Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Синаптосомы представляют собой пресинаптические окончания, образующие в процессевыделения замкнутые структуры. Они представляют собой мешочки из пресинаптической мембраны, содержащей митохондрии,цитозоль и синаптические пузырьки.Проведенное Бернардом Катцем (BernardKatz) изучение передачи нервного импульса37.4. Ацетилхолин открываетв постсинаптической мембране каналыдля катионовПотенциал покоя постсинаптической мембраны или мембраны двигательной концевой пластинки составляет примерно ——75 мВ.
При взаимодействии ацетилхолина со специфическими рецепторами происходит резкое изменение проницаемостиэтих мембран (рис. 37.7). В течение 0,1 мсзначительно возрастает проводимость какNa+, так и К+, и возникает сильный ток++Na внутрь клетки и более слабый ток К+из клетки. Ток Na в клетку приводит к деполяризации постсинаптической мембраныи инициирует возникновение потенциаладействия в соседнем (постсинаптическом)нейроне или мышечном волокне. Ацетилхолин раскрывает катионные каналы толькоодного типа, характеризующиеся почти одинаковой проницаемостью для Na+ и К+.
Если поток Na + при действии ацетилхолинаоказывается большим, чем поток К + , то этообусловлено лишь большей крутизной элек-Рис. 37.7.Ацетилхолиндеполяризуетпостсинаптическую мембрану++путем увеличения Na и Кпроводимости.37. Возбудимые мембраныи сенсорные системы331что способствует слиянию на короткий срокмембраны синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной.37.6. При добавлении ацетилхолинареконструированные мембранные пузырькистановятся проницаемыми для катионовРис. 37.8.Генерированиенапряженияв электрической пластинкеэлектрического угря.в участках нервно-мышечного соединенияпоказало, что ацетилхолин высвобождаетсяиз пресинаптической мембраны порциямипо 104 молекул.
Доказательство квантовоговысвобождения ацетилхолина было получено при анализе мембранного потенциаладвигательных концевых пластинок, которым свойственна спонтанная электрическая активность даже в отсутствие стимуляции нерва. Деполяризующие импульсыс амплитудой 0,5 мВ и длительность около20 мс возникают залпами.
Это так называемые миниатюрные потенциалы концевыхпластинок; они возникают случайно с вероятностью, сохраняющейся постоянной напротяжении длительного времени. Миниатюрный потенциал концевой пластинки вызывается спонтанным высвобождением одиночного синаптического пузырька. Полнаядеполяризация концевой пластинки, создаваемая потенциалом действия, обусловленасинхронным высвобождением примерно 100«квантов» («пакетов») ацетилхолина за более короткое время чем 1 мс. Числовысвобождающихся квантов ацетилхолиназависит от потенциала действия пресинаптической мембраны.
Другими словами, высвобождение ацетилхолина представляет собой электрически регулируемую форму секреции. Высвобождение ацетилхолина зависит от присутствия Са2+ во внеклеточнойжидкости. При деполяризации пресинаптической мембраны происходит вход Са2+,332Часть V.Молекулярная физиологияВ последние годы сделаны большие успехив очистке ацетилхолиновых рецепторови реконструировании функционально активных мембранных пузырьков. Наиболееподходящий исходный материал для такихисследований - электрический орган электрической рыбы, например Torpedo (электрический скат), который очень богат холинергическими постсинаптическими мембранами.
Электрический орган образован изколонок клеток, называемых электрическими пластинками. Одна сторона клеток (иннервируемая поверхность) снабжена нервными окончаниями и электрически возбудима. Другая сторона (неиннервируемая поверхность) образует многочисленные склад-Electrophorus electricus, американский электрический угорь.ки и электрически невозбудима.
Разностьпотенциалов, возникающая при стимуляцииэлектрическихпластинок, обусловленаасимметрией ответа двух поверхностей.У такой электрической рыбы, как Electrophorus, мембранный потенциал иннервируемойповерхности при возбуждении сдвигается с—90 до +60 мВ, тогда как на неиннервируемой поверхности сохраняется —90 мВ.Следовательно, в пик потенциала действияразность потенциалов между наружнымиРис. 37.9.Трехмерная структура нейротоксина, блокирующего рецептор ацетилхолина.
Этот нейротоксин вырабатывается у морских змей. (Печатается с любезногоразрешенияд-раDemetrius Tsernoglou и д-раGregory Petsko.)поверхностями двух сторон составляет150 мВ (рис. 37.8). Электрические пластинкиэлектрического органа соединены параллельно, и, следовательно, их разность потенциалов складывается.
Орган, состоящий из5000 рядов электрических пластинок, может,такимобразом,генерироватьразрядв 750 В. Интересно отметить, что электрические пластинки электрического угря эволюционно возникли из мышечных клеток. Приэтом они сохранили электрически возбудимую наружную мембрану мышцы, но утратили аппарат сокращения.
Электрическийорган Electrophorus - великолепный источник Na + -каналов.Еще один экзотический биологическийматериал оказался бесценным источникомацетилхолиновых рецепторов. Для того,чтобы идентифицировать рецептор в смесимакромолекул, его необходимо специфически пометить. Для этого используют нейротоксины змей, в частности α-бунгаротоксин из яда одной змеи с о.
Тайваньи кобратоксин (из яда кобры). Указанныенейротоксины блокируют нейромышечноепроведение, связываясь с рецепторами ацетилхолина на двигательных концевых пла-стинках или на иннервируемой поверхностиэлектрических пластинок электрическогооргана. Нейротоксины представляют собойнебольшие основные белки (7 кДа). Их можно пометить радиоактивным изотопомс высокой удельной радиоактивностью.
Дляэтого их либо иодируют иодом-125, либопревращают в шиффово основание с пиридоксальфосфатом с последующим восстановлениемобразованногопродукта3М-боргидридом. Меченый кобратоксинпрочно связывается с ацетилхолиновым рецептором (константа диссоциации - порядка10-9 М) и, что особенно важно, практическине связывается с другими макромолекуламипостсинаптической мембраны. Таким образом, рецептор ацетилхолина можно специфически пометить радиоактивным атомом.Путем обработки фрагментов мембранынеионным детергентом (таким, как производное полиоксиэтилена твин-80) удалосьсолюбилизировать рецепторы ацетилхолина электрического органа. Полученныйраствор фракционировали методами гельфильтрации и ионообменной хроматографии.
Последним этапом очистки была аффинная хроматография на колонке, содержащей ковалентно связанный кобратоксин.В итоге был получен рецептор, очищенныйв 10000 раз. Ацетилхолиновый рецепторпредставляет собойкомплексмассой270 кДа, состоящий из четырех типов субъединиц. Субъединица 40 кДа метится посродству радиоактивными соединениями,содержащими группу триметиламмония,что указывает на наличие в ней участкасвязывания ацетилхолина. Удалось получить мембранные пузырьки, содержащиеочищенные рецепторы ацетилхолина; дляэтого к раствору рецепторов добавлялифосфолипиды и затем удаляли диализом детергент. Показано, что радиоактивные ионы22+натрия ( Na ), включенные в процессе реконструирования пузырьков в их внутреннееводное пространство, высвобождаются придобавлении ацетилхолина или его аналогов,например карбамоилхолина (рис.
37.10).Высвобождение ионов натрия блокируютбунгаротоксин и обычные антагонисты ацетилхолина; следовательно, оно опосредовано специфическим взаимодействием ацетилхолина со связанным с мембраной рецептором.37. Возбудимые мембраныи сенсорные системы33337.7. Ацетилхолин быстро гидролизуется,и концевая пластинка реполяризуетсяДля восстановления возбудимости постсинаптической мембраны необходимо выключение деполяризующего сигнала. Этуфункцию выполняет ацетилхолинэстераза,открытая Дэвидом Нахманзоном (DavidNachmansohn) в 1938 г.
Фермент гидролизует ацетилхолин до ацетата и холина. В результате проницаемость постсинаптическоймембраны возвращается к исходному уровню и мембрана реполяризуется. Ацетилхолинэстераза локализована в синаптическойщели, где она связана с сетью из коллагенаи гликозамингликанов, поступающих изпостсинаптической клетки. Масса фермента260 кДа, субъединичная структура - α2β2.Ацетилхолинэстеразу можно легко отделить от ацетилхолиновых рецепторов. Фермент характеризуется поразительно высоким числом оборотов, а именно 25000 с-1.Это означает, что одна молекула ацетилхолина расщепляется за 40 мкс.
Такое высокоечисло оборотов фермента имеет очень важное значение для быстрого восстановленияполяризованного состояния постсинаптической мембраны. Синапсы способны переда-Рис. 37.10.334Ацетилхолин вызывает высвобождение Na + из реконструированныхмембранныхпузырьков, содержащих ацетилхолиновый рецептор. Пооси ординат отложено содержание 2 2 Na + в синаптическихпузырьках.Часть V.Молекулярная физиологиявать тысячу импульсов в секунду только потому, что постсинаптическая мембранавосстанавливает свою поляризованность задоли миллисекунды.По механизму действия ацетилхолинэстераза сходна с химотрипсином. Ацетилхолинвзаимодействует со специфическим остатком серина в активном центре ацетилхолинэстеразы с образованием в качестве промежуточного продукта ковалентно связанногоацетил—фермента, а холин высвобождается. Ацетил—фермент далее вступает вовзаимодействие с молекулой воды, что приводит к образованию ацетата и регенерированного свободного фермента (рис.
37.12).37.8. Ингибиторы ацетилхолинэстеразыиспользуются как лекарственные средстваи как ядыТерапевтические и токсические свойства ингибиторов ацетилхолинэстеразы нашли широкое практическое применение. Алкалоидиз калабарских бобов физостигмин (называемый также эзерин) когда-то использовался при испытании ядом в судилище над колдунами и ведьмами. Физостигмин и родственные ему ингибиторы, например неостигмин, являются карбамоильными эфирами (рис. 37.13). Они ингибируют ацетилхо-линэстеразу путем образования ковалентного промежуточного соединения, котороеочень медленно гидролизуется.
Неостигминсвязывается с ацетилхолинэстеразой такимобразом, что его положительно заряженнаятриметиламмониеваягруппавстаетв анионном участке фермента, а карбамоильная группа оказывается рядом с реакционноспособным остатком серина в участке этерификации. Далее происходит карбамоилирование фермента и высвобождаетсяобразующийся спирт. Последующий гидро-Рис. 37.11.Электронная микрофотография ацетилхолиновых рецепторов в постсинаптической мембране.(Печатается с любезногоразрешения д-ра John Heuserи д-ра Steven Salpeter.)лиз карбамоильного производного ферментав отличие от гидролиза ацетил—ферментапроисходит с очень низкой скоростью. В итоге активный центр ацетилхолинэстеразыоказывается прочно заблокированным. Неостигмин используется для лечения глаукомы - болезни глаз, характеризующейсяповышенным внутриглазным давлением.Механизм терапевтического эффекта состоит в том, что неостигмин ингибирует ацетилхолинэстеразу и тем самым усиливаетдействие ацетилхолина.Еще более мощные ингибиторы ацетилхолинэстеразы - органическиефторфосфаты, в частности диизопропилфторфосфат(ДИФФ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
