УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2010, том 41, № 2, с. 27-43
УДК 612.8: 577.175.82
НЕКВАНТОВОЕ ОСВОБОЖДЕНИЕ МЕДИАТОРА: МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?
© 2010 г. А. И. Маломуж, Е. Е. Никольский
Учреждение Российской академии наук Казанский институт биохимии и биофизики Казанского
научного центра РАН; Казанский государственный медицинский университет
В настоящем обзоре с позиции современных представлений о функционировании синаптического контакта проведен анализ работ, описывающих феномен неквантового выделения нейромедиато-ра. В этой связи затрагивается вопрос собственно концепции квантовой секреции медиатора и механизмов, лежащих в основе как квантового, так и неквантового способа освобождения сигнальных молекул. Систематизированы данные, доказывающие наличие данной формы сигнализации в различных синапсах и демонстрирующие ее физиологическую роль.
Ключевые слова: синаптический контакт, нервно-мышечный синапс, нейромедиатор, нейросекре-ция, ацетилхолин, квант медиатора, неквантовая секреция, нейротрофический контроль.
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие методов микроскопии, им-муногистохимии, генной инженерии, клеточной биологии, электрофизиологии и математического моделирования позволило достичь заметного прогресса в нейробиологии. Однако ряд фундаментальных проблем функционирования нервной системы все еще далеки от однозначного решения. Это касается и такого принципиального вопроса, как механизм выделения нейромедиа-торов. Основа современного взгляда на этот процесс заложена Катцем и его коллегами [53], которые доказали, что нейромедиатор выделяется из нервного окончания в виде мультимолекулярных порций, в последствии названных "квантами". Данные электронной микроскопии, выявившие наличие многочисленных везикул непосредственно в нервном окончании, позволили выдвинуть гипотезу о том, что именно эти образования являются хранилищами определенного количества молекул медиатора, составляющего квант. Веским доводом в пользу правомочности данной гипотезы стало обнаружение очень высокой концентрации медиатора внутри этих синаптических везикул [35, 64, 144]. Начиная с этих работ и по сей день, квантово-везикулярная гипотеза выделения медиатора продолжает тщательно изучаться, и исследователи получают все новые и новые доказательства в пользу ее справедливости [см.
50, 109, 127, 128], что и предопределяет доминирование этой концепции нейросекреции в современной нейрофизиологии. Вместе с тем в 1977 г. Катц и Миледи [69] и Выскочил и Иллеш [136] получили первые экспериментальные данные, предполагающие, что медиатор способен вьделяться также и тонически, непорционно. В противовес идее квантовой секреции данный вид выделения медиатора был назван "неквантовым" освобождением. Несмотря на то, что первые данные, свидетельствующие в пользу наличия такого типа секреции, были получены более 40 лет назад, тем не менее большого восторга у нейробиологов это открытие не вызвало. Более того, ряд исследователей вообще считал полученные данные либо артефактом, либо чисто лабораторным феноменом, либо явлением, механизм которого тем или иным образом связан с квантовым выделением медиатора, а саму идею о существовании неквантовой секреции медиатора - мифом. По-видимому, по этой причине работ, посвященных изучению неквантового выделения медиатора, значительно меньше, чем исследований, касающихся кван-тово-везикулярного механизма нейросекреции, причем полученные данные в большинстве своем отрывочны, а порой и противоречивы, что также не способствовало дальнейшему росту интереса к этому физиологическому процессу. Однако в настоящее время ряд фактов, обнаруженных современными методами изучения, заставляет зано-
во посмотреть на всю многогранность процесса нейросекреции, в связи с чем и назрела необходимость анализа и систематизации уже установленных фактов о неквантовом выделении медиатора с целью создания целостного представления о данном виде нейросекреции и ее интеграции в общую концепцию механизмов освобождения медиатора.
Прежде чем приступить к рассмотрению неквантового выделения, необходимо четко обозначить понятие "квант медиатора" и кратко изложить современные представления о механизме квантового выделения сигнальных молекул.
КВАНТОВАЯ СЕКРЕЦИЯ МЕДИАТОРА
По аналогии с другими областями знания в нейробиологии под квантом медиатора понимают относительно стабильную порцию сигнальных молекул, способных одновременно выделяться в экстраклеточное пространство самопроизвольно или при деполяризации нервного окончания потенциалом действия.
Подавляющее количество экспериментальных данных, полученных с использованием широкого спектра методических подходов, начиная с работ Катца [36, 37, 53] и по настоящий день, укладываются в рамки так называемой "кванто-во-везикулярной гипотезы" выделения медиатора, которая базируется на постулате: один квант есть содержимое одной синаптической везикулы. Высвобождение кванта осуществляется посредством кальций-зависимого экзоцитоза, в ходе которого происходит слияние мембраны синап-тической везикулы с мембраной нервного окончания и последующим выделением содержимого везикулы в синаптическую щель. Выделившийся в экстраклеточное пространство медиатор путем диффузии быстро достигает постсинаптической мембраны, где взаимодействует с рецепторами клетки-мишени. В случае, если эти рецепторы -хемоактивируемые ионные каналы, при взаимодействии с ними молекул медиатора, хранившегося в одной синаптической везикуле, через постсинаптическую мембрану протекает электрический ток, приводящий к небольшому изменению потенциала в синаптической зоне, обозначаемому как миниатюрный постсинаптический сигнал. Применительно к нервно-мышечному синапсу эти сигналы амплитудой от нескольких десятых до единиц милливольт получили название миниатюрные потенциалы (или токи) концевой пластинки (МПКП или МТКП). В ответ на потенциал действия из терминали аксона достаточно
синхронно выделяется от единиц до нескольких сотен квантов медиатора [23, 49, 88, 101]. Количество квантов медиатора, приведшее к возникновению конкретного вызванного постсинап-тического ответа, стали обозначать термином "квантовый состав" постсинаптического сигнала. Таким образом, характеристиками интенсивности спонтанной квантовой секреции является средняя частота миниатюрных постсинаптических ответов, а вызванной - средний квантовый состав вызванных сигналов.
Согласно квантово-везикулярной гипотезе интенсивное функционирование синапса предполагает наличие механизма рециклизации си-наптических везикул. Показано, что мембрана синаптической везикулы после слияния с пре-синаптической включается в ее состав, а затем в ходе эндоцитоза участвует в формировании новых синаптических пузырьков, которые заполняются молекулами медиатора, синтезирующимися в нервном окончании. В последние десятилетия достигнут колоссальный прогресс в изучении тонких механизмов экзо- и эндоцитоза [111, 128].
Вместе с тем к настоящему моменту среди большого количества фактов, укладывающихся в классическую квантово-везикулярную гипотезу выделения медиатора, имеет место ряд наблюдений, позволяющих несколько критично отнестись к постулату "один квант - одна везикула" и сформулировать "мультивезикулярную" гипотезу образования кванта [123]. Так, в частности, показано, что в нервно-мышечных синапсах нередко имеет место мультимодальное распределение амплитуд миниатюрных сигналов, а в ряде случаев обнаруживается появление "субминиатюрных" постсинаптических ответов [31, 52, 73, 75, 93]. Помимо этого в синапсах ЦНС обнаруживается достаточно выраженная вариабельность амплитуды спонтанных миниатюрных ответов [18, 82, 133]. Приверженцы мультивезикулярной гипотезы полагают, что "физиологически" квант медиатора, регистрируемый как миниатюрный постси-наптический ответ, есть не что иное, как реакция постсинаптической мембраны на высвобождение содержимого нескольких медиатор-содержащих везикул (что случается часто), тогда как субминиатюрные постсинаптические ответы - это и есть ответ постсинаптической мембраны на выделение содержимого одной синаптической везикулы (что происходит реже). Не вдаваясь в подробности, следует отметить, что данная гипотеза достаточно уязвима для критики, которая базируется на результатах модельных и экспериментальных исследований, показавших, что полимодальность амплитуд спонтанных постсинаптических отве-
тов может быть обусловлена либо разной степенью заполнения везикулы медиатором (изменение размера кванта), либо разной плотностью распределения хеморецепторов на постсинаптической мембране [56, 85, 123, 128, 129].
Существует и другая возможность интерпретации вариабельности амплитуды спонтанного постсинаптического ответа даже при условии неизменного уровня наполнения везикулы и независимости от места выделения везикулы. Это механизм, при котором синаптическая везикула лишь на небольшое время образует пору в аксолемме, после чего везикула теряет контакт с мембраной и отходит обратно в цитоплазму [9]. При этом не происходит полного слияния мембран, а количество выделившегося медиатора будет зависеть от диаметра и времени жизни образовавшейся поры. Такой механизм впоследствии получил название "поцеловать и убежать" (англ. - "kiss and run") или "временная пора" (англ. - "transientpore"). Весьма интересно отметить, что многие аспекты этого механизма еще не установлены, более того, до настоящего времени идут оживленные дебаты о самом факте существования данного механизма квантового выделения медиатора из нейрональ-ной клетки [12, 38, 54, 60, 61, 66, 131].
Относительно недавно на основе физико-химических исследований взаимодействия липидных мембран, математического моделирования и ряда экспериментальных фактов, неоднозначно укладывающихся в границы квантово-везикулярной гипотезы, было выдвинуто еще одно предположение, призванное объяснить возможный механизм порционного выделения медиатора. Это гипотеза пороцитоза [74, 108], которая предполагает, что в основе механизма выделения медиатора через мембрану лежит способность ионов кальция изменять состояние групп липидных молекул таким образом, что между отдельными липи
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.