Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) широко распространена в ЦНС млекопитающих, она выявляется примерно в 50% всех нервных окончаний мозга. ГАМК — основной тормозный нейромедиатор мозга. Обнаружена в локальных сетях интернейронов, которые очень разнообразны по форме и функциям. Кроме того, ГАМК присутствует в некоторых ассоциативных волокнах, например, связанных с базальными ганглиями, включая проекции от стриатума к бледному шару и черной субстанции ствола мозга. ГАМК-ергические нейроны (клетки Пуркинье) обнаружены и в коре мозжечка.
Синтез ГАМК связан с глутаматом. Она образуется путем декар- боксилирования глутамата под действием глутаматдегидрогеназы. Выброшенная в синаптическую щель (путем экзоцитоза) ГАМК после взаимодействия с рецепторами транспортируется с помощью си
стемы высокоаффинного захвата в глиальные клетки. Здесь она превращается в глутамат, а затем в глутамин, который возвращается в нейроны и служит предшественником для синтеза новых молекул нейромедиатора. Однако основной путь инактивации ГАМК — нейрональный захват его пресинаптическим окончанием.
Функции ГАМК-ергической системы в ЦНС. ГАМК, тормозный медиатор, вызывает гиперполяризацию постсинаптической мембраны, в результате чего снижается нейрональная активность целевой клетки. Широкое распространение ГАМК-ергических синапсов свидетельствует о важности процессов торможения для нормального функционирования ЦНС. Экспериментальная блокада ГАМК-ергической передачи или ее нарушение в патологических случаях вызывают неконтролируемые нейрональные разряды и судороги. С нарушением ГАМК-ергической системы тесно связаны проявления эпилепсии, паркинсонизма и некоторых других поражений экстрапирамидной системы. ГАМК-ергическая система принимает участие в формировании эмоционального поведения.
Однако роль ГАМК не сводится исключительно к угнетению возбуждения в ЦНС. Тонические тормозные входы могут трансформировать активность целевых клеток, обеспечивая пространственную и временную интеграцию возбудительных входов, что лежит в основе механизма обработки информации. Более того, в нейронных сетях тормозные взаимодействия могут быть организованы таким образом, чтобы обеспечивать обратные тормозные связи (рекуррентное торможение), что лежит в основе формирования осцилляторной активности. Контролируя временные параметры разрядов множества клеток, тормозные интернейроны синхронизируют активность нейронных популяций и даже увеличивают эффект возбудительных входов. И наконец, несмотря на то что в мозге взрослого человека ГАМК выполняет функцию тормозного медиатора, в развивающемся мозге она обеспечивает возбудительные процессы, что принципиально важно для развития нервной системы.
Рецепторы. Различают два типа ГАМК-рецепторов: бикукуллин- чувствитпелъные (ГАМКЛ) и баклофен-чувствителъные (ГАМКВ). Их антагонистом является соответственно бикукуллин и баклофен.
Чувствительные к бикукуллину ГАМКа -рецепторы изучены довольно хорошо. Они широко представлены в ЦНС. Это ионотропные рецепторы. Связывание двух молекул ГАМК с рецептором ведет к открытию канала для ионов СГ и НСО,. Так как проницае
мость канала для ионов С1 в 5 раз выше, чем для НСО , , поток хлора через канал доминирует, что позволяет ионам СГ проникать в нейрон, вызывая гиперполяризацию мембраны. В развивающемся мозге ГАМК вызывает деполяризацию мембраны. В результате активируются потенциал-зависимые Са2+-каналы пресинапса и увеличивается высвобождение основного медиатора или формируется потенциал действия на постсинаптической мембране. Таким образом, в развивающемся мозге ГАМК функционирует как возбуждающий нейромедиатор, в мозге взрослого человека — как тормозный.
Характерная черта ГАМКА-рецептора — наличие участков связывания не только с медиатором, но и с другими физиологически активными соединениями, прежде всего лекарственными препаратами группы бензодиазепинов. Бензодиазепины имеют важные для клиники эффекты (анксиолитический, седативный, противосудорожный, миорелаксирующий) и не проявляют их в отсутствие ГАМК. Лигандами бензодиазепиновых рецепторов являются также р-кар- болины, имидазопиридины (золпидем), триазолопиридазины (CL 218872) и др. В экспериментах на животных эти препараты вызывают различные эффекты: от противосудорожного и анксиолитического (прямые агонисты) до судорожного и анксиогенного («обратные» агонисты). Обнаружен также антагонист бензодиазепиновых рецепторов — имидазодиазепин флумазенил, который устраняет эффекты как бензодиазепинов, так и «обратных» агонистов. Все эти соединения действуют на тот же или частично совпадающий участок (сайт) рецепторного комплекса. При этом прямые агонисты, как диазепам, увеличивают частоту открываний СГ-канала, и их эффект зависит от концентрации ГАМК. «Обратные» агонисты уменьшают частоту открываний СГ-канала.
Помимо бензодиазепинов в ГАМКД-рецепторном комплексе обнаружены сайты связывания барбитуратов (фенобарбитал), анестетиков (этомидат), стероидов (синтетический стероид альфаксон). Все эти препараты потенцируют действие ГАМК, продлевая время существования хлорного канала в открытом состоянии. В высоких концентрациях эти соединения могут активировать СГ-каналы даже в отсутствие ГАМК. Потенциацией эффектов ГАМК объясняются седативный и гипнотический эффекты этих соединений, а для барбитуратов — и противосудорожный. Эти эффекты не блокируются антагонистом бензодиазепинов флумазенилом. Эндогенные стероиды (прогестерон) могут модулировать ГАМКд-рецепторы, и их уровень изменяется при стрессе и во время менструального цикла.
ГАМКА-рецептор состоит из четырех субъединиц (а, (5, у и 8), при этом а-, (3- и у-субъединицы могут образовывать множественные изоформы (а,-а6; Р4-Р3; уг—у3)- ГАМКА-рецептор образуется ансамблем из 5 субъединиц, формирующих ионный канал. При этом комбинации субъединиц могут быть различными. Присутствие а- и (3-субъ- единиц обеспечивает активацию CP-канала, чувствительность рецептора к антагонистам бикукуллину и пикротоксину и возможность модулироваться барбитуратами, у-субъединицы в сцеплении сайр необходимы для связывания с бензодиазепинами. При этом наличие у-субъединицы — обязательное требование для такого связывания, а изоформы а-субъединицы определяют особенности этого взаимодействия. Так, а,-субъединица обнаружена в бензодиазепиновых рецепторах BZI-типа (они проявляют высокую аффинность к р-кар- болинам). Рецепторы, состоящие из а2-, а3- или а5-субъединиц, формируют BZII-тип бензодиазепиновых рецепторов. Подтипы а4 и а6 обеспечивают низкую аффинность рецептора как к бензодиазепи- нам, так и к р-карболинам.
ГАМКв-рецепторы, метаботропные, модифицируют аденилат- циклазную активность, что ведет к подавлению высвобождения медиатора путем угнетения Са2+-каналов или к гиперполяризации постсинаптической мембраны путем активации К+-каналов. Обнаружены ГАМКв-рецепторы в периферической нервной системе.
Глицин. Как нейромедиатор впервые идентифицирован в спинном мозге. Он играет ключевую роль в рефлексах спинного мозга, вызывая реципрокное и рекуррентное торможение мотонейронов через вставочные интернейроны (клетки Реншоу).
Глициновые рецепторы относятся к ионотропным и сопряжены с ионными каналами для хлора. Расположены они на постсинаптической мембране. Аналогично ГАМК глицин увеличивает проницаемость мембраны для ионов хлора, вызывая ее гиперполяризацию, что сопровождается тормозным эффектом. Глициновые рецепторы блокируются стрихнином, чем объясняется механизм его судорожной активности. Высвобождение глицина из нервных окончаний блокируется столбнячным токсином.
Глициновые рецепторы обнаружены и в высших отделах головного мозга, включая гиппокамп, мозжечок, кору головного мозга. Взаимодействуя с NMDA-рецепторами, они совместно с глутаматом способствуют их активации.
В противоположность ГАМКл-рецепторам на глициновые рецепторы не оказывают влияния бензодиазепины и барбитураты. Однако их активация модулируется некоторыми общими анестетиками, включая диэтиловый эфир для наркоза, фторотан, хлоралгидрат, трихлорэтилен т.д.
У больных с некоторыми врожденными метаболическими аномалиями, связанными с повышением содержания глицина в тканях мозга и крови, может развиваться гиперглицинемия, которая сопровождается симптомами нарушения некоторых психоэмоциональных функций.
L-глутаминовая кислота (глутамат) — главный возбуждающий нейромедиатор в мозге млекопитающих, а также предшественник других аминокислот, в частности ГАМК. Обнаруживается во всех отделах ЦНС. Глутамат обеспечивает передачу возбудительных сигналов по длинноаксонным волокнам. В ЦНС находится около миллиона длинноаксонных нейронов, и в большинстве из них передача нервных импульсов происходит посредством глутаминовой кислоты. Так, афферентные сенсорные волокна, передающие зрительные, слуховые, тактильные, болевые сигналы, содержат в качестве медиатора глутамат. Это же относится и к большинству ассоциативных волокон, связывающих различные структуры мозга. Глутамат вовлечен в процессы восприятия и обработки стимулов, благодаря тому что он обеспечивает быструю синаптическую передачу (в миллисекундном интервале времени).
Принято выделять два главных типа глутаматных рецепторов: NMDA-рецепторы (активируются Ы-метил-Б-аспартатом) и не- NMDA-рецепторы. Они относятся к ионотропным рецепторам.
Среди глутаматных рецепторов выделяют и группу метаботропных. Некоторые из них в качестве вторичных посредников используют инозитолтрифосфат, диацилглицерол и ионы кальция. Другая их разновидность реализует сигнал, подавляя синтез цАМФ или активируя синтез цГМФ. Метаботропные рецепторы играют роль в механизмах памяти, боли, тревоги, в нейродегенеративных процессах.
He-NMDA-рецепторы распространены по всему мозгу. Они подразделяются на подтипы: АМРА-рецепторы (активируются аналогом глутамата — а-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазол пропио- новой кислотой) и каинат-рецепторы (активируются каиновой кислотой). При возбуждении постсинаптических АМРА-рецепторов открываются каналы для ионов Na+ и Са2+, что способствует быстрой деполяризации мембран. При активации пресинаптических не- NMD А-рецепторов ионы Са2+ входят в пресинапс, увеличивается их концентрация в терминали, что обеспечивает высвобождение меди
атора в синаптическую щель. Каиновые рецепторы локализованы преимущественно на терминалях нейронов, высвобождающих глутамат, и при их возбуждении увеличивается его выход в синаптическую щель. Таким образом, He-NMDA-рецепторы играют важную роль в регуляции пластичности синаптической передачи. Широкое распространение АМРА-рецепторов препятствует использованию их антагонистов в лечебных целях из-за высокой вероятности неблагоприятных эффектов. Каиновые же рецепторы в этом плане более интересны, так как их функциональная роль связана преимущественно с высвобождением глутамата.
NMDA-рецепторы также широко распространены в мозге млекопитающих. Как и АМРА-рецепторы, они располагаются пресинап- тически и постсинаптически. Высокая их плотность обнаружена в кортикальных структурах, базальных ганглиях, сенсорно-ассоциативных системах, в гиппокампе. NMDA-рецепторы образуют неспецифические ионные каналы, обеспечивающие прохождение ионов К+, Na+ и Са2+. В отличие от He-NMDA-рецепторов, вызывающих быструю деполяризацию, активация NMDA-рецепторов приводит к пролонгированной деполяризации мембраны, что играет критическую роль для длительной потенциации в гиппокампе, формирования эпилептиформной активности, увеличения ноцицептивных входов в задних рогах спинного мозга при длительных болях.
Этот тип глутаматных рецепторов, как полагают, участвует в регуляции пластичности аналогично He-NMDA-рецепторам. Потен- циал-зависимые кальциевые каналы NMDA-рецепторов в состоянии покоя блокируются ионами Mg2+. Для их разблокирования необходима деполяризация мембраны, а также глицин в качестве сомедиатора глутамата. В отсутствие глицина рецептор не активируется глутаматом. Это представляет определенный интерес с фармакологической точки зрения, так как антагонисты глициновых рецепторов могут быть использованы в качестве ингибиторов медиации глутамата.
Еще одна важная особенность NMDA-рецепторов с точки зрения регуляции — их чувствительность к концентрации водородных ионов. Частота открывания ионных каналов снижается по мере возрастания концентрации ионов водорода, таким образом, при pH 6,0 активация рецептора оказывается почти полностью подавленной.
Нарушение глутаматергической медиации лежит в основе ряда патологических состояний нервной системы, в частности эпилепсии. Имеются экспериментальные доказательства, что процессы инициации и сохранения эпилептических приступов связаны с высвобождением глутамата при ослаблении ГАМК-ергической передачи. Вещества, блокирующие NMDA-рецепторы, используются в экспериментах в качестве антиконвульсантов.
Глутамат обнаружен в большинстве сенсорных волокон, передающих болевые стимулы. В качестве сомедиатора глутамата в этих волокнах представлен нейропептид — вещество Р. Он вызывает дополнительную деп0ляРизаЦию мембраны, что способствует разблокированию потенпиал-зависимых Са2+-каналов и поэтому вносит существенный вкл^Д в передачу болевых стимулов. АМРА-рецепто- ры активируются в ответ на интенсивные и короткие стимулы и обеспечивают быструю передачу болевых сигналов, NMDA-рецепторы — на последовательно повторяющиеся импульсы. Активация этого типа рецепторов в заднйх рогах спинного мозга приводит к расширению и пролонгирований нейрональных ответов при постоянстве стимула, что в итоге приводи1"к усилению болевых ощущений при длительных болях. NMDA-penenTOPbI вовлекаются в передачу болевых сигналов при таких патологичесКих состояниях, как воспаление, ишемические, невропатологический хирургические боли. Блокатор этих рецепторов — кетамин — исп°льзуется в клинике для анестезии.
Глутаматные NMDA-рецепторы участвуют в процессах памяти. Экспериментально показано, что ключевую роль в механизме памяти играет длительная потенциация (LTP) пирамидных нейронов поля СА, гиппокампа. Длительная потенциация — это устойчивое усиление эффективности синапсов в нейронах гиппокампа в ответ на высокочастотную3 стимуляцию. В возникновении LTP существенную роль играют высвобождение глутамата и активация постсинаптических NMDA-penem opoB на апикальных дендритах пирамидных нейронов. В результате активируются потенциал-зависимые Са2+- каналы и происходН1" длительная деполяризация мембраны. Важную переключающую функцию в формировании длительной потенциа- ции пирамидных нейронов гиппокампа выполняют ГАМК-ергичес- кие механизмы, обеспечивая синхронизацию глутаматергических входов. Помимо гиппокампа LTP обнаружена в коре, миндалине и спинном мозге.
Глутамат играет важную роль в развитии мозга и пластичности его связей. Эксперименты показали, что повышенное содержание глутамата в мозге молодых животных стимулировало рост дендри- тов пирамидных кДет°к гиппокампа, способствовало развитию нейронов мозжечка. г1л°тность NMDA-рецепторов в хвостатом ядре и гиппокампе молодых крыс была существенно выше, чем у взрослых особей. В незрелоМ гиппокампе возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), образующиеся при активации NMDA-рецепторов, существенно оказались выше по амплитуде и менее чувствительны к ионам Mg2+. Результаты этих экспериментов позволяют предположить, что глутамат регулирует рост и дифференциацию нейронов развивающегося мозга.
В то же время высокое содержание возбуждающих аминокислот (глутамата и аспартата) токсично для нервной ткани. Высвобождение большого количества этих нейромедиаторов в синаптическую щель приводит к гиперактивации глутаматных рецепторов, в результате которой увеличивается концентрация Са2+ в клетках, повышается осмотическое давление, что ведет к набуханию и гибели нейронов. Кроме того, рост содержания Са2+ в клетках сопровождается активацией киназ и фосфолипаз, в результате увеличивается протеолитическая и липолитическая активность. Эти процессы, получившие название реакции «эксайтотоксичности» (exitotoxicity), — начальная ступень в гибели нейрональных и глиальных клеток при острых сосудистых нарушениях мозга и, возможно, при нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, хорея Гентингтона).
Аспарагиновая кислота. Наиболее широко распространена в среднем мозге, в спинном — в дорсальном и вентральном сером веществе. Предполагается нейромедиаторная роль аспартата в возбуждающих интернейронах, которые регулируют различные спинно-мозговые рефлексы.
Таурин — предположительно тормозный нейромедиатор (или нейромодулятор), обнаружен в головном и спинном мозге млекопитающих. Наиболее высоко его содержание (примерно в 5 раз больше, чем ГАМК) в коре мозжечка, где он локализуется преимущественно в звездчатых нейронах молекулярного слоя. В сетчатке таурин, возможно, служит нейромедиатором в тормозных синапсах внутреннего плексиформного слоя.