Биохимические основы некоторых нервно-психических заболеваний
Для понимания развития миастении гравис необходимо разобраться в механизме нервно-мышечной передачи
Для этого заболевания характерны периодические приступы мышечной слабости. В заболевание преимущественно вовлекаются мышцы, которые иннервируются черепно-мозговыми нервами. Улучшение наступает после приема лекарственных препаратов, ингибирующих ацетилхолинэстеразу. При миастении гравис, по непонятным причинам, в организме образуются аутоантитела против ацетилхолиновых рецепторов, локализованных в нервно-мышечных синапсах. Эти антитела вызывают разрушение рецепторов и, таким образом, приводят к заметному уменьшению их количества. Чтобы понять последствия такого явления, необходимо знать основные принципы проведения нервного импульса в мышцу.
Функционирование нервно-мышечных синапсов и их блокада
Рисунок 18.7. Схематическое изображение некоторых событий, происходящих в нервно-мышечном синапсе
Часть нервного окончания расположена в тесном соседстве с мышечной концевой пластинкой. Весь процесс, посредством которого АХ стимулирует свой рецептор, можно разделить на 6 этапов (см. текст). Ац - ацетил; КоА - кофермент А; АХ - ацетилхолин; АХЭ - ацетилхолинэстераза; АХР - ацетилхолиновый рецептор.
На рис.18.7 схематически изображен нервно-мышечный синапс и основные события, которые там происходят. Синапс состоит из нервного окончания, отделенного от постсинаптического пространства синаптической щелью. В синапс вовлечена также специальная часть мембраны миоцита (мышечного волокна) - моторная концевая пластинка. В синаптических ямках в непосредственной близи к нервному окончанию содержится большое количество ацетилхолиновых рецепторов (АХР). Каждый нервно-мышечный синапс содержит несколько миллионов рецепторов. По меньшей мере, 400 тысяч из них обеспечивают ток ионов, достаточный для деполяризации концевой пластинки, развития потенциала действия и последующего сокращения мышцы.
Весь процесс проведения нервного импульса в мышцу можно разделить на 6 этапов (рис.18.7). (1) В цитозоле нервного окончания синтезируется ацетилхолин (АХ). Реакцию взаимодействия ацетил-КоА с холином с образованием АХ и КоА-SH катализирует фермент - холинацетилтрансфераза или ацетилхолинэстераза (АХЭ). (2) Затем АХ включается в малые мембраносвязанные частицы, получившие название "синаптические пузырьки". (3) На следующем этапе происходит высвобождение АХ из синптических пузырьков в синаптическую щель. Это происходит путем экзоцитоза, который включает слияние пузырьков с пресинаптическими мембранами. Этот процесс в достаточной степени комплексный (рис.18.8). Импульс достигает нервного окончания и деполяризует его плазматическую мембрану. Деполяризация приводит к непродолжительному открытию потенциалозависимых Са2+-каналов в этой мембране. Поскольку концентрация Са2+ вне клетки более чем в 1000 раз превышает концентрацию свободного Са2+ внутри её, он устремляется внутрь нервного окончания. Растущая концентрация Са2+ в его цитозоле и приводит к высвобождению ацетилхолина в синаптическую щель.
Рис.18.8. Система ионных каналов в нервно-мышечном синапсе
В состоянии покоя, таким образом, спонтанно и единовременно высвобождается около 10000 молекул медиатора (предположительно, содержимое 1 синаптического пузырька). В результате на концевой пластинке формируются небольшие по величине потенциалы. Когда в процессе передачи нервного импульса происходит деполяризация нервного окончания, открываются потенциало-чувствительные Са2+ каналы, через которые Са2+ из синаптического пространства проникает в нервное окончание. Этот Са2+ играет важную роль в процессе экзоцитоза и высвобождения АХ в синаптическое пространство (высвобождается, приблизительно, содержимое 200 пузырьков).
(4) Высвободившийся АХ быстро диффундирует через синаптическую щель к рецепторам, локализованным в синаптических складках. Связывание двух молекул АХ с рецептором приводит к конформационной перестройке последнего. Тогда в рецепторе открывается специальный канал, с помощью которого через мембрану проникают катионы. Поступление ионов Na+ приводит к деполяризации мышечной мембраны и формированию потенциала концевой пластинки. Это, в свою очередь, обусловливает деполяризацию прилежащих мышечных мембран и генерацию потенциалов действия. Последний распространяется на все мышечное волокно, и оно сокращается. (5) Когда канал закрывается, АХ подвергается гидролизу под влиянием АХЭ. Происходит следующая реакция:
Ацетилхолин + Н2О ® Ацетат + Холин
Большое количество этого важного фермента присутствует в базальной пластинке синаптического пространства. (6) Холин путем активного транспорта возвращается в нервное окончание, где он может повторно использоваться для синтеза ацетилхолина.
АХР в нервно-мышечном синапсе выполняет функцию ионного канала, открываемого медиатором
Благодаря своей ключевой роли в нервно-мышечной передаче рецептор к ацетилхолину подвергся интенсивному изучению. Некоторые его свойства приведены в таблице 18.4.
Таблица 18.4. Некоторые свойства рецептора к ацетилхолину, локализованного в нервно-мышечном синапсе
| Относится к никотиновым рецепторам (то есть, никотин является агонистом для этого рецептора) |
| Является мембранным гликопротеином с ММ - 275.000 Да |
| Состоит из 5 субъединиц - a2bgd [1] |
| Только a субъединица связывает ацетилхолин с высокой степенью сродства |
| Для открытия ионного канала, обеспечивающего прохождение Na+ и K+, должно связаться две молекулы ацетилхолина. Таким образом, рецептор выполняет функцию канала, открываемого медиатором |
| a-бунгаротоксин из змеиного яда обладает способностью к прочной связи с a-субъединицей. На этом основано использование его для избирательной метки рецептора или для получения рецептора в чистом виде путем аффинной хроматографии |
| Аутоантитела к этому рецептору способны вызвать миастению гравис |
Известно, что рецептор состоит из 5 субъединиц, две из которых (a) идентичны. В настоящее время с помощью метода клонирования удалось выяснить аминокислотную последовательность всех этих субъединиц. Свойство a-бунгаротоксина прочно связываться с этим белком нашло практическое применение, к примеру, в определении количества рецепторов в образцах нормальной и патологической мышечной ткани (см. ниже).
На рис.18.9 изображено расположение рецептора к ацетилхолину в мышечной мембране.
Рисунок 18.9. Структура рецептора к ацетилхолину в нервно-мышечном синапсе.
А: трехмерная модель никотинового ионного канала, активируемого ацетилхолином. Он состоит из нескольких субъединиц. Сначала по одной молекуле АХ связывается с каждой a-субъединицей. Б: после этого происходит изменение конформации, и в части рецептора, погруженной в липидный бислой, открывается пора. К+ и Na+ проходят через открытый канал по своему электрохимическому градиенту.
Все 5 субъединиц пронизывают мембрану и участвуют в образовании ионного канала. В отсутствие ацетилхолина канал закрыт. Когда с рецептором связываются 2 молекулы медиатора, по одной к каждой из a-субъединиц, белок подвергается конформационной перестройке. В результате на 1мс открывается ионный канал. За этот период Na+ входит, а К+ выходит из мышечной клетки. Поступление в мышечное волокно (клетку) Na+ приводит к деполяризации плазматической мембраны. Возникает потенциал концевой пластинки. В силу такого механизма рецептор к ацетилхолину называют ионным каналом, открываемым нейромедиатором. Его следует отличать от двух других типов каналов, открывающихся механическим или электрическим путем.
При миастении гравис аутоантитела повреждают рецеторы к ацетилхолину и уменьшают их количество
Электрофизиологические исследования (в частности, электромиография) показали, что при миастении гравис нарушение происходит на уровне моторной концевой пластинки, а не в пресинаптической мембране. При этом высвобождается фактически нормальное количество ацетилхолина. Измерение количества рецепторов к ацетилхолину в образцах мышечной ткани с помощью радиоактивно меченого бунгаротоксина показало, что оно значительно уменьшено у больных с тяжелой формой миастения гравис.
Имеется немало свидетельств того, что в патогенез этого заболевания вовлечена иммунная система. Пожалуй, самой яркой находкой стали результаты эксперимента, в ходе которого введение очищенных рецепторов к ацетилхолину (выделенные из электрического органа электрического угря) кролику вызывало появление у него в кровотоке антител к этому рецептору и развитие заболевания, напоминающего миастению гравис. Впоследствии было установлено, что у 100% людей с тяжелой формой миастении гравис обнаруживаются аутоантитела к этому рецептору. Аутоантитела прикрепляются к ацетилхолиновым рецепторам в нервно-мышечных синапсах и повреждают их. Развивается так называемый фокальный лизис (см. рис. 18.10). Поврежденные рецепторы подвергаются эндоцитозу. В результате уменьшается время жизни рецептора и снижается их количество. Важную роль в этом типе клеточного повреждения выполняют белки системы комплемента. До сих пор не понятно, почему начинается выработка аутоантител к рецепторам. Причина образования аутоантител к рецепторам неизвестна.
Рис.18.10. Схема развития миастении гравис
Ингибиторы холинэстеразы увеличивают количество ацетилхолина в нервно-мышечном синапсе, позволяя лечить миастению гравис
Лекарственные препараты, действие которых направлено на ингибирование ацетилхолинэстеразы, способны эффективно повысить концентрацию АХ на моторной концевой пластинке и, тем самым, продлить его действие. Они составляют базу для лечения миастении гравис. Имеются два типа ингибиторов холинэстеразы: обратимые и необратимые. При этом заболевании с успехом используются обратимые ингибиторы короткого и пролонгированного действия. Первые наибольшее применение нашли в диагностике. При подозрении на миастению гравис в ходе лабораторного обследования, помимо электромиографии и измерении количества циркулирующих аутоантител, проводятся специальные тесты. Один из диагностических тестов включает введение в организм соответствующей дозы обратимого ингибитора короткого действия эдрофония (тензилона). При наличии заболевания вслед за этим наступает быстрое, но короткое восстановление мышечной силы. Препараты с большим периодом действия (пиридостигмин, неостигмин) широко используются для лечения миастении.
Примером необратимого ингибитора холинэстеразы является диизопропилфторфосфат (ДФФ). Это вещество ковалентно связывается с остатком серина в активном центре ацетилхолинэстеразы. ДФФ - это токсичный газ нервно-паралитического действия, который также нашел применение в качестве инсектицида.
Для уменьшения уровня аутоантител при миастении гравис целесообразно снизить иммунный ответ в организме. С этой целью обычно используют кортикостероиды, но в тяжелых случаях показано применение цитотоксичных иммуносуппрессантов, таких как азатиоприн. В ряде случае может быть эффективным удаление вилочковой железы (тимэктомия). Временно снизить уровень аутоантител в крови может плазмаферез.