 |
юБРНюБРНЛЮРХГЮЖХЪюПУХРЕЙРСПЮюЯРПНМНЛХЪюСДХРаХНКНЦХЪаСУЦЮКРЕПХЪбНЕММНЕ ДЕКНцЕМЕРХЙЮцЕНЦПЮТХЪцЕНКНЦХЪцНЯСДЮПЯРБНдНЛдПСЦНЕфСПМЮКХЯРХЙЮ Х ялххГНАПЕРЮРЕКЭЯРБНхМНЯРПЮММШЕ ЪГШЙХхМТНПЛЮРХЙЮхЯЙСЯЯРБНхЯРНПХЪйНЛОЭЧРЕПШйСКХМЮПХЪйСКЭРСПЮкЕЙЯХЙНКНЦХЪкХРЕПЮРСПЮкНЦХЙЮлЮПЙЕРХМЦлЮРЕЛЮРХЙЮлЮЬХМНЯРПНЕМХЕлЕДХЖХМЮлЕМЕДФЛЕМРлЕРЮККШ Х яБЮПЙЮлЕУЮМХЙЮлСГШЙЮмЮЯЕКЕМХЕнАПЮГНБЮМХЕнУПЮМЮ АЕГНОЮЯМНЯРХ ФХГМХнУПЮМЮ рПСДЮоЕДЮЦНЦХЙЮоНКХРХЙЮоПЮБНоПХАНПНЯРПНЕМХЕоПНЦПЮЛЛХПНБЮМХЕоПНХГБНДЯРБНоПНЛШЬКЕММНЯРЭоЯХУНКНЦХЪпЮДХНпЕЦХКХЪяБЪГЭяНЖХНКНЦХЪяОНПРяРЮМДЮПРХГЮЖХЪяРПНХРЕКЭЯРБНрЕУМНКНЦХХрНПЦНБКЪрСПХГЛтХГХЙЮтХГХНКНЦХЪтХКНЯНТХЪтХМЮМЯШуХЛХЪуНГЪИЯРБНжЕММННАПЮГНБЮМХЕвЕПВЕМХЕщЙНКНЦХЪщЙНМНЛЕРПХЙЮщЙНМНЛХЙЮщКЕЙРПНМХЙЮчПХЯОСМДЕМЙЖХЪ
синтез дофамина и норадреналина
|
вХРЮИРЕ РЮЙФЕ: |
Другой механизм, контролирующий синтез веществ в клетке, — это механизм отрицательной обратной связи, согласно которому скорость биосинтеза тормозится при увеличении конечного продукта реакции. Хороший пример этого приводится в работах фон Эйлера, Аксельрода, Уденфренда и их коллег по исследованию синтеза, хранения и высвобождения норадреналина в симпатических нейронах и секреторных клетках надпочечников 23). Клетки надпочечников сходны с симпатическими нейронами по многим параметрам: они имеют одинаковое эмбриональное происхождение, они иннервированы холинергическими волокнами, приходящими из центральной нервной системы, и они высвобождают катехоламины в ответ на стимуляцию. (Термин катехоламииы используется для обозначения
Глава 13. Клеточная и молекулярная биохимия синаптической передачи 269
группы таких веществ, как ДОФА, дофамин, норадреналин и адреналин, которые содержат катехольное ядро — бензольное кольцо с двумя присоединенными гидроксильными группами — и аминогруппу.) Симпатические нейроны млекопитающих высвобождают норадреналин (те же нейроны у лягушки высвобождают адреналин); клетки надпочечника выделяют и адреналин, и норадреналин.
Норадреналин синтезируется из общего клеточного метаболита тирозина в серии реакций, состоящей из трех шагов: тирозин превращается в ДОФА ферментом тирозингидроксилазой, из ДОФА образуется дофамин под действием фермента декарбоксилазы ароматических L-аминокислот, дофамин превращается в норадреналин под действием дофамин-b-гидроксилазы (рис. 13.6). Превращение тирозина в ДОФА и ДОФА в дофамин происходит в цитоплазме. Затем дофамин транспортируется в синаптические пузырьки, где он превращается в норадреналин дофамин-b-гидроксилазой, связанной с мембраной везикул. Большая часть норадреналина хранится внутри везикул; некоторое количество норадреналина проникает обратно в цитоплазму, где подвергается распаду под действием моноаминоксидазы.
Нейроны, которые выделяют дофамин как медиатор, содержат тирозингидроксилазу и декарбоксилазу ароматических L-аминокислот, но в этих нейронах отсутствует дофаминb-гидроксилаза. Другие нейроны, так же как и клетки надпочечников, высвобождают адреналин, который образуется из норадреналина под действием фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы.
Обычно первый фермент такого многоступенчатого процесса является фактором, лимитирующим скорость процесса, и ингибируется конечным продуктом реакции. В экстрактах надпочечника активность тирозингидроксилазы на два порядка ниже, чем декарбоксилазы ароматических L-аминокислот и дофаминb-гидроксилазы, что дает основания предполагать, что гидроксилирование тирозина является этапом, лимитирующим скорость всего процесса. Более того, было установлено, что тирозингидроксилаза ингибируется норадреналином (а также дофамином и адреналином). Таким образом, по мере накопления дофамина, норадреналина или адреналина дальнейший их синтез будет тормозиться до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия, при котором скорость синтеза станет равной скорости распада и высвобождения (рис. 13.6).
Доказательства того, что ингибирование по принципу обратной связи регулирует синтез норадреналина в нейронах, были получены в экспериментах Вейнера с коллегами на терминалях симпатических аксонов, иннервирующих гладкие мышцы сосудистого русла (vas deferens)24). Эти авторы измерили скорость синтеза норадреналина в терминалях, инкубируя препараты с радиоактивно меченым предшественником и наблюдая за накоплением радиоактивного норадреналина. Они обнаружили, что скорость синтеза норадреналина была более чем в три раза выше, если в качестве предшественника для первой ферментативной реакции каскада использовали ДОФА вместо тирозина. Эти данные подтвердили, что превращение тирозина в ДОФА лимитирует скорость биосинтеза.
Для того чтобы доказать, что лимитирующий скорость этап контролируется по принципу отрицательной обратной связи, Вейнер с коллегами изменяли концентрацию норадреналина в цитоплазме двумя способами. Во-первых, воспользовавшись тем фактом, что терминали симпатических аксонов имеют специфический механизм транспорта для НА, они добавляли НА в инкубационную жидкость, что вызывало увеличение концентрации НА в терминалях. Это снижало скорость синтеза норадреналина из тирозина. Напротив, стимуляция нерва, которая уменьшала концентрацию НА в цитоплазме, повышала скорость превращения тирозина в НА почти в два раза. Такого увеличения скорости синтеза не наблюдалось, однако, если НА добавляли в инкубационную среду во время стимуляции нерва. По-видимому, захват НА из среды был достаточен для поддержания определенного уровня норадреналина в аксонных терминалях и, таким образом, лимитировал его биосинтез.
Дополнительные факторы оказывают влияние на синтез катехоламинов (рис. 13.7). При высвобождении норадреналина из аксонных терминалей, вызванном стимуляцией нерва, тирозингидроксилаза приобретает большее сродство к кофактору тетрагидробиоптерину и становится менее чувствительной к ингибированию НА25). Эти изменения связаны с обратимым фосфорилированием тирозингидроксилазы киназами, которые активируются входящими в клетку иона-
270 Раздел П. Передача информации в нервной системе
|
| Рис. 13.6. Механизмы синтеза, хранения, высвобождения и распада норадреналина. Тирозин превращается в ДОФА с помощью фермента тирозингидроксилазы (ТН). ДОФА преобразуется в дофамин декарбоксилазой ароматических L-аминокислот (AAAD). Дофамин транспортируется в пузырьки, где из него образуется норадреналин при помощи фермента дофамин-b-гидроксилазы (DbH) Норадреналин ингибирует ТН, регулируя таким образом синтез по принципу отрицательной обратной связи. Транспорт дофамина и норадреналина в пузырьки блокируется резерпином. Пузырьки также содержат АТФ (крупные плотные пузырьки также содержат растворимую DbH и хромогранины). Все растворимые компоненты везикул выбрасываются вместе. NE, АТФ, аденозин и пептиды, производные хромогранинов, могут связываться с пре- или постсинаптическими рецепторами. После высвобождения норадреналин возвращается обратно в варикозные расширения с помощью механизма захвата, который блокируется кокаином. Норадреналин в цитоплазме может быть вновь упакован в пузырьки для последующего высвобождения. В варикозных расширениях моноаминоксидаза (МАО) и альдегиддегидрогеназа (ADH) расщепляют норадреналин до 3,4-дигидроксиминдальной кислоты (DOMA) и дофамин до 3,4 дигидрофенилуксусной кислоты (DOPAC). Fig. 13.6. Pathways of Norepinephrine Synthesis, Storage, Release, and Uptake. Tyrosine is converted to DOPA by tyrosine hydroxylase (TH). DOPA is converted to doparnine (DA) by aromatic L-arnino acid decarboxylase (AAAD). Dopamine is transported into vesicles, where it is converted to norepinephrine (NE) by doparnine b-hydroxylase (DbH). Norepinephrine inhibits TH, thus regulating synthesis by feedback inhibition. Transport of dopamine and norepinephrine into vesicles is blocked by reserpine. Vesicles also contain ATP (large dense-core vesicles contain soluble DbH and chromogranins as well). All soluble components of vesicles are released together. NE ATP, adenosine, and peptides derived from chromogranins can bind to pre or postsynaptic receptors. After release, norepinephrine is transported back into the varicosity by an uptake mechanism that is blocked by cocaine. Norepinephrine in the cytoplasm can be repackaged into vesicles for release. Within the varicosity, monoamine oxidase (MAO) and aldehyde dehydrogenase (ADH) degrade norepinephrine to 3,4-dihydroxymandelic acid (DOMA) and dopamine to 3,4-dihydroxyphenylacetic acid (DQPAC). |
ми кальция26· 27). Еще одним фактором, регулирующим активность тирозингидроксилазы, является концентрация тетрагидробиоптерина, который синтезируется из гуанозинтрифосфата28). Итак, различные механизмы действуют в клетке для того, чтобы скорость синтеза норадреналина обеспечивала клетку необходимым количеством медиатора.
синтез 5-НТ
Серотонин синтезируется из триптофана. Первая стадия этого процесса — превращение
Глава 13. Клеточная и молекулярная биохимия синоптической передачи 271
| Рис. 13.7. Регуляция тирозингидроксилазы в симпатических нейронах. Активность пресиналтического нейрона влияет на экспрессию тирозингидроксилазы (ТН) в гостей налтической клетке. Этот процесс, известный как транс еиналтическая регуляция, определяет количество ТН, присутствующего в клетке и нервном окончании. В нервной терминали существует локальный контроль активности тирозингидроксилазы. Fig. 13.7. Regulation of Tyrosina· Hydroxylase in sympathetic neurons. The expression of tyrosine hydroxylase (TH) is influenced by the activity of the presynaptic neuron, a process referred | 
to as trans-synaptic regulation. This determines the amount of TH present in the cell and nerve terminal. Within nerve terminals, there is local control of tyrosine hydroxylase activity.
|
| Рис. 13.8. Синтез 5-HT. Fig. 13.8. Synthesis of 5-HT. | 
|
триптофана в 5-гидрокситриптофан (5-НТР) с помощью фермента триптофангидроксилазы — является лимитирующей (рис. 13.8)29). 5-НТР декарбоксилируется с образованием серотонина (5-НТ) при участии декарбоксилазы ароматических L-аминокислот, т.е. того же самого фермента, который превращает ДОФА в дофамин. Высвобождение 5-НТ из нейронов во время стимуляции вызывает повышение скорости превращения триптофана в 5-гидрокситриптофан. Предполагается, что это происходит благодаря изменению свойств триптофангидроксилазы, вызванному кальций-зависимым фосфорилированием30), сходным с эффектами стимуляции тирозингидроксилазы. Как и в случае тирозингидроксилазы, для функционирования триптофангидроксилазы необходим кофактор тетрагидробиоптерин. Доступность этого кофактора будет регулировать синтез серотонина.
Нейроны не могут синтезировать триптофан. Поэтому первым шагом, ведущим к началу синтеза 5-НТ, является облегченный транспорт триптофана из крови в спинномозговую жидкость (глава 8). Другие нейтральные аминокислоты (фенилаланин, лейцин и метионин) транспортируются из крови в мозг теми же переносчиками, что и триптофан. Таким образом, важным фактором, определяющим уровень 5-НТ в серотонинергических нейронах, является относительное в сравнении с другими нейтральными аминокислота-
ми количество триптофана в пище. В результате поведение, связанное с функцией 5-НТ (глава 14), особенно чувствительно к составу диеты31). Например, добровольцы, которых кормили пищей с низким содержанием белка в течение одного дня, а затем давали смесь аминокислот, не содержавшую триптофана, демонстрировали агрессивное поведение32) и изменение цикла сна33).
синтез ГАМК
ГАМК синтезируется из глутамата ферментом глутаматдекарбоксилазой (GAD). Эта реакция была впервые охарактеризована как часть так называемого ГАМК-шунта, т. е. серии реакций, в ходе которой aкетоглутарат может быть преобразован в сукцинат (рис. 13.9) ГАМК-шунт впервые был описан в качестве специфичного для мозга пути метаболизма глюкозы, который позволяет миновать часть реакций цикла Кребса (отсюда термин «шунт»). Данные о том, что ГАМК является основным тормозным медиатором в мозге34), вместе с данными о том, что глутаматдекарбоксилаза обнаружена только в нейронах, высвобождающих ГАМК, говорят о том, что главная функция ГАМК-шунта не связана с метаболизмом глюкозы.
Кравитц с коллегами показали, что в тормозных нейронах коры физиологические уровни ГАМК ингибируют глутаматдекарбокси-
272 Раздел II. Передача информации в нервной системе
| Рис. 13.9. Синтез и метаболизм ГАМК. ГАМК синтезируется из глутамата с помощью фермента глутаматдекарбоксилазы (GAD), которой необходим пиридоксальфосфат в качестве кофактора. Глутамат образуется из a-кетоглутарата при участии фермента ГАМК-a-оксоглутараттрансаминазы (GABA Т). ГАМК расщепляется до янтарной кислоты GABA-T и сукцинат-полуальдегиддегидрогеназой (SSADH). Fig. 13.9. GABA Synthesis and Metabolism. GABA is synthesized from glutamate by the enzyme glutamic | 
acid decarboxylase (GAD), which requires pyridoxal phosphate as a cofactor Glutamate is synthesized from a-ketoglutarate by the enzyme GABA a-oxoglutarate transaminase (GABA-T) or from glutamine (see Figure 13.10). GABA is metabolized to succinic acid by GABA-T and succinic semialdehyde dehydrogenase (SSADH).
|
лазу, свидетельствуя о том, что отрицательная обратная связь регулирует накопление ГАМК35). В мозге млекопитающих были найдены несколько дополнительных регуляторов синтеза ГАМК, включая АТФ, неорганический фосфат и кофактор пиридоксальфосфат36). В мозге присутствуют две формы глутаматдекарбоксилазы37). GAD67 имеет высокое сродство к пиридоксальфосфату, и поэтому может быть активированной постоянно; GAD65 имеет низкое сродство к пиридоксальфосфату, и ее активность может быстро регулироваться доступностью этого кофактора. Мутантные мыши, у которых отсутствует GAD65, имеют нормальное поведение и нормальные уровни ГАМК, но они чуть более чувствительны к судорогам. Мыши, нокаутированные по гену GAD67, демонстрируют значительное снижение уровня ГАМК в мозге и умирают вскоре после рождения от сильного расщепления неба38).
синтез глутамата
Глутамат является основным возбуждающим медиатором в мозге. В клетках существует несколько путей синтеза глутамата. В нейронах глутамат, который используется в качестве нейромедиатора, первоначально образуется из глутамина при помощи активируемой фосфатом формы фермента глутаминазы (рис. 13.10)39). Специфичный для мозга транспортер неорганического фосфата локализован избирательно на терминалях глутаматергических нейронов и, таким образом, может регулировать синтез глутамата40). Большая часть глутамата, высвобождаемого нейронами, захватывается глиальными клетками и превращается в этих клетках в глутамин. Глутамин, в свою очередь высвобождающийся из глиальных клеток, захватывается нейронами и снова превращается в глутамат.
оНХЯЙ ОН ЯЮИРС: