Ацетилхолин: общие сведения

Ацетилхолин относится к числу самых важных нейромедиаторов мозга.

Самая выдающаяся роль ацетилхолина реализуется в нейромышечной передаче, где он является возбуждающим трансмиттером. Известно, что ацетилхолин может оказывать как возбуждающее, так и ингибирующее действие. Это зависит от природы ионного канала, который он регулирует при взаимодействии с соответствующим рецептором.

Нейротрансмиттер ацетилхолин высвобождается из везикул в пресинаптических нервных терминалях и связывается как с никотиновыми рецепторами , так и мускариновыми рецепторами на поверхности клетки. Эти два типа ацетихолиновых рецепторов значительно отличается как по структуре, так и по функциям.

Ацетилхолиновый никотиновый (холинергический) рецептор

Наиболее хорошо изученным рецептором-ионным каналом является ацетилхолиновый никотиновый рецептор ( рис. 2.1 , рис 2.2 ) Свое название никотиновый ацетилхолиновый рецептор получил из-за его сродства к никотину . Никотин связывается непосредственно с a- субьединицей рецептора и стимулирует открывание неспецифического катионного канала, сформированного различными комбинациями a2, b, гамма, дельта и эпсилон субьединиц. В нейромышечной системе ацетилхолин действует через никотиновые холинергические рецепторы и вызывает сокращение скелетной мускулатуры . Он также передает сигнал внутри нервной системы. Эти рецепторы являются неспецифическими ионными каналами, которые проводят Na+ и K+ . Антагонистом для никотиновых рецепторов является тубокурарин . Никотиновые рецепторы являются членами суперсемейства мембранных белков , включающих рецепторы серотонина (5-гидрокситриптамин, 5-НТ) , рецепторы для глицина и рецепторы ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты). Ацетилхолиновый рецептор - лиганд-зависимый ионный канал в постсинаптической мембране мышечного волокна . Это молекула массой 250 000 дальтон представляет собой пентамерный гликопротеин, состоящий из трансмембранных полипептидов четырех разных типов, каждый их которых кодируется отдельным геном, хотя они все во многом сходны по последовательности аминокислот, что говорит о происхождении их генов от общего гена-предшественника. Два из пяти полипептидов пентамера идентичны и образуют места связывания ацетилхолина . Две молекулы ацетилхолина присоединяются к пентамерному комплексу и вызывают конформационное изменение, приводящее к открытию канала. Пентамер объединяет две (по 461 аминокислоте) альфа-субъединицы, одну (493 аминокислоты) бета-субъединицу, одну (506 аминокислот) гамма-субъединицу и одну (522 аминокислоты) дельта-субъединицу. Каждая из субъединиц образует 4 трансмембранных сегмента ( рис. 1.11а ), а все вместе 5 субъединиц компактно собраны вокруг центральной ионной поры ( рис. 1.11б ). Когда лиганд, в данном случае ацетилхолин (АХ) , присоединяется к сайтам связывания двух альфа-субъединиц, канал открывается и одновалентные катионы двигаются по электрохимическому градиенту. Ацетилхолин-зависимый канал, подобно потенциал-зависимому натриевому каналу , имеет несколько дискретных альтернативных конформаций и в присутствии лиганда переходит из одного состояния в другое, внезапно открываясь или закрываясь. Связав ацетилхолин и перейдя в открытое состояние, канал остается некоторое время открытым, это время варьирует случайным образом и составляет в среднем 1 мс. При длительном воздействии ацетилхолина (что в нормальных условиях случается редко) канал переходит в состояние десенсибилизации, аналогичное инактивированоому состоянию натриевых каналов . В открытой конформации канал имеет просвет, сужающийся от наружного конца диаметром 2,5 нм к внутреннему концу диаметром 0,65 нм. Заряды распределены по стенке канала таким образом, что отрицательные ионы не проходят через него, а положительные могут проникать в клетку. Ток создают в основном ионы натрия и калия , а также некоторое количество ионов кальция . Так как в отношении катионов заметной избирательности нет, вклад каждого иона в канальный ток зависит от его концентрации и электрохимической движущей силы. Открытие каналов в ацетилхолиновых рецепторах приводит к значительному притоку катионов в клетку и в результате к деполяризации мембраны. Никотиновые холинергические рецепторы подразделяют на два типа- мышечный и нейрональный . Оба типа рецептора стимулируют токи Na , K и Ca за счет того, что формируют ионные каналы с электропроводимостью 50 pS (мышечный) и 15-40 pS (нейрональный), однако эти каналы существенно различаются по структуре: мышечный состоит из ( альфа1 )2 бета1 эпсилон , дельта (мышцы эмбриона или электрический орган ската) нейрональный - из альфа3бета2-субъединиц. Полипептидная цепь каждой из субъединиц 4 раза пронизывает мембрану. Альфа-субъединица, связывающая ацетилхолин , имеет 7, а бета-субъединица - 4 изоформы. Ацетилхолиновый никотиновый рецептор (Ah-рецептор), существует в неактивном состоянии в цитоплазме в комплексе с рядом белков, в том числе с pp60 src, которые высвобождаются при связывании рецептора с лигандом и фосфорилируют клеточные белки, индуцируя ряд генов. Белковый комплекса лиганд-(Ah-p)-рТБ взаимодействует с участком ДНК, называемым ксенобиотик чувствительный элемент (КЧЭ) (xenobiotic responsible element) и являющимся энхансером. В результате взаимодействия изменяется структура определенных участков ДНК и транскрипционные факторы получают доступ к началу считывания ряда структурных генов.

Рецепторы мускариновые холинергические

Ацетилхолиновый мускариновый рецептор относится к классу серпентиновых рецепторов , осуществляющих передачу сигнала через гетеротримерные G- белки .

Семейство мускариновых рецепторов впервые было обнаружено благодаря их способности связывать алкалоид мускарин . Мускариновые рецепторы были изначально разделены фармакологически на М1 и М2 типы, на основании различия в их чувствительности к пирензепину , оказавшемуся селективном антагонистом М1 рецептора. Показано, что стимуляция М1 рецептора активирует фосфолипазу С ( PLC ), приводя к высбождению вторичного мессенджера инозитол 3-фосфата и последующей мобилизации внутриклеточного кальция . Показано также, что ингибирование M2 рецептора подавляет активность аденилатциклазы , приводя к уменьшению внутриклеточного уровня сАМР . Мускариновые рецепторы можно разбить на подтипы в соответствии с их способностью мобилизовать внутриклеточный кальций (m1,m3,m5) или ингибировать аденилатциклазу (m2,m). Подтипы m1, m3 и m5 рецептора активируют фосфолипазы А2, С и D, тирозинкиназу и вход кальция. Подтипы M2, M также увеличивают активность фосфолипазы А2. В передаче сигнала с b-адренергического рецептора G белки .

Ацетилхолин - уксуснокислый эфир холина , является медиатором в нервно-мышечных соединениях , в пресинаптических окончаниях мотонейронов на клетках Реншоу , в симпатическом отделе вегетативной нервной системы - во всех ганглионарных синапсах, в синапсах мозгового вещества надпочечников и в постганглионарных синапсах потовых желез ; в парасимпатическом отделе вегетативной нервной системы - также в синапсах всех ганглиев и в постганглионарных синапсах эффекторных органов . В ЦНС ацетилхолин обнаружен во фракциях многих отделов мозга , иногда в значительных количествах, однако центральных холинэргических синапсов обнаружить не удалось.

Ацетилхолин синтезируется в нервных окончаниях из холина, который поступает туда с помощью неизвестного пока транспортного механизма. Половина поступившего холина образуется в результате гидролиза ранее высвободившегося ацетилхолина, а остальная часть, по-видимому, поступает из плазмы крови . Фермент холин-ацетилтрансфераза образуется в соме нейрона и примерно за 10 дней транспортируется по аксону к пресинаптическим нервным окончаниям. Механизм поступления синтезированного ацетилхолина в синаптические пузырьки пока неизвестен.

По-видимому, лишь небольшая часть (15-20%) запаса ацетилхолина, который хранится в пузырьках, составляет фракцию немедленно доступного медиатора, готовую к высвобождению - спонтанно или под влиянием потенциала действия .

Депонированная фракция может мобилизоваться только после некоторой задержки. Это подтверждается, во-первых, тем, что вновь синтезированный ацетилхолин высвобождается примерно вдвое быстрее, чем ранее присутствовавший, во-вторых, при нефизиологически высоких частотах стимуляции количество ацетилхолина, высвобождаемое в ответ на один импульс, падает до такого уровня, при котором количество ацетилхолина, высвобождаемое в течение каждой минуты, остается постоянным. После блокады поглощения холина гемихолинием из нервных окончаний высвобождается не весь ацетилхолин. Следовательно, должна быть третья, стационарная фракция, которая, возможно, не заключена в синаптические пузырьки. Видимо, между этими тремя фракциями может происходить обмен. Гистологические коррелянты этих фракций еще не выяснены, но предполагают, что пузырьки, расположенные около синаптической щели , составляют фракцию немедленно доступного медиатора, тогда как остальные пузырьки соответствуют депонированной фракции или ее части.

На постсинаптической мембране ацетилхолин связывается со специфическими макромолекулами, которые называются рецепторами. Эти рецепторы, вероятно, представляют собой липопротеин с молекулярной массой около 300 000. Ацетилхолиновые рецепторы расположены только на наружной поверхности постсинаптической мембраны и отсутствуют в соседних постсинаптических областях. Плотность их составляет около 10 000 на 1 кв. мкм.

Ацетилхолин служит медиатором всех преганглионарных нейронов , постганглионарных парасимпатических нейронов , постганглионарных симпатических нейронов , иннервирующих мерокриновые потовые железы , и соматических нервов . Он образуется в нервных окончаниях из ацетил-КоA и холина под действием холинацетилтрансферазы . В свою очередь, холин активно захватывается пресинаптическими окончаниями из внеклеточной жидкости . В нервных окончаниях ацетилхолин хранится в синаптических пузырьках и высвобождается в ответ на поступление потенциала действия и вход двухвалентных ионов кальция .Ацетилхолин относится к числу самых важных нейромедиаторов мозга.

Если концевая пластинка подвергается действию ацетилхолина в течение нескольких сотен миллисекунд, то мембрана, деполяризованная вначале, постепенно реполяризуется, несмотря на постоянное присутствие ацетилхолина, то есть постсинаптические рецепторы инактивируются. Причины и механизм этого процесса пока не изучены.

Обычно действие ацетилхолина на постсинаптическую мембрану продолжается всего 1-2 мс, потому что часть ацетилхолина диффундирует из области концевой пластинки, а часть гидролизуется ферментом ацетилхолинэстеразой (т.е. расщепляется на неэффективные компоненты холин и уксусную кислоту ). Ацетилхолинэстераза в больших количествах имеется в концевой пластинке (так называемая специфическая или истинная холинэстераза), однако холинэстеразы имеются также в эритроцитах (также специфические) и в плазме крови (неспецифические, т.е. расщепляют и другие эфиры холина). Поэтому ацетилхолин, который диффундирует из области концевой пластинки в окружающее межклеточное пространство и поступает в кровоток, тоже расщепляется на холин и уксусную кислоту. Большая часть холина из крови снова поступает в пресинаптические окончания.

Действие ацетилхолина на постсинаптическую мембрану постганглионарных нейронов может быть воспроизведено никотином , а на эффекторные органы - мускарином (токсин мухомора ). В связи с этим возникла гипотеза о наличие двух типов макромолекулярных рецепторов ацетилхолина, и его действие на эти рецепторы называется никотиноподобным или мускариноподобным. Никотоноподобное действие блокируется четвертичными аммониевыми основаниями , а мускариноподобное - атропином .

Вещества, действующие на клетки эффекторных органов так же, как холинэргические постганглионарные парасимпатические нейроны , называются парасимпатомиметическими , а вещества, ослабляющие действие ацетилхолина - парасимпатолитическими .

Холинорецепторы (рецепторы ацетилхолина) M

М-холинорецепторы принадлежат семейству мембранных белков, в которое входят также адренорецепторы и зрительный белок родопсин . Все эти белки взаимодействуют с так называемыми G-белками . Кроме того, их аминокислотные последовательности в значительной степени гомологичны, и, судя по свойствам входящих в их состав аминокислот, эти белки одинаковым образом располагаются внутри клеточной мембраны. Предполагаемое строение белков-рецепторов данного семейства схематично изображено на рис. 70.4 .

M-холинорецепторы - это холинорецепторы внутренних органов. М-холинорецепторы чувствительны к алкалоиду мускарину и блокируются атропином .

М-холинорецепторы подразделяются на несколько подтипов:

- М1-холинорецепторы располагаются в ЦНС и, возможно, на нейронах парасимпатических ганглиев;

- М2-холинорецепторы - на гладких и сердечной мышцах и клетках железистого эпителия.

- М3-холинорецепторы располагаются на гладких мышцах и железах.

Селективным стимулятором М2-холинорецепторов служит бетанехол . Пример селективного блокатора М1-холинорецепторов - пирензепин . Этот препарат резко подавляет выработку HCl в желудке .

Стимуляция М2-холинорецепторов через Gi-белок приводит к ингибированию аденилатциклазы , а стимуляция М2-холинорецепторов через Gq-бeлок - к активации фосфолипазы С и образованию ИФ3 и ДАГ ( рис. 70.5 ).

Стимуляция М3-холинорецепторов также приводит к активации фосфолипазы С . Блокатором этих рецепторов служит атропин .

Методами молекулярной биологии были выявлены и другие подтипы М-холинорецепторов, однако они пока недостаточно изучены.

АХЭ (ацетилхолинэстераза, холинэстераза)

EC 3.1.1.17

Фермент холин-ацетилтрансфераза (АХЭ) образуется в соме нейрона и примерно за 10 дней транспортируется по аксону к пресинаптическим нервным окончаниям. Механизм поступления синтезированного ацетилхолина в синаптические пузырьки пока неизвестен. Инактивация ацетилхолина осуществляется путем ферментативного гидролиза с участием АХЭ. Этот фермент (называемый также специфической, или истинной, холинэстеразой) располагается в холинергических синапсах, и именно действием на него обусловлены эффекты ингибиторов АХЭ.

В крови и других тканях имеется так называемая псевдохолинэстераза (бутирилхолинэстераза, холинэстераза). Она не участвует в синаптической инактивации ацетилхолина.

Ацетилхолинэстераза в больших количествах имеется в концевой пластинке (так называемая специфическая или истинная холинэстераза), однако холинэстеразы имеются также в эритроцитах (также специфические) и в плазме крови (неспецифические, т.е. расщепляют и другие эфиры холина). Поэтому ацетилхолин, который диффундирует из области концевой пластинки в окружающее межклеточное пространство и поступает в кровоток, тоже расщепляется на холин и уксусную кислоту. Большая часть холина из крови снова поступает в пресинаптические окончания.