Хлорний транспорт.
Транспорт нейромедіаторів
Зміст
Хлор-бікарбонатний обмінник
Калій-хлорний ко-транспорт
Транспорт хлору всередину клітини
Транспорт нейромедіаторів
Транспорт в синаптичні пухирці
Механізм закачування медіатора в клітку
АТФази
Натрій-кальцієві обмінники
Переносники інших іонів
Молекули переносників нейромедіаторів
Висновок
Література
Введення
Концентрація хлору всередині клітини підтримується в строго визначених межах. У нейронах сталість рівня хлору особливо важливо, оскільки від цього чинника залежить синаптична депресія (інгібування). Хлор-чутливі АТФази були описані в клітинах мозку, вирощених в культурі, що вказує на можливість існування первинних механізмів транспорту хлору. Тим не менш, велика частина хлору переноситься через мембрану за допомогою трьох механізмів вторинного транспорту. Це - хлор-бікарбонатний обмінник, що виводить іони хлору з клітини через плазматичну мембрану; ко-транспорт калію і хлору назовні клітини; ко-транспорт натрію, калію і хлору.
1. В експериментах на аксоні кальмара Рассел показав існування натрій - і калій - залежного транспорту хлору всередину клітини, що володіє стехіометрією Na: К: Cl у співвідношенні 1: 2: 3.
Поки неясно, пояснюється це наявністю третій механізму хлорного транспорту або лише одночасною роботою двох вищеописаних механізмів. Транспорт хлору всередину клітини був також описаний в клітинах спинного мозку пуголовків.
Після вивільнення, такі медіатори, як норадреналін, серотонін, ГАМК, гліцин або глутамат, відкачуються з синаптичної щілини спеціальними переносниками, розташованими в клітинній мембрані самих нейронів або сусідніх гліальних клітин. Всі ці механізми є вторинними транспортними системами і черпають енергію з переміщення іонів калію, натрію або водню в напрямку їх електрохімічних градієнтів.
1) усунення медіатора з позаклітинного простору, що оточує синапс, з метою припинення його дії на постсинаптичну клітину; і
2) закачування медіатора назад у пресинаптичне закінчення для повторного використання в синаптичної передачі. Всі подібні механізми використовують електрохімічний градієнт натрію для переміщення медіатора в цитоплазму.
Механізми першого типу пов'язані з переміщенням іонів натрію всередину і іонів калію назовні клітини. Такі системи використовуються для закачування нейтральних і кислих амінокислот, таких як глутамат. Переміщення однієї молекули глутамату всередину клітини пов'язане з переміщенням двох або трьох іонів натрію всередину і одного іона калію назовні. Крім того, відбувається переміщення або протона всередину, або гідроксильної групи назовні, що призводить до окислення внутрішньоклітинного середовища.
Механізми другого типу використовують вхід натрію для введення в клітину молекул медіатора та іонів хлору. Ці системи забезпечують транспорт ГАМК, норадреналіну, дофаміну, гліцину і серотоніну в клітку. За один цикл в клітку входить один або два іона натрію, одна молекула медіатора і один іон хлору.
Цікавою властивістю таких механізмів закачування медіаторів в клітину є відсутність електричної нейтральності. Отже, варіації мембранного потенціалу, навіть у фізіологічному діапазоні, можуть викликати реверсію напрямки роботи цих систем. Дійсно, в клітинах клітковини сома був показаний зворотний транспорт ГАМК назовні. Таким чином, транспортні системи можуть здійснювати не тільки закачування медіатора, але і його вивільнення. Реверсія механізму закачування медіатора може також мати шкідливі наслідки. Так, в результаті травми головного мозку або інсульту може статися викид глутамата із деполяризованої гліальних клітин, що призводить до накопичення токсичних концентрацій цього медіатора в позаклітинному середовищі і подальшому ушкодженню сусідніх клітин.
Кругообіг ще одного медіатора, ацетилхоліну (ACh), відбувається за дещо іншою схемою. ACh синтезується з холіну та ацетил-коферменту А (розділ 13). Після вивільнення ACh в синаптичну щілину його дію на постсинаптичну клітку обмежується особливим ферментом (ацетилхолінестеразою; глава 9), яка гідролізує ACh на ацетат і холін. Приблизно половина молекул холіну закачується в нервове закінчення за допомогою високоафінного (До m = 2 мкмоль) механізму і використовується для синтезу ACh. Подібно механізмам закачування моноамінів, ГAMK і гліцину, цей механізм також залежить від позаклітинного натрію і хлору. Молекулярна структура переносників
До цих пір мова йшла лише про функціональні характеристики переносників, без згадування їх молекулярної будови. Як і у випадку іонних каналів, кожна функціональна група пов'язана з певною білковою молекулою або, в більш загальному вигляді, з сімейством молекул. Багато хто з них вдалося ізолювати і клонувати, а також зробити припущення про конфігурацію цих молекул в мембрані. Більшість з них має від 10 до 12 трансмембранних сегментів і, як вважають, утворює канало-подібні структури. Перенесення речовин через мембрану здійснюється шляхом поперемінного висунення посадочних місць у внутрішньоклітинну і позаклітинне середовища.
Сімейство кальцієвих АТФаз ендо - і саркоплазматичного ретикулуму (SERCA) виникає, як мінімум, із трьох генів з альтернативним сплайсингом. Сімейство кальцієвих насосів плазматичної мембрани (РМСА) є продуктом експресії чотирьох різних генів, кожен з яких має, як мінімум, два варіанти сплайсингу. Всі ці білкові молекули являють собою одиночну полипептидную ланцюжок з молекулярною масою близько 100 кД, структура якої нагадує субодиницю натрій-калієвої АТФази зі збільшеним цитоплазматическим сегментом з боку карбоксильного закінчення. На відміну від натрій-калієвої АТФази, ці АТФази не потребують субодиниці для здійснення своєї ферментативної активності.
В даний час ізольовано п'ять білків, що здійснюють закачування глутамату. Вони структурно відрізняються від суперсімейства переносників моноамінів, ГАМК і гліцину. Розмір цих білків порівняно невеликий, від 500 до 600 амінокислот, при масі близько 65 кД. Гідропатів дані свідчать про наявності 10 трансмембранних сегментів.
Сімейства білків, які здійснюють закачування моноамінів, гліцину, ГАМК, глутамату і ацетилхоліну в синаптичних бульбашки, функціонально відрізняються тим, що залежать не від натрієвих, а від протонних градієнтів. Везикулярні переносники моноамінів (VMAT1 і VMAT2) були клоновані раніше за інших, за ними пішов везикулярний переносник ацетилхоліну (VAChT). Кожна з цих молекул включає в себе від 520 до 530 амінокислот і, судячи з гідропатів даними, складається з 12 трансмембранних сегментів. Структура VMAT1 і VMAT2 збігається на 65%, a VAChT ідентичний їм на 40%. Молекули переносників ГАМК і гліцину також були успішно клоновані. Вони структурно відрізняються від переносників моноамінів і ACh і складаються всього з 10 трансмембранних сегментів.
Ще більш важливу роль відіграють переносники нейромедіаторів. Швидке видалення молекул медіатора з синаптичної щілини може запобігти надлишкову активацію, а також інактивацію рецепторів. Своєчасна закачування медіатора в синаптичні пухирці підтримує нервове закінчення в стані постійної готовності. Отже, переносники виконують найважливішу функцію регуляції динамічних властивостей синапсів і нервової системи в цілому.
Взагалі кажучи, слід розглядати іонні канали як системи, які проводять електричні сигнали, а переносники - як системи забезпечення базових умов, при яких таке проведення стає можливим. Слід зазначити, що між цими двома системами часто відбуваються і більш складні взаємодії, що впливають на роботу нервової системи.
2. Малінецкій Г.Г., Потапов А.Б. Сучасні проблеми нелінійної динаміки.
3. Пригожин І., Стенгерс І. Час. Хаос. Квант. До вирішення парадоксу часу.
4. Пригожин І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. Новий діалог людини з природою
Транспорт нейромедіаторів
Зміст
Хлор-бікарбонатний обмінник
Калій-хлорний ко-транспорт
Транспорт хлору всередину клітини
Транспорт нейромедіаторів
Транспорт в синаптичні пухирці
Механізм закачування медіатора в клітку
АТФази
Натрій-кальцієві обмінники
Переносники інших іонів
Молекули переносників нейромедіаторів
Висновок
Література
Введення
Концентрація хлору всередині клітини підтримується в строго визначених межах. У нейронах сталість рівня хлору особливо важливо, оскільки від цього чинника залежить синаптична депресія (інгібування). Хлор-чутливі АТФази були описані в клітинах мозку, вирощених в культурі, що вказує на можливість існування первинних механізмів транспорту хлору. Тим не менш, велика частина хлору переноситься через мембрану за допомогою трьох механізмів вторинного транспорту. Це - хлор-бікарбонатний обмінник, що виводить іони хлору з клітини через плазматичну мембрану; ко-транспорт калію і хлору назовні клітини; ко-транспорт натрію, калію і хлору.
Хлор-бікарбонатний обмінник
Хлор-бікарбонатний обмінник зустрічається в більшості клітин. Оскільки бікарбонат грає важливу роль буфера іонів водню в цитоплазмі, цей механізм, разом з натрій-водневим обмінником, бере участь у підтриманні внутрішньоклітинного рН. Томас проводив експерименти з вимірювання рН в нейронах равлики з допомогою рН - чувствітел'них електродів. Внутрішньоклітинна середу закісляется допомогою ін'єкції НС1 або аплікації СО 2, після чого вимірювалася швидкість відновлення рівня до початкового. Відновлення сповільнювався, якщо позаклітинний рівень бікарбонату був знижений, а також якщо внутрішньоклітинна концентрація хлору була знижена. Більше того, відновлення рН не відбувалося зовсім, якщо з позаклітинної середовища повністю віддалявся натрій. Отже, в процесі відновлення рН відбувається переміщення іонів натрію і бікарбонату всередину клітини в обмін на виведення іонів хлору назовні. Механізм блокується речовинами SITS і DIDS. Хлор і бікарбонат переміщуються проти своїх електрохімічних градієнтів за рахунок енергії, що виділяється при пасивному русі іонів натрію в напрямку його градієнта.Калій-хлорний ко-транспорт
Ще одним механізмом перенесення хлору є калій-хлорний ко-транспорт. Система не чутлива до SITS і DIDS, але блокується фуросемідом і буметанід (furosemide, bumetanide). Це речовини блокують хлорний транспорт у таких клітинах, як трубчасті клітини нирок. Енергія для перенесення хлору надходить виключно від руху іонів калію в напрямку його електрохімічного градієнта, оскільки система ця нечутлива до змін позаклітинної концентрації натрію.Транспорт хлору всередину клітини
У клітинах багатьох типів, наприклад, у волокнах скелетної м'яза, трубчастих клітинах нирки, аксоні кальмара, відбувається активне накопичення іонів хлору. Транспорт хлору всередину клітини залежить від позаклітинних рівнів калію і натрію, не чутливий до DIDS і блокується фуросемідом і буметанід (furosemide, bumetanide). У клітинах нирки є два підтипи цього механізму: перший має стехіометрію Na: К: Clв співвідношенні 1: 1: 2, а другий Na: Cl у співвідношенні 1:1. В експериментах на аксоні кальмара Рассел показав існування натрій - і калій - залежного транспорту хлору всередину клітини, що володіє стехіометрією Na: К: Cl у співвідношенні 1: 2: 3.
Поки неясно, пояснюється це наявністю третій механізму хлорного транспорту або лише одночасною роботою двох вищеописаних механізмів. Транспорт хлору всередину клітини був також описаний в клітинах спинного мозку пуголовків.
Транспорт нейромедіаторів
Крім транспорту неорганічних іонів, в нервових клітинах є також механізми накопичення речовин, що беруть участь у синаптичній передачі. Нейромедіатори транспортуються в органели, що знаходяться в цитоплазмі пресинаптичного нервового закінчення, де і запасаються до моменту вивільнення в синаптичну щілину.Після вивільнення, такі медіатори, як норадреналін, серотонін, ГАМК, гліцин або глутамат, відкачуються з синаптичної щілини спеціальними переносниками, розташованими в клітинній мембрані самих нейронів або сусідніх гліальних клітин. Всі ці механізми є вторинними транспортними системами і черпають енергію з переміщення іонів калію, натрію або водню в напрямку їх електрохімічних градієнтів.
Транспорт в синаптичні пухирці
Нейромедіатори синтезуються в цитоплазмі нервового закінчення, після чого накопичуються в синаптичних везикулах (везикулах) за допомогою механізму вторинного активного транспорту, сполученого з виходом протонів. Цей механізм аналогічний вторинному транспорту через плазматичну мембрану, заснованому на русі іонів натрію, проте замість натрієвого градієнта тут використовується градієнт протонів, створюваний протонної АТФази, яка переносить протони з цитоплазми в синаптичні пухирці. Кількість систем транспорту, заснованих на енергії руху протонів, обмежена. Так, механізм везикулярного транспорту моноамінів забезпечує накопичення норепінефрину, дофаміну, гістаміну і серотоніну (5-НТ). Існує також спільна транспортна система для ГАМК і гліцину. Ацетилхолін і глутамат володіють власними системами закачування в бульбашки. Всі ці системи, не будучи електрично нейтральними, залежать від потенціалу везикулярной мембрани і від градієнта рН.Механізм закачування медіатора в клітку
Медіатори можуть також закачуватися з позаклітинного простору всередину нейронів або гліальних клітин. У цілому цей процес виконує два завдання:1) усунення медіатора з позаклітинного простору, що оточує синапс, з метою припинення його дії на постсинаптичну клітину; і
2) закачування медіатора назад у пресинаптичне закінчення для повторного використання в синаптичної передачі. Всі подібні механізми використовують електрохімічний градієнт натрію для переміщення медіатора в цитоплазму.
Механізми першого типу пов'язані з переміщенням іонів натрію всередину і іонів калію назовні клітини. Такі системи використовуються для закачування нейтральних і кислих амінокислот, таких як глутамат. Переміщення однієї молекули глутамату всередину клітини пов'язане з переміщенням двох або трьох іонів натрію всередину і одного іона калію назовні. Крім того, відбувається переміщення або протона всередину, або гідроксильної групи назовні, що призводить до окислення внутрішньоклітинного середовища.
Механізми другого типу використовують вхід натрію для введення в клітину молекул медіатора та іонів хлору. Ці системи забезпечують транспорт ГАМК, норадреналіну, дофаміну, гліцину і серотоніну в клітку. За один цикл в клітку входить один або два іона натрію, одна молекула медіатора і один іон хлору.
Цікавою властивістю таких механізмів закачування медіаторів в клітину є відсутність електричної нейтральності. Отже, варіації мембранного потенціалу, навіть у фізіологічному діапазоні, можуть викликати реверсію напрямки роботи цих систем. Дійсно, в клітинах клітковини сома був показаний зворотний транспорт ГАМК назовні. Таким чином, транспортні системи можуть здійснювати не тільки закачування медіатора, але і його вивільнення. Реверсія механізму закачування медіатора може також мати шкідливі наслідки. Так, в результаті травми головного мозку або інсульту може статися викид глутамата із деполяризованої гліальних клітин, що призводить до накопичення токсичних концентрацій цього медіатора в позаклітинному середовищі і подальшому ушкодженню сусідніх клітин.
Кругообіг ще одного медіатора, ацетилхоліну (ACh), відбувається за дещо іншою схемою. ACh синтезується з холіну та ацетил-коферменту А (розділ 13). Після вивільнення ACh в синаптичну щілину його дію на постсинаптичну клітку обмежується особливим ферментом (ацетилхолінестеразою; глава 9), яка гідролізує ACh на ацетат і холін. Приблизно половина молекул холіну закачується в нервове закінчення за допомогою високоафінного (До m = 2 мкмоль) механізму і використовується для синтезу ACh. Подібно механізмам закачування моноамінів, ГAMK і гліцину, цей механізм також залежить від позаклітинного натрію і хлору. Молекулярна структура переносників
До цих пір мова йшла лише про функціональні характеристики переносників, без згадування їх молекулярної будови. Як і у випадку іонних каналів, кожна функціональна група пов'язана з певною білковою молекулою або, в більш загальному вигляді, з сімейством молекул. Багато хто з них вдалося ізолювати і клонувати, а також зробити припущення про конфігурацію цих молекул в мембрані. Більшість з них має від 10 до 12 трансмембранних сегментів і, як вважають, утворює канало-подібні структури. Перенесення речовин через мембрану здійснюється шляхом поперемінного висунення посадочних місць у внутрішньоклітинну і позаклітинне середовища.
АТФази
Молекулярне будова натрій-калієвої АТФази вивчено досить детально. Вона складається з двох субодиниць, молекулярна маса якої становить приблизно 100 кБ, відповідає за ферментативну активність насоса і містить всі місця зв'язування субстрату. Менша за розміром (35 кБ) субодиниця містить кілька позаклітинних місць глікозилювання і також необхідна для функціонування насоса, проте в чому саме полягає її роль, невідомо. Обидві субодиниці були успішно клоновані. Місця зв'язування нуклеотидів і фосфорилювання розташовані у великому цитоплазматичної ділянці субодиниці, між четвертим і п'ятим трансмембранним сегментами. Велика частина субодиниці розташована у позаклітинному просторі, і лише один сегмент імовірно пронизує мембрану. Відомі три ізоформи?-Субодиниці, всі вони експресуються в нервовій системі.Сімейство кальцієвих АТФаз ендо - і саркоплазматичного ретикулуму (SERCA) виникає, як мінімум, із трьох генів з альтернативним сплайсингом. Сімейство кальцієвих насосів плазматичної мембрани (РМСА) є продуктом експресії чотирьох різних генів, кожен з яких має, як мінімум, два варіанти сплайсингу. Всі ці білкові молекули являють собою одиночну полипептидную ланцюжок з молекулярною масою близько 100 кД, структура якої нагадує субодиницю натрій-калієвої АТФази зі збільшеним цитоплазматическим сегментом з боку карбоксильного закінчення. На відміну від натрій-калієвої АТФази, ці АТФази не потребують субодиниці для здійснення своєї ферментативної активності.
Натрій-кальцієві обмінники
Натрій-кальцієвий обмінник серцевого м'яза (NCX1) являє собою білок з молекулярною масою близько 120 кД, що складається з 970 амінокислот). Другий тип, NCX2, був спочатку клонований з мозку щура. Обидва клону володіють рядом ізоформ сплайсингу. За допомогою гідропатів аналізу та досліджень з використанням антитіл було показано, що обмінники складаються з 11 трансмембранних сегментів і великий внутрішньоклітинної петлі, розташованої між 5-м і 6-м сегментами. Розмір і маса RetX дещо більше: 1 199 амінокислот, 130 кД. Незважаючи на те, що між RetX і NCX немає великого подібності амінокислотних послідовностей, їх мембранна топологія повинна бути схожою, як показує гідропатичний аналіз.Переносники інших іонів
У мозку щура були знайдені калій-хлорні ко-переносники (КСС1 і КСС2). Кожен з них складається з 1100 амінокислот і має молекулярну масу 120 кД. На підставі первинної структури цих молекул можна зробити висновок, що в них входять 12 трансмембранних сегментів, і що обидва закінчення (амінотерміналь і карбоксітерміналь) розташовані в цитоплазмі. Схожою структурою мають молекули обмінників аніонів (АЕ), а також сімейство натрій-калій-хлорних ко-переносчікрв (NKCC).Молекули переносників нейромедіаторів
Подібність первинних амінокислотних послідовностей транспортних білків, які виробляють закачування в нервове закінчення норепінефрину (NET), серотоніну (SERT), дофаміну (DAT), ГАМК (GAT) і гліцину (GLYT), дозволяє зробити висновок, що всі вони походять від одного суперсімейства генів. Переносники моноамінів становлять особливий інтерес, оскільки саме вони є мішенню для багатьох наркотичних речовин, включаючи кокаїн та амфетамін, а також деяких антидепресантів. Кожен член суперсімейства представлений декількома ізотипів. Білки мають молекулярну масу від 80 до 100 кД і, як випливає з гідропатії тичного аналізу, складаються з 12 трансмембранних сегментів. За первинної послідовності молекулу переносника холіну також можна віднести до цього суперсімейство.В даний час ізольовано п'ять білків, що здійснюють закачування глутамату. Вони структурно відрізняються від суперсімейства переносників моноамінів, ГАМК і гліцину. Розмір цих білків порівняно невеликий, від 500 до 600 амінокислот, при масі близько 65 кД. Гідропатів дані свідчать про наявності 10 трансмембранних сегментів.
Сімейства білків, які здійснюють закачування моноамінів, гліцину, ГАМК, глутамату і ацетилхоліну в синаптичних бульбашки, функціонально відрізняються тим, що залежать не від натрієвих, а від протонних градієнтів. Везикулярні переносники моноамінів (VMAT1 і VMAT2) були клоновані раніше за інших, за ними пішов везикулярний переносник ацетилхоліну (VAChT). Кожна з цих молекул включає в себе від 520 до 530 амінокислот і, судячи з гідропатів даними, складається з 12 трансмембранних сегментів. Структура VMAT1 і VMAT2 збігається на 65%, a VAChT ідентичний їм на 40%. Молекули переносників ГАМК і гліцину також були успішно клоновані. Вони структурно відрізняються від переносників моноамінів і ACh і складаються всього з 10 трансмембранних сегментів.
Висновок
Як первинні, так і вторинні механізми активного транспорту вносять постійний внесок у підтримання клітинного гомеостазу, а також постачають необхідні елементи для синаптичної передачі. Тим не менш, цими простими на перший погляд процесами їх роль у життєдіяльності нервової системи не обмежується. Переносники вносять істотний внесок в роботу сигнальних систем клітини. Так, наприклад, в невеликих відгалуженнях нервових закінчень під час поширення потенціалу дії, активація натрій-калієвих АТФаз внаслідок накопичення внутрішньоклітинного натрію може викликати блок провідності. Інший приклад пов'язаний з активацією рецепторів ГАМК А, які утворюють хлорні канали в мебране клітини. У тих клітинах, з яких переносники виводять хлор назовні, внутрішньоклітинні концентрації цього іона низькі, і при відкриванні хлорних каналів ГАМК А-рецепторів хлор входить у клітку, викликаючи гіперполярізацню мембранного потенціалу. Навпаки, в тих клітинах, де переважають переносники іонів хлору з позаклітинного простору в цитоплазму, внутрішньоклітинний рівень хлору порівняно високий, і відкривання ГАМК А-каналів призводить до деполяризації за рахунок виходу хлору з клітки. Таким чином, характер дії медіатора безпосередньо визначається наявністю тих чи інших переносників в клітці.Ще більш важливу роль відіграють переносники нейромедіаторів. Швидке видалення молекул медіатора з синаптичної щілини може запобігти надлишкову активацію, а також інактивацію рецепторів. Своєчасна закачування медіатора в синаптичні пухирці підтримує нервове закінчення в стані постійної готовності. Отже, переносники виконують найважливішу функцію регуляції динамічних властивостей синапсів і нервової системи в цілому.
Взагалі кажучи, слід розглядати іонні канали як системи, які проводять електричні сигнали, а переносники - як системи забезпечення базових умов, при яких таке проведення стає можливим. Слід зазначити, що між цими двома системами часто відбуваються і більш складні взаємодії, що впливають на роботу нервової системи.
Література
1. Чернавський Д.С. Синергетика та інформація (динамічна теорія інформації).2. Малінецкій Г.Г., Потапов А.Б. Сучасні проблеми нелінійної динаміки.
3. Пригожин І., Стенгерс І. Час. Хаос. Квант. До вирішення парадоксу часу.
4. Пригожин І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. Новий діалог людини з природою