Изменение мембранного потенциала

На рис. 2 показана структура так называемого никотинового холинорецептора. Он локализован на постсинаптической мембране клетки и при связывании ацетилхолина изменяет свою конформацию таким образом, что через устье, сформированное субъединицами, внутрь клетки устремляются ионы Na+. Происходит деполяризация, а затем и замена заряда мембраны на противоположный, что приводит к выходу К+ из клетки. Ток ионов К+ возвращает потенциал мембраны к исходной величине. В процессе этой перезарядки мембраны, называемой потенциалом действия, через этот же канал-холинорецептор внутрь клетки могут входить ионы Са2+. Следовательно, этот канал нельзя назвать избирательным в отношении катионов. В то же время это очень быстродействующая регуляторная система — потенциал действия, вызываемый ацетилхолином, возникает и гасится за 1–2 миллисекунды, благодаря чему синапс может проводить от аксона на иннервируемую клетку до 500 имп./с. Такое быстрое развитие и гашение сигнала возможны благодаря быстроте связывания ацетилхолина с рецептором, а также высоким скоростям его диссоциации от рецептора и разрушения ацетилхолинэстеразой. Разумеется, не менее важен и механизм открывания канала за счет конформационных переходов, происходящих за наносекунды. Продолжительное и быстрое функционирование холинергического синапса требует также большого запаса ацетилхолина, который синтезируется впрок и накапливается в везикулах пресинаптической мембраны. Кроме того, в клетках должны существовать высокие градиенты ионов Na+ и К+ по обе стороны плазматической мембраны, которые создаются и поддерживаются Ыа+/К+– насосом (см. статью А.А. Болдырева "Nа/К-АТФаза — свойства и биологическая роль": Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 4).

Быстродействие ацетилхолина (как и других нейромедиаторов) определяется также особенностями того морфологического образования, которое существует между аксоном и иннервируемой клеткой и которое называется синапсом. Благодаря тому что расстояние между пре- и постсинаптической мембранами составляет всего 300–500 Б, а холинорецепторы сконцентрированы в виде кластеров строго против мест секреции ацетилхолина, в момент разрыва секреторного пузырька нейромедиатор быстро оказывается в месте его рецепции. Кроме того, при раздражении аксона происходит выброс столь большого количества ацетилхолина, что молекулы этого нейромедиатора мгновенно насыщают все рецепторы и вызывают массированный вход Na+ в клетку (развитие потенциала действия).

Холинергические рецепторы никотинового типа имеют очень низкое сродство к ацетилхолину — полумаксимальное насыщение рецепторов наблюдается в присутствии 10– 4 М ацетилхолина, поэтому как только ацетилхолинэстераза (локализованная, кстати, рядом с холинорецептором) начинает гидролизовать ацетилхолин и понижать его уровень в синапсе, происходят диссоциация этого нейромедиатора от рецептора и возвращение канала в закрытое состояние. Сродство рецептора к нейромедиатору или гормону определяется соотношением скоростей диссоциации и ассоциации гормон-рецепторного комплекса. При константе диссоциации 10– 4– 10– 3 М скорость диссоциации ацетилхолина от рецептора составляет доли миллисекунды, что, несомненно, очень важно для быстрого (за 1–2 миллисекунды) восстановления синаптической передачи.

Холинорецептор-каналоформер, функционирующий на постсинаптической мембране, получил название "никотиновый" благодаря тому, что никотин, алкалоид из листьев табака имитирует действие ацетилхолина. На рис. 2 показана структура, которую этот рецептор имеет в электрическом органе рыб или в мышцах эмбрио нов. Видно, что полипептидные цепи каждой из субъединиц (две альфа, по одной бета, гамма и дельта) четыре раза пронизывают мембрану (рис. 2, справа). В зрелых дифференцированных мышцах взрослого животного гамма-субъединица в составе холинорецептора замещается на эпсилон-субъединицу, а в нервных клетках этот рецептор представлен лишь тремя альфа- и двумя бета-субъединицами, что приводит к снижению электропроводности канала для ионов Na+.

Химическая модификация белков

Совершенно иную структуру и другой механизм функционирования имеет так называемый мускариновый холинергический рецептор, который локализован преимущественно вне синапса. На этот рецептор не действует никотин, но он прекрасно активируется мускарином (алкалоидом из ядовитых грибов), а также, разумеется, ацетилхолином, к которому имеет сродство порядка 10– 6 М. Существуют по крайней мере четыре типа мускариновых рецепторов, причем все они близки по структуре (полипептидная цепь семь раз пронизывает мембрану) и сопряжены с G-белками, но передают сигнал разным системам внутриклеточной сигнализации. Так, например, М-холинорецепторы могут стимулировать фосфолипазу С, которая гидролизует фосфоинозитиды, и могут ингибировать аденилатциклазу, синтезирующую циклический АМФ (см. рис. 3) и активировать К+– канал.

Эффекты мускариновых холинорецепторов развиваются спустя минуты после взаимодействия с рецептором и гасятся за десятки минут. Столь разительное отличие в скоростях проведения ацетилхолинового сигнала между никотиновым и мускариновым рецепторами объясняется прежде всего разной кинетикой связывания лиганда с соответствующими рецепторами (диссоциация ацетилхолина от мускаринового рецептора происходит за десятки минут), сложным каскадом проведения сигнала в случае мускариновой регуляторной системы (необходимо последовательное взаимодействие рецептора с соответствующим G-белком, затем G-белка с определенным ферментом или каналом и т. д.), а также сравнительно медленно протекающими химическими реакциями синтеза вторичных посредников, фосфорилирования и дефосфорилирования белков.

В каждой клетке функционируют обычно разные типы рецепторов к одному и тому же гормону (например, как альфа-, так и бета-адренорецепторы). Кроме того, клетка чувствительна обычно к 7-10 разным эндокринным регуляторам (нейромедиаторам, гормонам, простагландинам, факторам роста). Каждый из этих регуляторов имеет характерные только для него продолжительность и амплитуду регуляторного сигнала, для каждого характерно определенное соотношение активностей систем генерации вторичных посредников в клетке или изменения мембранного потенциала. На уровне исполнительных систем клетки может происходить как потенциирование, так и взаимное гашение разных регуляторных сигналов.

В каждой клетке функционирует также специальная биохимическая надстройка, регулирующая чувствительность клеток к гормону. Проиллюстрируем ее на примере рецептора, сопряженного с G-белками. Обычно уровень гормонов, действующих через эту систему трансмембранной сигнализации (к их числу помимо названных выше относятся простагландины, гормоны гипофиза, ангиотензин II, брадикинин, вазопрессин, окситоцин, гистамин, дофамин, энкефалин, эндорфин, серотонин, эндотелии, холецистокинин, гастрин, паратироидный гормон), повышается на несколько минут. Этого времени достаточно, чтобы произошло образование нужного количества вторичных посредников (циклического АМФ, Са2+, диацилглицерина), которые вызовут активацию соответствующих протеинкиназ и последующее за этим фосфорилирование белков. Если же уровень гормона сохраняется повышенным в течение десятков минут или нескольких часов (из-за гиперфункции эндокринной железы или фармакологического вмешательства), то происходит десенсибилизация соответствующего рецептора. Сначала протеинкиназа, которая есть в плазматической мембране практически всех клеток, фосфорилирует рецептор, в результате чего его сродство к гормону снижается в 2–5 раз. Эта протеинкиназа может фосфорилировать только гормон-рецепторный комплекс, поэтому, чем дольше гормон связан с рецептором, тем больше вероятность того, что рецептор будет фосфорилирован. Если такое фосфорилирование не в состоянии погасить гормональный сигнал, то спустя 15–30 мин происходит фосфорилирование рецептора протеинкиназой, которая активируется соответствующим вторичным посредником (например, в случае b-адренергических рецепторов, активирующих аденилатциклазу, цАМФ-зависимой протеинкиназой; в случае а1-адренергических или M1- и М3-холинергических рецепторов, активирующих фосфолипазу С, протеинкиназой С). Фосфорилирование рецепторов протеинкиназами, зависимыми от вторичных посредников, нарушает сопряжение с G-белками, вследствие чего ослабляется активирующее или ингибирующее влияние гормонов, действующих через эти рецепторы на аденилатциклазу, фосфолипазы А, С и D, Са2+– или К+– каналы. Если высокий уровень гормона сохраняется в течение нескольких часов, а перечисленные выше механизмы десенсибилизации не в состоянии погасить регуляторный сигнал, происходит эндоцитоз гормон-рецепторных комплексов и внутри клетки появляются рецепторосомы. Они могут вновь встроиться в плазматическую мембрану, если уровень гормона понизится в первые 2–3 часа. Если этого не происходит, они сливаются с лизосомами, после чего рецепторы разрушаются. Очевидно, что восстановление чувствительности клетки к этому гормону потребует нового синтеза рецепторов.