цКЮБМЮЪ ЯРПЮМХЖЮ яКСВЮИМЮЪ ЯРПЮМХЖЮ
йюрецнпхх:
юБРНЛНАХКХюЯРПНМНЛХЪаХНКНЦХЪцЕНЦПЮТХЪдНЛ Х ЯЮДдПСЦХЕ ЪГШЙХдПСЦНЕхМТНПЛЮРХЙЮхЯРНПХЪйСКЭРСПЮкХРЕПЮРСПЮкНЦХЙЮлЮРЕЛЮРХЙЮлЕДХЖХМЮлЕРЮККСПЦХЪлЕУЮМХЙЮнАПЮГНБЮМХЕнУПЮМЮ РПСДЮоЕДЮЦНЦХЙЮоНКХРХЙЮоПЮБНоЯХУНКНЦХЪпЕКХЦХЪпХРНПХЙЮяНЖХНКНЦХЪяОНПРяРПНХРЕКЭЯРБНрЕУМНКНЦХЪрСПХГЛтХГХЙЮтХКНЯНТХЪтХМЮМЯШуХЛХЪвЕПВЕМХЕщЙНКНЦХЪщЙНМНЛХЙЮщКЕЙРПНМХЙЮ
Sect; 2. Синтез нейромедиаторов
|
|
Где синтезируются молекулы медиатора и как происходит поддержание и пополнение его запасов? Транспортируются ли они в нервное окончание в готовом виде, или медиатор образуется непосредственно в терминали из предшественников, которые доставляются из тела клетки? Ответы на каждый из этих вопросов различны для разных медиаторов. Классические низкомолекулярные медиаторы продуцируются в аксонной терминали из общих клеточных метаболитов и включаются в маленькие синаптические пузырьки (50 нм в диаметре) для хранения и высвобождения. NO и СО также синтезируются в терминали. Поскольку они не могут быть упакованы в пузырьки, NO и СО сразу же диффундируют из нервного окончания и оказывают воздействие на мишени (глава 10). С другой стороны, пептидные нейромедиаторы синтезируются в теле клетки, упаковываются в большие везикулы с плотным центром (large dense-core vesicles, 100-200 нм в диаметре) и транспортируются в аксон.
Дополнительную сложность представляет то, что многие, а возможно и все, нейроны высвобождают более одного медиатора. Обычно это один низкомолекулярный трансмиттер и один или более нейропептид 11, 12). Рис. 13.3 показывает локализацию 5-НТ и нейропептидов FLRFамида и аллатостатина в отдельных нейронах ЦНС бабочки 13). Было установлено, что во многих синапсах такие котрансмиттеры действуют синергично (глава 16) 11, 14). Для выброса низкомолекулярных медиаторов достаточно одиночных импульсов, тогда как для высвобождения нейропептидных котрансмиттеров часто требуются пачки импульсов.
Имеются многочисленные доказательства того, что многие нейроны высвобождают более одного низкомолекулярного медиатора. Эту идею высмеивали всего лишь несколько лет назад. Например, некоторые спинальные интернейроны высвобождают аминокислоту глицин и ГАМК, каждая из которых оказывает тормозное влияние на одну и ту же постсинаптическую клетку через свои собственные рецепторы15). Другие спинальные нейроны выбрасывают одновременно АТФ как возбуждающий медиатор и ГАМК как тормозной медиатор16). Примечательно то, что многие так называемые моноаминергические нейроны в центральной нервной системе позвоночных (те, которые содержат дофамин, серотонин или норадреналин) содержат также глутаминазу — фермент, который обычно осуществляет синтез глутамата в аксонных терминалях, высвобождающих глутамат (см. обсуждение ниже в этой главе). Эти данные свидетельствуют о том, что такие нейроны высвобождают оба медиатора 17· 18). Например, нейроны
Глава 13. Клеточная и молекулярная биохимия синаптической передачи 265
Таблица 13.1. Нейропептиды в нервной системе млекопитающих. Table 13.1. Neuropeptides in mammalian nervous systems
|
266 Раздел II. Передача информации в нервной системе
Рис. 13.3. (См. цветную вклейку после с. 640.) 5 Гидрокситриптамин, FLRFaмид и аллатостатин в отдельных нервных клетках бабочки, Manduca. (А, С) Флуоресцентные конфокальные микрофотографии срезов оптической доли бабочки, окрашенных антисывороткой к 5-НТ (красный) и нейропептиду FLRFамиду (зеленый). (А) Продольный срез. Клетки кластера 0L2 (слева внизу) проецируются главным образом в слой ламина (La). (С) Фронтальный вид кластера клеток. Большинство клеток содержат и 5-НТ. и FLRFамид и выглядят желтыми. (В. D) Микрофотографии срезов, окрашенных антисывороткой к 5-НТ (красный) и нейропептиду аллатостатину (зеленый). (В) Продольный срез. Клетки, содержащие 5-НТ и/или аллатостатин, проецируются в ламину, медуллу (М), лобулу (L) и пластинку лобулы (LP). (D) Фронтальный вид кластера клеток
Fig. 13.3. Hydroxytryptamine, FLRFamide, and AUatostatin in Individual Nerve Cells of the moth, Manduca. (A, C) Fluorescence confocal micrographs of a section of the moth optic lobe labeled with antisera to 5-HT (red) and to the neuropeptide FLRFamide (green). (A) Longitudinal section. Cells in the OL2 cluster (lower left) project mostly to the lamina (La). (C) Frontal view of cell cluster. Most cells contain both 5-HT and FLRFamide, and so appear yellow. (B, D) Micrographs of a section labeled with antisera to 5-HT (red) and to the neuropeptide allatostatin (green). (B) Longitudinal section. Cells containing 5-HT and/or allatostatin project to the lamina, the medulla (M), the lobula (L), and the lobula plate (LP). (D) Frontal view of cell cluster. Colocalization of 5-HT and allatostatin occurs in a small subpopulation of cells. (Micrographs kindly provided by N.T. Davis and J. G. Hildebrand.)
ядер шва высвобождают и серотонин, и глутамат из одних и тех же синапсов, которые содержат два разных типа везикул в терминалях. Дофамин-содержащие нейроны среднего мозга имеют два разных типа терминален. Одни содержат и глутамат, который вызывает быстрый возбуждающий постсинаптический потенциал на клетке-мишени, и дофамин, который распространяется по большей площади, оказывая медленное модулирующее действие. Другие содержат только глутамат.
Синтез ацетилхолина (АХ)
Одно из первых полных исследований о том, как медиаторы аккумулируются в нервных терминалях и как запас медиаторов пополняется в периоды активности клетки, было выполнено Бирксом и МакИнтошем в работе, где они изучали ацетилхолин в терминалях преганглионарных аксонов переднего шейного ганглия кошки (рис. 13.4А и В; см. также главу 16)19). Они вставляли канюли в сонную артерию и яремную вену, перфузировали ганглий раствором, содержавшим антихолинэстеразу, и анализировали содержание ацетилхолина в перфузате. В условиях покоя небольшое количество ацетилхолина постоянно высвобождалось из ганглия, составляя примерно 0, 1 % от общего содержания ацетилхолина каждую минуту (рис. 13.4С). Тот факт, что уровень ацетилхолина в ганглии оставался неизменным, означал, что ацетилхолин постоянно синтезировался в покое. (Впоследствии было показано, что скорость синтеза ацетилхолина в покое, измеренная по скорости включения радиоактивно меченого холина в ацетилхолин, настолько высока, что количество, равное полному запасу ацетилхолина, распадается и ресинтезируется в аксонной терминали каждые 20 мин20).)
Затем Бирке и МакИнтош стимулировали преганглионарный нерв длинными пачками импульсов и обнаружили, что количество ацетилхолина, которое высвобождалось из ганглия, увеличивалось в 100 раз. Этот прирост означал, что 10 % исходного содержания ацетилхолина выбрасывалось каждую минуту (см. рис. 13.4С). Интересно, что скорость выброса поддерживалась на одном уровне в течение одного часа без изменения содержания ацетилхолина в ганглии. Таким образом, в течение часовой стимуляции аксонная терминаль могла высвобождать количество ацетилхолина, многократно превышающее исходное содержание медиатора в ганглии без истощения его запаса.
Единственный экзогенный ингредиент, необходимый нервным окончаниям для поддержания запаса ацетилхолина в таких условиях, — это холин, который захватывается из окружающей жидкости по механизмам активного транспорта (рис. 13.5). Необходимость внеклеточного холина была продемонстрирована в экспериментах с перфузией препаратов растворами, не содержащими холин, и блокадой захвата холина аксонным окончанием с помощью гемихолина (НС— 3). В обоих случаях уровень ацетилхолина в ганглии и количество ацетилхолина, высвобожденного в результате стимуляции, быстро снижались (рис. 13.4С).
Как же контролируется синтез ацетилхолина, чтобы он мог высвобождаться по первому требованию? Наше понимание механизмов, регулирующих синтез ацетилхолина и его хранение в холинергических нервных окончаниях, на удивление ограничено. Фер-
Глава 13. Клеточная и молекулярная биохимия синоптической передачи 267
| Рис. 13.4. Измерение высвобождений АХ из тер миналей преганглионарных аксонов переднего шейного ганглия кошки. (А) Преганглионарные аксоны приходят к переднему шейному ганглию от расположенного позади ганглия симпатического ствола. (В) Преганглионарные нейроны, тела которых лежат в спинном мозге, высвобождают ацетилхолин как медиатор в синапсах симпатических ганглиев. Клетки ганглиев высвобождают норадреналин (NE) из варикозных расширений, расположенных вдоль их отростков на периферии. (С) Высвобождение АХ из симпатического ганглия, перфузированного оксигенированной плазмой, содержащей 3 · 10--5 M эзерина для ингибирования ацетилхолинэстеразы. Fig. 13.4. Measuring the Release of ACh from the terminals of preganglionic axons in the cat superior cervical ganglion. (A) Preganglionic axons reach the superior cervical ganglion from more posterior ganglia in the sympathetic chain. (B) Preganglionic neurons, whose cell bodies lie in the spinal cord, release acetylcholine as a transmitter at synapses in sympathetic ganglia. Ganglion cells release norepinephrine (NE) from varicosities along their processes in the periphery. (C) Release of ACh from a cat sympathetic ganglion perfused with oxygenated plasma containing 3 · 10--5 M eserine to inhibit acetylcholinesterase. In control medium, preganglionic stimulation at 20/s causes a sustained, 100-fold increase in the rate of ACh release, compared to release at rest. Release decreases rapidly during stimulation in the presence of 2 · 10~5 M hemicholinium (HC 3), which blocks choline uptake. (After Birks and Macintosh, 1961.) | 
|
ментативные реакции этих процессов суммарно изображены на рис. 13.5 и детально показаны в приложении В. Ацетилхолин синтезируется из холина и ацетил СоА (ацетил-кофермента А) ферментом холинацетилтрансферазой и гидролизуется до холина и ацетата ацетилхолинэстеразой. Оба указанных фермента находятся в цитозоле. Поскольку реакция, катализируемая холинацетилтрансферазой, является обратимой, единственным фактором, контролирующим уровень ацетилхолина, служит закон действующих масс. Например, снижение концентрации ацетилхолина, вызванное его высвобождением, будет способствовать синтезу до тех пор, пока равновесие не будет восстановлено.
Однако регуляторные механизмы, работающие в холинергических нервных окончаниях, являются более сложными, чем этот. Так, в условиях покоя накопление ацетилхолина ограничено одновременным гидролизом, который осуществляется внутриклеточной ацетилхолинэстеразой; ингибирование ацетилхолинэстеразы в нервном окончании вызывает повышение содержания ацетилхолина19, 20). Таким образом, уровень, до которого накапливается ацетилхолин, представляет собой динамическое равновесие между текущим синтезом и распадом. Это является общей чертой метаболизма низкомолекулярных медиаторов. Хотя это и кажется расточительством, такой постоянный круговорот может быть неизбеж-
268 Раздел II. Передача информации в нервной системе
| Рис. 13.5. Механизмы синтеза, хранения, высвобождения и распада ацетилхолина. Ацетилхолин синтезируется из холина и ацетил кофермента А (АсСоА) с помощью фермента холинацетилтрансферазы (CAT) и разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой (AChE). AcCoA исходно образуется в митохондриях; холин доставляется в клетку системой высокоаффинного активного транспорта, которая может ингибироваться гемихолином (HC-3). Ach упаковывается в пузырьки вместе с АТФ (АТР) для последующего высвобождения путем экзоцитоза. Транспорт Ach в пузырьки блокируется везамиколом. Везикулярный Ach защищен от разрушения. После высвобождения Ach расщепляется экстраклеточной AChE до холина и ацетата. Около половины холина, поступающего в холинергическую аксонную терминаль, имеет источником гидролиз ранее высвобожденного Ach. В некоторых синапсах АТФ соединяется с постсинаптическими рецепторами. АТФ гидролизуется экстраклеточными АТФ-азами до аденозина и фосфата (Р); аденозин может соединяться с пресинаптическими рецепторами, модулируя высвобождение. Fig. 13.5. Pathways of Acetylcholine Synthesis, Storage, Release, and Degradation. Acetylcholine is synthesized from choline and acetyl coenzyme A (AcCoA) by choline acetyltransferase (CAT) and is degraded by acetylcholinesterase (AChE). AcCoA is synthesized primarily in mitochondria; choline is supplied by | 
a high-affinity active transport system that can be inhibited by hemicholinium (HC-3). ACh is packaged into vesicles together with ATP for release by exocytosis. Transport of ACh into vesicles is blocked by vesamicol. Vesicular ACh is protected from degradation. After release, ACh is degraded by extracellular AChE to choline and acetate. About half of the choline transported into cholinergic axon terminals comes from the hydrolysis of ACh that has been released. At some synapses, ATP combines with postsynaptic receptors. ATP is hydrolyzed by extracellular ATPases to adenosine and phosphate (Pi), adenosine can combine with presynaptic receptors to modulate release.
|
ным последствием механизмов, которые гарантируют наличие всегда доступного необходимого количества медиатора.
Большая часть АХ в нервных окончаниях перераспределяется в синаптические пузырьки, тогда как синтез и деградация АХ происходят в иитозоле. Тогда для того, чтобы оказать влияние на уровень синтеза, высвобождение ацетилхолина должно снизить концентрацию АХ в цитоплазме. Этот процесс осуществляется путем перемещения цитоплазматического АХ в новообразованные пузырьки. Сходные взаимоотношения между цитоплазматическим синтезом и везикулярным хранением и высвобождением являются общей чертой метаболизма низкомолекулярных медиаторов.
В холинергических нервных окончаниях центральной нервной системы доступность холина, доступность субстрата ацетил СоА (производится в митохондриях) и активность холинацетилтрансферазы, как было показано, регулируют скорость синтеза ацетилхолина 21· 22).