2 курс / Нормальная физиология / Молекулярная_физиология_Пятин_В_Ф_,_Баишева_Г_М_и_др_

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Эпителиальныетканивыполняютбарьернуюитранспортнуюфункции,для этого они должны быть способны пропускать одни вещества и задерживать другие. Такую выборочную проницаемость успешно обеспечивают клеточные мембраны, однако между клетками остаются промежутки, через которые может проходить так называемый парацеллюлярный транспорт. Роль плотных контактов заключается в том, чтобы ограничивать и регулировать парацеллюлярную диффузию: они предотвращают протекание тканевой жидкости через эпителий, но при необходимости могут быть проницаемыми для ионов, небольших гидрофильных молекул и даже макромолекул. Также плотные контакты выполняют так называемую функцию «ограждения», они предотвращают диффузию компонентов мембраны в её внешнем слое, благодаря чему поддерживается разница в составе апикальной и базолатеральной мембран. Плотные контакты задействованы в сигнальных путях, регулирующих пролиферацию, поляризацию и дифференциацию эпителиальных клеток.

Щелевые контакты

Структурную основу щелевого соединения (gap junction) составляют коннексоны — каналы, образуемые шестью белками-коннексинами. В нервной системе щелевое соединение между нейронами встречается в электрических синапсах. Отдельные коннексоны обычно сосредоточены на ограниченных по площади участках мембран — нексусах (например, в кардиомиоцитах – для обеспечения синхронности сокращения всех клеток одного отдела) – диаметром 0,5-1 мкм. В области нексуса мембраны соседних клеток сближены, расстояние между ними составляет 2-4 нм (это в 2 раза меньше, чем толщина самой мембраны – 6-8 нм). Обе эти мембраны содержат гидрофильные каналы, через которые осуществляется обмен ионами и микромолекулами соседних клеток. Этот тип соединения встречается во всех группах тканей, исключениями являются поперечнополосатая мускулатура, где клеткам не требуется электрическая связь, поскольку они объединены в симпласт, эритроциты и зрелые сперматозоиды.

Щелевые контакты обладают следующими свойствами и функциями:

1)это структуры, ответственные за эффективную диффузионную связь между клетками;

2)через них могут проникать гидрофильные соединения, не способные проходить через другие участки поверхностных мембран – неоргани-

ческие ионы (Na+, K+, Cl-, I-, SO42-), сахара (мальтоза, мальтотриоза, мальтотетроза, сахароза), аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая, гексоглицин), нуклеотиды (гипоксантин, аденин, уридин, тиогуанин);

3)диффузионные каналы между двумя клетками изолированы от остальной межклеточной среды;

4)проницаемость контактирующих мембран в области щелевых контактов резко падает при увеличении концентрации свободного вну-

ТИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

триклеточного кальция, снижении рН или деполяризации любой из клеток;

5)диффузионные каналы из клетки в клетку способны формироваться в течение десятков секунд или минут при тесном сближении мембран двух соседних клеток.

Рис. 19. Типы межклеточных контактов. Плотный контакт, промежуточный контакт, десмосома, щелевой контакт.

АКТУАЛЬНОСТЬ И КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Функциональные Базальная мембрана клубочков почек – главное анатоми- особенности ба- ческоеифункциональноепрепятствиедляпроникновения зальной мембраны крупных и заряженных молекул белка. При повреждении почечных клубочков базальной мембраны клубочков, белки получают возможность свободно проникать в первичный ультрафильтрат, экскретируясь с мочой, при этом организм теря-

ет белок.

Базальная мембрана клубочков почек повреждается при

идиопатическом мембранозном гломерулонефрите,

а также вследствие осложнений иных заболеваний (на фоне сахарного диабета при диабетической нефропатии).

Болезни, связанные С нарушением функции десмосом связаны кожные болез- с нарушением функ- ни, которые объединены под названием «пузырчатка» ции десмосом (pemphigus). Две её наиболее распространённые формы — pemphigus vulgaris (обыкновенная пузырчатка) и pemphigus foliaceus (пластинчатая пузырчатка). Обычно они имеют аутоиммунную природу, хотя сходные патологии могут быть и наследственными. При вульгарной пузырчатке антитела атакуют белок десмоглеин-3, ко-

торый присутствует во всех слоях эпителия.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

При пластинчатой пузырчатке образуются аутоантитела против белка десмоглеин-1, который экспрессируется только в верхних слоях эпидермиса кожи. У больных образуются пузыри, так как слои эпидермиса разрываются, часть его клеток гибнет, а в образующиеся полости поступает межклеточная жидкость.

При вульгарной пузырчатке пузыри образуются не только на коже, но на других слизистых (в основном во рту). Эта болезнь протекает более тяжело и может закончиться смертью.

Болезни, связанные С нарушением формирования тесных контактов связаны с патологией некоторые наследственные расстройства человека. На- плотных контактов пример, мутации в генах клаудина-16 и клаудина-19, которые приводят к гипомагниемии вследствие чрезмерной потери магния с мочой. Мутации в гене клаудина-13 и трицеллюлина вызывают наследственную глухоту.

Дисрегуляция некоторых белков плотных контактов свя-

зана с онкологическими заболеваниями, например, экс-

прессия ZO-1 и ZO-2 снижается при многих типах рака. Компоненты плотных контактов также могут быть мишенями для онкогенных вирусов.

Некоторые вирусы используют мембранные белки плотных контактов для проникновения в клетку, в частности клаудин-1 является корецептором для вируса гепатита C. Другие вирусы присоединяются к белкам плотных контактов, чтобы разрушить барьер, отделяющий их от настоящих рецепторов на базолатеральном слое эпителиальных клеток, или неэпителиальных клетках.

Плотные контакты могут быть мишенью и для бактериальных патогенов, например, Clostridium perfringens

— возбудитель газовой гангрены, выделяет энтеротоксин, действующий на внеклеточные домены мембранных клаудинов и окклюдинов, и вызывает протечки эпителия. Helicobacter pylori — возбудитель гастрита — вводит в клетки белок CagA, взаимодействующий с комплексом ZO-1-JAM-A, считается, что это помогает бактерии преодолеть защитный барьер желудочного эпителия.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Классификация межклеточных контактов.

2.Какие межклеточные взаимодействия относят к контактам простого типа? Опишите.

3.Отличия соединений типа «десмосома» и «полудесмосома», их физиологическая роль.

4.Какие белки клеточной адгезии Вам известны?

5.Плотные контакты и их значение для парацеллюлярного транспорта.

6.Структура и функции щелевых соединений. Назовите ткани, в которых такие соединения часто встречаются и где не представлены?

7.Что называют «нексусами» и какова их функция?

8.Физиологическое значение нормальной функции межклеточных соединений и патологии, связанные с нарушением межклеточного взаимодействия.

СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ

5. СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ

Для большинства регуляторных молекул между их связыванием с мембранным рецептором и окончательной реакцией клетки происходят сложные серии событий,называемыепутями сигнальной трансдукции. Сигнальнойтрансдукцией называется процесс, при помощи которого клетка превращает один тип сигнала или стимула в другой.

Первичныесигналывоспринимаютсярецептораминаклеточнойповерхности. В качестве первичных посредников могут выступать гормоны, цитокины, нейротрансмиттеры, факторы роста. Внутри клетки передача сигнала представляет собой цепь последовательных реакций, часть из которых активируетсявторичными посредниками. Такиепроцессыобычноявляютсябыстрыми: их продолжительностьопределяется миллисекундамипри участииионных каналов или минутами в случае активации протеинкиназ и липид-опосредован- ных киназ. В некоторых случаях от получения клеткой сигнала до ответа на него могут проходить часы и даже сутки (в случае экспрессии генов).

Пути передачи сигнала, или сигнальные пути, часто бывают организованы как сигнальные каскады (signal cascade): количество молекул белков и других веществ, принимающих участие в передаче сигнала, возрастает на каждом последующем этапе по мере удаления от первоначального стимула. Таким образом, даже относительно слабый стимул может вызывать значительный ответ.

5.1.КЛЕТОЧНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ ИХ АКТИВАЦИИ

Получениеклеткойсигналаотпервичныхпосредниковобеспечиваетсяосо- бымибелками-рецепторами,длякоторыхпервичныепосредникиявляютсяли- гандами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

1)обладать высокой избирательностью (селективностью) к лиганду;

2)кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

3)рецепторыдолжныобладатьтканевойспецифичностью,отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

4)связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

1)мембранные:

•ионотропные: рецепторы, сопряженные с ионными каналами;

•метаботропные: рецепторы, сопряжённые с G-белками (G-protein- coupled receptors, GPCRs) и рецепторы, обладающие собственной ферментативной активностью (тирозинкиназы, рецепторы фактора роста тромбоцитов, нервных и эпидермальных клеток);

КЛЕТОЧНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ ИХ АКТИВАЦИИ

2)цитоплазматические;

3)ядерные.

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы(трийодтиронин,стероидныегормоны,CO,NOидр.)способныпроникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепииприводиткформированиюпервичногоивторичногоклеточногоответа.

Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:

1)белки-преобразователи, связанные с рецепторами;

2)ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями (активируют вторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).

Мембранные рецепторы, связанные с G-белками (ПРИЛОЖЕНИЕ 19)

К мембранным рецепторам, опосредующим агонист-зависимую активацию G-белков, относятся:

•α- и β-адренергические,

•мускариновые ацетилхолиновые,

•серотониновые,

•аденозиновые,

•обонятельные рецепторы,

•родопсин,

•рецепторы большинства пептидных гормонов.

Для некоторых лигандов, например, ацетилхолина, адреналина, норадрена- линаисеротонина,известныразныеподтипысвязанныхсG-белкамирецепто- ров. Они различаются сродством к конкурентным агонистам и антагонистам.

Примеры рецепторов с собственной ферметативной активностью (каталитических рецепторов)

Гормоны и факторы роста связываются с белками поверхности клетки, которые имеют ферментативную активность на цитоплазматической стороне мембраны.

1)Рецептор гуанилциклазы. Рецепторы предсердного натрий-

уретического пептида (ANP).

2)Рецептор с серин-треонин-киназной активностью. Цитоплазматиче- скийбелок,являетсяклеточнымгомологомвирусногоонкогенаv-Raf.

СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ

3)Рецептор с собственной тирозин-протеинкиназной активностью. Ре-

цепторы инсулина. Агонистом является фактор роста нервов (NGF).

4)Рецепторы, ассоциированные с тирозин-протеинкиназной актив-

ностью. Рецепторы гормона роста, пролактина и эритропоэтина, интерферона и цитокинов.

5.2. G-БЕЛОК

G-белки — это семейство белков, относящихся к ГТФазам и функционирующих в качестве вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном механизме они используютзаменуGDP(гуанозиндифосфат)наGTP(гуанозинтрифосфат)как молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки клеточных процессов.

G-белки делятся на две основных группы — гетеротримерные («большие») и мономерные («малые»). Гетеротримерные G-белки — это белки с четвертичной структурой, состоящие из трёх субъединиц: альфа(α), бета (β) и гамма (γ). Малые G-белки — это белки из одной полипептидной цепи, они имеют молекулярную массу 20—25 кДа и относятся к суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы G-белков участвуют во внутриклеточной сигнализации.

У всех гетеротримерных G-белков сходный механизм активации: они активируются при взаимодействии со специфическими рецепторами, сопряженными с G-белками, при этом обменивая ГДФ на ГТФ и распадаясь на α- и βγсубъединицы. Α-субъединица, связанная с ГТФ, воздействует на следующее звено в цепи передачи сигнала. Βγ-субъединица также может вызывать собственные эффекты. Инактивация G-белков происходит в результате медленного гидролиза ГТФ до ГДФ α-субъединицей, после чего происходит реассоциация (объединение) субъединиц (ПРИЛОЖЕНИЯ 20,21,22).

5.3. ВТОРИЧНЫЕ ПОСРЕДНИКИ

Вторичные посредники (second messenger) —этонизкомолекулярныевеще- ства, которые образуются или высвобождаются в результате ферментативной активности одного из компонентов цепи передачи сигнала и способствуют его дальнейшей передаче и амплификации. Вторичные посредники характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Ко вторичным посредникам относятся:

•ионы кальция (Ca2+);

•циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ);

•инозитолтрифосфат (И3Ф);

ЭТАПЫ СИГНАЛЬНОЙ ТРАНСДУКЦИИ

• липофильные молекулы (например, диацилглицерол, арахидоновая кислота);

• газы:оксидазотаNO(этамолекулавыступаетивролипервичного посредника), СО, H2S.

Иногда в клетке образуются и третичные посредники. Так, обычно ионы Ca2+ выступают в роли вторичного посредника, но при передаче сигнала с помощью инозитолтрифосфата (вторичный посредник), выделяющиеся из ЭПР ионы Ca2+ служат третичным посредником.

5.4. ЭТАПЫ СИГНАЛЬНОЙ ТРАНСДУКЦИИ

Пути передачи сигнала с участием рецепторов, сопряженных с G-белками, включают следующие этапы:

I.Лиганд связывается с мембранным рецептором.

II.Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его и G-белок связывает ГТФ.

III.Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими внутриклеточными ферментами – аденилатциклазой, гуанилатциклазой, фосфолипазами С, А, D, изменяя их активность. Кроме того, G-белок может напрямую модулировать функционирование ионных каналов.

IV. Изменение активности внутриклеточного фермента приводит к изменениювнутриклеточногоуровняодногоилинесколькихвторичныхпосредников, таких как цАМФ, цГМФ, Са2+, инозитолтрифосфат, диацилглицерол и др.

V.Увеличение или уменьшение концентрации вторичного посредника влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ и/или ионных каналов.

VI. Изменяется уровень фосфорилирования белков-мишеней и это обуславливает конечный ответ клетки.

СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ

Рис. 20. Каскады событий, реализующиеся в клетке благодаря вторичным посредникам. Показаны 3 возможных пути сигнальной трансдукции с участием гетеротримерных G-белков: аденилатциклазный, фосфодиэстеразный и при участии фосфолипаз С, А, Д. Ниже – разновидности G-белка-мономера.

Обозначения: * - активированный фермент

Пути активации внутриклеточных протеинкиназ

Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы, которая освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. Далее диссоциированная α-субъединица взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции.

Основные принципы активации протеинкиназы А (ПКА). Активация ге-

теротримерныхG-белковGs-типасα-субъединицейтипаαs.Происходитблаго- даря связыванию рецептора с лигандом и приводит к тому, что αs-субъединица

ВЗАИМОСВЯЗИ ВТОРИЧНЫХ ПОСРЕДНИКОВ

G-белков Gs-типа связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с аденилатциклазой. Это способствует повышению уровня цАМФ и активации ПКА.

Основные принципы активации протеинкиназы G (ПKG). Активация ге-

теротримерныхG-белковGt-типасα-субъединицейтипаαt.Происходитблаго- даря связыванию рецептора с лигандом и приводит к тому, что αt-субъединица G-белков Gt-типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфодиэстеразой. Это способствует повышению уровня цГМФ и активации ПKG.

Основные принципы активации протеинкиназы С (ПКС). Активация гетеротримерных G-белков Gαq-типа с α-субъединицей типа αq. Происходит благодаря связыванию рецептора с лигандом, в результате, αq-субъединица G-белков Gαq-типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфолипазой С. Она расщепляет фосфатидилинозитол- 4,5-дифосфат на IP3 и DAG. Это приводит к повышению уровня IP3 и DAG. IP3, связываясь со специфичными лигандзависимыми Са2+-каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са2+.

5.5.ВЗАИМОСВЯЗИ ВТОРИЧНЫХ ПОСРЕДНИКОВ. СИСТЕМА КАЛЬЦИЙ—КАЛЬМОДУЛИН

Вклетках организма присутствуют или могут образовываться одновременно несколько вторичных посредников. В связи с этим между вторичными посредниками устанавливаются различные взаимоотношения:

1) равнозначноеучастие,когдаразныепосредникинеобходимыдляполноценного гормонального эффекта;

2)одинизпосредниковявляетсяосновным,адругойлишьспособствует реализации эффектов первого;

3)посредники действуют последовательно (например, инозитол-3- фосфат обеспечивает освобождение кальция, диацилглицерол облегчает взаимодействие кальция с протеинкиназой С);

4)посредники дублируют друг друга для обеспечения избыточности с целью надежности регуляции;

5)посредники являются антагонистами, т.е. один из них включает реакцию, а другой — тормозит (например, в гладких мышцах сосудов инозитол-3-фосфат и кальций реализуют их сокращение, а цАМФ — расслабление).

Ионизированный кальций поступает в клетку после образования гормонрецепторного комплекса либо из внеклеточной среды за счет активирования медленных кальциевых каналов мембраны (как это происходит, например, в миокарде), либо из внутриклеточных депо под влиянием инозитол-3-фосфата. В цитоплазме немышечных клеток и гладких мышц Ca2+ связывается со специальным белком – кальмодулином, а в мышечных клетках сердца и скелет-

СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ

ных мышцах роль кальмодулина выполняет тропонин С. Связанный с Ca2+ кальмодулин изменяет свою пространственную организацию и активирует многочисленные протеинкиназы, обеспечивающие фосфорилирование, а, следовательно, изменение структуры и свойств белков. Кроме того, комплекс кальций—кальмодулин активирует фосфодиэстеразу цАМФ, что подавляет эффект циклического соединения как вторичного посредника.

Вызываемое гормональным стимулом кратковременное увеличение в клетке Ca2+ и его связывание с кальмодулином является пусковым стимулом для многочисленных физиологических процессов — сокращения мышц, секреции гормоновивыделениямедиаторов,синтезаДНК,измененияподвижностиклеток, транспорта веществ через мембраны, изменения активности ферментов.

Кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют специфические эффекторные белки, например, регуляторные легкие цепи миозина, фосфорилазу и др., при этом действуют только на один клеточный субстрат (на белки ядра, цитоскелета или мембранные белки). Кальмодулин-зависимая протеинкиназа II относится к белкам нервной системы. В некоторых областях головного мозга на нее приходится до 2% общего белка. Эта киназа участвует в механизме, при котором увеличение концентрации Са2+ в нервном окончании вызывает высвобождение нейротрансмиттера по типу экзоцитоза. Ее главным субстратом служит белок под названием синапсин I, присутствующий в нервных окончаниях и связывающийся с наружной поверхностью синаптических везикул. Когда синапсин I связан с везикулами, он предотвращает экзоцитоз. Фосфорилирование синапсина I вызывает его отделение от везикул, позволяя им выбросить нейротрансмиттер в синаптическую щель путем экзоцитоза.

СИГНАЛЬНАЯ ТРАНСДУКЦИЯ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что подразумевают под термином «сигнальная трансдукция»?

2.Первичные, вторичные и третичные посредники в клеточной сигнализации. Кто может выступать в их роли, примеры?

3.Свойства белковых молекул, обладающих рецепторной функцией.

4.Классификация клеточных рецепторов. Особенности ионотропных и метаботропных рецепторов.

5.Основные группы G-белков (мономерные и гетеротримерные) и их роль во внутриклеточной сигнализации.

6.Какие этапы сигнальной трансдукции Вы знаете?

7.Чем отличаются принципы активации различных протеинкиназ?

8.Белок кальмодулин: функции и механизм участия во внутриклеточных реакциях.

9.Приведите примеры физиологических процессов, реализуемых с участием G-белков.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Синапс – место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой (термин ввел физиолог, лауреат Нобелевской премии Ч. Шеррингтон). Служит для передачи нервного импульса между двумя клетками, в ходе синаптической передачи амплитуда и частота сигнала могут регулироваться. Образование синапсов первично происходит в эмбриональном периоде, во время развития нервной ткани и вторично в постэмбриональном периоде, проявляясь в виде синаптической пластичности, а также при патологических процессах в нервной ткани. Следует также отметить, что синапсы характерны не только для нервных клеток: например, существуют иммунологические синапсы – место контакта двух взаимодействующих иммунокомпетентных клеток.

Для исследования синаптогенеза используются различные методы – электрофизиологические, иммунологические, морфологические (электронная микроскопия, конфокальная лазерная микроскопия, лазерная сканирующая электронная микроскопия in vivo), а также различные компьютерные техники визуализации.

6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИНАПСОВ

По морфологическому принципу синапсы подразделяют на:

•нейромышечные (аксон нейрона контактирует с мышечной клеткой);

•нейросекреторные(аксоннейронаконтактируетссекреторнойклеткой);

•нейро-нейрональные (аксон нейрона контактирует с другим нейроном):

•аксосоматические (с телом другого нейрона),

•аксо-аксональные (с аксоном другого нейрона),

•аксодендритические (с дендритом другого нейрона),

•дендро-дендритические (между двумя дендритами).

По способу передачи возбуждения синапсы подразделяют на:

•электрические (возбуждение передается при помощи электрического тока);

•химические (возбуждение передается при помощи химического вещества):

•адренергические (возбуждение передается при помощи норадреналина),

•холинергические (возбуждение передается при помощи ацетилхолина),

•пептидергические, NO-ергические, пуринергические и др.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.2.МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ СИНАПСОВ

6.2.1.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИНАПС

В электрическом синапсе (см. щелевые контакты) в результате разности потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками возникают локальные токи, и потенциал из возбужденной терминали аксона распространяется в постсинаптическую клетку, пройдя через ее мембрану. Это приводит к открытию Na+-каналов в мембране постсинаптической клетки и возникновению там потенциала действия (ПРИЛОЖЕНИЕ 23). Такой механизм работы требует низкого сопротивления пре- и постсинаптической мембран, что обеспечивается наличием коннексонов.

Свойства электрических синапсов

1)Быстродействие, что позволяет обеспечивать быстрые реакции организма.

2)Синхронизация работы нейронов. Наиболее известные системы та-

ких пар нейронов обеспечивают одновременную работу органов двух сторон тела.

3)Возникновение импульсных разрядов в группе электрически связанных клеток. При возбуждении любого из этих нейронов сразу же включается вся цепь, что обеспечивает полноценность реакции животного, например, на опасность.

4)Выпрямление сигнала, что обеспечивает его передачу только в одном направлении. Односторонняя передача сигнала необходима, чтобы этот сигнал не попал в другую систему с электрической передачей.

6.2.2.ХИМИЧЕСКИЙ СИНАПС. ЭТАПЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Функция химического синапса – передача электрического сигнала от пресинаптического нейрона на постсинаптическую клетку посредством специфического переносчика – медиатора (трансмиттера), соответственно, процесс синаптической передачи возбуждения называется также нейротрансмиссией.

Химические синапсы обозначаются на основании названия их главного трансмиттера. Различаются аминергические, содержащие биогенные амины (например, серотонинергические, дофаминергические); адренергические, содержащие адреналин или норадреналин; холинергические, содержащие ацетилхолин; пуринергические, содержащие пурины; пептидергические, содержащие пептиды.

Химический синапс состоит из двух частей: пресинаптической, образованной булавовидным расширением окончания аксона передающей клетки, и постсинаптической, представленной контактирующим участком плазмати-

ХИМИЧЕСКИЙ СИНАПС

ческой мембраны воспринимающей клетки. Между обеими частями имеется синаптическая щель — промежуток шириной 10—50 нм между постсинаптической и пресинаптической мембранами, края которой укреплены межклеточными контактами. Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной. Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположнойстороны,называетсяпостсинаптическоймембраной(ПРИ-

ЛОЖЕНИЕ 23).

В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, так называемые пресинаптические или синаптические пузырьки, содержащие либо медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения), либо фермент, разрушающий этот медиатор. Везикулы размещаются напротив пресинаптической мембраны, что обусловлено их функциональным назначением для высвобождения медиатора в синаптическую щель. Везикулы, предшественники пептидных трансмиттеров и ферменты синтезируются в теле нейрона и высвобождаются изаппаратаГольджи.Везикулыперемещаютсяпоаксонуспомощьюбыстрого аксонального транспорта (скорость 400 мм/сутки) (ПРИЛОЖЕНИЕ 30). Пептидные трансмиттеры уже заключены в некоторые везикулы. Непептидные нейротрансмиттеры синтезируются и транспортируются в везикулы непосредственно в нервных окончаниях. Также около синаптического пузырька имеется большое количество митохондрий (производящих АДФ) и упорядоченные структуры протеиновых волокон. За последние годы было обнаружено множество пресинаптических рецепторов, от активации которых зависит выброс медиатора и, следовательно, синаптическая передача. Эти рецепторы также многочисленны, как и постсинаптические рецепторы, и они также могут быть облегчающими или тормозными. Они активируются как медиаторами других нейронов, так и медиатором того же самого нейрона после его выброса в синаптическую щель. В последнем случае они называются ауторецепторами.

Синаптическая щель — это пространство между пресинаптической мембраной и постсинаптической мембраной от 20 до 30 нанометров шириной, которое содержит связующие пре- и постсинаптические структуры, построенные из протеогликана. Время прохождения медиатора от пре- к постсинаптической мембране составляет порядка нескольких микросекунд.

Постсинаптическаямембранаотноситсякклетке,котораяпринимаетнервные импульсы. Механизм трансляции химического сигнала медиатора в электрический потенциал действия на этой клетке обеспечивают рецепторы — белковые макромолекулы, встроенные в постсинаптическую мембрану.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Этапы передачи сигнала в синапсе

Пресинаптический этап:

I.Освобождение из везикул пресинаптической зоны специфических переносчиков, называемых нейротрансмиттерами, или медиаторами.

II. Диффузия медиаторов к постсинаптической области.

Постсинаптический этап:

III.Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны и изменение ионной проницаемости мембраны второй клетки.

IV. Возникновение постсинаптических потенциалов (ТПСП, ВПСП).

Процесспередачисигналаможетбытьмодифицированпосредствомдругих химических веществ – нейромодуляторов.

Почти все синаптические терминали освобождают не один трансмиттер, а одновременно целый ряд биологически активных соединений. Примерами такихсопутствующихсоединенийслужатАТФ,ГТФ,окситоцин,веществоР,энкефалин и др. Их называют котрансмиттеры.

Рис. 21. Химический синапс. Показан поэтапныйпроцесспередачивозбуждения в химическом синапсе.

ПРЕСИНАПТИЧЕСКИЙ ЭТАП ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

6.3.ОБЗОР МОЛЕКУЛЯРНОГО МЕХАНИЗМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СИНАПСА

Молекулярная структура химических синапсов ЦНС является специфической на пре- и постсинаптическом уровнях. Пресинаптический уровень выполняетфункциюнакопленияивыделениямедиатора,анапостсинаптическом уровне осуществляется рецепция молекул медиатора. Химическая синаптическая передача представляет собой сложный молекулярный процесс (результат функции – усиление электрического сигнала, превращение возбуждающего сигнала в тормозный, увеличение количества контуров регуляции), который предназначен для межклеточной коммуникации в нервной системе и формирования интегративных процессов мозга.

Современные представления о передаче возбуждения в химическом синапсе объясняются квантово-везикулярной теорией секреции медиаторов и гипотезой пороцитоза. Согласно первой теории, освобождение медиатора из нервных окончаний происходит квантами, носителем кванта медиатора является одна синаптическая везикула, полностью опорожненная. Вторая гипотеза базируется на наблюдении, что присоединенные к «местам присоединения везикул» (МПВ) синаптические пузырьки при получении потенциала действия синхронно сокращаются и при этом секретируют в синаптическую щель каждый раз одинаковое количество медиатора, высвобождая только часть содержимого каждой из везикул.

6.3.1.ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИНАПТИЧЕСКИХ ВЕЗИКУЛ

Компоненты синаптических везикул, которые принимают участие в передаче сигнала в химическом синапсе – это молекулярная машина и белки экзоцитоза синаптических везикул (ПРИЛОЖЕНИЕ 24).

1.SNARE комплекс (молекулярная машина)

SNARE (soluble NSF attachment receptor) – главный компонент механизма слияния синаптической везикулы с мембраной. Белки группы делятся на две функциональныекатегории:везикулярныебелки(v-SNARE)ибелкипринима- ющей органеллы (t-SNARE). Новая структурная классификация подразделяет группу на R-SNARE и Q-SNARE.

Белки SNARE комплекса невелики, но широко представлены. Несмотря на большую разницу в структуре и размере, эти белки объединяет наличие одного и того же цитозольного домена с 60-70 аминокислотами, который называется SNARE motif. Комбинируя методы биохимии, молекулярной и клеточной биологии и физиологии, а также разработав бесклеточный метод анализа основных процессов мембранного переноса в клетке Рэнди Шекман, Джеймс Ротман и Томас Зюдхоф получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за 2013 год (за работы в области исследования везикулярного транспорта).

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

SNARE представлен 3 синаптическими белками: синаптобревин, синтаксин, SNAP-25 (белок пресинаптической плазматической мембраны). Белки формируютвысокостабильныйкомплексзасчётобразованиячетырёхспиральной сцепки между синаптобревином.

Наиболее изучены белки комплекса, которые выполняют доставку синаптических везикул к пресинаптической мембране и их слияние. Эти белки являются мишенями опасных бактериальных токсинов ботулизма и столбняка.

СИНАПТОТАГМИН

СИНАПТОФИЗИН

Рис. 22. Белки экзоцитоза синаптических везикул. Синаптические везикулы фиксируются большей частью к цитоскелету посредством протеина синапсина (synapsin), локализованного на цитоплазматической поверхности каждой везикулы.

2.Белки экзоцитоза синаптических везикул:

1)Синаптические везикулы фиксируются большей частью к цитоскелету посредством протеина синапсина (synapsin), локализованного на цитоплазматической поверхности каждой везикулы. Синапсины

— семейство фосфопротеинов, регулирующих процесс выброса нейромедиаторов в синапсах. Они обильно покрывают поверхность синаптических пузырьков.

2)Протеин спектрин (spectrin), расположен на волокнах F-актина цитоскелета, образуя трансмиттерный резервуар.

3)Синаптотагмин 1 (synaptotagmin) – сенсор ионов Ca2+ в пресинаптической мембране – участвует: в ранней синаптической пристыковке везикул к пресинаптической мембране через взаимодействие с β-нейрексином или SNAP-25 и, на поздних этапах, в Ca2+- вызванном слиянии синаптических везикул с пресинаптической мембраной. Это одинизпоследнихшаговвэкзоцитозе,способствующийслиянию везикул.

4)Munc-18 (аббревиатураотmammalianuncoordinated-18).Munc-18бел-

ки являются важнейшими компонентами белкового комплекса слияния синаптических везикул и имеют решающее значение для регулируемого экзоцитоза нейронов и нейроэндокринных клеток.

5)Синаптофизин (synaptophysin) – гликопротеин, находящийся в пресинаптических везикулах нейронов мозга, спинного мозга, ретине,

ПРЕСИНАПТИЧЕСКИЙ ЭТАП ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

везикулах надпочечников и в местах сопряжения нервов и мышц. Его роль заключается в формировании синаптических везикул и их экзоцитозе. Возможно участие синаптофизина в образовании каналов в мембранах синаптических везикул, а также в высвобождении нейротрансмиттеров.

6)Синаптобревин (synaptobrevin) — небольшой трансмембранный белок секреторных везикул, компонент белкового комплекса SNARE. Синаптобревин относится к семейству везикуло-ассоциированных мембранных белков (vesicle associated membrane protein, VAMP). Су-

ществует 2 изотипа синаптобревина (синаптобревин 1 и 2), синтезирующиеся в мозге.

7)Нейрексин (neurexin,NRXN)–пресинаптическийбелок,которыйуча- ствует в соединении нейронов с образованием синапса. Расположен на пресинаптической мембране и содержит один трансмембранный домен. Внеклеточный домен взаимодействует с белками в синаптической щели, в основном с нейролигином (neuroligin), в то время как внутриклеточная цитоплазматическая часть взаимодействует с белками, связанными с экзоцитозом. В результате их взаимодействия образуется связь между двумя нейронами и возникает синапс. Блокирование взаимодействия β-нейрексина уменьшает количество и возбуждающих, и тормозных синапсов.

Специализированные участки освобождения медиатора.

Специализированные участки пресинаптической мембраны, приспособленные для регулируемого освобождения медиатора, называются активными зонами (син. – плотные проекции, плотные тела, плотные полоски). Например, активная зона двигательного нервного окончания состоит из плотной полоски (длина 1-3 мкм, ширина 0,1 мкм), идущей поперек нервной терминали. Рядом с плотной полоской расположены два двойных ряда Са2+- и КСа –каналов и два одиночных ряда по 40-50 везикул. Расстояние между активными зонами равно

1-2 мкм.

Активная зона пресинаптической мембраны имеет два типа «молекулярных ворот»: потенциал-зависимые Са2+-каналы и участок слияния синаптической везикулы с пресинаптической мембраной, т.е. место освобождения медиатора. Согласно секретосомной теории, связь везикулы, Са2+-каналов и белков молекулярной машины слияния (SNARE) представляет собой минимальный молекулярный комплекс, который обеспечивает секрецию медиатора.

Белки активной зоны представлены: классическими белками цитосклета (актин,тубулин,миозин,α-иβ-спектрин,β-катенин);каркаснымибелками,ко- торые соединяют ионные каналы и SNARE в единый комплекс, обусловливающий функцию активной зоны; специфическими белками активной зоны, выполняющими функцию докирования, праймирования и слияния везикул.