20-ТОМНЫЙ УЧЕБНИК О ЖИЗНИ КЛЕТКИ. Глава 003-17

Раздел 003. БИОХИМИЯ. БЕЛКИ. АМИНОКИСЛОТЫ

Глава 003-17. Нейромедиаторы. Броуновское движение. ?-Аминомасляная кислота (ГАМК). Глутаминовая кислота. GAD. Глутаматы. NMDA-рецептор. Моноамины. Фенилэтиламин. Норадреналин. Адреналин. Дофамин. Декарбоксилазы

Сделаем еще один перерыв в изучении белковых структур и познакомимся с очередными важными игроками на биохимическом поле. Начнем с нейромедиаторов. Часто используется синоним: нейротрансмиттеры (НТ). Оба слова одинаково правильны и допустимы.

Слово довольно популярное, часто встречается в научно-популярных текстах, и в общем обозначает довольно простую штуку. Гистологический раздел этого учебника (т.е. посвященный различным типам клеток и тканей) будет существенно позже, как и раздел, посвященный нервным клеткам - нейронам, поэтому сейчас посмотрим лишь в самых общих чертах на то, как устроено место контакта между двумя нейронами (или между нейроном и получающей сигнал другой клеткой – мышечной, железистой):

Из нейрона выходит длинный отросток (аксон), который заканчивается терминалью. В этой терминали имеется много синаптических пузырьков, которые и содержат в себе вырабатываемые нейроном специальные сигнальные молекулы – НТ. Когда нервный импульс пробегает по аксону и доходит до терминали, НТ высвобождаются в синаптическую щель (пространство между кончиком аксона и принимающей сигнал клеткой). Затем НТ улавливаются рецепторами клетки-мишени и запускают в ней определенные биохимические процессы, в результате чего происходят нужные организму события, например сокращается мышечная клетка, или клетка железы выпускает в кровь гормоны, и т.д.

После того, как нужный сигнал передан, НТ могут захватываться обратно для повторного использования.

Конечно, молекулы в растворе воды движутся, как мы знаем, довольно медленно. Капнем чернила в воду и увидим, что пятно распространяется очень медленно. Как же так выходит, что такой медленный процесс позволяет нам передавать сигналы от нейрона к клетке очень быстро – настолько быстро, что порой нам кажется, что наши мышцы просто мгновенно сокращаются, если возникает болевой сигнал? Дело в том, что наш опыт относится к макромиру, а в микромире все совсем иначе. Синаптическая щель очень узкая, а молекулы в ней двигаются на самом деле с невообразимо высокой скоростью за счет особого эффекта (объяснение которому лежит в области квантовой физики) - броуновского движения. Молекулы воды, к примеру, так быстро движутся, что испытывают за одну секунду миллиарды соударений о соседние молекулы! Можно себе представить – какая у них скорость. Броуновское движение объясняется тем, что благодаря случайной неодинаковости чисел ударов молекул воды о некую молекулу (в нашем случае – о молекулу НТ) с разных направлений возникает случайно меняющее свое направление равнодействующая сила. Отсюда и такая особая хаотичность, присущая броуновскому движению. Молекулы таким образом перемещаются на очень небольшое расстояние, да, но синаптическая щель очень узка (меньше одной десятой доли микрометра), так что в итоге молекулы НТ достигают мишени очень быстро.

(Каждая из молекул НТ непрерывно соударяется с молекулами воды, после чего она каждый раз меняет направление своего движения. И несмотря на то, что вероятное значение суммы смещений всех молекул в направлении от терминали к мишени равно нулю, так как смещения с равной вероятностью могут иметь и положительный, и отрицательный знак, тем не менее среднее значение квадрата смещения равняться нулю, конечно же, не будет, и поэтому за очень короткий промежуток времени это «нулевое усреднение» работать не будет, и многие молекулы НТ успешно достигнут мишени.)

Интересно осознавать, что жизнь на Земле существует в том числе и благодаря броуновскому движению. Если бы его не было, то под действием силы тяжести все молекулы воздуха попросту упали бы на поверхность Земли и лежали бы там тончайшим слоем. За счет этого же движения Земля непрерывно теряет атмосферу – некоторые молекулы рассеиваются, уходят в космос, но как видим, это очень небольшое количество молекул. В то же время такие небольшие планеты, как Луна, таким образом потеряли всю свою атмосферу (если она вообще была у Луны, что не является несомненным).

НТ имеют прямое отношение к теме этого раздела, посвященного белкам и аминокислотам, поэтому давай посмотрим – какими вообще могут быть НТ, но сначала определим, что воздействие НТ на клетку-мишень может быть или тормозным, или возбуждающим. Это означает, что при изучении НТ надо запоминать не только их структуру, но и то – какими они являются – тормозными или возбуждающими.

Начнем с того, что в качестве НТ могут работать некоторые самые обычные аминокислоты, в том числе и такие, которые не входят в состав белков, и сейчас давай запомним одну из важнейших таких непротеиногенных аминокислот – это гамма-аминомасляная кислота. Ее записывают еще и так: «?-Аминомасляная кислота», а чаще всего сокращают до «ГАМК»:

Раз в названии мы видим «кислота», значит понимаем, что на одном ее конце будет СООН, ведь это не просто кислота, а органическая аминокислота. «Амино» - значит там есть и аминогруппа. «Гамма» - потому что эта аминогруппа присоединена именно к гамма-углероду этой карбоновой кислоты. Так что если ты помнишь название, то легко восстановить и ее формулу, и наоборот.

Глядя на формулу ГАМК, легко заметить, что она довольно сильно напоминает одну уже известную нам протеиногенную аминокислоту – лизин. Поставив рядом обе молекулы, легко увидеть, каким образом мы можем мысленно превратить ГАМК в лизин:

С помощью таких сопоставлений с уже знакомыми нам молекулами, легко запоминать новые, так что я всегда советую искать такого рода параллели. Мнемоническое правило: «с лизина по-тихому слизали аминогруппу и два углерода, никто и не ГАвкнул».

ГАМК - важнейший тормозной НТ центральной нервной системы млекопитающих, а значит, нам надо еще и запомнить, что он именно тормозной. Можно привязаться к предыдущему мнемоническому правилу: «раз никто не гавкнул, значит тормозные».

На самом деле, в нашем организме ГАМК производится из протеиногенной аминокислоты, которую мы еще не изучали – из глутаминовой кислоты, а раз так, то давай сейчас и эту протеиногенную аминокислоту выучим, тем более, что, во-первых, это будет совсем несложно, а во-вторых глутаминовая кислота также является НТ.

Вспомним, что одну аминокислоту с похожим названием мы уже знаем: аспарагиновая кислота. Получить мысленно глутаминовую кислоту из аспарагиновой проще простого: надо просто добавить одно углеводородное звено:

Чтобы не запутаться в этих кислотах, тоже нужны мнемонические правила: «буква «г» идет после буквы «а», так что она «старше», поэтому глутаминовая кислота более длинная, чем аспарагиновая». И можно использовать то, то и ГАМК и глутаминовая кислота начинаются с одной и той же буквы.

Краткое обозначение: «Glu», а вот однобуквенное обозначение: «Е»: «еще одна протеиногенная аминокислота с двойным названием».

Интересно, что если ГАМК – тормозной нейромедиатор, то глутаминовая кислота – наоборот, возбуждающий нейромедиатор, (т.е. связывание глутаминовой кислоты с соответствующими рецепторами нейронов приводит к их активизации, возбуждению). А значит при необходимости может легко смениться направление влияния нейрона на клетку-мишень: преврати глутаминовую кислоту в ГАМК, и у тебя в руках вместо возбуждающего фактора – тормозящий.

Знакомая нам уже аспарагиновая кислота тоже является НТ, и тоже – возбуждающим.

Нередко глутаминовую кислоту называют для краткости глутаматом, но это неправильно, поскольку глутаматы – это соли и сложные эфиры глутаминовой кислоты, которые сами по себе тоже могут работать как возбуждающие НТ, поэтому очень нежелательно создавать здесь терминологическую путаницу. Например, глутамат натрия (натриевая соль глутаминовой кислоты) – это наиболее распространённый возбуждающий НТ в нервной системе позвоночных.

Нейрон, принимающий сигнал и выполняющий функцию мишени для НТ, называется «постсинаптическим нейроном», т.к. лежит по другую сторону синаптической щели от нейрона, передающего сигнал. Когда молекулы глутамата выделяются из синаптического пузырька в синаптическую щель и достигают постсинаптических рецепторов на постсинаптическом нейроне, то они связываются с этими рецепторами и активируют их. Интересно, что в таком качестве глутамат играет важную роль в осуществлении наших психических функций – в запоминании, обучении.

Самый важный рецептор глутамата – это NMDA-рецептор. Конечно, рецепторы мы будем изучать в другом разделе, а сейчас можно просто для удовольствия воспользоваться работой глутамата и NMDA-рецепторов и запомнить это название:) Мнемоническое правило: «Nе Mогу DAждаться глутамата».

Вернемся к ГАМК. Так как в нашем организме она производится из глутаминовой кислоты, то значит этим занимается какой-то белок, работающий как фермент. Этот фермент по-русски называется глутаматдекарбоксилазой:

И это название тоже неправильное. По-английский он имеет правильное название – декарбоксилаза глутаминовой кислоты (glutamic acid decarboxylase). Кратко - GAD.

Надеюсь, ты уже не подпрыгиваешь на стуле от таких названий, а начинаешь вчитываться, чтобы понять – какой тут смысл. И в самом деле – и в этом случае из названия фермента становится понятной его функция: он отрывает карбоксильную группу (не ту, что в составе радикала) от глутаминовой кислоты, обеспечивая создание таких условий, чтобы при этом образовывалась именно ГАМК. Освободившийся углекислый газ является побочным продуктом реакции:

Итак, теперь мы можем провести мысленную тренировку, превращая в своем воображении Asp в Glu, затем Glu в ГАМК, а затем ГАМК в Lys. Или, еще короче: D => E => ГАМК => K:

Вот это реально сложная процедура, так что потребуется время, прежде чем у тебя получится делать это в своем воображении.

И наконец четвертая аминокислота, которая может исполнять функции НТ – это глицин. Интересно, что глицин может оказывать в разных обстоятельствах как тормозное, так и возбуждающее действие! И все же преимущественно мы можем его считать тормозящим: он связывается с глициновыми рецепторами, каковые имеются в большом количестве в разных участках головного и спинного мозга, и тормозит работу нейронов. Кроме того, глицин уменьшает выделение из нейронов возбуждающих НТ (Glu и Asp), и повышает выделение второй тормозящей аминокислоты – ГАМК.

Но как же так получается, что глицин может оказывать возбуждающее действие? Еще раз обратим внимание на NMDA-рецептор. Он так устроен, что глицин при определенных обстоятельствах может соединяться с некоторыми его участками, что производит почти такое же действие, как если бы с NMDA-рецептором соединился глутамат! И в итоге клетка-мишень реагирует так же, как если бы это и был глутамат.

Такая амбивалентность свойств глицина как НТ позволяет нейронам с особенной гибкостью заниматься торможением или возбуждением. Это вообще всегда очень сложный баланс влияний, итогом которых и будет конечный результат в виде торможения и возбуждения клетки-мишени.

Интересно, что и второй тормозящий НТ – ГАМК – тоже может оказывать возбуждающее влияние в процессах центральной нервной системы, но только на ранних этапах развития мозга у человека.

С аминокислотами-нейротрансмиттерами на этом всё. Четыре штуки, из которых три – протеиногенные. Две являются возбуждающими, и еще одна – тормозящая, и еще одна – преимущественно тормозящая, но все же амбивалентная.

В качестве НТ могут выступать не только аминокислоты, но и довольно большое количество других молекул. Постепенно мы познакомимся со всеми ними, а сейчас рассмотрим только один класс таких молекул - моноамины, но прежде введем еще один важный термин: нейромодуляторы. Тут все довольно просто. Медиаторные вещества делятся на две группы: нейротрансмиттеры занимаются тем, что осуществляют передачу сигнала в синапсе, а нейромодуляторы занимаются регулированием этой передачи сигнала.

Итак - моноамины. В этот класс входит немало представителей. Понятно, что «моно» - значит «один», и что «амины» означает, что там в составе имеется одна аминогруппа. Но из названия совершенно неочевидна другая составная часть этих молекул, поэтому это придется просто запомнить. Итак – моноамины, это такие нейротрансмиттеры или нейромодуляторы, которые содержат одну аминогруппу, соединённую с ароматическим кольцом цепью из двух атомов углерода -CH?-CH?- (эта группа -CH?-CH?- называется этильной, и мы ее рассмотрим в одной из следующих глав):

Самый простой из моноаминов – тот, что изображен на рисунке выше, - это фенилэтиламин. Запомнить его название просто: фенильная группа присоединена к этильной группе, и все это – амин.

И к ароматическому кольцу, и к цепи из двух углеродов могут быть присоединены разные дополнительные модифицирующие молекулы, которые оказывают большое влияние на свойства моноамина. Например, вот так выглядит один из представителей моноаминов – норадреналин - один из важнейших «медиаторов бодрствования»:

У него есть второе распространенное название – норэпинефрин. Придется его запомнить тоже. Мнемоническое правило: «норовит присоединить много гидроксилов».

Норадреналин является предшественником самого, наверное, известного НТ-моноамина: адреналина. Другое его название – эпинефрин. Термины «норэпинефрин» и «эпинефрин» используются в англоязычной литературе, так что их надо знать.

Чтобы получить из первого второй, надо всего лишь к азоту добавить вместо одного из водородов метильную группу:

Мнемоническое правило запоминания адреналина: «добавляем метил, получаем много адреналина и много энергии, хватаем метлу и выметаем мусор». Теперь, надеюсь, каждый раз, когда ты услышишь об адреналине, в твоей голове будет всплывать его формула, и ты будешь испытывать удовольствие, попутно вспоминая другие знания, связанные с НТ.

Выработка адреналина резко увеличивается при стрессах, когда организм мобилизуется для устранения угрозы («бей или беги»). Норадреналин и адреналин действуют совместно, и изучать их работу мы будем позднее, а пока что просто запомним эти два моноамина «в лицо»:).

В свою очередь, норадреналин вырабатывается из еще одного широко известного моноамина – из дофамина, и эту троицу мы теперь можем поставить рядом друг с другом, и так и запомнить:

Мнемоническое правило: «Дофамин идет донорадреналина и адреналина». Превращения идут по пути усложнения – сначала добавляется третий гидроксил, а потом и метил.

Сколько мы сейчас знаем ароматических протеиногенных аминокислот? Три: фенилаланин, тирозин, триптофан. И именно из этих трех ароматических протеиногенных аминокислот и происходит в нашем организме синтез моноаминов. Занимаются этими превращениями специальные ферменты, называемые декарбоксилазами ароматических аминокислот. Их названия соответствуют тому, какая именно аминокислота подвергается обработке. Например: триптофан-декарбоксилаза. Ну и понятно, почему именно «декарбоксилаза», ведь от аминокислоты в процессе ее превращения в моноамин отрезается карбоксильная группа, что отлично видно, если поместить рядом их формулы:

Дофамин производится в нашем организме из тирозина через одну совершенно логичную промежуточную стадию. Сейчас нам уже будет совсем нетрудно запомнить всю схему целиком:

В качестве дополнительной мнемонической подсказки можно заметить, что дофамин получается из ДОФА.

Те нейронные сети, нейроны которых принимают активное участие в функционировании нашей высшей психической деятельности (эмоций, когнитивных процессов, памяти, внимания, возбуждение и т.д.), используют в качестве нейротрансмиттеров именно моноамины. Такие сети называются моноаминергическими системами. Поэтому изучение моноаминов и моноаминергических систем исключительно интересно с точки зрения будущих экспериментов по исследованию связи переживаний человека с самыми разными его физиологическими, биохимическими, эпигенетическими, гистологическими и цитологическими параметрами. В рамках эксперимента по достижению сверхдолгожительства через контроль своих восприятий, т.е. через устранение деструктивных и культивирование эволюционных восприятий, эта часть биохимии особенно интересна.

Моноаминовые нейротрансмиттеры играют также важную роль в обеспечении собственного успешного функционирования нейронов: сохранения их целостности, нормальной дифференцировки и развития, трофической поддержки (т.е. питания), устойчивости к апоптозу.

Источник: m.vk.com

Комментарии: