CC BY
207
мвдщшшш
Ж1НМ
ОАО "ТАТМЕДИА" КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УДК 612.813:612.816.7:612.822.2
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ СИНАПСЫ ХИМИЧЕСКОГО ТИПА*
Евгений Евгеньевич Никольский Заслуженный деятель науки РФ и РТ, лауреат Государственной премии РТ, профессор, член-корреспондент РАН
наличии химического звена в процессе передачи возбуждения с нерва на скелетную мышцу. А. В. Кибяковым показано участие медиаторов в передаче возбуждения на клетки, имеющие вегетативную иннервацию. И конечно же, я не могу не отметить выдающийся вклад в развитие казанской физиологической школы профессора Г. И. Полетаева, усилиями которого в практику нейрофизиологических экспериментов была успешно внедрена технология микроэлектродных исследований. Им впервые в СССР на практике был применён квантовый анализ синаптических сигналов, позволивший повысить точность экспериментов. В последние годы основные достижения казанских нейрофизиологов также связаны с изучением механизмов обмена информацией между возбудимыми клетками.
Особый интерес у мирового научного сообщества вызывают проблемы, связанные с работой нервной системы. Что же представляет собой нервная система, как она возникает и развивается?
Генетическая программа развития многоклеточных организмов закрепляет за группой клеток зародыша возмож-
июль август 2010
4
ТОМ ХС1
Общепризнано, что многие наши соотечественники внесли существенный вклад в изучение ряда проблем нейрофизиологии. В 30-е годы прошлого столетия всемирную известность получили работы А.Ф. Самойлова, в которых автор на основании изучения особенностей температурной зависимости латентного периода одиночного мышечного сокращения, возникающего в ответ на раздражение двигательного нерва, пришел к выводу о
* Актовая речь, произнесенная 14 мая 2010 г. на заседании ученого совета Казанского государственного медицинского университета.
© 28. «Казанский мед. ж.», № 4 433
ность превратиться в нервные клетки (нейроны). Эти клетки отличает способность отвечать на внешние раздражители генерацией электрических сигналов, быстро распространяющихся по наружной мембране. Нейроны разнообразны по форме, обладают, как правило, многочисленными ветвящимися отростками — дендритами и аксоном. По дендритам информация поступает к телу нейрона, а по аксону — от его тела к иннервируемым клеткам. В течение короткого времени число нейронов в человеческом мозге путем многократного деления достигает 1011—1012. «Новорожденные» нейроны путем миграции занимают определенные места в будущем здании мозга, и начинается важнейший процесс, необходимый для выполнения мозгом его специфических функций — нейроны устанавливают многообразные связи друг с другом, образуя структуры, названные в 1897 г. нейрофизиологом Ч. Шеррингтоном синапсами (контактами). С целью образования синапса аксоны одного нейрона (преси-наптического) подходят к телу или отросткам другого нейрона (постсинапти-ческого) очень близко, однако их мембраны не сливаются, между ними остается синаптическая щель шириной около 50 нанометров, заполненная межклеточной жидкостью, хорошо проводящей электрический ток. Вместе с тем эта жидкость затрудняет переход электрического сигнала непосредственно с одной клетки на другую, и с целью преодоления этого барьера на пути передачи информации в ходе эволюции возникли химические синапсы. При наличии последних информационный сигнал в электрической форме распространяется только в пределах пресинаптического нейрона, однако достигая окончания его аксона вызывает освобождение в пространство синапти-ческой щели небольших порций (квантов) вещества, выполняющего функцию межклеточного посредника (медиатора). Обычно один квант содержит несколько тысяч молекул медиатора. Молекулы выделившегося медиатора быстро диффундируют через синаптическую щель и взаимодействуют с постсинаптически-ми рецепторами. На сегодняшний день известно несколько десятков нейроме-диаторов, в том числе ацетилхолин, ад-434
реналин, норадреналин, глутамин, гам-ма-аминомасляная кислота, серотонин, гистамин, АТФ и др. Нейромедиаторы могут участвовать в передаче как возбуждающего, так и тормозящего влияния в зависимости от рецептора, с которым они взаимодействуют.
Существуют два основных типа пост-синаптических рецепторов. Первый тип — это ионотропные рецепторы, являющиеся по своей сути лиганд-управляемыми ионными каналами. Общий принцип их работы таков: молекулы медиатора взаимодействуют с узнающим участком рецептора, в результате изменяется кон-формация рецепторного комплекса, что приводит к открытию «ворот» ионного канала и его проницаемости для ионов определенного сорта на относительно короткое время (мс). Вошедшие в клетку ионы изменяют ее электрический потенциал, вызывая в синаптической области возбуждающий или тормозящий постси-наптический ответ. Затем ионный канал закрывается, как правило, одновременно с диссоциацией молекул медиатора. Такой способ реализации действия медиатора очень важен для быстрой передачи сигнала от одного нейрона к другому. Рецепторы другого типа — метаботроп-ные — активируются тем же набором медиаторов, но обеспечивают связь с каскадом внутриклеточных белков-ферментов, управляющих синтезом и разрушением вторичных посредников. Следствием их активации является не столько появление в нейроне нового электрического сигнала, сколько долговременная перестройка разнообразных функций нейрона, включая метаболические процессы, экспрессию белков и пр. Низкая скорость передачи сигнала при этом компенсируется очень большим его усилением (до сотен тысяч раз) и необходимой в ряде физиологических ситуаций большей длительностью действия. Благодаря химическим синапсам, осуществляющим надежную, быструю и пластичную связь между нейронами, возможна реализация таких сложнейших функций мозга, как восприятие сигналов внешней среды, мышление, обучение, эмоции, речь, память. Пластичность нервной системы обеспечивается целым рядом тесно связанных характеристик синаптической
передачи, таких как скорость освобождения медиатора из пресинаптических нервных окончаний, эффективность удаления медиатора из синаптической щели после окончания его основного действия, изменение вовлеченности, плотности, расположения или молекулярной структуры постсинаптических рецепторов, числа и расположения си-наптических контактов нейрона с другими нейронами. Известно, что каждый нейрон устанавливает непосредственные синаптические связи в среднем с тысячей других нейронов, находящихся по соседству или в других отделах мозга. Так возникают динамичные структуры, называемые нейронными сетями, клеточный состав и специализация которых генетически детерминированы и/или формируются по мере выполнения определенных функций (аналог обучения). Показано, что скорость пластической перестройки мозга определяется именно скоростью изменения синаптических связей и может происходить в широком временном диапазоне — от минут до дней и месяцев. Создание лекарственных препаратов синаптической направленности требует глубокого понимания всех этапов синаптической передачи. Чрезвычайно важным было установление того факта, что независимо от видовой и функциональной принадлежности синапсов большая часть происходящих в них процессов — межнейрональный синапс ЦНС или нервно-мышечное соединение — принципиально схожа. Именно поэтому нервно-мышечный синапс, традиционно изучаемый представителями казанской нейрофизиологической школы, в силу своей доступности и относительной простоты устройства широко используется как модель для изучения молекулярных механизмов регулирования синаптичес-кой передачи, для изучения патогенеза ряда заболеваний нервной системы, поиска и создания новых фармакологических препаратов. Согласно классическим представлениям о механизме передачи возбуждения от мотонейрона на мышечное волокно, для того чтобы нервный импульс вызвал потенциал действия с последующим сокращением мышечного волокна, необходимо достижение амплитудой постсинаптического ответа крити-
ческого уровня деполяризации. Для этого, по классическим представлениям, из окончания двигательного нерва в ответ на каждый стимул синхронно выделяется от нескольких десятков до сотен квантов ацетилхолина. Однако наши многолетние исследования нервно-мышечной передачи возбуждения не позволяли допустить возможность синхронного выделения квантов, которому препятствуют две причины: во-первых, протяженность нервных окончаний наряду с низкой скоростью проведения возбуждения, во-вторых, стохастический характер срабатывания каждой активной зоны. Нами была разработана концепция, согласно которой кванты медиатора в естественных условиях в ответ на нервный импульс освобождаются неодновременно. Помимо числа освобожденных квантов и размера каждого из них необходимо оценивать и временной ход (кинетику) секреции медиатора. Исходя из этой концепции, кинетика в значительной степени определяет амплитудно-временные параметры постсинаптического ответа. При возникновении элементарных ответов (в результате выделения отдельных квантов) с одинаковыми задержками амплитуда суммарного ответа будет пропорциональна интенсивности однокван-тового сигнала, а продолжительность его нарастания равна времени нарастания одноквантового сигнала. Если эти же сигналы появляются с разными задержками, то величина суммарного ответа уменьшается, передний фронт сигнала затягивается, в результате его интенсивность может и не достигать критического уровня и тем самым не обеспечивать эффективной синаптической передачи. Вопрос о регуляции интенсивности и временного хода освобождения нейромедиа-торов в настоящее время весьма активно обсуждается в литературе. Известно, что важным фактором, определяющим количество освобождаемых квантов медиатора из нервного окончания после поступления нервного импульса, являются ионы кальция. Нами была исследована зависимость изменения кинетики секреции квантов от концентрации этого катиона во внешней среде. По мере повышения содержания ионов кальция в среде выделение квантов медиатора становится более
синхронным, при этом реконструкция суммарного тока концевой пластинки продемонстрировала возрастание амплитуды постсинаптического ответа, не связанное с повышением концентрации медиатора в синаптической щели. Однако сдвиги кинетики освобождения квантов наблюдались не во всем диапазоне изменения концентрации ионов кальция: по мере приближения к нормальному ионному составу среды кинетика секреции квантов переставала меняться, несмотря на существенное возрастание количества освобождаемых квантов медиатора. Известно, что холинергические вещества, т.е. сам ацетилхолин и его аналоги, действуя на нервное окончание угнетают синаптическую передачу, приводя к уменьшению постсинаптического ответа за счет снижения количества освобождаемых квантов. В связи с этим мы исследовали влияние ближайшего аналога ацетилхолина — карбахолина на временной ход выделения квантов медиатора. В присутствии карбахолина синхронность выделения квантов медиатора и амплитуда постсинаптического ответа снижались. Отсюда можно предположить, что вещества, обладающие облегчающим эффектом на процесс передачи сигнала с нерва на мышцу (например, катехоламины), могут иметь противоположное влияние на степень синхронности выделения квантов. Наши исследования показали, что норадреналин действительно синхронизирует процесс выделения квантов нейромедиатора, увеличивая амплитуду постсинаптического ответа даже без повышения количества выделившихся квантов. Таким образом, изменение синхронности выделения квантов медиатора может служить эффективным механизмом обеспечения си-наптической пластичности.
Другая традиционная точка зрения, не подтвержденная нами, связана с изучением механизмов разрушения молекулы медиатора, выполнившей свою функцию. Известно, что ацетилхолин эффективно разрушается холинэстераза-ми. При этом принято считать, что только ацетилхолинэстераза (АХЭ) имеет отношение к гидролизу медиатора в си-наптической щели. Наши эксперименты показали, что в синапсах дыхатель-436
ных мышц наряду с АХЭ существенное значение имеет и бутирилхолинэстераза. Именно этот факт делает дыхательные мышцы более устойчивыми к ингибиторам АХЭ. Общепризнанно, что АХЭ — один из ключевых ферментов, обеспечивающих нормальное функционирование холинергических синапсов за счет ограничения времени действия медиатора ацетилхолина, освобождающегося из нервных окончаний. Ингибиторы этого фермента традиционно применяются в медицинской практике при заболеваниях, лечение которых требует пролонгирования действия медиатора ацетилхолина в синаптической щели (болезнь Альцгей-мера, болезнь Паркинсона, ЧМТ, цереб-роваскулярные заболевания, миастения Гравис, спастические формы ДЦП, атония кишечника и мочевого пузыря, глаукома). Описано успешное применение антиАХЭ препаратов и при других расстройствах, при которых возможны нарушения в холинергической системе, включая гиперкинез с дефицитом внимания, аутизм, расстройства сна, шизофрению, маниакально-депрессивный психоз, алкоголизм. Особый интерес представляет использование антиАХЭ препаратов для профилактики и лечения аритмий на фоне инфаркта миокарда. У животных с экспериментально вызванным инфарктом миокарда вероятность летальной аритмии в случае применения ингибиторов АХЭ или стимуляции блуждающего нерва снижается приблизительно в 5 раз. Однако широкому использованию анти-АХЭ препаратов в медицинской практике препятствует недостаток, присущий большинству ингибиторов, — это отсутствие избирательности по отношению к ферменту разных органов и тканей. В частности, побочное действие анти-АХЭ препаратов включает мышечные фасцикуляции, диарею, повышенное слюнотечение, тошноту, рвоту, боли в животе, диспепсию, брадикардию, аритмии, бронхоспазм, повышение бронхиальной секреции, гипотензию и т.д. Существующие ингибиторы АХЭ обладают чрезвычайно низким «терапевтическим индексом», т.е. отношением летальной дозы к эффективной. Нами исследован новый класс ингибиторов АХЭ — алки-ламмониевые производные 6-метилу-
рацила, синтезированные в Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН в лаборатории проф. В.С. Резника. Установлено, что пороговая концентрация одного из наиболее эффективных соединений № 547, вызывающая изменение синапти-ческого их ответа, характерное для практически полного подавления АХЭ, в синапсах дыхательных мышц (диафрагма и внутренние межреберные мышцы) в 100 раз выше, чем в синапсах локомоторных мышц. Иными словами, синапсы диафрагмы и межреберных мышц значительно более устойчивы к действию данного соединения, чем таковые мышц конечностей. Также получены предварительные данные, что АХЭ сердца и мозга еще в меньшей степени ингибируются алкиламмониевыми производными 6-ме-тилурацила. Константы ингибирования АХЭ соединением № 547, полученные на гомогенатах мышц, на четыре порядка отличаются от констант ингибирования АХЭ сердца, мозга, тонкой и толстой кишки, что свидетельствует о возможности создания соединений, избирательно ингибирующих АХЭ разных органов.
Результаты более ранних наших данных об участии ацетилхолина, освобождаемого неквантовым путем, в регуляции возбудимости скелетного мышечного волокна дают основания для дальнейших исследований вклада неквантовой секреции в формирование амплитудно-временных параметров постсинаптичес-кого ответа. Другим аспектом действия «неквантового» ацетилхолина является его возможное влияние на секрецию ней-ромедиаторов посредством активации пресинаптических рецепторов. Нами выявлена роль ацетилхолина, освобождае-
мого неквантовым путем, в поддержании величины мембранного потенциала мышечного волокна в области синаптичес-кого контакта, что указывает на важную физиологическую роль неквантовой секреции. Впервые показано, что в нервно-мышечном соединении млекопитающих имеет место холинергический механизм регуляции неквантового освобождения медиатора путем активации постсинап-тических мускариновых холинорецепто-ров М1-типа с последующим увеличением активности МЮ-синтазы мышечного волокна и ретроградным действием образованного оксида азота на процессы, обеспечивающие неквантовое выделение ацетилхолина из двигательного нервного окончания.
Не следует, однако, думать, что если мы «дойдем до самой сути» в понимании того, как нейроны с помощью синапсов «общаются» между собой, то перед нами сразу откроются все тайны работы мозга и быстрые пути к созданию новых эффективных лекарств. Необходимо накапливать знания об «элементарных кирпичиках» и объединяющих механизмах, которые использует природа для создания компактного, чрезвычайно эффективного здания нервной системы и находить новые молекулярные инструменты для таких исследований.
С учётом традиционно тесного сотрудничества представителей фундаментальной науки, разработчиков и испытателей новых лекарственных средств, прекрасной материально-технической базы и наличия молодых талантливых ученых перспективы деятельности казанских представителей нейронаук в этом направлении представляются весьма позитивными.
Поступила 18.06.10.
