ИБК РАН
  

Поиск

Яндекс метрика

Яндекс.Метрика

Оптимизация ресурса

Баннеры

МЕДИАТОРНАЯ РОЛЬ ЦИКЛИЧЕСКОГО ГУАНОЗИНМОНОФОСФАТА В ВОЗБУЖДЕНИИ ФОТОРЕЦЕПТОРА КЛЕТКИ

     Электрический ответ фоторецепторной клетки на свет является следствием снижения проницаемости плазматической мембраны для ионов Na+. Этот процесс протекает при участии медиатора, играющего ключевую роль в передаче сигнала с мембраны диска фоторецептора, содержащей родопсин, на плазматическую мембрану. Проблема природы медиатора долгие годы оставалась одной из главных проблем фоторецепции. Существовали две гипотезы относительно природы медиатора. Первая из них постулировала медиаторную роль ионов Ca2+, вторая - циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ). Выбор между этими возможностями на основе экспериментов на целой клетке сделать было нельзя, т.к. и ионы Ca2+ и циклические нуклеотиды входят в систему взаимосвязанных внутриклеточных медиаторов, так что изменение концентрации одного из них влечет за собой изменение концентрации второго. Не исключено было также, что медиатором является некое третье вещество. В первых работах Института [1-3] в экспериментах на модельных системах было установлено, что ионы Ca2+ по ряду причин не могут служить медиатором в ответе фоторецептора на свет. Эти работы не привлекли большого внимания, т.к. большинство исследователей было уверено, что именно ионы Ca2+ являются медиатором. Оставалось получить доказательства того, что медиатором является цГМФ или иное вещество. Эта задача была решена с помощью изучения проводимости небольшого фрагмента плазматической мембраны, вырванного из состава целой клетки и доступного со стороны цитоплазмы (метод пэтч-кламп). Эти прямые эксперименты показали, что цГМФ способен эффективно регулировать проводимость мембраны, а ионы Ca2+ такой способностью не обладают. Регуляция проводимости мембраны,- и это было неожиданным,- осуществлялась цГМФ без участия процессов фосфорилирования, что по-видимому существенно для реализации быстрой реакции на свет. Эти эксперименты однозначно решили проблему медиатора и определили конечное звено в цепи трансдукции сигнала в фоторецепторной клетке - цГМФ - зависимые катионные каналы. Было установлено, что эти каналы имеют необычно малую удельную проводимость - порядка 0.1 пСм, что на два порядка меньше, чем проводимость других ионных каналов. При такой высокой концентрации цГМФ, который открывает каналы, плазматическая мембрана имеет высокую проницаемость для ионов Na+. Квант света запускает каскад ферментативных реакций, которые снижают концентрацию цГМФ, что приводит к переходу части каналов в закрытое состояние и, как следствие, уменьшению проницаемости для ионов Na+ и генерации электрического сигнала (гиперполяризации).

РОД - родопсин, ТД - трансдуцин, ФД - фосфодиэстераза.

1. Fesenko E.E. and Lubarsky A.L. (1977) Effect of light on artificial lipid membranes modified by photoreceptor membrane fragments. Nature 268, 562-563.
2. А.Г.Гаспарян, Н.Я.Орлов, Е.Е.Фесенко. (1980) Быстрые фотоиндуцированные изменения светорассеяния препаратов фоторецепторных мембран позвоночных. Изучение суспензии наружных сегментов палочек сетчатки. Биофизика 25, 87-92.
3. С.А.Куркин, Е.Е.Фесенко. (1982) Действие циклических нуклеотидов на проводимость цитоплазматической мембраны наружного сегмента палочки сетчатки. Докл. АН СССР 262, 1269-1272.
4. Fesenko E.E., Kolesnikov S.S. and Lubarsky A.L. (1985) Induction by cGMF of cationic conductance in plasma membrane of retinal rod outer segment. Nature, 313, 310-313.
5. Fesenko E.E., Kolesnikov S.S., Lubarsky A.L. (1986) Direct action of cGMF on the conductance of retinal rod plasma membrane. Biochem. Biophys. Acta 856, 661-671.
6. G.B.Krapivincky, G.N.Filatov, E.A.Filatova, A.L.Lubarsky and E.E.Fesenko (1989). Regulation of cGMF- dependent conductance in cytoplasmic membrane of rod outer segments by transducin. FEBS Lett. 247, 435-437.

 

КОМПОНЕНТЫ ОБОНЯТЕЛЬНОГО ЭПИТЕЛИЯ, СВЯЗЫВАЮЩИЕ ПАХУЧИЕ ВЕЩЕСТВА

     Установлено, что обонятельный эпителий позвоночных содержит семейство специфических мембранных гликопротеидов с молекулярными массами 88 кДа у млекопитающих (gp 88) и 98 кДа у рыб (gp 98), которые эффективно связывают молекулы пахучего вещества [1,2]. После связывания пахучего вещества с данными белками с последними связываются ГТФ-связывающий белок (55 кДа для млекопитающих и 56 кДа для рыб), при этом его ГТФ-азная активность существенно увеличивается [3]. Приведенные данные свидетельствуют об участии указанных гликопротеидов в первичных процессах восприятия пахучих веществ, возможно, в качестве рецепторных элементов обонятельного анализатора.

 

1. Новоселов В.И., Быстрова М.Ф., Фесенко Е.Е. (1987) Свойства рецепторных элементов из обонятельного эпителия крысы. Сенсорные системы, 1, 1-13.
2. Novoselov V.I., Krapivinskaya L.D., Fesenko E.E. (1988) Amino acid binding glycoproteins from the olfactory epithelium of skate Dasyatis pastinaca. Chemical senses, 13, 267-278.
3. Novoselov V.I., Krapivinskaya L.D., Krapivinsky G.B., Fesenko E.E. (1988) GTR-binding protein associated with amino acid binding proteins from olfactory epithelium of skate, Dasyatis pastinaca. FEBS Lett., 234, 471-474.

 

НОВЫЙ 28-кДа БЕЛОК-АНТИОКСИДАНТ

     Идентифицирован 28-кДа белок-протектор, новый представитель недавно обнаруженного семейства "тиол-специфических антиоксидантов" [1,2]. Белок секретируется в слизь, покрывающую эпителий верхних дыхательных путей млекопитающих. Высокая концентрация этого белка в эпителиальных тканях, непосредственно контактирующих с атмосферой, указывает на его большую физиологическую значимость в защите клеток от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Основной функцией 28-кДа белка-протектора является разрушение органических и неорганических перекисей, образующихся под воздействием кислорода и других активных компонентов атмосферы Земли. К настоящему времени методами молекулярной биологии показано, что семейство "тиол-специфических антиоксидантов" отличается высокой консервативностью и его представители присутствуют практически во всех живых организмах от бактерий и растений до человека.

28-кДа белок-протектор разрушает перекиси и образующиеся в результате их распада свободные радикалы за счет цикла окисления - восстановления цистеина, входящего в состав 28-кДа белка.

1. Пешенко И.В., Новоселов В.И., Евдокимов В.А., Попов В.И., Николаев Ю.В., Шуваева Т.М., Липкин В.М., Фесенко Е.Е. (1996) Выделение и биохимический анализ нового секреторного 28-кДа белка из обонятельного эпителия крысы. Сенсорные системы. 10, 97-109.
2. Peshenko I.V., Novoselov V.I., Evdokimov V.A., Nikolaev Yu.V., Shuvaeva T.M., Lipkin V.M., Fesenko Е.Е. (1996) Novel 28-kDa secretory protein from rat olfactory epithelium. FEBS Lett. 381,14-19.

 

НОВЫЕ ДАННЫЕ ОБ УЧАСТИИ ОБРАТИМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ДЕНДРИТНЫХ ШИПИКОВ В СИМПАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕ И ФОРМИРОВАНИИ ПАМЯТИ В МОЗГЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

     В основе механизмов симпатической передачи, формирования кратковременной и долговременной памятей в ЦНС лежит, в частности, работа дендритных шипиков, представляющих субмикронных размеров выпячивания дендритов. Однако вот уже почти в течение века их функция и механизм работы остается загадкой. Для решения этой проблемы в ИБК РАН нами была предложена уникальная естественная биологическая модель - мозг суслика в процессе зимней спячки, когда высокий уровень электрической активности мозга в состоянии нормотермии сменяется практически полной блокадой синаптической передачи при входе в холодовое оцепенение [1-2]. Это состояние характеризуется резким уменьшением в цитоплазме нейронов числа свободных и мембран-связанных полирибосом, редукцией эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, тогда как уже через 2 ч после спровоцированного пробуждения все эти органеллы практически восстанавливаются до уровня в состоянии нормотермии. Такое восстановление сопровождается переходом ядрышек из неактивного состояния в состояние усиленного синтеза рибосом и их транспортом в цитоплазму и дендроплазму и соответственно включением белкового и липидного синтеза [1-4]. Используя иммуногистохимические методы световой и электронной

Показано три участка дендритов пирамидных нейронов из СА1 поля гиппокампа сусликов, находящихся в состоянии нормотермии (А), через 2 часа после спровоцированного пробуждения (В) и в состоянии холодового оцепенения (С). По сравнению с "активным" состоянием в состоянии холодового оцепенения видны, главным образом, “грибовидные” шипики и “стволовые” синапсы, то есть, синаптические контакты пресинаптических терминалей непосредственно на самих дендритах. Для реконструкции каждого из этих сегментов потребовалось по 75-100 серийных ультратонких срезов*(5).

микроскопии, в таких нейронах можно проследить последовательность включения как ранних генов, так и их продуктов, например, синаптических белков и липидов обеспечивающих синаптическую передачу и другие аспекты работы ЦНС. Нами [5] методом ультратонких серийных срезов был проведен количественный стереологический анализ категорий синапсов и дендритных шипиков, включая 3-D реконструкцию дендритов*, на примере пирамидных нейронов гиппокампа гибернирующих сусликов в трех функциональных состояниях: (1) холодовое оцепенение (tмозга 2-4°С); (2) нормотермия ((tмозга 37°С); (3) 2 ч искусственное пробуждение из состояния холодового оцепенения (tмозга >28°С). На примере СА1 пирамидных нейронов гиппокампа установлено, что состояние холодового оцепенения сопровождается ретракцией "тонких" (thin) дендритных шипиков за счет увеличения числа "коротких” (stubby) шипиков и "стволовых" (shaft) синапсов. Существенно, что плотность синапсов на 100 mm3 остается неизменной (около 145). То есть, основные изменения связаны с обратимой ретракцией “тонких" дендритных шипиков. Установлено, что доля “грибовидных” (mushroom) шипиков, так и локализованных именно в них перфорированных (perforated) постсинаптических уплотнений не зависит от функционального состояния и составляет 13-15% от всех синапсов. Показано, что относительный размер как "сплошных"(macular), так и "перфорированных" постсинаптических уплотнений не зависит от функционального состояния мозга. Установлено, что пластические изменения в нейронах ЦНС прямо коррелируют с рибосомальным синтезом. Полученные результаты впервые показывают, что наиболее лабильными являются "тонкие" шипики, тогда как число “грибовидных" шипиков не изменяется. Эти результаты позволяют предположить участие "тонких" шипиков в процессе формирования кратковременной памяти, тогда как "грибовидные" шипики ответственные за долговременную память. Кроме того, наши данные согласуются с гипотезой о нейропротекторной функции дендритных шипиков, заключающейся в том, что высокие концентрации кальция, необходимые для передачи нервного импульса с одного нейрона на другой и токсичные для клетки, специально связаны с аккумуляцией в "тонких" и "коротких" шипиках и их ростом из неактивных "стволовых" синапсов. Неизменность же "грибовидных" шипиков обеспечивается локализованным в них специальным шипиковым аппаратом состоящим из системы анастомозирующих цистерн и везикул гладкого ретикума, участвующим в регуляции концентрации ионов кальция в таких шипиках. Данная работа выполнена на базе Image Graphics Laboratory of Harvard Medical School, Boston, USA совместно с Drs. Kristen Harris and John Fiala.

1. Popov V.I., Bocharova L.S., Bragin A.G. (1992) Repeated changes of dendritic morphology in the hyppocampus of ground squirrels in the course of hibernation. Neuroscience 48, 45-51.
2. Popov V.I., Bocharova L.S. (1992) Hibernation-induced structural changes in synaptic contacts between mossy fibres and hippocampal pyramidal neurons. Neuroscience 48, 53-62.
3. Bocharova L.S., Gordon R.Ya., Popov V.I.( 1992) RNA metabolism in the brain of hibernators. II. Rapid changes in the neuronal ribosomal RNA content. In: Mechanisms of Natural Hypometabolic States (eds. Kolaeva S., Popova N., Solomon N., Wang L.), Pushchino, p.125-132.
4. Коломийцева И.К., Потехина Н.И., Жарикова А.Д., Попов В.И., Кузин А.М. Сезонные изменения фосфолипидов в мембранах синапсом головного мозга суслика. ДАН. 1997. Т. 352(3). С. 413-415.
5. Popov V.I. Fiala J.C., Harris K.M. (1997) Retraction and recovery of thin dendritic spines in the hyppocampus of siberian ground squirrels during hibernatuion and arosal. In preparation.

 

РЕЗОНАНСНЫЙ ЭЭГ ПОРТРЕТ ЧЕЛОВЕКА

     Разработан метод выявления эндогенных ЭЭГ осцилляторов мозга, характерных для данного индивида и отражающих резонансные свойства его ЦНС [1]. Метод основан на динамическом анализе тонкой спектральной структуры ЭЭГ при ритмической стимуляции, частота которой плавно изменяется в диапазоне основных ритмов электрической активности мозга (рис.). Установлено, что при линейном изменении частоты импульсов резонансные ЭЭГ реакции носят нелинейный характер. На резонансных кривых, отражающих амплитуду отдельных ритмических составляющих ЭЭГ при стимуляции на их частоте, отмечается наличие нескольких пиков, количество и частотные параметры которых индивидуальны и стабильны у разных испытуемых. Показано, что характеристики выявляемого резонансного ЭЭГ портрета могут быть успешно использованы в качестве параметра модуляции внешних воздействий эндогенными ритмами организма и в процедурах адаптивного биоуправления функциями с обратной связью от ЭЭГ [2,3]. Разработанный подход представляется эффективным рабочим инструментом в исследованиях резонансных явлений как усилительных механизмов ЦНС, обеспечивающих наличие выраженных биологических эффектов при низкоинтенсивных воздействиях физических факторов.

При ритмической стимуляции с плавно изменяющейся частотой выявляются дискретные участки индивидуального спектра ЭЭГ, резонансно активирующиеся у данного субъекта при совпадении частоты стимуляции или ее гармоник с их собственной частотой.

1. Федотчев А.И., Бондарь А.Т. (1990) ЭЭГ реакции человека на прерывистые световые воздействия разной частоты. Успехи физиол. наук. 21, 97-109.
2. Федотчев А.И. (1996) Эндогенные ритмы организма как фактор модуляции параметров стимуляции. Биофизика. 41, 718-722.
3. Федотчев А.И. (1997) Анализ резонансных ЭЭГ реакций для повышения эффективности сенсорных воздействий. Физиология человека. 23, 1-7.