БИОХИМИЯ, 2008, том 73, вып.. 11, с. 1461 - 1466
УДК 577.352
РОЛЬ АЦИДОЗА, NMDA-ПОДТИПА ГЛУТАМАТНЫХ РЕЦЕПТОРОВ И КИСЛОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ ДОГСЬ) В РАЗВИТИИ НЕЙРОНАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПРИ ИШЕМИИ
Обзор
© 2008 г. Н.К. Исаев1, 2*, Е.В. Стельмашук2, Е.Ю. Плотников1, Т.Г. Хряпенкова1, Е.Р. Лозиер3, Ю.В. Долудин3, Д.Н. Силачев1, Д.Б. Зоров1
1 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва; факс: (495)939-3181, Е-таИ: isaev@genebee.msu.su 2 ГУ НЦ неврологии РАМН, 105064 Москва, пер. Обуха, 5 3 Факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва
Поступила в редакцию 31.01.08 После доработки 13.02.08
Приведены данные о влиянии внеклеточного и внутриклеточного ацидоза на жизнеспособность нейронов. Рассмотрено действие ацидоза на развитие повреждений нейронов при ишемии/гипоксии головного мозга. Особое внимание уделено вовлечению в эти процессы ионотропных глутаматных рецепторов и кислото-чувствительного ионного канала 1а.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ацидоз, нейроны, ишемия/гипоксия, рН, А8!С1а.
Хорошо известно, что показатель внутри- и внеклеточной кислотности, или рН, который определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (рН = = —lg[H+]), играет важную роль в регуляции жизнедеятельности и функциональной активности клеток живых организмов. В норме различные изменения функционального состояния клетки в большинстве случаев сопровождаются колебаниями значений внутриклеточного рН (рН на 0,1—0,16 и крайне редко более чем на 1 [1, 2]. Значения рН в разных клеточных ком-партментах, включая клеточные органеллы, различные. Например, если в лизосомах концентрация протонов составляет ~10-5 М, то в мито-хондриальном матриксе ~10-8 М. По данным,
Принятые сокращения: ASIC — кислоточувстви-тельный ионный канал, АФК — активные формы кислорода, NMDA — N-метил-В-аспартат, NMDARs — подтип глутаматных рецепторов, EIPA — 5-(^этил-^изопропил)-амилорид.
* Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
приведенным в большинстве работ, цитоплазма нервной клетки млекопитающих в целом нейтральна (рН ~7,05—6,98) [3—7]. С учетом крайне высокой метаболической активности нейронов это несомненно свидетельствует о наличии совершенных механизмов стабилизации внутри-нейронального рН. Значения рН в других клетках могут значительно варьировать. Так, если в состоянии покоя рН яйцеклетки аксолотля составляет 7,2, то при оплодотворении — 8,3 [8].
Распределение значений рН внутри клетки и их изменение со временем — важный фактор, определяющий функциональное состояние клетки. Такая пространственно-временная гетерогенность рН может эффективно управлять последовательностью различных процессов, протекающих в разных компартментах клетки [2]. Следует отметить, что рН нейронов существенно зависит от внеклеточного рН (рНе) и изменения рНе ведут к параллельным изменениям рН [5, 9]. В свою очередь, снижение рН при ишемии/гипоксии головного мозга приводит к снижению рНе.
Подробное описание механизмов регуляции клеточного и межклеточного pH в норме и патологии можно найти во многих работах [3, 10—13], поэтому мы ограничимся лишь кратким изложением этого вопроса. В поддержание го-меостаза рН в клетке вовлечены метаболические системы, приводящие к генерации или утилизации протонов в цитозоле, системы депонирования и мобилизации протонов из субклеточных органелл и внутриклеточные и внутриорга-нельные кислотно-основные буферные системы. Однако ведущую роль в механизмах рН-ре-гуляции в клетке играют различные системы транспорта ионов водорода через плазматическую мембрану. К их числу относятся Na+/H+-обменник, №+-зависимый и НСО-/С1-незави-симый обменники, №+-НСО--симпорт, вакуо-лярные протонные АТРазы, Са2+/Н+-обменник, Н+-лактат и №+-лактат-симпорт. Не только активность всех ферментов характеризуется определенным оптимумом рН, но и функционирование различных транспортных систем напрямую зависит от pHj и рНе. Клеточный метаболизм, пролиферация и дифференцировка, структура цитоскелета, транспорт ионов через мембраны и генерация АТР митохондриями — все эти процессы рН-зависимы.
СНИЖЕНИЕ ВНУТРИ-И ВНЕКЛЕТОЧНОГО рН ПРИ ИШЕМИИ/ГИПОКСИИ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Ограничение поступления кислорода к клеткам приводит к смещению энергетического обмена в сторону преобладания, а при глубокой гипоксии полного перехода на анаэробный метаболизм — к гликолизу. Эффективность глико-литической генерации ATP гораздо ниже аэробной, митохондриальной, поэтому процессы гидролиза ATP начинают преобладать над синтезом этой молекулы, что способствует накоплению в клетке протонов. В результате интенсификации гликолиза в клетках накапливается его конечный продукт — пировиноградная кислота, которая при участии лактатдегидрогеназы превращается в молочную кислоту. Интенсивный вывод протонов и лактата из клеток вызывают снижение рНе [14]. Если в норме значения рНе в ткани головного мозга составляют 7,31—7,24 [3—5], а значения рН нейронов — 7,05—6,98 [3—7], то при ишемии значения внешнего рН составляют 7,0—6,43 [4—7], а значения рН — 6,86—6,15 [4—6, 15, 16]. Конечно, значения рНеи рН в ишемическом очаге головного мозга гете-рогенны. Чой в обзоре [17] отметил, что непо-
средственно в ишемическом очаге значение pHj составляет 6,4, тогда как в зоне пенумбры — 6,7. Согласно приведенным данным при ишемии происходит закисление среды как вне клетки, так и внутри нее, но по абсолютным значениям эти два параметра различаются, т.е. существует четкая компартментализация этого показателя. Компартментализация [H+] связана не только с разделением pH ткани мозга на рНе и pHb но и с гетерогенностью клеточного состава нервной ткани (различные виды глиальных клеток, нейроны, клетки эндотелия; они выполняют разные функции в цитоплазме и характеризуются разными значениями [H+]). Например, в астро-цитах pHj на 0,1 выше, чем в нейронах [11]. Эта компартментализация [H+] может оказывать большое влияние на локальные изменения pH головного мозга в различных фазах развития ишемического повреждения.
Следует отметить, что еще одной причиной снижения рН при ишемии может быть активация ионотропных глутаматных рецепторов. Стимуляция этих рецепторов приводит к изменениям баланса Са2+, Na+ и K+ в цитозоле нейронов и инициирует резкое понижение уровня цитоплазматического рН [18—20]. При закисле-нии цитоплазмы нейронов при действии Glu или NMDA изменение рН может превышать 0,5 [18, 19]. Снижение pHj нейронов, происходящее при активации NMDA-рецепторов, возникает по многим причинам, например вследствие кальциевой перегрузки нейронов и конкуренции ионов кальция и протонов за места связывания на белках. Вангом с соавт. [21] было показано, что индуцированное Glu закисление цитоплазмы нейронов непосредственно связано с транспортом Са2+ в митохондрии, так как ацидоз цитоплазмы предотвращался специфическим блокатором транспорта Са2+ в митохондрии — рутениевым красным. Позднее было обнаружено, что NMDA-индуцированное закисление можно предотвратить ингибиторами гликолиза или ингибированием Са2+-АТРазы цитоплазма-тической мембраны. Эти данные свидетельствуют о том, что Са2+-АТРаза цитоплазматической мембраны и гликолиз вовлечены в развитие индуцированного Glu закисления цитоплазмы нейронов [22].
АЦИДОЗ СПОСОБЕН ИНДУЦИРОВАТЬ ГИБЕЛЬ НЕЙРОНОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Исследовать влияние ацидоза на жизнеспособность нейронов головного мозга на животных довольно сложно. Гораздо проще моделировать и контролировать интенсивность и продол-
РОЛЬ АЦИДОЗА, NMDA-ПОДТИПА ГЛУТАМАТНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
1463
жительность внеклеточного ацидоза в системах in vitro. В связи с этим влияние ацидоза на выживаемость нейронов определяли в основном с использованием различных систем культивирования нейронов. Было показано, что снижение внешнего рН до 6,5—6,0 в нормоксических условиях вызывает гибель нейронов в клеточных культурах и срезах гиппокампа [23—27], культивированных нейронов коры головного мозга [28], а также культивированных зернистых нейронов мозжечка крыс [29, 30]. На этом же типе нейрональных культур было показано, что внутриклеточным закислением цитоплазмы культивированных зернистых нейронов, вызванным ингибированием Na/H-обмена, обусловливается гибель нейронов [31].
В настоящее время механизмы гибели нейронов, вызванной ацидозом, интенсивно исследуются. Показано, что при закислении среды культивирования гибель нейронов гиппокампа определяется не только некротическим, но и апоптотическим механизмами, так как развитие гибели можно остановить с помощью ингибиторов синтеза белка или RNA, а также ингибиторами каспаз, что не характерно для некротического типа гибели [27]. В то же время в случае внутриклеточного закисления цитоплазмы зернистых нейронов, вызванного ингибированием Na+/H+-обмена, апоптотическая гибель этих нейронов не чувствительна к ингибиторам каспаз и блокируется только циклогексимидом — ингибитором синтеза белка [31].
Следует отметить, что для чувствительности нейронов к повреждающему действию ацидоза может иметь большое значение их нейрохимическая зрелость. Нами было показано, что нейрохимически незрелые культивированные нейроны мозжечка существенно более чувствительны к повреждающему действию ацидоза, чем зрелые [30]. Еще большее значение для развития повреждения нейронов ацидозом имеет продукт анаэробного метаболизма глюкозы — лактат, присутствие которого в среде культивирования увеличивает токсическое действие ацидоза на эти клетки [27, 32].
В последние годы активно обсуждается вопрос об участии в механизмах развития повреждений нейронов при ацидозе кислоточувстви-тельных ионных каналов, и конкретно кислото-чувствительного ионного канала 1а (ASIC 1a). Ранее было обнаружено, что ASIC1a экспресси-рован во многих отделах головного мозга: амиг-доле, хвостатом ядре, черной субстанции, гип-покампе, субталамических ядрах и мозжечке [33]. Было показано, что каналы этого типа открываются при кислых значениях рН, причем половинная активация ASIC1a происходит при
рН ~6,2 [34, 35]. ASICla проницаем для ионов натрия и кальция [36]. В регуляцию работы этого канала в
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.