научная статья по теме МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕЖНЕЙРОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ. ДОКЛАД ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Л.Г. МАГАЗАНИКА И ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Е.Е. НИКОЛЬСКОГО Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕЖНЕЙРОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ. ДОКЛАД ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Л.Г. МАГАЗАНИКА И ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Е.Е. НИКОЛЬСКОГО»

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕЖНЕЙРОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

ДОКЛАД ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Л.Г. МАГАЗАНИКА И ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Е.Е. НИКОЛЬСКОГО

Генетическая программа развития многоклеточных организмов закрепляет за группой клеток зародыша возможность 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 путём многократного деления достигает 1011—1012. "Новорождённые" нейроны, мигрируя, занимают определённые места в будущем здании мозга, и начинается важнейший процесс, абсолютно необходимый для выполнения специфических функций мозга, — нейроны устанавливают

многообразные структурные связи друг с другом. Такие структуры, названные в 1897 г. замечательным британским нейрофизиологом Ч. Шерринг-тоном синапсами (в переводе с греческого — контакты), обеспечивают нейронам возможность получать и обрабатывать информацию, хранить и обмениваться ею [1].

Уже на заре эволюции живых существ природа нашла способ делать это достаточно надёжно и быстро, создав химические синапсы (рис. 1). Аксоны одного нейрона (пресинаптического) подходят к телу или отросткам другого нейрона (постсинаптического) очень близко, однако их мембраны не сливаются, между ними остаётся щель шириной около 50 нм. Синаптическая щель заполнена межклеточной жидкостью, хорошо проводящей электрический ток и выполняющей роль шунта, что весьма затрудняет переход электрического сигнала непосредственно с одного

нейрона на другой. Поэтому электрические синапсы являются скорее исключением, чем правилом. В нейроне, образующем химические синапсы, возбуждающий электрический сигнал распространяется в пределах пресинаптического нейрона, приходит в окончания его отростков и вызывает освобождение в пространство синапти-ческой щели небольших порций (квантов), содержащих несколько тысяч молекул вещества-посредника (медиатора или трансмиттера). Молекулы медиатора взаимодействуют со специализированными белковыми структурами, вмонтированными в поверхностную мембрану постсинапти-ческой клетки, — синаптическими рецепторами. Рецептор "узнаёт" медиатор и переводит этот химический сигнал на язык, понятный постсинап-тическому нейрону. Сегодня известно несколько десятков нейромедиаторов, среди которых такие низкомолекулярные вещества, как ацетилхолин, адреналин, норадреналин, глутамин, гамма-ами-номасляная кислота, серотонин, гистамин, АТФ и др. При этом некоторые медиаторы могут участвовать в передаче как возбуждающего влияния на нейрон, так и тормозящего, в зависимости от рецептора, с которым они взаимодействуют [2].

Существуют два основных типа постсинапти-ческих рецепторов. Первый — это ионотропные рецепторы, являющиеся лиганд-управляемыми ионными каналами (например, никотиновый рецептор ацетилхолина, рецептор глицина, определённые подвиды рецепторов глутамата и др.). Общий принцип их работы таков: молекулы медиатора взаимодействуют с узнающим участком рецептора. В результате изменяется конформа-ция рецепторного комплекса, что приводит к "открытию ворот" ионного канала, то есть канал становится на короткое время (миллисекунды) проницаемым для ионов определённого сорта. Затем канал закрывается, как правило, одновременно с диссоциацией молекул медиатора. Таким образом, происходит вторичная трансформация сигнала, теперь уже из химической формы в электрическую. Этот способ реализации действия медиатора очень важен для быстрой передачи сигнала от нейрона к нейрону. Рецепторы другого типа — метаботропные — активируются тем же набором медиаторов, но обеспечивают связь с каскадом внутриклеточных белков, ферментов, управляющих синтезом и разрушением вторичных посредников. Продукт их активации — не только появление в нейроне нового электрического сигнала, но долговременная перестройка разнообразных функций нейрона, включая метаболизм, экспрессию белков и др. Низкая скорость передачи сигнала при этом компенсируется очень большим его усилением (до сотен тысяч раз) и необходимой в ряде физиологических ситуаций большей длительностью действия.

2

Рис. 1. Схема синапса

а — аксон пресинаптического нейрона (1), рецепторы пост-синаптического нейрона (2), зона синапса (3), молекулы медиатора (4); б — участок нейрональной сети и многочисленные синаптические связи между нейронами

Химический синапс обладает рядом явных достоинств. Во-первых, достигается относительная конфиденциальность, потому что роль медиаторов выполняют разные молекулы, фигурально выражаясь, общение может вестись на разных химических языках. Во-вторых, сигнал здесь усиливается, потому что через активированные рецеп-торные каналы, сосредоточенные на небольшом участке нейрона, за короткое время проходит большое количество ионов, что вызывает появление электрического сигнала, способного распространяться по отросткам нейронов. Это обеспечивает оптимальное соотношение шум:сигнал. И, наконец, третье, не менее важное преимущество: амплитуда и длительность синаптических сигналов может оперативно управляться путём изменения как количества и времени действия медиатора, так и числа вовлечённых в передачу типов постсинаптических рецепторов, а также с помощью модуляционных воздействий на молекулярные компоненты синапсов [1, 2].

Непременным условием осуществления таких сложнейших функций мозга, как восприятие сигналов внешней среды, мышление, обучение, эмоции, речь, память, служит надёжная, быстрая и в то же время гибкая, пластичная связь между нейронами. Она обеспечивается целым рядом тесно связанных между собой механизмов управления синаптической передачей: влиянием на процесс вызванного освобождения медиатора из преси-наптических нервных окончаний; эффективно-

а

3

б

стью процесса удаления медиатора из синаптиче-ской щели после окончания его основного действия; изменением вовлечённости тех или иных типов рецепторов и плотности их расположения на постсинаптической мембране; изменением молекулярной структуры этих рецепторов и тем самым их функциональных свойств; изменением числа синаптических контактов нейрона с другими нейронами и их расположения на его теле и отростках.

Каждый нейрон устанавливает непосредственные синаптические связи в среднем с тысячью других нейронов, находящихся по соседству или расположенных в других отделах мозга. Так возникают динамичные структуры, нейронные сети, их клеточный состав и специализация обусловлены генетически и/или формируются по мере выполнения определённых функций (аналог обучения).

Специализация конкретного нейрона, круг его функциональных обязанностей обусловлены его происхождением, местом в сети, комплексом си-наптических связей с другими нейронами. Перестройки синаптических связей происходят в широком временном диапазоне - от минут до дней и месяцев. Совокупность молекулярных и морфологических изменений управляется активностью нервных сетей, тем самым отвечает насущным потребностям реализации как простых, так и самых сложных функций нервной системы. Поэтому любое детальное исследование работы мозга опирается на знание свойств синапсов, их молекулярного строения и функциональной организации. Это, можно сказать, самый фундамент фундаментального исследования мозга. Неудивительно, что только в 2008 г. в мире опубликовано более 49 тыс. научных статей, ключевыми словами в которых являются "синапс" и "синаптиче-ская функция".

Не будет преувеличением утверждать, что патологические процессы и экстремальные состояния в нервной системе всегда сопровождаются нарушениями нормальной деятельности синапсов. Поэтому и коррекция таких состояний с помощью лекарственных веществ, как правило, включает специфическое воздействие на определённые типы синапсов и/или их молекулярные компоненты. Из года в год расширяется арсенал химических средств воздействия на синаптиче-скую передачу. Они выступают в качестве инструментов изучения синапсов и потому незаменимы при исследованиях нервной деятельности, проводимых на всех её уровнях в норме и патологии. Анализ механизмов действия уже применяемых и вновь создаваемых лекарственных веществ способствует познанию молекулярной природы си-наптической передачи и созданию теоретической базы для успешного поиска новых лекарств. Обнаруживаемые эффективные молекулы служат как инструментами исследования свойств мише-

ни лекарства, так и прообразом лекарств, перспективных для клинического применения.

Примеров много, приведём лишь несколько, относящихся к проблемам, в решении которых принимают участие авторы настоящего доклада.

В лаборатории биофизики синаптических процессов Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН проводятся широкие исследования изложенных выше механизмов на примере нервно-мышечной синаптической передачи. Независимо от видовой и функциональной принадлежности синапсов большая часть процессов, происходящих в них, и в особенности процессы нейросекреции, принципиально схожи, будь то межнейрональный синапс центральной нервной системы или нервно-мышечное соединение. Именно поэтому нервно-мышечный синапс можно использовать как удобную модель для изучения молекулярных механизмов регулирования синаптической передачи, для выявления патогенеза ряда заболеваний центральной и периферической нервной системы, а также для поиска и создания новых фармакологических препаратов, избирательно модулирующих разные этапы синаптической передачи.

Согласно классическим представлениям о механизме передачи возбуждения с мотонейрона спинного мозга на мышечное волокно, из окончания двигательного нерва в ответ на каждый стимул выделяется от нескольких десятков до нескольких сотен квантов ацетилхолина. Чтобы осуществилась основная функция нервно-мышечного соединения, то есть нервный импульс вызвал возникновение потенциала действия и последующее со

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком