НЕИРОХИМИЯ, 2009, том 26, № 3, с. 202-207
== ОБЗОРЫ
УДК 612.82:547.66
Ь-ГЛУТАМАТ: СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА ИЗВЕСТНУЮ АМИНОКИСЛОТУ
© 2009 г. М. Н. Курбат
Гродненский государственный медицинский университет, Беларусь
В современной литературе появляется все больше сведений о важной физиологической роли Ь-глу-тамата для ЦНС. В обзоре суммированы последние данные о нейрохимии глутаматергической системы человека, включающие внутриклеточную компартментализацию метаболизма глутамата в головном мозге, разновидностях и функционировании глутаматных рецепторов и его переносчиков.
Ключевые слова: глутамат, головной мозг, метаболизм, рецепторы, транспорт, ЦНС.
Ь-Глутаминовая кислота (глутамат, Глу) является общепризнанным возбуждающим нейроме-диатором ЦНС [1-5]. Научные знания о глутаматергической передаче значительно возросли в последнее десятилетие, что связано с успехами молекулярной биологии и нейрохимии в изучении субклеточного метаболизма Глу, функционирования глутаматных рецепторов и роли этой аминокислоты в развитии многообразной патологии ЦНС [6-11]. В современной литературе появляется все больше научных сведений о том, что глута-матергическая система является своеобразным модулятором активности других нейромедиатор-ных систем [12-15].
Возбуждающее действие Глу в головном и спинном мозге млекопитающих впервые было продемонстрировано в 50-х годах XX в. [16, 17]. Однако только в конце 70-х годов прошлого века роль Глу как возбуждающего нейромедиатора стала неопровержимой [18]. Глутаматергическая система включает в себя рецепторы и переносчики Глу, а также ферменты его метаболизма. Особенности передачи сигнала в синапсе посредством Глу состоит в том, что кроме нейронов в этом процессе непосредственно участвуют и глиаль-ные клетки, которые поглощают его из синапти-ческой щели, вследствие чего его действие прекращается [19]. Компартментализация метаболизма Глу - одна из особенностей его превращения в нервной ткани. Можно выделить три основных метаболических компартмента Глу в целом организме [20, 21]:
в головном мозге, который отделяется гемато-энцефалическим барьером от системной циркуляции крови;
нейрональный и глиальный компартмент в ЦНС;
*Адресат для корреспонденции: 230015, Беларусь, Гродно, ул. Горького, 80, тел. (+375296) 744 663, e-mail: vwmisha@mail.ru
цитоплазматический и митохондриальный в клетках нервной системы.
Каждый из вышеперечисленных компартмен-тов отличается друг от друга, в результате чего образуется своеобразный градиент Глу в различных структурах головного мозга и организма в целом (табл. 1).
ГЛУТАМАТ-ГЛУТАМИНОВЫЙ ЦИКЛ
Глутамат-глутаминовый цикл является стержневым метаболическим путем Глу в головном мозге [23-25]. Впервые его описали Berl и Clark в 1969 году [26]. Цикл начинается высвобождением Глу из пресинаптических пузырьков в синаптиче-скую щель, происходящим с участием ионов Ca2+. При этом концентрация Глу в синаптической щели увеличивается в 20-25 раз.
После деполяризации постсинаптической мембраны необходимо удалить нейромедиатор для восстановления возможности передачи следующего импульса. Это теоретически возможно четырьмя путями [27]: 1) захват его постсинаптической терминалью, 2) обратное поступление в пре-синаптические пузырьки, 3) перемещение Глу в третий, вненейрональный компартмет, 4) катаболизм в синаптической щели. Однако практически
Таблица 1. Концентрация глутамата в различных средах организма [22]
Спинномозговая жидкость <1 цмоль/л
Межклеточная жидкость головного 0.5-2 цмоль/л
мозга
Плазма крови 30-100 цмоль/л
Синаптическая щель 2-1000 цмоль/л
Гомогенат головного мозга 10 ммоль/л
Синаптические пузырьки 100 ммоль/л
реализуется только тремя первыми механизмами. Причем наибольший вклад вносит транспорт Глу во вненейрональный компартмент, роль которого выполняют астроциты [19, 28, 29].
Незначительная часть астроцитарного Глу экскретируется в кровяные капилляры [30, 31]. В то время как большая часть его превращается в глутамин, не обладающий нейромедиаторной активностью [32]:
Глутамат + NH3 + АТФ —► —► Глутамин + АДФ + H3PO4.
Это превращение катализируется глутамин-синтетазой и протекает в микросомах астроци-тов, что было подтверждено гистохимически [33]. Кроме астроцитов, ее активность определяется и в олигодендроцитах. Аммиак, необходимый для этой реакции, поступает из кровеносного русла, либо непосредственно образуется в метаболических путях головного мозга [34].
Поток поступаемого в глутаминсинтетазную реакцию Глу регулируется его внеклеточной концентрацией: при незначительной концентрации предпочтительна глутаминсинтетазная реакция, а при высокой - значительные количества Глу утилизируются астроцитарным малик ферментом [35].
Глутаминсинтетаза играет ключевую роль в реакциях тканевого обезвреживания аммиака, не только в ЦНС, но и в периферических тканях. Уникальность данного фермента для головного мозга состоит в том, что благодаря ему регулируется нейромедиаторный пул Глу. Глутаминсинтетаза мозга человека является белком с четвертичной структурой и состоит из восьми гомологичных субъединиц, каждая из которых имеет молекулярную массу =41кДа [36, 37]. Заслуживает внимания, на наш взгляд, что при фракционировании белков из ткани головного мозга был обнаружен фермент, катализирующий такую же реакцию, но удельная его активность в синтетазной реакции по меньшей мере на 2 порядка ниже, чем у глутаминсинтетазы. Он был назван "белком, подобным глутаминсинтетазе" [38].
Глутамин, синтезированный астроцитами, переносится через цитоплазматические мембраны астроцита и нейрона и поступает в цитозоль ней-рональных клеток, где участвует в цитозольно-митохондриальном челночном механизме ("shuttle") [20]. Он транспортируется через наружную мембрану митохондрии и попадает в межмембранное пространство митохондрии. Там локализуется фосфатактивируемая глутаминаза, которая катализирует гидролиз глутамина до Глу [39].
Глутамин —► Глутамат + NH3.
Примечательно, что неорганический фосфат, образующийся при гидролизе АТФ, снижает Km глутаминазы для глутамина [40].
Дальнейшие превращения Глу происходят в матриксе митохондрий, куда он переносится в обмен на аспартат. В матриксе происходит его тран-саминирование до а-кетоглутарата под действием митохондриальной аспартатаминотрансферазы. Образованный а-кетоглутарат транспортируется переносчиком дикарбоновых кислот через обе митохондриальные мембраны обратно в цитоплазму в обмен на малат, где трансаминируется цитозольной аспартатаминотрансферазой в Глу. Последний накапливается в синаптических везикулах и образует депо нейромедиатора [41]. На этом глутамат-глутаминовый цикл замыкается.
В цитоплазме аспартат вступает в реакцию трансаминирования, в результате которой высвобождается оксалоацетат, который в присутствии НАДН восстанавливается в малат, транспортируемый в митохондрии.
Биологическое значение глутамат-глутамино-вого цикла состоит в следующем: быстрое удаление Глу из синаптической щели; превращение Глу в глутамин, который является инертной транспортной формой Глу в нейрон; и тканевое обезвреживание аммиака - потенциального нейро-токсина [24, 42]. Тканевое обезвреживание аммиака является практически единственным методом обезвреживания аммиака в ЦНС, так как орнити-новый цикл здесь не происходит [43].
При функционировании глутамат-глутамино-вого цикла возможны потери Глу вследствие его окисления, которое довольно активно происходит в головном мозге [44]. Это осуществляется благодаря протеканию аспартатаминотрансфе-разной реакции, в которой Глу превращается в а-кетоглутарат - ключевой субстрат цикла трикар-боновых кислот Кребса.
Глутамат + оксалоацетат
аспартат + а-кетоглутарат.
Равновесие этой реакции в физиологических условиях сдвинуто вправо. Кроме того, значительное количество Глу в астроцитах и нейронах окисляется в глутаматдегидрогеназной реакции, с использованием в качестве коферментов НАД+/НАДФ+. Глута-матдегидрогеназа - один из многофункциональных ферментов, связывающий азотный и углеродный метаболизм [45 , 46]. Вследствие этих превращений происходит утечка нейромедиатор-ного Глу и пополнение энергетических запасов головного мозга (особенно в условиях гипоглике-мического состояния).
В мозге человека глутаматдегидрогеназа представлена тремя изоформами: двумя "легко растворимыми" и одной ассоциированной с мембранами, присутствующими в гомогенатах мозга в соизмеримых количествах, но отличающихся друг от друга по кинетическим константам взаимодействия с субстратами, термоустойчивостью и гидрофобностью [7].
Наличие изоферментных форм глутаматде-гидрогеназы предполагает наличие энзиматиче-ской гетерогенности данного фермента: одна изо-форма принимает участие в основном "соматическом" метаболизме, а вторая - специфическая для нервной ткани - задействована в поддержании нейромедиаторного пула Глу.
Потеря Глу в процессе окисления должна компенсироваться синтезом этого нейромедиатора de novo в головном мозге, так как гематоэнцефали-ческий барьер практически непроницаем для него [47]. Углеродный скелет Глу и глутамина синтезируется из глюкозы, которая свободно проникает через ГЭБ, благодаря наличию специфических транспортных систем. Главное препятствие для синтеза Глу (глутамина) состоит в источнике аминогрупп.
Аминокислоты с разветвленной углеводородной цепью - лейцин, изолейцин, валин - основные кандидаты на роль доноров аминного азота. Они свободно переносятся через ГЭБ (особенно лейцин), и во многих периферических тканях эти соединения являются источниками азота при синтезе заменимой аминокислоты Глу [48]. Головной мозг обладает высокой активностью аминотранс-феразы разветвленных аминокислот, которая катализирует следующую реакцию:
Лейцин + а-кетоглутарат а-кетоизокапронат + глутамат.
Существует две изоформы этого фермента (цитозольная и митохондриальная). Наибольшая его активность проявляется в клетках глии. 2530% азота, включенного в молекулу Глу, поступает из лейцина [49].
Аминотрансферазная реакция легко обратима. Однако существует клеточная компартмента-лизация этой реакции между нейронами и астро-цитами
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.