Часть 3 (1129751), страница 69
Текст из файла (страница 69)
В мозге млекопитающих область, носящая название гиппокампа, играет особую роль в обучении.Когда она разрушается с обеих сторон мозга, теряется способность формироватьновые воспоминания, хотя приобретенные ранее воспоминания сохраняются. Соответственно, у некоторых синапсов в гиппокампе при постоянном использованиинаблюдаются выраженные функциональные изменения: если отдельный потенциалдействия пресинаптической клетки не оставляет следов, то их короткая последовательность вызывает долговременную потенциацию (Long-term Potentiation, LTP).При долговременной потенциации последующие единичные потенциалы действияпресинаптической клетки вызывают усиленный ответ постсинаптической клетки.Такой эффект может сохраняться часами, днями или неделями, в зависимостиот числа и интенсивности цепочек импульсов.
Только активированные синапсыобладают долговременной потенциацией; синапсы на той же постсинаптическойклетке, которые остались в покое, не изменяются. Однако, когда клетка подвергаетсявоздействию повторяющейся стимуляции через один набор синапсов, если хотя быодин потенциал действия попадет на другой синапс на поверхности нейрона, этотсинапс также испытает LTP, хотя в другое время отдельный потенциал действияне оставил бы следа.Основополагающим правилом в таких синапсах служит следующее: долговременную потенциацию наблюдают тогда, когда пресинаптическая клетка«выстреливает» (один раз или больше) в момент времени, когда постсинап-1180Часть IV. Внутренняя организация клеткитическая мембрана сильно деполяризована (благодаря недавней продолжительной стимуляции или любым другим образом).
Это правило отражает поведениеопределенного класса ионных каналов постсинаптической мембраны. Глютаминовая кислота служит основным возбуждающим нейромедиатором центральнойнервной системы млекопитающих, и глутамат-зависимые ионные каналы являютсянаиболее распространенными медиатор-зависимыми каналами головного мозга.В гиппокампе, как и везде, большая часть деполяризующего тока, ответственногоза ВПСП, опосредуется глутамат-зависимыми ионными каналами, носящими название AMPA-рецепторов. Они работают так же, как и другие каналы.
Но токобладает дополнительным и более интересным компонентом, который опосредуетсядругим подклассом глутамат-зависимых ионных каналов — NMDA-рецепторами,названными так потому, что они селективно активируются искусственным аналогомглутамата N-метил-D-аспартатом. NMDA-рецепторы регулируются двумя факторами, открываясь только при одновременном выполнении двух условий: с рецепторомдолжен быть связан глутамат и мембрана должна быть сильно деполяризована.Второе условие необходимо для высвобождения Mg2+, который в норме блокирует покоящийся канал. Это означает, что NMDA-рецепторы активируются толькотогда, когда AMPA-рецепторы активированы и деполяризуют мембрану.
NMDAрецепторы необходимы для долговременной потенциации. Когда они селективноблокированы специфическим ингибитором, или если у трансгенных животных ихген нокаутирован, долговременная потенциация не наблюдается, даже если простаясинаптическая передача сохраняется. Такие животные ущербны по способностик обучению, но в других аспектах они ведут себя практически нормально.Как NMDA-рецепторы вызывают такой удивительный эффект? Ответ состоитв том, что эти каналы в открытом состоянии высоко проницаемы для Ca2+, который служит внутриклеточным медиатором в постсинаптической клетке, запускаякаскад изменений, приводящих к долговременной потенциации. Таким образом,долговременная потенциация не происходит, когда концентрация свободного Ca2+в постсинаптической клетке искусственно поддерживается на низком уровне путеминъекции в нее хелатора Ca2+ ЭДТА.
И наоборот, долговременную потенциациюможно искусственно вызвать, увеличив внутриклеточную концентрацию Ca2+. Ещеодним долговременным изменением, увеличивающим чувствительность постсинаптической клетки к глутамату, является ввод в плазматическую мембрану новыхAMPA-рецепторов (рис. 11.42). Также показано, что изменения могут произойтии в пресинаптической клетке, заставив ее при последовательной активации высвобождать больше глутамата, чем в норме.Если бы синапсы постоянно были в состоянии долговременной потенциации, то они быстро бы достигли насыщения и не смогли бы служить в качествеустройства хранения информации.
В самом деле, синапсам также свойственнадолговременная депрессия (Long-term Depression, LTD), которая, как ни удивительно, также требует активации NMDA-рецепторов и увеличения концентрацииCa2+. Как Ca2+ вызывает противоположные эффекты в одном и том же синапсе?Оказывается, такая двунаправленная регуляция синаптической силы зависит отуровня увеличения концентрации Ca2+: высокие концентрации Ca2+ активируютпротеинкиназы и долговременную потенциацию, а незначительные концентрацииCa2+ — протеинфосфатазы и долговременную депрессию.Существуют доказательства того, что NMDA-рецепторы играют важную рольв обучении и связанных с ним явлениях в других областях мозга, помимо гип-Глава 11.
Мембранный транспорт малых молекул 1181Рис. 11.42. Сигнализация при долговременной потенциации.Опыты показывают, что при LTP изменения также происходятв пресинаптических нервных окончаниях, которые могут стимулируют обратные сигналы постсинаптической клетки.покампа. Более того, в главе 21 мы увидим, чтоNMDA-рецепторы играют ключевую роль в формировании анатомической структуры синаптическихсвязей в свете развития нервной системы.Таким образом, нейромедиаторы, высвобождаемые в синапсах, помимо передачи кратковременных электрических сигналов, также способныизменять концентрации внутриклеточных медиаторов, которые вызывают продолжительные измененияэффективности синаптической передачи.
Однакодо сих пор неясно, как такие изменения, несмотряна нормальный круговорот клеточных компонентов,сохраняются на протяжении недель, месяцев иливсей жизни.Краткая характеристика некоторых рассмотренных нами ионных каналов приведена в таблице 11.2.ЗаключениеИонные каналы образуют в липидном бислое водные поры и позволяют неорганическим ионам подходящего размера пересекать мембранупо электрохимическому градиенту со скоростью,превышающей скорость транспортеров в 1 000 раз.Каналы обладают «воротами», которые обычновременно открываются в ответ на определенноевоздействие на мембрану, например изменение1182Часть IV.
Внутренняя организация клеткиТаблица 11.2. Некоторые семейства ионных каналовТип каналаПоказательный примерПотенциал-зависимые катионные каналыпотенциал-зависимые Na+-каналыпотенциал-зависимые K+-каналы (включаямедленные и быстрые)потенциал-зависимые Ca2+-каналыацетилхолин-зависимые катионныеканалыглутамат-зависимые Ca2+-каналысеротонин-зависимые катионные каналыГАМК-зависимые Cl-каналыглицин-зависимые Cl-каналыМедиатор-зависимые ионные каналывозбуждающиетормозныемембранного потенциала (потенциал-зависимые каналы) или связывание нейромедиатора (медиатор-зависимые ионные каналы).K+-селективные каналы утечки играют важную роль в установлении потенциала покоя плазматической мембраны большинства животных клеток.Потенциал-зависимые катионные каналы отвечают за генерацию самоусиливающихся потенциалов действия в таких электрически возбудимых клетках,как нейроны и клетки скелетных мышц.
Медиатор-зависимые каналы переводят химический сигнал в электрический в химических синапсах. Возбуждающие нейромедиаторы, например ацетилхолин и серотонин, открываютмедиатор-зависимые катионные каналы и деполяризуют постсинаптическуюмембрану до порогового уровня генерации потенциала действия. Тормозныенейромедиаторы, такие как ГАМК и глицин, открывают медиатор-зависимыеCl- или K+-каналы и подавляют генерацию импульсов, поддерживая поляризациюпостсинаптической мембраны. Подкласс глутамат-зависимых ионных каналов,носящий название NMDA-рецепторов, высоко проницаем для Ca2+, которыйспособен вызывать такие долговременные изменения синапсов, как LTP и LTD,и, соответственно, влиять на некоторые процессы обучения и памяти.Ионные каналы сложным образом взаимодействуют, регулируя поведениеэлектрически возбудимых клеток.
Типичный нейрон, например, получает тысячивозбуждающих и тормозящих сигналов, которые суммируются в пространствеи времени для создания постсинаптического потенциала (ПСП) в теле клетки.Величина ПСП перекодируется в частоту генерации потенциалов действиякомбинацией катионных каналов в мембране аксонного холмика.ЗАДАЧИКакие из этих утверждений соответствуют действительности? Объясните почему11.1. Транспорт, опосредуемый переносчиками, может быть как активным,так и пассивным, тогда как транспорт через каналы всегда пассивен.11.2. Транспортеры достигают насыщения при высоких концентрациях транспортируемой молекулы, когда все их сайты связывания заняты; каналы, с другойГлава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1183стороны, не связывают переносимые ионы, и, следовательно, поток ионов черезканал никогда не достигает насыщения.11.3.
Мембранный потенциал возникает благодаря движению зарядов, почти невлияющему на концентрации ионов. В результате соотношение между положительными и отрицательными ионами по обеим сторонам мембраны не нарушается.Решите следующие задачи11.4. Расположите Ca2+, CO2, этанол, глюкозу, РНК и H2O в соответствии с ихспособностью диффундировать через липидный бислой, начиная с того вещества,которое легче всего пересекает бислой. Объясните ваш ответ.11.5. Почему некоторые молекулы находятся в равновесии по обеим сторонаммембраны, но при этом их концентрации снаружи и внутри клетки различаются?11.6. Ионные переносчики «сопряжены» — не физически, но через последствия их работы.
Например, клетки могут повысить свой внутриклеточный pH,если он стал слишком кислым, путем обмена внешнего Na+ на внутренний H+, используя Na+/H+-антипорт. Изменение концентрации внутриклеточного Na+ затемвозмещается Na+/K+-насосом.а. Могут ли эти два транспортера, работая вместе, одновременно нормализоватьконцентрации Na+ и H+ внутри клетки?б.
Вызывает ли сопряженное действие этих двух насосов нарушение равновесия концентрации K+ или мембранного потенциала? Почему?11.7. Микроворсинки увеличивают площадь поверхности клеток кишечноготракта, что повышает эффективность всасывания питательных веществ. Поперечныйи продольный срезы микроворсинок показаны на рис. Q11.1. Используя указанныйна рисунке масштаб, оцените увеличение площади поверхности за счет микроворсинок (для области плазматической мембраны, контактирующей с просветомкишечника) относительно клетки с «плоской» плазматической мембраной.11.8. Согласно законам движения Ньютона ион в электрическом поле в вакууме будет испытывать действие электрической движущей силы и ускоряться,аналогично тому, как падение тела в вакууме постоянно ускоряется за счет силыгравитации. Однако в воде ион под действием электрической силы движется с постоянной скоростью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
