждое пресинаптическое окончание способно высвобождать несколькомедиаторов, сочетание которых может не быть одинаковым для разных синапсоводного и того же нейрона.
Ставшеепривычным понятие «эргичности» нейрона и синапса можно принимать лишь какусловное. Термины «холинергический», «пуринергический», «пептидергический» ит.д. целесообразно употреблять только в случае присутствия в данном нейроне ивысвобождении в синапсе конкретного медиатора, не исключая при этомсуществования других медиаторных веществ и не подразумевая приоритетной роликакого-то одного медиатора по отношению к другим.
Существуетделение механизмов преобразования химического сигнала, а соответственноразделение рецепторов медиаторов на две категории – ионотропные иметаботропные. Ионотропные рецепторы составляютединый комплекс с ионофором, так что вызываемое медиатором изменениеконформации рецептора ведет к открыванию ионных каналов и быстрым значительнымсдвигам проводимости постсинаптической мембраны. Примером являются рецепторыГАМК, глицина, а также АХ при его взаимодействии с никотиновыми холинорецепторамии часть рецепторов глутамата, аспартата и пуринов.
Метаботропные рецепторы осуществляют постсинаптический эффектпутем активации специфических мембранных ферментов, обеспечивающих образованиев мембране или в цитозоле постсинаптической клетки вторичных посредников,которые, в свою очередь, специфически активируют определенные ферменты; приэтом запускаются каскады ферментативных процессов, ведущих в конечном счете кковалентной модификации мембранных или цитоплазматических белков. Такой типдействия реализуется гораздо медленнее, чем ионотропный, и сопровождаетсяотносительно небольшими сдвигами проводимости иостсинаптическое мембраны. Кметаботропной категории относится взаимодействие АХ с мускариновымирецепторами, постсинаптическое действие катехоламинов и серотонина, частиглутаматных рецепторов. Нейропептиды также являются метаботропными медиаторами.
Открытие медиаторов пептидной природы существенно расширило представления охимической медиации сигналов в нервной системе. Совсем недавно классическимобразцом химического синапса считалось нервно-мышечное соединение,морфофункциональная организация которого обеспечивает быструю, точнонаправленную передачу сигнала по «анатомическому» адресу. В системах с«химическим» адресом специфичность передачи сигнала обусловлена не локальнойанатомической связью пре- и постсинаптической структуры, а наличиемспециализированных рецепторов к данному медиатору только на клетках-мишенях,причем такой тип передачи сигнала может быть медленным, диффузным. Именно впередаче такого типа участвуют многие нейропептиды с некоторыми классическиминейромедиаторами, в частности моноаминами, которые тоже могут высвобождатьсядистантно по отношению к клетке-мишени. Такое понимание медиаторной функциивплотную приближается к представлению о нейрогормонах, секретируемыхв межклеточную жидкость, спинномозговую жидкость или кровь и модулирующихсостояние клетки-мишени, расположенной на расстоянии от секретируемой клетки.
Медиаторныевещества делятся на две большие группы: нейромедиаторы, которыеосуществляют передачу сигнала в синапсе, и нейромодуляторы, которые регулируют ^передачу сигнала.
3.3. Нейромедиаторная функция
Нейромедиаторнаяроль вещества в синапсе оценивается следующими критериями.
1. Присутствие медиатора в постсинаптинеском нейроне и, какправилд, неравномерное распределение медиатора в нервной системе. Впресинаптическом нейроне должны находиться молекулы – предшественникимедиатора, ферменты его систеза или система специфического транспорта. Всинапсе должны быть специфические участки связывания медиатора. Критерийпроверяется анатомическими, биохимическими, гистохимическимим методами.
2. Высвобождение медиатора в ответ на деполяризующие стимулы изпресинаптических окончаний посредством Са+-зависимого экзоцитоза.Критерий проверяется физиологическими методами.
3. Идентичность эффектов предполагаемого медиатора иэндогенного нейромедиатора на клетке-мишени; аппликация экзогенного вещества напостсинаптическую клетку должна вызывать такой же эффект, как и физиологическаястимуляция. Взаимодействие медиатора с постсинаптическими рецепторами должноиндуцировать сдвиги мембранной проводимости, ведущие к генерации возбуждающихили тормозных постсинаптических потенциалов. Эффекты, вызываемые аппликациейэкзогенного вещества или физиологической стимуляцией, должны иметь одинаковыефармакологические характеристики, т.е. подвергаться аналогичным изменениям придействии фармакологичесих средств. Критерий проверяется физиологическими ифармакологическимим методами.
4. Удаление медиатора из области синапса. В синаптическойобласти должны присутствовать специализированные системы инактивациисекретированного медиатора, позволяющие завершить его эффект – ферменты деградации, система обратного поглощения пресинаптическим нейроном. Критерийпроверяется биохимическими и гистохимическимим методами.
Нужноподчеркнуть, что тестирование типа медиаторной функции по перечисленнымкритериям представляет собой методически сложную задачу. Особенно это касаетсякритериев и, что обусловлено трудностями доступа к индивидуальным синапсам вЦНС и ограниченностью существующего набора избирательных фармакологическихсредств. Определенные успехи обеспечивает применение новых методов – иммуногистомии, рекомбинантных ДНК, клеточных культур.
Итак,нейромедиатор – это вещество, которое синтезируется в нейроне, содержится впресинаптических окончаниях, высвобождается в синаптическую щель в ответ нанервный импульс и действует на специализированные рецепторные участкипостсинаптической клетки, вызывая изменения мембранного потенциала иметаболизма клетки.
3.4 Нейромодуляторы
Понятие«модуляторные вещества», предложенное в 60‑годы Э. Флори, исходит отэндокринологии, от представлений о характере действия гормонов. В современномпонимании нейромодуляторы по сравнению с нейромедиаторами имеют следующиехарактеристики.
1.Нейромодуляторьг не обладают самостоятельным физиологическим действием, а модифицируют эффект нейромедиаторов.
2. Действиенейромодуляторов имеет тонический характер– медленное развитие и большую продолжительность действия.
3.Нейромодуляторы не обязательно имеют синаптическое или даже нейронноепроисхождение. Они могут высвобождаться, например, из глии.
4. Действиенейромодуляторов не сопряжено по времени сэффектом нейромедиатора и не обязательно инициируетсянервными импульсами.
5. Мишеньюнейромодуляторов может быть не только пост-синаптическая мембрана и не толькомембранные рецепторы; нейромодулятор действует на разные участки нейрона,причем его действие может быть и внутриклеточным.
Такимобразом, термин «нейромодулятор» является гораздо более широким понятием посравнению с термином «нейромедиатор».
Различают дваосновных вида нейромодуляции – пресинаптическая и постсинаптическая.
Пресинаптическая модуляция. Процесс высвобождения многихнейромедиаторов модулируется посредством ауторегуляции: высвобождаемыйнейромедиатор воздействует на собственные пресинаптичесие ауторецепторы,уменьшая последующее высвобождение или увеличивая высвобождение. В этой ситуации нейромедиатор одновременно осуществляет ифункцию нейромодулятора. Так, например, пресинаптические ос2-адренорецепторысимпатических нервных окончаний опосредуют торможение секреции норадреналина. Пресинаптические ауторецепторы сопряженыс системой аденилатциклазы. По своимфармакологическим характеристикам пресинаптические ауторецепторы обычно отличаютсяот постсинаптических рецепторов того же нейромедиатора. Известны пресинаптические ауторецепторы глутамата, серотонина, дофамина, ГАМК,гистамина, адренорецепторы, мускариновые холинорецепторы.
Кроме того,существуют пресинаптические гетерорецепторы, которыечувствительны к медиаторам, высвобождающимся из других нейронов. Примером могутслужить пресинаптические мускариновые холинорецепторы норадренергическихокончаний симпатических нервов, которые взаимодействуют с АХ, секретируюшимсяиз парасимпатические холинергических аксонов. В этом случае регуляция бывает межнейронной.
Модуляцияможет происходить на уровне изменений возбудимости нервных окончаний,биосинтеза нейромедиаторов, входа Са+ в нервное окончание и надругих этапах экзоцитоза.
Постсинаптическая модуляция. Постсинаптическая модуляция можетиметь характер ауторегуляции, когдаизменяется активность рецепторов за счет модификации их аффинности иликоличества, а также вследствие изменений сопряженных с рецепторами системвнутриклеточных и внутримембранных посредников. Примером являетсядесенситизация рецепторов при длительном воздействии нейромедиатора игиперсенситизация при недостаточности воздействия нейромедиатора.
Постсинаптическиерецепторы подвергаются также гетерорегуляции в результатевоздействия нейромодуляторных веществ. Значительный интерес вызываетпостсинаптическое межрецепторное взаимодействие между сопутствующими медиаторами,прежде всего – нейропептидами и классическими нейромедиаторами.
3.5 Сопутствующие медиаторы
Сопутствующие, или сосуществующие, медиаторы – это синоптические посредники, которые характеризуются прежде всегосовместной локализацией и совместным высвобождением. Под совместной локализацией имеется в виду синтез и депонированиемедиаторов в одном и том же нейроне, их присутствие в одних и тех жепресинаптических окончаниях, но не обязательно в одних и тех же синаптическихпузырьках. Так, низкомолекулярные классические нейромедиаторы депонируютсяпреимущественно в мелких оптически прозрачных пузырьках, а пептидные медиаторы– в крупных оптически плотных пузырьках, хотя имеются данные и о случаяхлокализации этих двух видов медиаторов в одних и тех же оптически плотныхпузырьках. Различие в системах депонирования этих двух видах медиаторовобусловлено различиями мест их синтеза: классические нейромедиаторысинтезируются в цитоплазме пресинаптических окончаний и затем поступают всинаптические пузырьки, а пептидные медиаторы синтезируются в аппарате Гольджи,т.е. в соме нейрона, и доставляются в нервные окончания уже упакованными впузырьки.
Под совместным высвобождением понимается экзоиитоз двух медиаторовв результате одного и того же процесса активации пресинаптического окончания,хотя под процессом активации в данном случае подразумевается не одиночный пресинаптическийпотенциал действия, а разряд потенциалов действия с той или иной частотой. Ещеодин признак сопутствующих медиаторов состоит в том, что они вызываютфункциональные изменения в одной и той же клетке-мишени.
Иммуноцитохимическимиметодами в центральных и периферических нейронах прослежены разнообразные видысочетаний представителей медиаторных групп: 1) несколько классических нейромедиаторов;2) классический) нейромедиатор + нейропетид несколько нейропептидов, имеющихобщую молекулу-предшественник; 4) несколько нейропептидов, кодируемых разнымигенами. К этим сочетаниям могут добавляться пурины.
3.6 Локализация нейромедиаторных путей
Прежде чемрассматривать наиболее изученные индивидуальные синаптические системы исоответствующие медиаторы, целесообразно рассмотреть общую картину локализациинейромедиаторных путей в мозге, отметив одновременно самые общие характеристикифункций соответствующих систем.
Химическиесинапсы распределены в нервной ткани не в случайном порядке, а организованы вопределенных группах нейронов. Для того чтобы уверенно картировать какие-либомеди аторные пути в головной мозге, необходимо иметь доступные и надежные специфическиемаркеры, с помощью которых можно визуализировать интересующие исследователямежклеточные взаимодействия.
Существуюттри основных методических подхода для решения этой задачи. Первый способ – избирательное окрашивание нейронов,выделяющих определенный нейромедиатор, может осуществляться с помощьюпреобразования естественного медиатора в его флуоресцирующее производное. Вэтом случае флуоресценция определенных групп клеток поможет выявитьспецифические связи в структурах мозга. Второй экспериментальныйподход связан с введением молекул медиатора,предварительно меченного радиоактивным изотопом. Нейронные окончания,содержащие исследуемый медиатор, способны избирательно захватывать метку. Затемих легко выявить методом авторадиографии. Третий способ обнаружения специфических связей внервной системе состоит в использовании высоко специфичной способности узнаватьлибо антигенные детерминанты медиатора, либо определенные ферментные белки,участвующие в метаболизме нейромедиаторов, либо нейрорецептор-ные компоненты намембране клетки. Последние считаются наиболее убедительным свидетельством впользу существования конкретных нейрохимических взаимодействий между клетками изонами мозга. Обычно для иммунохимической идентификации используютфлуоресцентный краситель или изотоп, который маркирует антитела. В последниегоды широко распространились методы, использующие антитела, меченные частицамитяжелых металлов, например коллоидного золота, железа и др.
Указанныеспособы позволили получить весьма ценную информацию о детальном анатомическомраспределении различных синапсов, В первую очередь это помогло локализовать катехоламинергические синапсы, а также синапсы, содержащие ферментные системы с уникальными метаболитами, такими какГАМК. В отличие от катехоламинов аминокислотные нейромедиаторы – L‑глутамат,L‑аспартат, глицин – участвуют вметаболических процессах практически всех клеток, в связи с чем выборспецифических маркеров для соответсвующих синапсов затруднен. В этих случаяхобнаружение самого нейромедиатора или его ферментных систем еще не позволяетсудить о природе химического синапса и тогда использует косвенный подход,например измерение высвобождаемых медиаторныхаминокислот из нервных окончаний при их разнообразной стимуляции.
Общая схемарапределения нейромедиаторных связей по структурам представлена на рис. 2. Каквидно из схемы, пока имеется недостаточно фактов, чтобы представить полнуюкартину химического картирования мозга. Это требует дальнейшей большойсовместной работы морфологов и нейрохимиков. Однако для ряда путей, особеннофункционирующих на основе биогенных аминов, эти данные уже получены. Онилокализованы преимущественно в нейронах, входящих в состав полосатого тела,вентролатерального ядра, черного вещества и голубого пятна. Аксоны этихнейронов проецируются, как правило, в гипоталамус, мозжечок, передний мозг.
Полагают, чтомоноаминовые нейромедиаторные пути имеютотношение к проявлению эмоций, регуляциинастроения, поддержанию состояния бодрствования и др. Нарушение обмена норадреналина связывают свозникновением ряда психоэмоциональных расстройств. Воздействие на указанныепути фармакологическими средствами, компенсирующими дефицит или избытокнейромедиатора, способствует в ряде случаев снижению симптоматики шизофрении,маниакально-депрессивных состояний и др.
Нейроны,содержащие дофамин, сосредоточеныв областях среднего мозга, особенно их много в черной субстанции ивентролатеральной покрышке. Многие из этих нейронов посылают свои аксоны впередний мозг, где они участвуют в развитии эмоциональных реакций. Важную роль дофаминовая медиаторнаясистема играет в регуляции сложных двигательных функций.
Обнаружено,что нарушения дофаминергических путей приводит к затруднению движений, особенностереотипных, к возникновению непроизвольного дрожания и скованности мышц, т.е.к появлению характерных симптомов паркинсонизма. Фармакологические препараты,содержащие метаболиты дофамина, проникающие в головной мозг, способны смягчитьпроявление болезни. Гиперфункция дофаминергическойсистемы связана с механизмами шизофрении.
Моноаминовыйнейромедиатор серотонин сосредоточенв области ствола мозга, где находятся так называемые «ядра шва». Нейроны этогоцентра проецируются в гипоталамус, таламус и другие области мозга.
/>
Как полагают,они участвуют в терморегуляции, сенсорномвосприятии и процессах сна.
Лекарственныесредства, которые способны частично удалить из синапсов моноаминовыенейромедиаторы, вызывают депрессию, тогда как все препараты, применяемые длялечения клинической депрессии, обычно повышают содержание этих нейромедиаторов,усиливают их действие.
Ацетилхолин широко представлен в разных отделахнервной системы, основное его количество находится в периферическихнервно-мышечных синапсах, рецепторы которых относятся к категории такназываемых никотиновых. В ЦНСацетилхолин сосредоточен. преимущественно в базальных ганглиях, таламусе исером веществе. Соответствующие рецепторы в мозге относятся главным образом ккатегории мускариновых. Вставочныехолинергические нейроны обнаружены в хвостатом ядре, переднем роге латеральногожелудочка, которые являются одними из наиболее богатых ацетилхолиновых мозговыхструктур.
Полагают, чтоАХ в подкорковых структурах участвует в тонкой регуляции сложныхдвигательных функций, в частности в механизмах инициации движения, двигательныхстереотипах и др. Поражение холинергической иннервации в структурах мозгасопровождается нарушением и извращением двигательных функций. Так, например,при паркинсонизме наряду с нарушением дофаминергической трансмиссии отмечаетсягиперактивность некоторых холинергических систем мозга. Поэтому для леченияэтого заболевания используют препараты, содержащие холинолитики, которыеснижают уровень ацетилхолина или стимулируют работу ацетилхолинэстеразы. Этивещества вводят совместно с аналогами L‑ДОФАдля компенсации дефицита дофаминергических путей. Нарушение холинергической иннервации характерно и для рядасенильных болезней мозга.
Поражение холинергической передачи в периферической нервнойсистеме, в частности нервно-мышечных синапсах, связано с симптомами «усталости»или «слабости» мышц. Полагают, что в основе тяжелого заболевания – миастениигравис – лежит аутоиммунный процесс. Организм вырабатывает аутоантитела, которыеблокируют функцию холинорецепторов.
Наиболеешироко распространеными в ткани мозга рецепторами и, соответственно,нейромедиаторами являются некоторые аминокислоты. Центральное место среди нихзанимает L‑глутаминовая кислота –основной возбуждающий нейромедиатор. Глутаматергические синапсыраспространены в коре головного мозга, гиппокампе, полосатом теле игипоталамусе. Нисходящие глутаматергические пути обнаружены практически во всехструктурах головного мозга, проекции которых идут от коры к подкорковым структурам.Выявление глутаматергических связей в головном мозге проводится преимущественнометодом физиологической идентификации по.высвобождению нейромедиатора. В последние годы на основе изучения структуры исвойств глутаматных рецепторов появилась возможность визуализациинейрорецепторов глутамата с помощью моноклональных и политональных антител,
Нейрорецепторыглутамата располагаются кластерами напостсинаптической мембране. Выявление глутаматных рецепторов намембране клеток с помощью иммуногистохимическихметодов является более надежным способом идентификации глутаматергическихсвязей по сравнению с другими методами.
Нарушение глутаматергической медиации связано с целым рядомпатологических состояний нервной системы: эпилепсией, расстройствами вестибулярнойсистемы, ишемическими проявлениями и др. Глутаминовая кислота и некоторые ееаналоги используются в качестве терапевтического лекарственного средства прихронической недостаточности аминокислотного обмена, вегетососудистой дистонии иэпилепсии.
Присутствие вразных структурах мозга ГАМК – первого по значимости тормозного нейромедиатора– показано методами авторадиографии. Топографическое распределение самого радиоактивно меченногонейромедиатора или образующего его фермента – глутаматдекарбоксилазы – вголовном мозге неравномерно. К областям,содержащим наиболее высокую концентрацию ГАМК, относятся черное вещество,бледный шар, гипоталамус и мозжечок. Аминокислота содержится преимущественно всером веществе головного и спинного мозга.
Данные офункциональной роли ГАМК-ергической передачи в головном и спинном мозгепостоянно обогащаются новыми фактами. Она принимает участие в регуляции моторной активности, поддержании судорожного порога, формировании эмоционального поведения. ГАМК-ергическая система участвует восуществлении условных рефлексов, организациипроцессов обучения и памяти у млекопитающих. При этом она тесно взаимодействует сдругими медиаторными системами мозга: дофаминергической, холинергической иглутаматергической.
Имеется оченьбольшое количество данных о вовлечении системы ГАМК в механизмы многихметаболических расстройств нервной системы. Установлено, что нарушения этой системы связаны с прявлениями эпилепсии, хореиГентингтона, паркинсонизма и некотрых других поражений экстрапирамидной системы.При терапевтическом применении соединений, содержащих эту аминокислоту или ееаналоги, обнаруживаются позитивные клинические эффекты. Имеются данные облагоприятном влиянии производных ГАМК на больных эпилепсией, хореейГентингтона и паркинсонизмом. Эти же препараты способны усиливать дыхание,энергетический обмен нервной ткани, улучшать показатели мозговогокровообращения и метаболизма глюкозы.
Какупоминалось, методология гистохимического исследования локализации ГАМК илиобразующего ее фермента – глу-таматдекарбоксилазы – неприменима для выявлениядругих тормозных систем – глицина и таурина и их рецепторов. Анализ ихраспределения производят, как правило, с использованием методов электрофизиологической регистрации высвобождениянейропередатчика из нервных окончаний при их разнообразной стимуляции.
Глицин и его рецепторы локализованы в зонах моста,продолговатого мозга и серого вещества спинного мозга, включая передние изадние рога. Авторадиографически былаустановлена локализация участков высокоаффинного захвата глицина преимущественнов аксо-аксональных и аксодевдритных синапсах. Скопление гранул отмечены такжевокруг клеточных тел спинальных мотонейронов. У больных с некоторымиврожденными метаболическими аномалиями, связанными с повышением содержанияглицина в ткани мозга и крови, может развиваться гиперглицинемия, которая сопровождается симптомаминарушения некоторых психоэмоциональных функций. Полагают, что такиерасстройства могут быть следствием поражения обычных путей деградации глицина внервной клетке.
Интересныеданные были получены для таурина. Уровеньтаурина в разных зонах мозга оказался практически одинаковым, за исключением следующих структур:медиального коленчатого тела, гипофиза и шишковидной железы. Общая концентрация таурина и цистеинсульфонатдекарбоксилазыв спинном мозге и таламических ядрах совпадает с количествомГАМК в этих структурах, однако локализация их по зонам внутри структурсущественно различается. Все исследователи таурина сходятся во мнении о егонеобычайно высоком содержании в коре мозжечка, которое почти в 5 раз превышаетуровень ГАМК в этой структуре. Показано, что таурин локализуется преимущественно в звездчатых нейронах молекулярногослоя. Это позволило предположить существование тауринергических нейронов. Вместес тем авторадиографическое изучение распределения таурина свидетельствует и оего преимущественно глиальнойлокализации.
Существуетдостаточно веские аргументы в пользу того, что таурин является также важным компонентом питания живых организмов, так как он не синтезируется у млекопитающих, включая человека.Клинически тауриновый дефицит можетвыражаться в эпилептических припадках, наследственной атаксии Фридрейха,зрительной дисфункции, называемой в просторечии «куриной слепотой», и др.Широко обсуждается возможность участия таурина в патогенезесудорожно-пароксизмальных состояний. Выяснилось, что таурин, введеный вжелудочки мозга крысы, подверженной судорогам, является более мощным, чем ГАМК,противосудорожным агентом. Однако в клинической практике таурин не проявляетстабильных противосудорожных эффектов и пока не нашел широко применения.
3.7 Характеристики индивидуальных медиаторов
Ацетилхолин
/>
ПредшественникомАХ. служит холин, потребляемыйс пищей. Холин поступает в холинергические нейроны с помощью специфическойсистемы транспорта. Синтез АХ происходит в цитоплазме с участиемхолинацетилтрансферазы:
/>
Затем АХпоступает в синаптические пузырьки. После экзоцитоза АХ в синаптическую щель онподвергается инактивации с участием ацетилхолинэстеразы:
/>
АХ является преимущественно возбуждающим нейромедиатором, реже – тормозным.
Умлекопитающих скопления холинергических нейронов локализуются в следующихотделах мозга: медиальное ядро перегородки, диагональная связка, базальноегигантоклеточное ядро, ядра моста. Аксоны этих нейронов проецируются нагиппокамп, проходят через кору больших полушарий. Холинергические нейроныголовного мозга участвуют в таких функциях, как память,
регуляция движения, уровень бодрствования. Холинергические синапсы мозгасодержат преимущественно мускариновые рецепторы. В спинном мозге АХ является нейромедиатором в синапсах,образуемых а-мотонейронами на клетках Реншоу. В вегетативной нервной системе АХ служит нейромедиаторм во всех преганглионарныхнервных окончаниях симпатической и парасимпатической нервной системы – черезпосредство никотиновых холинорецепторов; во всех постганглионарныхпарасимпатических нервах, постганглионарных симпатических нервах потовых желез– через посредство мускариновых холинорецепторов. АХ осуществляет черезпосредство никотиновых холинорецепторов функцию нейромедиатора внервно-мышечных синапсах, образуемых соматическими эфферентными нервами вскелетных мышцах. Среди беспозвоночных АХ выявлен в качестве нейромедиатора уплоских и кольчатых червей, у моллюсков.
Моноамины. К моноаминовым медиаторам относятся катехоламины, а также серотонин и гистамин В группукатехоламинов входят норадреналин, адреналин, дофамин, ок-топамин.
Предшественникомкатехоламинов является L‑тирозин, который организм получает в составепищи, а также может синтезировать в печени из фенилаланина, потребляемого спищей. L‑тирозин поступает в нервноеокончание посредством активного транспорта. Ниже приведена схема синтезакатехоламинов:
/>
Катехоламиныдепонируются в оптически плотных крупных синаптических пузырьках. Деградациясекретированных катехоламинов происходит с участием моноамино-оксидаз икатехол-О-метилтрансферазы. Инактивация синаптического норадреналина после егоэкзоцитоза осуществляется также посредством обратного поглощения в нервныеокончания, т.е. путем активного трансмембранного транспорта. Норадреналин
/>
Теланорадренергических нейронов в ЦНС млекопитающих находятся в стволе мозга, главным образом в мосте мозга, впродолговатом мозге и ядре одиночного тракта. Многочисленные нейроны голубогопятна образуют диффузные проекции большой протяженности, достигающиепрактически всех отделов ЦНС – коры больший полушарий, лимбической системы,таламуса, гипоталамуса, спинного мозга.
Нисходящиенорадренергические пути спинного мозга участвуют в регуляции мышц-сгибателей исосудистого тонуса. В вегетативной нервной системе норадреналин являетсянейромедиатором постганглионарных симпатических нервов. В мозговом слое надпочечников высвобождаютсянорадреналин и адреналин. В ЦНС норадреналин является в ряде отделовпреимущественно тормозным нейромедиатором, например в коре больших полушарий,реже – возбуждающим, например в гипоталамусе.
Убеспозвоночных НА отсутствует или имеется в малых количествах. Адреналин
В головноммозге млекопитающих количество адренергических путей является гораздо болееограниченным по сравнению с норадренергическими. Тела нейронов, содержащие фе-нилзтаноламин‑1Ч-метилтранеферазу, находятся в нижних отделах моста ив продолговатом мозге. Нисходящие пути достигают центрального серого вещества иядер гипоталамуса.
Нейромедиаторнаяроль адреналина сомнительна; нейромедиатором адренергических нейронов является,очевидно, НА. Адреналин высвобождается диффузно и выполняет роль модулятора.
Убеспозвоночных адреналин, так же как и НА, почти отсутствует.
Дофамин
/>
Теладофаминергических нейронов находятся в среднем мозге,обонятельной луковице, гипоталамусе и перивентрикулярной области продолговатогомозга. Дофаминергические тракты соединяют черную субстанцию с неостриатумом,вентральную покрышку с лимбической системой и с лобной корой, аркуатное ядрогитоталамуса со срединным возвышением. Дофамин служит нейромедиаторомамакриновых клеток сетчатки. Дофамин выполняет нейромедиаторную функцию и убеспозвоночных.
Октопамин
/>
Октопамин –нейромедиатор, характерный для беспозвоночных. По отношению к мозгу позвоночныхон рассматривается как «ложный медиатор, не опосредующий физиологическиеэффекты.
Серотонин
/>
Предшественником5‑НТ являетсянезаменимая аминокислота триптофан, потребляемаяс пищей. Синтез 5‑НТ происходитвне секреторных гранул, которые поглощают 5‑НТ с помощью высокоаффинного переносчика:
/>
Послеэкзоцитоза 5‑НТ инактивируетсяпутем активного обратного транспорта или подвергается окислительному дезаминированиюс образованием 5‑гидроксииндолуксусной кислоты.
Серотонинергическиенейроны составляют ядра шва в ростральной части моста мозга; эти нейроны даютпроекции к лимбической системе, базальным ганглиям, коре больших полушарий. Впродолговатом мозге находятся серотонинергические нейроны, аксоны которых образуютнисходящие пути в ствол мозга и в спинной мозг. Кроме того, серотонин обнаруженв нейронах гипоталамуса, черной субстанции, спинном мозге. Серотонин широкораспространен и у беспозвоночных.
5‑НТ играет важную роль в регуляции эмоционального поведения,двигательной активности, пищевого поведения, сна, терморегуляции, участвует вконтроле нейроэндокринных систем. 5‑НТ можетвыполнять не только роль нейромедиатора, но и роль нейромодулятора.
Гистамин
/>
Гистаминобразуется с помощью фермента гиствдиндекарбоксил азы
/>
Деградациягистамина происходит с помощью моноамино-оксидазыили гистаминазы.
Гистаминергическаясистема весьма своеобразна по своей локализации и функциям. Нейроны,продуцирующие гистамин, сосредоточены в очень ограниченной области мозга –туберо-мамиллярных ядрах заднего гипоталамуса. Эта группа нейронов посылаетсвои эфферентные волокна практически во все отделы мозга. Везде обнаруживаютсякак постсинаптические, так и пресинаптические рецепторы гистамина. Важнымусловием исследования локализации элементов гистаминергической системы явилосьоткрытие специфического ингибитора синтеза гистамина – а-флюоро-метил-гистамина.Столь широкая локализация рецепторов гистамина позволяет понять чрезвычайноразнообразные функции этой системы. Гистамин уменьшает продолжительностьортодоксальной фазы сна и облегчает пробуждение. Он стимулирует двигательнуюактивность, половое поведение и в то же время подавляет восприятие боли.Усиливая жажду, он в то же время подавляет пищедобывательное поведение.Гистамин входит в число факторов, которые через центральные механизмы участвуютв повышении давления крови, в терморегуляции и в управлении энергетикой мозга –стимуляция гидролиза гликогена. Интересно, что гистамин реализует эти функциине только в рамках классических синапсов, часть гистамина выделяется такназываемыми открытыми нервными окончаниями и способна к распространению помежклеточным жидкостям, в том числе через ликвор.
Аминокислоты. Аминокислотные нейромедиаторы всоответствии с их функцией делятся на две группы – возбуждающие аминокислоты и тормозные.
Глутаминпоступает в организм с пищей. В нейроны он поступает из глии и служитпредшественником для синтеза глута-мата, аспартата и ГАМК:
/>
С пищей ворганизм поступает также аспартат, глицин, таурин.
Глутаминовая кислота
/>
Глутаматобнаруживается во всех отделах ЦНС, очевидно, благодаря тому, что он являетсяне только нейромедиатором, но и предшественником других аминокислот. Телаглутаматер-гических нейронов находятся в коре больших полушарий, обонятельнойлуковице, гиппокампе, черной субстанции, мозжечке, сетчатке. Глутаматергическиесинапсы существуют в миндалине, стриатуме, на клетках-зернах мозжечка. Вспинном мозге глутамат сосредоточен в первичных афферентных волокнах дорсальныхкорешков.
Глутамат –возбуждающий нейромедиатор в мозге животных, а также в нервно-мышечных синапсахракообразных и насекомых.
Аспаоагиновая кислота
/>
Наиболеевысокое содержание аспартата найдено в среднем мозге. В спинном мозге аспартатсодержится в дорсальном и вентральном сером веществе. Предполагаетсянейромедиатор-ная роль аспартата в возбуждающих интернейронах, которыерегулируют различные спинномозговые рефлексы.
/>
Широкораспространена в ЦНС млекопитающих – она выявляется примерно в 50% всех нервныхокончаний мозга. ГАМК представляет собой основной тормозной нейромедиаторв ЦНС. В коре больших полушарий имеется большое тсоличество ГАМК-ергическихтормозных интернейронов. ГАМК находится в нейронах стриатума, дающих проекциина черную субстанцию, в нейронах мозжечка. В желатинозной субстанции заднихрогов спинного мозга присутствуют ГАМК-ергические аксо-аксонные синапсы напервичных афферентных волокнах; эти синапсы опосредуют деполяризацию иослабление секреции нейромедиатора – пресинаптическое торможение. Таким образомосуществляется тормозная регуляция ot‑мотонейронов.Высокие концентрации ГАМК найдены в горизонтальных клетках сетчатки;предполагается, что ГАМК обеспечивает обратную связь и латеральное торможение вслое горизонтальных клеток.
Глицин
HOOC-CH2-NH2
Этааминокислота выполняет нейромедиаторную роль прежде всего в спинном мозгемлекопитающих, где она опосредует постсинаптическое торможение мотонейронов, высвобождаясь изокончаний клеток Реншоу. Глицин является нейромедиато-ром также в тормозныхинтернейронах промежуточного мозга и ретикулярной формации продолговатогомозга. Наряду с ГАМК глицин прослеживается в сетчатке.
Таурин
HS03-CH2-CH2NH2
В качествегипотетического тормозного нейромедиатора у млекопитающих следует назватьтаурин, который содержится в головном и спинном мозге. В сетчатке таурин,возможно, служит нейромедиатором * тормозных синапсах внутреннегоплексиформного слоя.
Пурины. В последнее десятилетие установлено, чтонейромедиаторами служат и разнообразные пурины. Существуют два главных типа пуринергической трансмиссии. В первом основным нейромедиатором служит аденозин, во втором – АТФ и более сложный его дериват – диаденозинтетрафосфат
Аденозиноваятрансмиссия включает медленные, метаботроп-ные рецепторы, модулирующие синтезцАМФ. АТФ-трансмис-сия осуществляется частично через быстрые, канальныерецепторы, модулирующие ионные потоки, особенно Са+.
Физиологическиеэффекты аденозина изучены довольно основательно. Они включают сопряжена состимуляцией сократимости сердечной мышцы и опять-таки гипотензивным действием.
Пептидные медиаторы. Нейропегттиды составляют весьмамногочисленную и полифункциональную группу. Некоторые нейропептидыудовлетворяют критериям нейромедиаторов. С известной долей осторожности сюдаможно отнести вещество Р, вазоактивный интестинальный полипептид, сомато-статин, нейропептид Y, люлиберин. Гораздо более значительное число нейропептидовобладает свойствами нейромодуляторов.
Вещество Р. Оно оказалось первым веществомпептидной природы, у которого были обнаружены свойства нейромедиатора. ВеществоР содержится в телах первичных сенсорных нейронов спинномозговых ганглиев,депонируется в оптически плотных пузырьках, перемещается к пресинаптическомуокончанию посредством быстрого аксонного транспорта, высвобождается изсенсорных нейронов под влиянием деполяризации при условии наличия Са* в среде. Приаппликации на дорсальные рога спинного мозга вещество Р вызывает мощноевозбуждение сенсорных нейронов второго порядка. После введения животнымнейротоксина капсаицина, которыйобусловливает избирательную дегенерацию немиелинизированных первичных афферентов,происходило снижение содержания вещества Р в дорсальной части спинного мозгаи'исчезновение медленных потенциалов дорсальных корешков.
■ Такимобразом, вещество Р можно считать нейромедиато-ром пресинаптическихокончаний С-волокон первичных сенсорных нейронов, образующих синапсы насенсорных нейронах второго порядка в задних рогах. Этот – процесс участвует ввосприятии болевых сигналов.
Как известно,первичные сенсорные нейроны образуют кроме центральных синапсов периферическиесинапсы в гладких мышцах дыхательных путей, кровеносных сосудов,желудочно-кишечного тракта, органов мочеполовой системы. Вещество Рвысвобождается и в этих синапсах, инициируя медленные возбуждающиепостсинаптические потенциалы, которые связаны с регуляцией тонуса гладких мышц.
Наряду сфункцией возбуждающего нецромедиатора первичных сенсорных нейронов вещество Рможет оказывать модулирующее влияние, в частности, усиливая десенситизациюникотиновых холинорецепторов. Наиболее характерным видом сосуществования скласическим нейромедиатором считается сочетание вещество Р + серотонин, причем вещество Р угнетает вызываемоедеполяризацией высвобождение серотонина из срезов спинного мозга, а серотонинпотенциирует высвобождение вещества Р. Вещество Р может сосуществовать и сдругими медиаторами, классическими и пептидными: АХ, катехоламина-ми, ГАМК,ко-кальцигенином, вазоактивным интестинальным полипептидом, холецистокинином,нейротензином, соматоста-тином, опиоидными пептидами.
Вазоактивный интестинальный полипептвд Присутствие ивысвобождение ВИП зарегистрировано во многих отделах нервной системы, преждевсего – в коре больших полушарий и в вегетативной нервной системе.Предполагают, что ВИП играет роль нейромедиатора впостганглионарных нейронах вегетативной нервной системы, которые участвуют врасслаблении гладких мышц кровеносных сосудов, дыхательных путей, кишечника.Электрофизиологическим отражением этих процессов являются так называемыемедленные неадренергические не-холинергические тормозные постсинаптическиепотенциалы.
Согласно болееранней концепции Дж. Бэрнстока, нейроме-диатор неадренергическихнехолинергических трансмуральных нервов кишечника имеет пуринергическуюприроду. При электрическом трансмуральном раздражении изолированных препаратовгладких мышц толстой кишки. и дна желудка наблюдалось высвобождение ВИП,которое коррелировало с силой расслабления мышцы. Высвобождение ВИПзарегистрировано при электрическом раздражении нервов трахеи и бронхов;обработка препарата специфическими антителами к ВИП предотвращало медленное расслаблениетрахеи морской свинки как в ответ на ВИП, так и в ответ на раздражение нервов.При высоких концентрациях ВИП развивалась тахифилаксия медленных ответов нараздражение нервов.
Наряду свозможной нейромедиаторной функцией достаточно определенно вырисовывается рольВИП в качестве нейромоду-лятора, взаимодействующегос мускариновыми холинорецеп-торами в центральной и периферической нервнойсистеме. В постганглионарных симпатических нейронах подчелюстной железы кошкиобнаружена реципрокная регуляция высвобождения АХ/ВИП посредством обратнойсвязи через мускарино-вые холинорецепторы и рецепторы ВИП. АХ ингибируетвысвобождение ВИП, причем атропин блокирует этот эффект. В свою очередь, ВИПподавляет высвобождение АХ.
Хроническоевведение крысам атропина сопровождалось значительным увеличением количестваучастков связывания – НА, вызываемое электрическим раздражением симпатическихнервов семявынося-щего протока крысы; одновременно происходит подавлениевызванных сокращений гладких мышц протока. Нейропептид Y усиливаеттормозное влияние агониста а2-адренорецепторов кло-нидина навызываемое деполяризацией высвобождение – НА из синаптосом продолговатогомозга. Предполагается взаимодействие между пресиналтическими а2‑адренорецепторамии рецепторами нейропептида Y, котороеведет к повышению чувствительности а2-адренорецепторов. Интересно,что клони-дин оказываеттормозное влияние на высвобождение нейропептида Y в ответ нараздражение преганглионарных симпатических нервов, тогда как антагониста^-адренорецепторов усиливает высвобождение нейропептида YT Клонидинуменьшает связывание – нейропептида Y в срезахпродолговатого мозга крыс, а нейропептид Y снижаетсвязывание клонидина за счет увеличения константы диссоциации комплексалиганд–рецептор без изменений количества рецепторов. Такое взаимодействие междурецепторами служит примером синаптической гете-рорегуляции.
Постсинаптическоемодулирующее влияние нейропептида Y выражается втом, что он усиливает сократительные ответы гладких мышц семявыносящего протокаи кровеносных сосудов на субмаксимальные концентрации НА.
Наряду снейромодуляторной функцией не исключается и нейромедиаторная роль нейропептида У, который способеноказывать прямое сосудосуживающее влияние. После истощения катехоламинов путемвведения резерпина в сочетании сперерезкой преранглионарных симпатических нервов селезенки кошки раздражениенерва селезенки сопровождается сужением сосудов. Предполагается, что этотнеадренергический эффект опосредуется высвобождением нейропептида Y.
Люлибирин. Аналог гипофизарного ЛГ-РГ млекопитающих, близкий посвойствам к ЛГ-РГ костистых рыб, обнаружен иммуноцитихимическими методами впреганглионар-ных волокнах симпатических ганглиев лягушки, где онвысвобождается Са+-зависимым образом в ответ на электрическоераздражение. При аппликации на симпатические нейроны ЛГ-РГ вызываетдеполяризацию, идентичную позднему медленному ВПСП. Антагонисты ЛГ-РГ подавляюткак деполяризаци-онные ответы на аппликацию ЛГ-РГ, так и поздние медленные ВПСПбез изменений быстрых холинергических ВПСП. Таким образом, ЛГ-РГ удовлетворяеткритериям нейромедиатора поздних медленных ВПСП в синапсахпреганглионарных симпатических нервов.
Эта ситуацияпредставляет собой интересный случай сосуществования двух нейромедиаторов –классического и пептидного. Взаимоотношения между этими двумя нейромедиато-рамипоясняет схема. В 9–10‑м паравертебральном симпатическом ганглиисуществуют два вида нейронов: В-клет-ки, которые снабжаются волокнами 3–5‑госпинальных нервов, и С-клетки, которые иннервируются волокнами 7–8‑госпинальных нервов. Электрическое раздражение 3–5‑го нервов вызываетхолинергические быстрые ВПСП только в В-клет-ках. При раздражении 7–8‑гонервов возникают холинергические быстрые ВПСП только в С-клетках и поздниемедленные ВПСП как в С-клетках, так и в В-клетках, причем в В-клетках поздниемедленные ВПСП появляются примерно на 15 мс позднее, чем в С-клетках. Послеперерезки 3–5‑го нервов холинергические потенциалы в В-клетках исчезают,тогда как раздражение 7–8‑го нервов продолжало вызывать в В-клеткахпоздние медленные ВПСП. Очевидно, ЛГ-РГ высвобождается совместно с АХ изпресинаптических окончаний на С-клетке, а затем диффундирует на расстояниепорядка 50 мк к В-клетке, которая не имеет синаптического контакта с С-клеткой.
/>
Исследованиепоздних 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 вовнеклеточное пространство, достигая клетки-мишени, относительно удаленное отместа секреции. 2. Нейропептиды, высвобождаемые из нервных окончаний, могутвоздействовать и на клетки, не имеющие синаптическогоконтакта с этими нервными окончаниями. Следовательно, классическиеморфологические критерии синаптического контакта непригодны для идентификациинейронов-мишеней пептидных медиаторов; наиболее важным критериемнейронов-мишеней здесь служит локализация рецепторов ней-ропептида. При этом изнервных окончаний могут высвобождаться несколько медиаторов, каждый из которыхимеет свой «химический» адрес.
Нитроксид. В течение последних пяти летнакапливаются данные о возможной роли N0 в межклеточной передаче сигнала.Начало этому направлению было положено выявлением в тканях животныхбиохимических систем, способных генерировать N0, используя в качестве исходногосоединения аргинин, а такжеидентификация N0 как одного из главных факторов релаксации сосудов.
Далее былопоказано образование N0 в ткани мозга, выявлен ряд проявлений нейрологическойактивности N0 и, наконец, установлен механизм его действия – посредствомактивации гуаншгатциклазы. Классическаясхема – образование и/или накопление нейромедиатора в термикали, его выход всинапти-ческую щель после поступления импульса и включения рецептора – неподходит для описания процессинга и эффектов NO. Первый,наиболее изученный вариант, состоит в том, что при интенсивной импульсацииглутаматергических синапсов синтез N0 интенсифицируется в постсинаптическойзоне. Оттуда N0 выходит в межнейрональную жидкость и может активироватьгуанилатциклазу, повышая уровень цГМФ в терминалах и в глии. Результаты этихпроцессов могут быть различны в зависимости от места первичного образования N0.В их число входит участие N0 в феноменах пластичности нейронов, консолидациипамяти и т.п.
Второйвариант схемы допускает синтез N0 в терминалях и, далее, воздействие нагуанилатциклазу в постсинаптических зонах гладкой мускулатуры сосудов, тонкойкишки и некоторых других образований. Ряд исследователей полагают, что роль NO в мозгесостоит главным образом в релаксации сосудов и усилении кровоснабжения в техименно случаях, когда особенно интенсивно функционирует глутаматергическая система.Иначе говоря, ведущей, с этой точкизрения, предполагается трофическаяфункция.
Интересно,наконец, отметить данные о том, что малые концентрации N0 оказывают в мозге нейропротекторное действие, а относительно большиеучаствуют в повреждении нейронов.
Предстоит,очевидно, еще большой цикл исследований для уточнения функций и механизмовдействия N0.
Выводы
1.Большинство синапсов в нервной системе млекопитающих является химическими.
2. Процесспередачи сигнала в химическом синапсе осуществляется посредством освобождениянейромедиаторов из пресинаптических нервных окончаний.
3. Кнейромедиаторам относятся в настоящее время 4 группы веществ: моноамины,аминокислоты, пуриновые нуклеоти-ды, пептиды.
4. Виндивидуальном нейроне синтезируется, как правило, несколько нейромедиаторовразличной химической природы.
5. Существует2 типа механизмов преобразования химического сигнала в синапсе: ионотропный иметаботропный.
6. Кроменейромедиаторов существует обширный класс соединений – нейромодуляторов,регулирующих уровень синаптической передачи.