Нейротрансмиссия — электрическая и химическая

Открытие химической нейротрансмиссии в конце 1950;х годов минувшего века имело следствием смену парадигмы «электрический» на «химический мозг». Нейротрансмиттеры являются носителями информационных потоков между нервными клетками, посредством которых передаются приказы от мозга к телу и информация от тела и внешних раздражителей к мозгу. В любое время для этой коммуникации доступно около 100 миллиардов нервных клеток, обеспечивающих два прототипических механизма — быстрые ионные токи и медленные биохимические каскады, причем всегда имеется комбинация обоих механизмов.

В спокойном состоянии нервные клетки разделены щелью, которая называется синапсом (рис. 4). Синаптическая щель — это своего рода выключатель, тогда как нейротансмиттер, образуя мостик через щель и делая тем самым возможной передачу сигнала в клетку, действует как включатель. Нейротрансмиттеры хранятся в синаптических везикулах (пузырьках) нервных окончаний пресинаптичексих клеток. Когда электрический сигнал (например поток ионов Ca2+) достигает клетки, везикула плавится, нейротрансмиттеры освобождаются и через щель попадают к рецепторам следующей, постсинаптической клетки. Рецепторы же представляют собой ионные каналы из нескольких протеинов. Например, NMDA-рецептор состоит из пяти протеинов, тогда как рецепторы нейроаминов, представленных на рис. 2, принадлежат к особому семейству рецепторов — GPCRs, состоящих из семи спиралей. Когда нейротрансмиттер прикрепляется к рецептору, происходит изменение конформации, приводящее к открыванию ионных каналов. Ионы устремляются в открытый канал, в результате чего другой нейротрансмиттер перекрывает следующую синаптическую щель и в игру вступает другая клетка, которая может быть активирована и внутриклеточными биохимическими реакциями.

Возбуждение и торможение нервной клетки осуществляют нервные волокна, образующие синапсы на ее поверхности.

Вверху (1) двигательный нейрон в состоянии покоя. Электрические импульсы, приходящие по одному возбуждающему волокну (2), еще не в состоянии вызвать рязряд двигательного нейрона. Разряд возникает только тогда, когда импульсы приходят и по второму возбуждающему волокну (3) (пороговое состояние нейрона). Если нейрон получает еще и импульсы по тормозному волокну, то он возвращается в подпороговое состояние (4). Внизу (5) — импульсы приходят только по тормозному волокну. Электрические импульсы, распространяющиеся по возбуждающим и тормозным волокнам, не отличаются друг от друга. Их противоположное действие объясняется выделением в синаптических окончаниях разных химических медиаторов.).

Выполнив задание, молекулы нейротрансмиттеров должны вернуться к нервным окончаниям, из которых они ранее освободились, в противном случае они за счет ингибирования супероксид-дисмутазой произведут радикалы, которые химически разрушат клетку. МАО энзимы разрушают нейротрансмиттеры, находящиеся вне рецепторов или везикул исходной молекулы. Вновь синтезируются нейротраснмиттеры в мозгу с помощью специфических биохимических реакций. В связи с возвращением серотонина к пресинаптической ячейке было сделано открытие, что транспортный протеин, переводящий серотонин через синаптическую щель, кодируется геном, представленным двумя аллелями, каждый из которых продуцирует только половину всех транспортных протеинов. Частая нейротрансмиссия посредством молекул серотонина проявляется прежде всего в мозгу как гиперактивность амигдалы, что порождает постоянную пугливость и чувство страха. Существует бросающаяся в глаза связь между изоформами одного гена, эффективностью транспорта отдельных мозговых молекул и различием реакций человека на эмоциональное раздражение.

Понимание химических основ нейротрансмиссии дает возможность синтеза веществ, предназначенных для управления нейротрансмиттерами. Например, прозак (prozac) — антидепрессант, нацеленный на серотонин, блокирует возврат серотонина в пресинаптическую клетку, так что даже небольшие количества имеющегося серотонина вновь попадают в рецепторы и вызывают разрядку. Редукс (Redux, средство против тучности, изъятое недавно с рынка в связи с нежелательным побочным действием) нацелен на везикулы пресинаптичепской ячейки и приводит к увеличению транспорта серотонина.

Исследования химиков показали, что, например, ацетилхолин и серотонин своими положительными окончаниями прикрепляются к рецептору, тогда как с ароматическими циклами аминокислот триптофана и тирозина образуют своеобразные p-комплексы. Таким образом, взаимодействие между нейротрансмиттерами и ионными каналами рецепторов в высшей степени химически специфично. Можно было бы предположить, что эти взаимодействия — и обусловленные ими эмоциональные функции — кодированы для нейротрансмиттеров подобно ДНК или протеиновым синтезам, но в действительности Н-мостики не играют в этом существенной роли.