 |
юБРНюБРНЛЮРХГЮЖХЪюПУХРЕЙРСПЮюЯРПНМНЛХЪюСДХРаХНКНЦХЪаСУЦЮКРЕПХЪбНЕММНЕ ДЕКНцЕМЕРХЙЮцЕНЦПЮТХЪцЕНКНЦХЪцНЯСДЮПЯРБНдНЛдПСЦНЕфСПМЮКХЯРХЙЮ Х ялххГНАПЕРЮРЕКЭЯРБНхМНЯРПЮММШЕ ЪГШЙХхМТНПЛЮРХЙЮхЯЙСЯЯРБНхЯРНПХЪйНЛОЭЧРЕПШйСКХМЮПХЪйСКЭРСПЮкЕЙЯХЙНКНЦХЪкХРЕПЮРСПЮкНЦХЙЮлЮПЙЕРХМЦлЮРЕЛЮРХЙЮлЮЬХМНЯРПНЕМХЕлЕДХЖХМЮлЕМЕДФЛЕМРлЕРЮККШ Х яБЮПЙЮлЕУЮМХЙЮлСГШЙЮмЮЯЕКЕМХЕнАПЮГНБЮМХЕнУПЮМЮ АЕГНОЮЯМНЯРХ ФХГМХнУПЮМЮ рПСДЮоЕДЮЦНЦХЙЮоНКХРХЙЮоПЮБНоПХАНПНЯРПНЕМХЕоПНЦПЮЛЛХПНБЮМХЕоПНХГБНДЯРБНоПНЛШЬКЕММНЯРЭоЯХУНКНЦХЪпЮДХНпЕЦХКХЪяБЪГЭяНЖХНКНЦХЪяОНПРяРЮМДЮПРХГЮЖХЪяРПНХРЕКЭЯРБНрЕУМНКНЦХХрНПЦНБКЪрСПХГЛтХГХЙЮтХГХНКНЦХЪтХКНЯНТХЪтХМЮМЯШуХЛХЪуНГЪИЯРБНжЕММННАПЮГНБЮМХЕвЕПВЕМХЕщЙНКНЦХЪщЙНМНЛЕРПХЙЮщЙНМНЛХЙЮщКЕЙРПНМХЙЮчПХЯОСМДЕМЙЖХЪ
многообразие путей кальциевой сигнализации
|
вХРЮИРЕ РЮЙФЕ: |
Внутриклеточный кальций регулирует калиевые, катион-селективные и хлорные каналы, расположенные на клеточной мембране, а также активность связанных с мембраной фосфолипаз С и А2 (рис. 10.17) 77). Эти ферменты, вовлеченные в образование внутриклеточных вторичных посредников IР3, диацилглицерола и арахидоновой кислоты, также регулируются G-белками (см. выше). В цитоплазме кальций активирует три основных мишени: протеинкиназу С, кальмодулин и кальций-зависимую протеазу (кальпаин).
Кальпаины являются группой протеаз, которые вовлечены в регуляцию цитоскелета и мембранных белков 78· 79). Кальмодулин является белком с четырьмя местами связывания кальция 80· 81). Когда все эти места связаны с кальцием, кальмодулин становится способным активировать кальций/кальмодулин--зависимую протеинкиназу, аденилатциклазу, фосфодиэстеразу циклических нуклеотидов, протеин фосфатазу (кальцинейрин), а также NO-синтазу.
§ 5. Длительное действие медиаторов непрямого действия
Синаптические взаимодействия, опосредованные непрямыми механизмами, развиваются, как правило, более медленно и длятся намного дольше, чем взаимодействия, опосредованные прямыми механизмами. В нервно--мышечном соединении на скелетной мышце требуется всего одна-две миллисекунды для того, чтобы АХ освободился, прошел через синаптическую щель, связался и открыл ионотропные ацетилхолиновые рецепторы. В случае ответов, опосредованных, например, аденилатциклазой или фосфолипазой
206 Раздел II. Передача информации в нервной системе
| Рис. 10.16. Торможение, опосредованное АХ-активируемыми катионными каналами, в волосковых клетках цыпленка. (А) АХ связывается с ионотропными рецепторами, через которые катионы, в том числе кальций, входят внутрь клетки. Входящий кальций активирует кальций-зависимые калиевые каналы, вызывая выходящий калиевый ток и гиперполяризацию. (В) В условиях whole--cell регистрации аппликация АХ на основание волосковой клетки вызывает кратковременный ток небольшой амплитуды (отмечен стрелкой), за которым следует выходящий ток большой амплитуды. В интактной клетке такой ток будет приводить к торможению. При добавлении хелатора кальция ВАРТА в регистрирующий электрод (откуда он проникает в цитоплазму) выходящий ток полностью блокируется, поскольку входящий через АХ-рецепторы кальций связывается с хелатором, что предотвращает активацию кальций--зависимых калиевых каналов. Fig. 10.16. Inhibition by ACh Activated Cation Channels in hair cells from the chick cochlea. (A) In chick hair cells ACh binds to ionotropic receptors that allow cations, including calcium, to flow into the cell. Intracellular calcium causes calcium-activated potassium channels to open, leading to outward potassium current and hyper-polarization. (B) In a whole-cell recording (inset), application of ACh near the base of a hair cell produces a small, transient inward current (arrow) followed by a large outward current. In the intact celt the outward current would be inhibitory. If the calcium chelator BAPTA is added to the recording electrode, and hence to the cell cytoplasm, ACh application produces only inward current. No outward current is seen because incoming calcium ions are chelated and so prevented from activating potassium channels. (Records kindly provided by P. A. Fuchs.) |
С, синтез только одной молекулы цАМФ или гидролиз одного мембранного липида занимает несколько миллисекунд. Даже процесс активации мембранного канала при связывании субъединицы G-белка к самому ионному каналу имеет временной ход в секундном диапазоне, что отражает время жизни активной a-субъединицы 82). Ответы, опосредованные ферментативными реакциями с образованием внутриклеточных вторичных посредников типа цАМФ или IР3, имеют еще более длительный временной ход и длятся от нескольких секунд до нескольких минут, что отражает медленные изменения в концентрации вторичных посредников.
В то же время опыт нам подсказывает, что некоторые изменения в передаче сигналов в нервной системе могут сохраняться на всю жизнь. Каким образом могут происходить столь долговременные изменения в эффективности синаптической передачи? Одним из объяснений этому может быть особое свойство протеинкиназ, о которых говорилось в этой главе. Эти ферменты сами по себе являются мишенью для фосфорилирования. Например, изначально активированная кальцием, СаМ-киназа II фосфорилирует сама себя 83). Если фосфорилируются несколько субъединиц, то свойства этого энзима кардинально меняются: он становится постоянно активным, и кальций-кальмодулиновый комплекс больше не требуется для поддержания его активности. Такого рода механизм может обеспечить долговременные изменения в активности киназы, что в свою очередь может привести к столь же длительному изменению в активности белков, являющихся мишенью этого фермента.
Глава 10. Механизмы непрямой синоптической передачи 207
|
| Рис 10.17. Кальций в роли внутриклеточного вторичного посредника. Концентрация кальция в цитоплазме регулируется его входом через ионные каналы, активностью кальциевых насосов и обменников, секвестрацией во внутриклеточных депо (в том числе в эндоплазматическом ретикулуме), а также освобождением из внутриклеточных депо, которое может вызываться IP, и входом натрия и кальция. В свою очередь, кальций регулирует активность мембранных и цитоплаэматических белков, включая ионные каналы, обменники, насосы, фосфолипазы, протеинкиназу С, кальмодулин и кальпаин. Fig. 10.17. Calcium as an Intracellular Second Messenger. The concentration of calcium in the cytoplasm is regulated by influx through membrane channels, by the activity of calcium pumps and exchangers in the plasma membrane, by sequestration in internal stores such as the endoplasmic reticulum, and by release from internal storage sites by sodium influx, calcium influx, and IP3. Calcium, in turn, regulates membrane and cytosolic proteins, including ion channels, exchangers, pumps, phospholipases, protein kinase C, calmodulin, and calpain. (After Kennedy, 1989.) |
Для того, чтобы изменения сохранялись в течение нескольких дней и больше, обычно требуется изменения на уровне синтеза белков. Было показано, что многие из систем вторичных посредников, описанные в этой главе, вызывают изменения в синтезе белков (рис. 10.18) 84) -- 86). Эти изменения обычно происходят в результате активации одного или более сигнальных каскадов фосфорилирования белков, что приводит к фосфорилированию факторов транскрипции и изменению в экспрессии генов. Самые быстрые эффекты наблюдаются в случае экспрессии немедленных ранних генов c-fos, с--jun и zif /2681, которые кодируют индуцируемые факторы транскрипции из семейств Fos, Jun и Krox87). По окончании трансляции эти белки входят в ядро, где регулируют последующую экспрессию генов, приводя к метаболическим и структурным изменениям, навсегда изменяющим клеточные свойства.
выводы
∙ Нейромедиаторы активируют метаботропные рецепторы в клетках-мишенях. Метаботропные рецепторы сами по себе не являются ионными каналами; они модифицируют работу ионных каналов, ионных насосов и других белков посредством непрямых механизмов.
∙ Действие метаботропных рецепторов опосредовано G-белками. Примерами метаботропных рецепторов являются мускариновый ацетилхолиновый рецептор; a и b -адренорецепторы; определенные рецепторы ГАМК, серотонина, дофамина и глугамата; рецепторы нейропептидов, света и одорантов.
∙ G-белки являются abg -гетеротримерами. В состоянии покоя a -субъединица связана с ГДФ, и все три субъединицы связаны в тримерный комплекс. При активации метаботропного рецептора ГДФ замещается на ГТФ, тример распадается на a-
208 Раздел II. Передача информации в нервной системе
| Рис. 10.18. Сигнальные пути, участвующие в регуляции транскрипции G-белками Активация G белков метаботропными рецепторами запускает внутриклеточные сигнальные каскады, включая фосфатидилиноэитид специфическую фосфолипаэу С (PI--PLC), аденилатциклазу (АС), Ras и Rac, которые, в свою очередь, активируют протеинкинаэы. Протеинкиназы фос форилируют большое количество различных белков-мишеней. Фосфорили рование факторов транскрипции изменяет экспрессию генов и вызывает долговременные изменения в клетке. Fig. 10.18. G Protein Signaling Pathways Alter Transcription. Activation of G proteins by metabotropic neurotransmitter receptors triggers intracellular signaling cascades involving phosphatidylinositide-specific phospholipase С (PI-PLCV adenylyl cyclase (AC), Ras, and Rac, which activate, in turn, protein kinases. The protein kinases phosphorylate a wide variety of target proteins. Phosphorylation of transcription factors alters gene expression and produces Long-lasting changes in the cell. |
и bg -субъединицы, и свободные субъединицы активируют одну или несколько внутриклеточных мишеней. Активность субъединиц G-белка заканчивается с гидролизом ГТФ до ГДП в результате эндогенной ГТФ-азной активности a -субъединицы и рекомбинацией a - и bg -субъединиц в тримерный комплекс.
∙ bg -субъединицы некоторых С-белков связываются напрямую с ионными каналами, увеличивая или уменьшая их активность; a - или bg -субъединицы других G-белков активируют аденилатциклазу, фосфолипазу С или фосфолипазу А2, что приводит к образованию внутриклеточных вторичных посредников с широким спектром эффектов.
∙ Действуя непрямым образом, медиаторы оказывают влияние на работу калиевых и кальциевых каналов. Изменения в работе этих каналов в свою очередь приводят к изменениям потенциала покоя, спонтанной активности, ответов в других синаптических входах, а также в количестве кальция, входящего во время потенциала действия, и, следовательно, в количестве освобождаемого медиатора.
∙ Изменения в концентрации внутриклеточного кальция или кальций-кальмодулина регулируют работу ионных каналов и активность фосфолипаз С и А2, протеинкиназы С, кальпаина, аденилатциклазы, фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов, NO-синтазы. Важными факторами, определяющими действие кальция, являются распределение изменений концентрации кальция внутри клетки, которое может быть очень локальным, а также динамика этих изменений (кальциевые волны и осцилляции).
∙ Действие медиаторов, опосредованное непрямыми механизмами, может длится от нескольких миллисекунд до нескольких лет. В основе быстрых эффектов лежат изменения в активности ионных каналов; эффекты с промежуточной длительностью опосредованы активацией и фосфорилированием ферментов и других белков; длительные эффекты связаны с регуляцией синтеза белков.
Глава 10. Механизмы непрямой синаптической передачи 209
оНХЯЙ ОН ЯЮИРС: