ВВЕДЕНИЕ В СОВРЕМЕННУЮ НЕЙРОБИОЛОГИЮ Краткий курс

ВВЕДЕНИЕ В СОВРЕМЕННУЮ НЕЙРОБИОЛОГИЮ • Краткий курс • Проф. Эдуард Коркотян • Пермский государственный университет, Россия • Институт им. Вейцмана, Реховот, Израиль • Лекция 8 Фармакология ионных каналов

1 ХИМИЧЕСКИЕ МЕССЕНДЖЕРЫ СЧИТАЮТСЯ НЕЙРОТРАНСМИТТЕРАМИ, ЕСЛИ СООТВЕТСТВУЮТ ЧЕТЫРЕМ УСЛОВИЯМ • Синтезируются в нейронах • Выделяются из пресинаптической мембраны действуют на постсинаптическую • Будучи добавленными искусственно, действуют подобно естественным формам • Существует специальный механизм их удаления из синаптической щели • Всего несколько небольших молекул в пределах ЦНС действуют в качестве нейротранцмиттеров

2 АЦЕТИЛХОЛИН • Единственный низкомолекулярный трансмиттер, содержащий аминогруппу, но не являющийся аминокислотой • Является универсальным трансмиттером мотонейронов, с помощью которого они управляют мышечными клетками в нервно-мышечных соединениях всех позвоночных • В пределах автономной нервной системы – это универсальный трансмиттер всех преганглионарных нейронов, а также всех постганглионарных нейронов в парасимпатической системе. • Некоторые нейроны в пределах головного мозга также являются холинэргическими.

3 ГРУППА ТАК НАЗЫВАЕМЫХ «БИОГЕННЫХ АМИНОВ» ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ КАТЕХОЛАМИНЫ И СЕРОТОНИН • К катехоламинам относятся: дофамин, норэпинефрин и эпинефрин • Все они синтезируются на основе базовой аминокислоты – тирозина • Вся цепочка синтеза проходит с участием 5 энзимов: 1. тирозин-гидроксилазы 2. Декарбоксилазы ароматических аминокислот 3. Допамин-β-гидроксилазы 4. Птеридин-редиктазы 5. Фенилэтаноламин-N-метил трансферазы L-DOPA служит основой для дальнейшего синтеза Синтез дофамина в черной субстанции и в дугообразном ядре Синтез норэпинефрина ассоциирован с мембраной: происходит прямо в везикулах чем уникален. Трансмиттер в голубом пятне и в симпатической н. с. Лишь немногие нейроны в ЦНС используют эпинефрин. Биосинтез серотонина (5 -гидрокситриптамина или 5 -H) из триптофана требует 2 х энзимов: 1. Триптофан гидроксилазы и 2. 5 -гидрокситриптофан декарбоксилазы Серотонинэргические нейроны обнаруживаются в ядрах шва в стволе мозга.

АМИНОКИСЛОТЫ В РОЛИ НЕЙРОТРАНСМИТТЕРОВ 4 • Глютамат является главным возбудительным нейротрансмиттером и встречается повсюду в нейронах ЦНС, а также в глиальных клетках. агонисты антагонисты The Role of Excitotoxicity in Neurodegenerative Disease: Implications for Therapy Adam Doblea, Pharmacology & Therapeutics Volume 81, Issue 3, March 1999, Pages 163– 221

5 ГЛИЦИН И ГАМК – ОСНОВНЫЕ ТОРМОЗНЫЕ НЕЙРОТРАНСМИТТЕРЫ СПИННОГО И ГОЛОВНОГО МОЗГА Глицин Синтез ГАМКа из глютамата, катализируется декарбоксилазой глютаминовой кислоты

6 ПРИСУТСТВИЕ ТРАНСМИТТЕРНОГО ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКЕ НЕ ЗНАЧИТ, ЧТО ОНО ИСПОЛЬЗУЕТСЯ В КАЧЕСТВЕ ТРАНСМИТТЕРА • Признаком использования вещества в качестве трансмиттера является нахождение его в специализированных синаптических пузырьках – везикулах • Транспорт в везикулы является энергозатратным процессом, т. к. происходит против градиента концентрации • Для различных категорий трансмиттеров предусмотрены специфические транспортные молекулы или комплексы – везилулярные АТФ-азы (V-ATPase). Существует 4 типа V-ATPase: для ацетилхолина, аминов, глютамата и ГАМКа. • В процессе обратного захвата трансмиттера для его повторного использования как правило задействованы глиальные клетки - астроциты

7 НЕЙРОАКТИВНЫЕ ПЕПТИДЫ Семейство Представители Опиоиды Опиокортины, энкефалины, динорфины Гормоны гипофиза Вазопрессин, окситоцин, нейрофизины Тахикинины Субстанция Р, физалаемин, кассинин, субстанция К Секретины Секретин, глюкагон, ВИП, соматотропин релизинг фактор (СРФ) Инсулины Инсулин, инсулиноподобный фактор роста I и II Соматостатины, панкреатический полипептид Гастрины Гастрин, холецистокинин Низкомолекулярные нейротрансмиттеры не пересекаются в пределах одной клетки, но могут сочетаться с нейроактивными пептидами, даже в пределах одной общей везикулы.

NMDA-ЗАВИСИМАЯ LTP И LTD В ЗОНЕ СА 1 ГИППОКАМПА 8

9 МОДЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ AMPA-R ПРИ LTP И LTD

СИГНАЛЬНЫЕ ПУТИ В СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ 10

11 Как Ca 2+ попадает в клетку? ROC receptor operated channel CNGC Cyclic Nucleotide Gated Channel AA Arachidonic acid ARC arachidonate-regulated Ca 2+ channel SMOCs second messenger-operated channel DAG diacylglycerol recruits PKC Protein Kinase C calcium-dependent kinase that phosphorylates many other proteins that bring about the changes in the cell SOC store-operated channel PKC

12 ВОЛЬТАЖ-ЗАВИСИМЫЕ КАНАЛЫ

NMDA – КАНАЛ И ЕГО ФОСФОРИЛЯЦИЯ ВЛИЯЮТ НА ВХОД КАЛЬЦИЯ 13

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ КАЛЬЦИЕВЫЙ ЗАПАСНИК ВАЖНЫЙ ИСТОЧНИК И РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ КАЛЬЦИЯ 14

ПОПОЛНЕНИЕ КАЛЬЦИЕВОГО ЗАПАСНИКА 15 Rho/Rac-family guanine nucleotide exchange factor VAV-1 G proteins - guanine nucleotidebinding proteins involved in transmitting chemical signals originating from outside a cell into the inside of the cell Rac is a subfamily of GTPases WASP-family protein involved in actin reorganization induced by Rac Arp 2/3 complex is a seven-subunit protein that plays a major role in the regulation of the actin cytoskeleton The EF-hand is a structural domain found in a large family of calciumbinding proteins SAM - sterile alpha motif

20 (ЗЗКВ) ИЛИ ENTRY (SOCC) STORE-OPERATED CALCIUM Этот и предыдущие слайды из: Cell Signalling Biology Michael J. Berridge Module 3 Ion Channels, 2012 Portland Press Limited

СИГНАЛЬНЫЕ ПУТИ В СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ 16

17 ЦЕЛЬ АКТИВАЦИИ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

18 ФОСФОРИЛЯЦИЯ – КЛЮЧЕВОЙ ЭТАП В LTP PKA Protein Kinase A phosphorylates AMPA in c. AMP dependent manner A-kinase-anchoring protein 79 (AKAP 79) coordinates the location of PKA and/or PKC PP 2 B protein phosphatase family protein (calcineurin). CAMKII Ca 2+/calmodulindependent protein kinases II or Ca. M kinases II Calmodulin (Ca. M) Phosphoprotein phosphatase 1 (PP 1) belongs to a certain class of phosphatases, include metaldependent protein phosphatases (PPMs) inhibitor 1 (I 1) assists the phosphorylation process by inactivating PP 1 serine residues (Ser-831 and Ser -845) (phoserine)

19 ВЕРНЕМСЯ К СХЕМЕ

21 Глютамат необходим для активации NMDA рецепторов и метаботропных m. Glu. R Кроме того, необходима деполяризация для активации NMDA и вольтаж-зависимых Ca 2+ каналов (VDCC). Сигнальные пути приводят к активации киназ и фосфориляции AMPAR. Ca 2+ возбуждает Ca 2+калмодулин – зависимую протеин киназу 2 (CAMK 2), которая повышает количество функциональных AMPAR. CAMK 2 может быть возбуждена автофосфориляцией присоединении Caкалмодулина. Пресинаптический выброс глютамата и деполяризация постсинаптической клетки вызывает рост Ca 2+ в постсинаптическом нейроне.

22 c. AMP (производная аденилциклазы) активирует протеин киназу А (PKA), которая в свою очередь тоже фосфорилирует AMPAR, а также либо протеин фосфатазу 1 (PP 1) подавляющую PPP 1 R 1 B или inhibitor 1 Дофаминовый D 1 рецептор, β-адренергический рецептор (βR) и аденозиновый рецепрот типа 2 А (A 2 AR) связаны с G-протеином также способствуют выработке LTP через активацию аденилциклазы (c. AMP), тогда как другой допаминовый рецептор (D 2) и мускариновый АЦХ-рецептор (M 2 R и M 4 R) подавляют аденилциклазу (c. AMP).

23 Некоторые виды мускаринного АЦХ рецептора (M 1 R) и m. Glu. R связаны с фосфолипазой С (PLC), которая производит важный вторичный мессенджер DAG (диацилглицерол) и агент внутриклеточных кальциевых запасников Ip 3. Именно через них активируется другой важный агент: протеин киназа С (PKC). Мапкиназа (MAPK 2 -3), также широко известная как ERK активируется по сложному пути, включающему рецептор тирозин киназу (RTK) посредством важнейших агентов: RAS –RAFMEK (мапкиназа-эрккиназа). Эта цепочка принципиально важна для последующей экспресии генов и циклов транскрипции генов и белков, что необходимо для долговременных форм синаптической пластичности. Кроме того MAPK 2 -3 может быть активирована окольными путями, через PKC, RAPGEF 3, PKA, BRAF Подавление активности фосфатазы является важным фактором поддержания LTP так как во-первых, предотвращает дефосфориляцию AMPAR, а во-вторых, вводит новые AMPAR в синаптическую мембрану.

24 АКТИВАЦИЯ CAMK 2 И RAS КАК ПРИМЕР ВЫРАБОТКИ LTP Активация CAMK 2 в стимулируемом шипике Время реакции: от нескольких секунд до нескольких десятков секунд Активация RAS в стимулируемом шипике, а также в соседнем с ним. Время реакции: от нескольких минут до нескольких десятков минут

25 УСЛОВНАЯ СХЕМА СИНАПТИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ DIR активирует протеин G, в то время как ограниченная мобильность комплекса поддержки активности протеина G – RGS – обеспечивает локальность этой активации. Возбуждениe аденилил циклазы (AC) зависит от протеина G и, в свою очередь, вводит в действие c. AMP.

26 ПРОТЕИНЫ И ИХ ЛОКАЛИЗАЦИЯ В ВЫРАБОТКЕ LTP Последние несколько слайдов из: Modelling the molecular mechanisms of synaptic plasticity using systems biology approaches by Jeanette Hellgren Kotaleski and Kim T. Blackwell; NATu. Re Rev. Ie. Ws | Neuroscie. Nce v. Olume 11 | Ap. RIl 2010 Blackwell;