Реферат : Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы 


Полнотекстовый поиск по базе:

Главная >> Реферат >> Медицина, здоровье


Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы




Нейрональные рецепторы в клетках иммунной системы

Александр Александрович Болдырев, доктор биологических наук

Человек давно предполагал наличие взаимодействий между иммунной и нервной системами в организме. Недаром нам всем привычна пословица “В здоровом теле - здоровый дух”. Известны также и примеры обратной связи - еще Гиппократ отметил эту закономерность. В его “Диалогах” ученики спрашивают: “Учитель, ты лечил богатых и бедных, победителей и побежденных. Какова разница между ними?” И Гиппократ ответил: “Раны победителей заживают быстрее!”

И вот совсем недавно нейрохимики получили доказательства реальной связи между иммунной и нервной системами. В лимфоцитах, циркулирующих в кровяном русле, обнаружены специфические рецепторы нервных клеток. Изучение свойств этих рецепторов открывает новые возможности взаимодействия двух важнейших систем организма.

Глутаматные рецепторы в нервной системе

Среди различных медиаторов, обеспечивающих передачу возбуждения между нейрональными клетками, особое место занимает достаточно простая по структуре молекула глутаминовой кислоты, глутамат: HOOC–СН2–СН2–СН(NH3)–СООН. Глутаматергические механизмы представлены примерно в 40% нервных клеток, а оставшаяся часть выпадает на долю всех остальных медиаторов (серотонина, ацетилхолина, допамина и др.).

По своему участию в работе нервных клеток глутаматные рецепторы делятся на два больших подтипа. Одни, ионотропные, соединены с ионными каналами, они открывают их после активации соответствующими молекулами (лигандами), так что потоки ионов вызывают электрическую активность нейрона. Другие, метаботропные, структурно не связаны с ионными каналами, они управляют метаболическими процессами в клетке через специальные сигнальные молекулы-информаторы, контролируя активность ионотропных рецепторов. Лиганды, активирующие нейрональные рецепторы, - их первичные информаторы (первичные мессенджеры), а сигнальные молекулы, образующиеся при активации метаботропных рецепторов и использующиеся для корректировки сигналов внутри клетки, - вторичные мессенджеры.

Наличие разных глутаматных рецепторов в глутаматергических синапсах головного мозга продемонстрировано с помощью фармакологических соединений, взаимодействующих с каким-либо одним видом глутаматных рецепторов. Выделяют три группы ионотропных рецепторов, названных в соответствии с лигандами, обеспечивающими их активацию: NMDA-рецепторы, каинатные рецепторы и AMPA-рецепторы.

Метаботропные рецепторы в настоящее время представлены восемью различными белками, которые делятся на три группы в зависимости от того, какие вторичные мессенджеры они включают в работу. Рецепторы группы I связаны с регуляцией кальций-зависимых реакций, а II и III групп - с циклическими нуклеотидами.

Более подробно о функциях вторичных мессенджеров в клетках и внутриклеточных путях регуляции можно прочитать в специальной литературе [1].

Кроме соединений, имитирующих действие глутамата на отдельные виды рецепторов, агонистов глутамата, известны и вещества, избирательно выключающие их, - антагонисты глутамата. Для простоты изложения не будем приводить полные названия, а ограничимся общеупотребимыми сокращениями этих синтетических лигандов, которые активно используют в экспериментальной нейрохимии. Однако следует обратить внимание, что все разнообразие возможностей современной фармакологии вместилось в одну простую формулу глутамата, способного в синаптических структурах мозга активировать различные рецепторы, причем в том соотношении, которое обеспечивает согласованную работу всей глутаматергической системы.

Молекулярные реакции активируемого нейрона

Нейрон активируется в результате взаимодействия глутамата с ионотропными рецепторами. Возникающая при этом электрическая активность (электрический потенциал) распространяется вдоль по аксонам до нервного окончания и передает информацию о возбуждении на другие нейроны. Одновременно в возбуждаемой нервной клетке происходят важные метаболические изменения. Временная последовательность этих процессов в общих чертах выяснена и представляется следующим образом. При высвобождении глутамата в межсинаптическую щель среди всех рецепторов, взаимодействующих с ним, наиболее активны каинатные. Они открывают соответствующие ионные каналы, через которые ионы натрия устремляются внутрь клетки и формируют возбуждающий потенциал. Аналогичную роль выполняют AMPA-рецепторы.

В покоящемся нейроне NMDA-рецепторы связаны с ионами магния, из-за чего их сродство к медиатору снижено. Однако благодаря деполяризации мембраны, вызываемой возбуждающим потенциалом, комплекс распадается, ионы магния отделяются от NMDA-рецепторов, и способность последних связывать глутамат повышается. Таким образом, на второй стадии возбуждения открываются NMDA-зависимые ионные каналы, пропускающие внутрь нейрона натрий и кальций. Это удлиняет возбужденное состояние мембраны и одновременно включает внутриклеточные реакции, зависящие от ионов кальция.

Длительность второй волны возбуждения определяется не только активностью NMDA-рецепторов. Появление глутамата в межсинаптической щели стимулирует специальные белки, которые обеспечивают захват и обратный транспорт этого медиатора в нервные или глиальные клетки. Точно так же и ионы кальция, попавшие внутрь возбужденного нейрона, с одной стороны, инициируют высвобождение дополнительного количества кальция из внутриклеточных депо, а с другой, - активируют ионные насосы, выбрасывающие кальций из клетки наружу. Следовательно, вероятность активации NMDA-рецепторов лежит в том временном интервале, когда они еще могут связаться с медиатором (мембрана нейрона деполяризована и магний отделен от ингибирующего центра), а в межсинаптической области еще имеются молекулы глутамата, избежавшие обратного захвата. Но и кальций-зависимые реакции в клетке имеют ограниченные временные возможности - пока стационарная (очень низкая) концентрация этого иона не будет восстановлена. Таким образом, взаимодействие между каинатными и NMDA-рецепторами определяет длительность волны возбуждения и эффективность перестройки метаболизма нервной клетки под влиянием кальция.

Но даже и эта сложная игра на сродстве разных рецепторов к глутамату и эффективности системы его обратного транспорта не исчерпывает тонкой настройки нервной клетки на передачу и реализацию возбуждения. Она довершается участием метаботропных рецепторов в регуляции активности ионотропных рецепторов и глутаматного транспортера.

На пресинаптической мембране при возбуждении метаботропные рецепторы групп II и III подавляют высвобождение глутамата. Напротив, метаботропные рецепторы группы I стимулируют этот процесс. Их действие инициируют арахидоновая кислота (АА) и диацилглицерин (DAG), которые высвобождаются при активации фосфолипазы С (PLC) метаботропными рецепторами группы I на постсинаптической мембране. Второй регулятор, диацилглицерин, активирует протеинкиназу С, которая блокирует калиевые каналы. На этой же постсинаптической мембране метаботропные рецепторы групп II и III блокируют потенциал-зависимые Са-каналы. Таким образом, возбуждение клетки, вызванное ионотропными рецепторами синаптического контакта, контролируется метаботропными рецепторами этих же синаптических мембран (рис.1).

Рис.1. Схема взаимодействия ионотропных и метаботропных рецепторов в функции нейрона.

Глутамат высвобождается из пресинаптического окончания и взаимодействует с ионотропными (иГлуР) и метаботропными (мГлуР) рецепторами (I, II и III) в зависимости от того, с какими вторичными мессенджерами они связаны - инозитолтрифосфатом, (IP3), циклическим АМФ, (сАМР), ионами кальция и ферментом аденилатциклазой (АС). Эти мессенджеры активируют различные внутриклеточные киназы (в том числе протеинкиназу С, РKС), регулирующие проницаемость ионных каналов постсинаптической мембраны. Избыточная продукция вторичных мессенджеров приводит к нейротоксичности. Метаботропные рецепторы группы I увеличивают высвобождение глутамата, а групп II и III - уменьшают его.

Активация протеинкиназы С и подавление K-каналов удерживают деполяризацию мембраны, тем самым препятствуя связыванию магния с NMDA-рецепторами и поддерживая их сродство к медиатору. Вероятно, именно благодаря этому избыточное возбуждение метаботропных рецепторов вызывает токсический эффект NMDA. Это свойство лежит в основе дисбаланса в функции нервных клеток, который проявляется при различных повреждениях мозга - от нейродегенерации до ишемии, наступающей при инсульте. Значит, нейротоксичность NMDA-рецепторов может приводить к клеточной смерти - либо к некрозу, либо к апоптозу.

Для понимания молекулярных механизмов работы системы небезразлично, какой путь будет выбран. Важно это знать и медикам, разрабатывающим способы защиты нейронов мозга от смерти в неблагоприятных условиях [2]. Современные приборы с помощью специальных красителей позволяют количественно оценить каждый из этих видов клеточной смерти при окислительном повреждении мозга. Очень часто для таких исследований используется проточная цитометрия - метод индивидуальной характеристики клеток [3].

Апоптоз, некроз и пролиферация клеток

Благодаря проточной цитометрии исследователи могут легко отличать живые нейроны от тех, которые встали на путь клеточной смерти, и дифференцировать некротические нейроны от апоптозных на самых ранних стадиях. Апоптоз - генетически запрограммированная смерть, осуществляемая с помощью специфических механизмов и ферментов. При апоптозе клетка сморщивается, ее структуры разрушаются цистеиновыми-аспарагиновыми протеиназами, так называемыми каспазами. Семейство этих ферментов (в него входит около десяти различных протеиназ) составляет каскад взаимоконтролируемых белков, перевод которых в активное состояние требует одновременного присутствия ряда клеточных факторов. Такой ступенчатый механизм предохраняет от случайного возникновения апоптоза.

Некроз обусловлен механическим или иным повреждением клеточной мембраны, нарушением целостности и управляемости клетки. Клетки, не способные выполнять свои функции, умирают, а их большое количество создает в ткани очаг воспаления.

Несмотря на принципиальные отличия апоптоза и некроза, их объединяет полезное свойство - они помогают организму очиститься от ненужных (поврежденных) или вредных (чужеродных) структур. В очаг воспаления устремляются макрофаги и другие клетки, “мусорщики”, удаляющие некротические части тканей или чужеродные частицы (например, попавшие в ткани занозы). С помощью апоптоза организм пытается распознать и ликвидировать клетки-мутанты, ставшие опасными для организма (перерождающиеся спонтанно или под влиянием внешних факторов). Так, частота появления в организме злокачественных клеток много выше, чем вероятность самого заболевания, поскольку в большинстве случаев они распознаются и нейтрализуются иммунной системой без вреда для организма.

Апоптоз запрограммирован на постепенное контролируемое устранение клеток, а некроз осуществляется быстро, хаотически и неуправляемо. При апоптозе фрагменты клеток или даже целые белковые молекулы могут использоваться другими клетками для выполнения тех же самых функций. Например, в тимусе, где происходит созревание лимфоцитов, клетки, распадающиеся при апоптозе, поставляют свои белки-рецепторы для превращения “юных” лимфоцитов в полноценные иммунные клетки.

Эпителиальные клетки слизистой запрограммированы таким образом, что апоптоз индуцируется в них периодически и с большой частотой (они живут лишь 1.5-2 недели). Отторжение апоптозных клеток снижает вероятность проникновения в организм вирусной инфекции. Интересно, что в русской армии для предотвращения кишечных эпидемий по указу Петра I в пищу добавляли перец. Сегодня известно, что это прекрасное средство для активации апоптоза клеток слизистого эпителия.

Так или иначе, выгода распознавания ранних стадий и типа клеточной смерти очевидна. Для каждого из них имеются свои специфические маркеры. Один из фосфолипидов клеточных мембран, фосфатидилсерин, в нормальных условиях расположенный с внутренней стороны мембранного бислоя, при нарушениях цитоскелета сигнализирует о начале апоптоза. Кстати, именно так макрофаги распознают и удаляют злокачественные клетки. Белки, чувствительные к фосфатидилсерину (аннексины), используют для раннего распознавания апоптозных клеток. А для некротических клеток с поврежденной мембраной имеется другой маркер. Им может быть краситель, например иодид пропидия (PI), который связывается с нуклеиновыми кислотами, но не проникает через мембрану живых (нативных) клеток.

Экспериментально показано, что после длительной (30 мин) индукции окислительного стресса активацией NMDA-рецепторов появляются и некротические, и апоптозные клетки, причем их долю в популяции легко рассчитать (рис. 2). Таким образом, в руках исследователей имеется модель, позволяющая оценивать как потенциальную уязвимость нейронов со стороны различных факторов, так и возможность защиты клеток от апоптоза или некроза (например, с помощью лекарственных препаратов).

Рис.2. Экспериментальные результаты индукции апоптоза и некроза в суспензии нейронов: в контроле (слева) и после 30 мин инкубации в присутствии 0.5 мМ NMDA (справа). Цифрами указаны субпопуляции нейрональных клеток: живые (3), апоптозные (4), подверженные легкому (1) и тяжелому (2) некрозу.

Следить за развитием апоптоза можно также, измеряя активность внутриклеточных каспаз, которые в клетке взаимно контролируют друг друга (рис. 3). Так, при связывании на клеточной мембране внеклеточных сигнальных молекул со специальным рецептором (CD95/Fas) в цитоплазме неактивная прокаспаза 8 превращается в активный фермент, который, в свою очередь, активирует каспазу 3, что открывает клетке путь к апоптозу. Нагружая клетки флуорогенным субстратом каспазы 3 и стимулируя их разными способами, можно измерять сигнал от флуоресцентного продукта. Растет продукт - активируется каспаза 3, и интенсивность сигнала будет пропорциональна активации фермента и вероятности развития апоптоза.

Рис.3. Схема активации апоптоза, вызванной лигандом, взаимодействующим с рецептором CD95/Fas и стимулирующим каспазный цикл.

1 - взаимодействие лиганда с клеточным рецептором;

2 - высвобождение прокаспазы 8 и ее активация (сигнал клеточной смерти);

3 - появление одного из факторов активации апоптоза (активная каспаза 8);

4, 5 - образование белков клеточной смерти (Bid, Bax), устраняющих защиту митохондриальной мембраны белком Bcl-2, препятствующим утечке цитохрома с;

6 - утечка цитохрома с из митохондрий и образование апоптосом с участием фактора Apaf-1;

7 - образование апоптосом и превращение прокаспазы 9 в активный фермент, активирующий каспазу 3, которая инициирует апоптоз.

Однако каспаза 3 участвует не только в реализации апоптоза, но и во многих стадиях клеточного цикла и в процессах пролиферации [4]. Особенно важны эти реакции для клеток иммунной системы. Значит, в ряде случаев активность каспазы 3 не обязательно означает начало апоптоза, а может быть связана с пролиферацией лимфоцитов.

Глутаматные рецепторы иммуннокомпетентных клеток

История открытия и изучения глутаматных рецепторов накопила массу примеров их причастности к работе нервной системы: NMDA-рецепторы ответственны за молекулярные механизмы памяти, метаботропные рецепторы вовлечены в процессы нейропластичности [5]. Тем неожиданнее оказались факты, указывающие на возможное присутствие глутаматных рецепторов не только в нейрональных клетках [6]. В 1997 г. И.А.Костанян и соавторы обнаружили, что глутамат хорошо связывается с мембранами лимфоцитов человека [7]. Вытеснить из этой связи его можно, добавляя структурный аналог глутамата - квисквалоновую кислоту. Позже было показано, что глутаматные рецепторы имеются в лимфоцитах грызунов, и их активация приводит к росту в клетках свободных ионов кальция и активных форм кислорода, в результате чего активируется каспаза 3 [8]. Предотвращение роста активного кислорода блокирует этот фермент (рис.4). Все эти факты демонстрировали, что работа NMDA-рецепторов в лимфоцитах - не случайный процесс, а связана с глутаматной регуляцией иммуннокомпетентной системы клетки.

Рис.4. Экспериментальные кривые активации каспазы 3.

Инкубация лимфоцитов мыши с N-метил-D-аспартатом (NMDA) приводит к увеличению каспазной активности. Антиоксидант N-ацетилцистеин препятствует активации каспазы.

Дальнейшие исследования, проводимые в МГУ им.М.В.Ломоносова и в Институте неврологии РАМН, показали, что, кроме NMDA-рецепторов, в лимфоцитарной мембране имеются и метаботропные рецепторы группы III. Как и в нейрональных клетках, они выступают регуляторами ионотропных рецепторов. В наших экспериментах при активации NMDA-рецепторов в лимфоцитах увеличивалась концентрация ионов кальция и активных форм кислорода и, как следствие, активировалась каспаза 3. Ни один из этих эффектов не проявлялся, если в среду инкубации добавляли активатор метаботропных рецепторов L-AP4. Однако совместное присутствие NMDA и L-AP4 оказывало драматический эффект на жизнеспособность клеточной популяции. Даже после короткой инкубации появлялось большое количество мертвых клеток. Это привело нас к выводу, что присутствие ионотропных и метаботропных рецепторов глутамата на мембранах лимфоцитов делает их чувствительными к тем же самым сигнальным молекулам, которые управляют активностью нейронов (рис.5).

Рис.5. Регуляция жизни и смерти лимфоцита глутаматными рецепторами.

При взаимодействии глутамата (Глу) с ионотропными рецепторами (иГлуР) ионы кальция входят внутрь клетки, активизируют протеинкиназы и каспазу 3, которая стимулирует пролиферацию. Взаимодействие глутамата с метаботропными рецепторами (мГлуР) через G-белки стимулирует активность иГлуР, что приводит к дополнительной активации протеинкиназ и усиленному росту активных форм кислорода (АФК). В этом случае возможна индукция клеточной смерти как по пути апоптоза, так и по пути некроза. NMDA и L-AP4 имитируют раздельный эффект глутамата на иГлуР и мГлуР соответственно.

* * *

Насколько важен факт распространения глутаматных механизмов регуляции на иммунную систему? Фактически, открытие на клетках иммунной системы глутаматных рецепторов, ответственных за молекулярную память, позволяет предполагать общность формирования поведенческих, адаптационных и других реакций в клетках нервной и иммунной систем. Другими словами, и те и другие клетки открыты одним и тем же видам сигнальных молекул, и информация, обусловленная их появлением, доступна как нервной, так и иммунной системе. Значит, эти системы могут “общаться”, используя язык одних и тех же химических символов [9]. Наличие глутаматных рецепторов в клетках иммунной системы вскрывает структурную основу этих взаимодействий и позволяет считать глутамат не только нейро-, но и иммунномедиатором.

Список литературы

1. Введение в молекулярную медицину / Ред. М.А.Пальцев. М., 2004.

2. Болдырев А.А. // Биохимия. 2000. Т.65. С.981-990.

3. Болдырев А.А., Юнева М.О. // Соросовский образовательный ж-л. 2004. Т.8 (№2). С.7-14.

4. Caspases: their role in cell death and cell survival / Eds M.Los, H.Waczak. 2002.

5. Carpenter D. NMDA receptors and the molecular mechanisms of excitotoxicity, in Oxidative Stress at Molecular, Cellular and Organ Levels / Еds P.Johnson, A.Boldyrev. Research Signpost, Trivandrum, 2002. P.77-88.

6. Болдырев А.А., Тунева Е.О. // Биол. мембраны. 2005. Т.22. С.142-145.

7. Костанян И.А., Наволоцкая Е.В., Нуриева Р.И. и др. // Биоорг. хим. 1997. Т.23. С.805-808.

8. Boldyrev A.A., Kazey V.I., Leinsoo T.A. et al. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. V.324. P.133-139.

9. Nedergaard M., Takano T. and Hansen A.J. // Nature Rev. Neurosci. 2002. V.3. P.748-755.

Похожие работы:

  • Липиды центральной нервной системы и структура клеточных мембран

    Курсовая работа >> Биология
    ... . Информация от рецептора на поверхности клетки передается так называемому ... взаимодействиям и обусловливают «агрессию» иммунной системы организма в отношении собственного ... обнаружен в культурах клеточных линий нейронального и хромаффинного происхождения, в ...
  • Стволовые клетки

    Реферат >> Биология
    ... клетка-клетка и клетка - экстраклеточный матрикс взаимодействия через рецепторы ... болезнях гемопоэтической системы, поможет развить ... клетками. Это иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки ... клеток: - Нейрональные стволовые клетки в головном мозге ...
  • Физиология центральной нервной системы

    Курсовая работа >> Биология
    ... рецепторов Первично чувствующие рецепторы Вторично чувствующие рецепторы нет специальной рецепторной клетки ... внешней рецепции на плоскости нейронального поля коркового конца ... железа является центральным органом иммунной системы. Гипофиз имеет разное ...
  • Источники и пути образования оксида азота в организме

    Курсовая работа >> Биология
    ... клетках, клетках эпителия и кардиомиоцитах. Нейрональная и макрофагальная формы фермента находятся в клетках ... рецепторов клетки, осуществляется по строго определенному механизму и жестко контролируется специфичными внутриклеточными регуляторными системами ...
  • Особенности фармакологического действия нейропептидных препаратов

    Курсовая работа >> Медицина, здоровье
    ... патологических процессов, развивающихся на нейрональном и субклеточном уровнях. Нейрохимические ... Активация мексидолом деятельности иммунной системы опосредованно снижает выраженность ... через специфические рецепторы, расположенные на поверхности клетки. После ...
  • Опухоли: виды, развитие, лечение

    Дипломная работа >> Медицина, здоровье
    ... ряд факторов роста и рецепторов для факторов роста. Теория ... , появлением очагов некроза. Нейрональные опухоли К нейрональным опухолям относят ганглионеврому (ганглиоцитома ... раковых клеток. Иммунная система организма не отличает раковые клетки от обычных, ...
  • Эндокринные железы и их гормоны

    Учебное пособие >> Медицина, здоровье
    ... ядерным рецептором, связывание комплекса «гормон - ядерный рецептор» с ... двусторонние связи между системой регуляторных пептидов и иммунной системой. С одной стороны ... клетки секретируют многие пептиды и гормоны, связанные с эндокринной и нейрональной ...
  • Физиологические механизмы психических процессов и состояний

    Реферат >> Психология
    ... числом одновременно активных рецепторов. В качестве альтернативного ... — фундаментальное свойство клетки, которое проявляется ... обработки в первичной нейрональной группе повторно входит ... , а также функций иммунной системы. Комплекс индивидуально-психологических ...
  • Экономика Омской области: проблемы реструктуризации

    Реферат >> Экономика
    ... человека являются клетки #а)униполярные ... блокадой рецепторов #а)адреналина ... относятся #а)нейрональные системы лимбико-ретикулярного ... системе #б)в сердечно-сосудистой системе *#в)в системе органов кроветворения #г)в пищеварительной системе #д)в иммунной системе ...
  • Молекулярные механизмы передачи импульса в мембранах нейронов. Ионные каналы, рецепторы

    Реферат >> Медицина, здоровье
    ... рецепторы 1. БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ На каждом этапе рассмотрения биохимии нервной системы ... нервной, эндокринной, иммунной систем, то поиск ... а также к патологическим явлениям нейрональной дегенерации в случае болезни Альцгеймера, ...