Хлорный транспорт. Транспорт нейромедиаторов

2



























Хлорный транспорт.

Транспорт нейромедиаторов


Содержание



Хлор-бикарбонатный обменник

Калий-хлорный ко-транспорт

Транспорт хлора внутрь клетки

Транспорт нейромедиаторов

Транспорт в синаптические пузырьки

Механизм закачки медиатора в клетку

АТФазы

Натрий-кальциевые обменники

Переносчики других ионов

Молекулы переносчиков нейромедиаторов

Вывод

Литература




Введение



Концентрация хлора внутри клетки поддерживается в строго определенных границах. В нейронах постоянство уровня хлора особенно важно, поскольку от этого фактора зависит синаптическая депрессия (ингибирование). Хлор-чувствительные АТФазы были описаны в клетках мозга, выращенных в культуре, что указывает на возможность существования первичных механизмов транспорта хлора. Тем не менее, большая часть хлора переносится через мембрану посредством трех механизмов вторичного транспорта. Это - хлор-бикарбонатный обменник, выводящий ионы хлора из клетки через плазматическую мембрану; ко-транспорт калия и хлора наружу клетки; ко-транспорт натрия, калия и хлора.


Хлор-бикарбонатный обменник



Хлор-бикарбонатный обменник встречается в большинстве клеток. Поскольку бикарбонат играет важную роль буфера ионов водорода в цитоплазме, этот механизм, наряду с натрий-водородным обменником, участвует в поддержании внутриклеточного рН. Томас проводил эксперименты по измерению рН в нейронах улитки с помощью рН--чувствителъных электродов. Внутриклеточная среда закислялась посредством инъекции НС1 или аппликации СО2, после чего измерялась скорость восстановления уровня до первоначального. Восстановление замедлялось, если внеклеточный уровень бикарбоната был понижен, а также если внутриклеточная концентрация хлора была снижена. Более того, восстановления рН не происходило вовсе, если из внеклеточной среды полностью удалялся натрий. Следовательно, в процессе восстановления рН происходит перемещение ионов натрия и бикарбоната внутрь клетки в обмен на вывод ионов хлора наружу. Механизм блокируется веществами SITS и DIDS. Хлор и бикарбонат перемещаются против своих электрохимических градиентов за счет энергии, выделяемой при пассивном движении ионов натрия в направлении его градиента.



Калий-хлорный ко-транспорт



Еще одним механизмом переноса хлора является калий-хлорный ко-транспорт. Система не чувствительна к SITS и DIDS, но блокируется фуросемидом и буметанидом (furosemide, bumetanide). Это вещества блокируют хлорный транспорт в таких клетках, как трубчатые клетки почек. Энергия для переноса хлора поступает исключительно от движения ионов калия в направлении его электрохимического градиента, поскольку система эта нечувствительна к изменениям внеклеточной концентрации натрия.


Транспорт хлора внутрь клетки



В клетках многих типов, например, в волокнах скелетной мышцы, трубчатых клетках почки, аксоне кальмара, происходит активное накопление ионов хлора. Транспорт хлора внутрь клетки зависит от внеклеточных уровней калия и натрия, не чувствителен к DIDS и блокируется фуросемидом и буметанидом (furosemide, bumetanide). В клетках почки имеется два подтипа этого механизма: первый имеет стехиометрию Na: К: Clв соотношении 1: 1: 2, а второй Na: Cl в соотношении 1:

1. В экспериментах на аксоне кальмара Рассел показал существование натрий - и калий - зависимого транспорта хлора внутрь клетки, обладающего стехиометрией Na: К: Cl в соотношении 1: 2: 3. 

Пока неясно, объясняется ли это наличием третьего механизма хлорного транспорта или лишь одновременной работой двух вышеописанных механизмов. Транспорт хлора внутрь клетки был также описан в клетках спинного мозга головастиков.



Транспорт нейромедиаторов



Помимо транспорта неорганических ионов, в нервных клетках имеются также механизмы накопления веществ, участвующих в синаптической передаче. Нейромедиаторы транспортируются в органеллы, находящиеся в цитоплазме пресинаптического нервного окончания, где и запасаются к моменту высвобождения в синаптическую щель. 

После высвобождения, такие медиаторы, как норэпинефрин, серотонин, ГАМК, глицин или глутамат, откачиваются из синаптической щели специальными переносчиками, расположенными в клеточной мембране самих нейронов или соседних глиальных клеток. Все эти механизмы являются вторичными транспортными системами и черпают энергию из перемещения ионов калия, натрия или водорода в направлении их электрохимических градиентов.



Транспорт в синаптические пузырьки



Нейромедиаторы синтезируются в цитоплазме нервного окончания, после чего накапливаются в синаптических пузырьках (везикулах) при помощи механизма вторичного активного транспорта, сопряженного с выходом протонов. Этот механизм аналогичен вторичному транспорту через плазматическую мембрану, основанному на движении ионов натрия, однако вместо натриевого градиента здесь используется градиент протонов, создаваемый протонной АТФазой, переносящей протоны из цитоплазмы в синаптические пузырьки. Количество систем транспорта, основанных на энергии движения протонов, ограничено. Так, механизм везикулярного транспорта моноаминов обеспечивает накопление норэпинефрина, дофамина, гистамина и серотонина (5-НТ). Существует также обшая транспортная система для ГАМК и глицина. Ацетилхолин и глутамат обладают собственными системами закачки в пузырьки. Все эти системы, не будучи электрически нейтральными, зависят от потенциала везикулярной мембраны и от градиента рН.



Механизм закачки медиатора в клетку



Медиаторы могут также закачиваться из внеклеточного пространства внутрь нейронов или глиальных клеток. В целом этот процесс выполняет две задачи:

1) устранение медиатора из внеклеточного пространства, окружающего синапс, с целью прекращения его действия на постсинаптическую клетку; и 

2) закачку медиатора обратно в пресинаптическое окончание для повторного использования в синаптической передаче. Все подобные механизмы используют электрохимический градиент натрия для перемещения медиатора в цитоплазму.

Механизмы первого типа сопряжены с перемещением ионов натрия внутрь и ионов калия наружу клетки. Такие системы используются для закачки нейтральных и кислых аминокислот, таких как глутамат. Перемещение одной молекулы глутамата внутрь клетки сопряжено с перемещением двух или трех ионов натрия внутрь и одного иона калия наружу. Кроме того, происходит перемещение либо протона внутрь, либо гидроксильной группы наружу, что приводит к окислению внутриклеточной среды.

Механизмы второго типа используют вход натрия для введения в клетку молекул медиатора и ионов хлора. Эти системы обеспечивают транспорт ГАМК, норэпинефрина, дофамина, глицина и серотонина в клетку. За один цикл в клетку входит один или два иона натрия, одна молекула медиатора и один ион хлора.

Интересным свойством таких механизмов закачки медиаторов в клетку является отсутствие электрической нейтральности. Следовательно, вариации мембранного потенциала, даже в физиологическом диапазоне, могут вызвать реверсию направления работы этих систем. Действительно, в клетках клетчатки сома был показан обратный транспорт ГАМК наружу. Таким образом, транспортные системы могут осуществлять не только закачку медиатора, но и его высвобождение. Реверсия механизма закачки медиатора может также иметь вредные последствия. Так, в результате травмы головного мозга или инсульта может произойти выброс глутамата из деполяризованных глиальных клеток, приводящий к накоплению токсичных концентраций этого медиатора во внеклеточной среде и дальнейшему повреждению соседних клеток.

Круговорот еще одного медиатора, ацетилхолина (ACh), происходит по несколько иной схеме. ACh синтезируется из холина и ацетил-кофермента А (глава 13). После высвобождения ACh в синаптическую щель его действие на постсинаптическую клетку ограничивается особым ферментом (ацетилхолинэстеразой; глава 9), которая гидролизует ACh на ацетат и холин. Приблизительно половина молекул холина закачивается в нервное окончание с помощью высокоаффинного (Кm = 2 мкмоль) механизма и используется для синтеза ACh. Подобно механизмам закачки моноаминов, ГAMK и глицина, этот механизм также зависит от внеклеточного натрия и хлора. Молекулярная структура переносчиков

До сих пор речь шла лишь о функциональных характеристиках переносчиков, без упоминания их молекулярного строения. Как и в случае ионных каналов, каждая функциональная группа связана с определенной белковой молекулой или, в более общем виде, с семейством молекул. Многие из них удалось изолировать и клонировать, а также сделать предположение о конфигурации этих молекул в мембране. Большинство из них имеет от 10 до 12 трансмембранных сегментов и, как полагают, образует канало-подобные структуры. Перенос веществ через мембрану осуществляется путем попеременного выдвижения посадочных мест во внутриклеточную и внеклеточную среды.



АТФазы



Молекулярное строение натрий-калиевой АТФазы изучено достаточно детально. Она состоит из двух субъединиц, молекулярная масса которой составляет приблизительно 100 кД, отвечает за ферментативную активность насоса и содержит все места связывания субстрата. Меньшая по размеру (35 кД) субъединица содержит несколько внеклеточных мест гликозилирования и также необходима для функционирования насоса, однако в чем именно состоит ее роль, неизвестно. Обе субъединицы были успешно клонированы. Места связывания нуклеотидов и фосфорилирования расположены в большом цитоплазматическом участке субъединицы, между четвертым и пятым трансмембранными сегментами. Большая часть субъединицы расположена во внеклеточном пространстве, и лишь один сегмент предположительно пронизывает мембрану. Известны три изоформы -субъединицы, все они экспрессируются в нервной системе.

Семейство кальциевых АТФаз эндо - и саркоплазматического ретикулумов (SERCA) проистекает, как минимум, из трех генов с альтернативным сплайсингом. Семейство кальциевых насосов плазматической мембраны (РМСА) является продуктом экспрессии четырех различных генов, каждый из которых имеет, как минимум, два варианта сплайсинга. Все эти белковые молекулы представляют собой одиночную полипептидную цепочку с молекулярной массой порядка 100 кД, структура которой напоминает субъединицу натрий-калиевой АТФазы с увеличенным цитоплазматическим сегментом со стороны карбоксильного окончания. В отличие от натрий-калиевой АТФазы, эти АТФазы не нуждаются в субъединице для осуществления своей ферментативной активности.



Натрий-кальциевые обменники



Натрий-кальциевый обменник сердечной мышцы (NCX1) представляет собой белок с молекулярной массой около 120 кД, состоящий из 970 аминокислот). Второй тип, NCX2, был первоначально клонирован из мозга крысы. Оба клона обладают рядом изоформ сплайсинга. С помощью гидропатического анализа и исследований с использованием антител было показано, что обменники состоят из 11 трансмембранных сегментов и большой внутриклеточной петли, расположенной между 5-м и 6-м сегментами. Размер и масса RetX несколько больше: 1 199 аминокислот, 130 кД. Несмотря на то, что между RetX и NCX нет большого сходства аминокислотных последовательностей, их мембранная топология должна быть сходной, как показывает гидропатический анализ.


Переносчики других ионов



В мозге крысы были найдены калий-хлорные ко-переносчики (КСС1 и КСС2). Каждый из них состоит из 1100 аминокислот и имеет молекулярную массу 120 кД. На основании первичной структуры этих молекул можно заключить, что в них входят 12 трансмембранных сегментов, и что оба окончания (аминотерминаль и карбокситерминаль) расположены в цитоплазме. Сходной структурой обладают молекулы обменников анионов (АЕ), а также семейство натрий-калий-хлорных ко-переносчикрв (NKCC).



Молекулы переносчиков нейромедиаторов



Сходство первичных аминокислотных последовательностей транспортных белков, производящих закачку в нервное окончание норэпинефрина (NET), серотонина (SERT), дофамина (DAT), ГАМК (GAT) и глицина (GLYT), позволяет заключить, что все они происходят от одного суперсемейства генов. Переносчики моноаминов представляют особый интерес, поскольку именно они являются мишенью для многих наркотических веществ, включая кокаин и амфетамин, а также некоторых антидепрессантов. Каждый член суперсемейства представлен несколькими изотипами. Белки имеют молекулярную массу от 80 до 100 кД и, как следует из гидропати ческого анализа, состоят из 12 трансмембранных сегментов. По первичной последовательности молекулу переносчика холина также можно отнести к этому суперсемейству.

В настоящее время изолировано пять белков, осуществляющих закачку глутамата. Они структурно отличаются от суперсемейства переносчиков моноаминов, ГАМК и глицина. Размер этих белков сравнительно невелик, от 500 до 600 аминокислот, при массе около 65 кД. Гидропатические данные свидетельствуют о наличии 10 трансмембранных сегментов.

Семейства белков, осуществляющих закачку моноаминов, глицина, ГАМК, глутамата и ацетилхолина в синаптические пузырьки, функционально отличаются тем, что зависят не от натриевых, а от протонных градиентов. Везикулярные переносчики моноаминов (VMAT1 и VMAT2) были клонированы раньше других, за ними последовал везикулярный переносчик ацетилхолина (VAChT). Каждая из этих молекул включает в себя от 520 до 530 аминокислот и, судя по гидропатическим данным, состоит из 12 трансмембранных сегментов. Структура VMAT1 и VMAT2 совпадает на 65%, a VAChT идентичен им на 40%. Молекулы переносчиков ГАМК и глицина также были успешно клонированы. Они структурно отличаются от переносчиков моноаминов и ACh и состоят всего из 10 трансмембранных сегментов.


Вывод



Как первичные, так и вторичные механизмы активного транспорта вносят постоянный вклад в поддержание клеточного гомеостаза, а также поставляют необходимые элементы для синаптической передачи. Тем не менее, этими простыми на первый взгляд процессами их роль в жизнедеятельности нервной системы не ограничивается. Переносчики вносят существенный вклад в работу сигнальных систем клетки. Так, например, в небольших ответвлениях нервных окончаний во время распространения потенциала действия, активация натрий-калиевых АТФаз вследствие накопления внутриклеточного натрия может вызвать блок проводимости. Другой пример связан с активацией рецепторов ГАМКА, которые образуют хлорные каналы в мебране клетки. В тех клетках, из которых переносчики выводят хлор наружу, внутриклеточные концентрации этого иона низки, и при открывании хлорных каналов ГАМКА-рецепторов хлор входит в клетку, вызывая гиперполяризацню мембранного потенциала. Напротив, в тех клетках, где преобладают переносчики ионов хлора из внеклеточного пространства в цитоплазму, внутриклеточный уровень хлора сравнительно высок, и открывание ГАМКА-каналов приводит к деполяризации за счет выхода хлора из клетки. Таким образом, характер действия медиатора непосредственно определяется наличием тех или иных переносчиков в клетке.

Еще более важную роль играют переносчики нейромедиаторов. Быстрое удаление молекул медиатора из синаптической щели может предотвратить избыточную активацию, а также инактивацию рецепторов. Своевременная закачка медиатора в синаптические пузырьки поддерживает нервное окончание в состоянии постоянной готовности. Следовательно, переносчики выполняют важнейшую функцию регуляции динамических свойств синапсов и нервной системы в целом.

Вообще говоря, следует рассматривать ионные каналы как системы, проводящие электрические сигналы, а переносчики - как системы обеспечения базовых условий, при которых такое проведение становится возможным. Следует отметить, что между этими двумя системами зачастую происходят и более сложные взаимодействия, влияющие на работу нервной системы.


Литература



	Чернавский Д.С. Синергетика и информация (динамическая теория информации).

	Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики.

	Пригожин И., Стенгерс И. Время. Хаос. Квант. К решению парадокса времени.

	Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой