Роль пептидов в функционировании нервной системы

Содержание

Введение
Общие представления о нейропептидах.
Классификация

Первое семейство
Второе семейство - опиаты.
Третьего семейства НП
Четвертое семейство НП
Пятое семейство
Шестое семейство
Седьмое семейство
Восьмое семейство
Десятое семейство
Одиннадцатое семейство
Двенадцатое и тринадцатое семейства
Четырнадцатого семейство
Пятнадцатое семейство
Шестнадцатое семейство

Пептиды - коннекторы
Процессинг и посттрансляционная модификация нейропептидов.
Метаболизм энкефалинов и ферменты их процессинга.
Краткие характеристики карбоксипептидазо-В-подобных ферментов.

Сarboxypeptidase U (M14.009)
M14.004: carboxypeptidase N
S10.005: serine carboxypeptidase D
M14.005: carboxypeptidase E
M14.006: carboxypeptidase M
PMSP-ингибируемая карбоксипептидаза

Заключение.
Литература

Введение
“Я не видел еще такой проблемы,

какой бы сложной она ни была,

которая при верном взгляде на нее

не становилась бы еще более сложной”.

Поль Элдестон

Вступление современной биохимии и физиологии человека в двадцать первый век ознаменовалось бурным развитием сравнительно нового биологического направления - нейрохимии. Этому способствовали, прежде всего, современный уровень развития биохимических исследований, как в теоретическом, так и в методическом отношении. На интенсивное изучение нейрохимии огромное влияние оказали такие факторы, как широкое применение разнообразных психофармакологических, наркотических и других веществ, а также распространение нейрологических заболеваний, в основе которых лежат глубокие нарушения биохимических процессов, протекающих в нервной ткани. Достижения нейрохимии на сегодняшний день могут служить показателем уровня наших знаний о мозге, его структуре и функциях его компонентов. Кроме того, в связи с резким увеличением потока информации и повышением интеллектуальной деятельности человека в настоящее время приобретают значение исследования, посвященные изучению основ памяти, обучения, оптимальных биохимических условий функционирования головного мозга.

Однако не стоит наивно полагать, что с помощью изучения только молекулярных и биохимических механизмов, можно разрешить все загадки живой природы. Живые организмы это набор интегрированных структурных элементов, и было бы ошибочно утверждать, что на основе изучения функциональности, скажем, одного нейрона, можно делать выводы о функциональности всего мозга. К сожалению, некоторые недобросовестные научные работники часто пытаются строить теории, опираясь лишь на результаты биохимического скрининга, не утруждая себя изучением взаимодействия микросистем на тканевом и органном уровнях.

Тем не менее, современная нейрохимия тесно связана с физиологией, гистологией, нейробиологией, биохимией и многими другими биологическими дисциплинами и совместно с ними разрабатывает направления исследования фундаментальных и прикладных вопросов.

Нервная система представляет собой исключительно сложную, гетерогенную и при этом уникальную биологическую систему, как в структурно-морфологическом, так и в функциональном отношении. Одной из важнейших функций центральной нервной системы является её регулирующая и интегрирующая роль по отношению к биологическим процессам, происходящим в целом организме человека и животных. Этим и определяются специфические особенности состава и метаболизма, происходящего в нервной такни, а также наличие в нервной системе сложных компенсаторных и регуляторных механизмов.

При изучении функциональной специфичности различных отделов головного мозга представляет исключительный интерес состав и структура пластических веществ. Функциональная же специфичность зависит от особенностей пластических веществ, которые образуют структуры, определяющие деятельность различных отделов мозга. В связи с этим немаловажный интерес представляют белки, пептиды и ферменты регуляции их процессинга и посттрансляционной модификации.

Общие представления о нейропептидах
Речь идет о химических соединениях пептидной природы, выполняющих в организме роль регуляторов разнообразных физиологических функций. Они логично и последовательно связаны между собой.

Первая -- организация коммуникации между разными клетками посредством специализированного химического импульса.

Вторая -- обеспечение “настроя” клетки, которая реагирует на воздействия того или иного рода. Это так называемая модуляция функции нервной или другой клетки организма.

Третья -- участие в реализации отдельной физиологической реакции или сложного акта.

Сегодня мы можем говорить о классе универсальных химических регуляторов, значимость которых простирается от влияния на функции отдельных групп клеток до управления работой целых систем и органов, включая сложные акты поведения.

Попытаемся показать причины постулируемой “универсальности” нейропептидов, которые находятся сегодня в центре внимания широкого круга специалистов.

В природе существуют такие структуры, которые оказались на редкость удачными в организации систем любой сложности. Одна из них -- аминокислота. Это минимально сложное органическое соединение, одновременно и кислота, и основание, потому что в него с двух концов вмонтированы амидная и карбоксильная группы. Они помогают аминокислотам соединяться друг с другом, образуя относительно прочные и в то же время лабильные структуры. Известно около 150 аминокислот. Живая природа использует только 20 из них. Однако представьте, какое количество комбинаций можно сделать лишь из 20 исходных единиц! Из них созданы все белки, которые составляют основу любого организма -- структурные, каталитические (ферменты), регуляторные. В результате серии последовательных химических реакций, осуществляемых с помощью специальных ферментов (пептидаз), в клетках образуются олигопептиды, которые обладают высокой биологической активностью и которые были классифицированы как регуляторы разнообразных физиологических процессов.

Таких физиологически значимых пептидов было открыто несколько сотен. Но основной “костяк” -- не более 40--50, остальные -- их комбинации, дополнения. Как правило, регуляторные пептиды -- это молекулы с различным набором аминокислот: большинство из них -- до 30, больше не надо. Есть какой-то энтропийный уровень, уровень упорядоченности систем, оптимальный для выполнения регуляторной миссии. Однако все более углубленное исследование соотношения структуры и функции показывает, что части целой пептидной молекулы, ее фрагменты, также могут обладать физиологической активностью, подчас еще большей или качественно инвертированной.

Существует сложный биохимический процесс биосинтеза пептидов в клетке: экспрессия соответствующих генов, образование mRNA , считывание, как с конвейера, ленты аминокислотных “кирпичиков”, образующих белковую молекулу, далее разрезание этих белков на блоки определенной структуры.

Все это -- точно прослеженные биохимические процессы, изученные для большинства физиологически значимых пептидов. Более того, тонкая генно-биохимическая “кухня” работает в строгой ПРИУРОЧЕННОСТИ к функции органа и к определенному биоритму его деятельности. Вот здесь -- в “привязке” к работе органа, в соответствии его функциональной “ритмике” -- главное содержание регуляторной роли нейропептидов.

Понятие “нейропептиды” тогда, когда в мозге открыли вещества, влияющие на центральные функции высших организмов. Они были названы эндорфинами и энкефалинами и дали начало изучению большой и значимой группы опиоидов, список которых пополняется и поныне. Нейропептиды оказались как бы над группами других, “периферических” пептидов, регулирующих работу сердца, почек, кишечника. Выяснилась также причастность к работе мозга ранее известных пептидных гормонов и их фрагментов -- АКТГ, соматостатина, окситоцина. Со временем в мозге открывались новые и новые нейропептиды, влияющие на все многообразие его функций.

Стало давним штампом сравнение мозга с компьютером. Оно базируется на внешней оценке работы нервной клетки -- приеме, переработке и передаче информации, а также на анатомическом подобии гигантской нейронной сети мозга, которую напоминали первые компьютерные агрегаты. Считается, что 1.5 кг мозга человека содержат около 100 млрд нервных клеток, а в 1 мм3 нервной ткани вмещается более 40 тыс. нейронов! Однако вся эта “коммуникационная анатомия” тысячекратно усиливается, если принять во внимание, что каждый нейрон имеет не менее 100--1000 синапсов. Поэтому вероятный запас коммуникационных возможностей мозга на два-три порядка больше. Значит, современный человек может оценивать собственный мозг как гигантский компьютерный зал, целое “государство” компьютеров высокой надежности, разнообразного класса и назначения. Но жизнь этого “государства” и работа его подразделений (зон, ядер мозга), даже отдельных нервных клеток нуждается в постоянном управлении -- поддержании рабочего тонуса и его изменении в зависимости от меняющихся потребностей организма.

Исключительная насыщенность нервной ткани дает повод пойти по ложному следу. Срабатывает стереотип: это “много” связать с разнообразной работой мозга; перенести КОЛИЧЕСТВЕННУЮ сложность анатомической структуры на объяснение полифонии выполняемых функций.Стереотип связывался с возможностью синтеза специфических пептидов, ответственных за память, сон, страх, агрессивность и т.п. Впервые это случилось в 60-х годах, в пору интенсивного развития нейрокибернетики, когда была популярна идея, что специфичность получаемой мозгом информации определяется синтезом определенных химических молекул. Множественность функций, присущих мозгу, пытались ассоциировать с его возможностью синтезировать великое и разнообразное множество пептидов.

Эта посылка получила развитие в теории Г.Унгара, в 1965 г. сформулировавшего принцип: “Один пептид -- одно поведение”. На первом этапе автор гипотезы будто бы получил весомые доказательства. Опыты с переносом закрепленного навыка от “обученных” крыс “необученным” посредством инъекции смеси пептидов произвели сенсацию. Более того, Унгар описал структуру пептидов, названных скотофобином и амелитином. В дальнейшем активный поиск веществ, ответственных за проявления страха, тревоги, устойчивости к стрессу, и радости оказался привлекательным... Однако в перечне пептидов, открытых и исследованных в последние 40 лет, нет веществ, “описанных” Унгаром. О скотофобине и амелитине к настоящему времени, по сути, забыто.

Пептиды синтезируются в нервных и железистых клетках, а также в эндотелии -- особой моноклеточной ткани, выстилающей кровеносное русло. Кроме того, пептиды образуются в крови или выбрасываются в кровоток различными тканями. Вот почему исходное понятие “нейропептиды” оказывается как бы размытым: они (по крайней мере основная часть) синтезируются во всех точках организма и “работают” также везде -- в мозге, в почках, в легких, в репродуктивных органах, в сердце... Например, вазоинтестинальный пептид (обнаруженный в кишечном тракте, но еще влияющий на тонус кровеносных сосудов, а также связанный с возрастными заболеваниями мозга) синтезируется и в нервной ткани, а давно известный пептидный гормон окситоцин имеет отношение не только к родовой деятельности, но и к регуляции памяти. Кроме того, пептиды могут транспортироваться: образующийся в гипоталамической области мозга аргинин-вазопрессин переносится по ходу нервного волокна в гипофиз, откуда попадает в кровь (целиком или в виде фрагментов). Циркулируя с током крови, пептиды становятся регуляторами по принципу “ВСЕМ-ВСЕМ-ВСЕМ” -- доступными тому органу, который готов воспринять этот сигнал.

Теории “специального” пептида, о чем речь шла выше, противостоит идеология АНСАМБЛЯ регуляторных пептидов. Системы пептидов связаны биохимической “родословной” (структурой, биосинтезом, ферментами), сопряжены в функциональном отношении (“подстраховкой”, кооперацией, ограничением функции), наконец, они осуществляют обратную связь после реализации физиологического акта -- передают сигнал генному аппарату клетки для стимуляции синтеза новых молекул...

Биохимическая цепочка биогенеза нейропептида завершается его взаимодействием со “своим” рецептором на основе химического закона “узнавания”. С этого момента процесс обретает новое качество -- он превращается в результат. Обнаружение специфических для определенного нейропептида рецепторов в какой-либо клетке, ткани, органе означает его причастность к регуляции исследуемого процесса. Рецепторы обнаружены почти для всех физиологически значимых пептидов. Более того, для многих из них установлены подтипы рецепторов, специфичных для различных клеток и для определенных химических вариаций пептида. Типична, например, ситуация, когда фрагмент большой молекулы пептида, образовавшегося в результате ее ферментативного расщепления, становится антагонистом “своего же” рецептора.

Знаменательна история открытия опиоидных (морфиноподобных) нейропептидов. В 1972 г. шотландские фармакологи Костерлиц, Хьюз, Голдштейн и Снайдер обнаружили в нервной ткани рецепторы, лигандные (т.е. предпочтительно связывающиеся) для морфина -- вещества, которое не синтезируется в клетках животных. Но это открытие означало: если есть воспринимающая субстанция -- рецептор, в организме должен быть и его “контрагент” -- вещество, специфически связывающееся с этим рецептором. Так были открыты энкефалины и эндорфины -- первые эндогенные опиоидоподобные нейропептиды. Обнаружение специфичных рецепторов означает возможность фармакологического воздействия на физиологическую функцию с помощью веществ, имитирующих структуру пептида, которые будут действовать как антагонисты рецепторов или агонисты-усилители физиологического эффекта. Способ управления физиологической функцией, а значит возможность воздействия на патологические процессы с помощью таких препаратов представляет огромный интерес для современной фарминдустрии, где исследовательские, медицинские и финансовые интересы связаны короткой “упряжкой”.

Классификация

В категорию НП включают обычно малые и средние по размеру пептиды -- от 2 до 50-60 аминокислотных остатков. Более крупные пептиды, в число которых входит ряд гормонов, некоторые факторы роста клеток и ряд других факторов, содержат, как правило, свыше 100 а.о., и их относят обычно к категории регуляторных белков. Большинство НП представляет собой линейные пептиды. С-концевые аминокислоты в них нередко амидированы, N-концевые остатки глутаминовой кислоты часто представлены в виде пироглутамата. Другие модификации аминокислотных остатков встречаются редко.

Многие из НП выполняют функции нейромедиаторов, передающих сигнал в пределах синапса, подобно классическим нейромедиаторам непептидной природы. При этом они, как правило, "сотрудничают" с непептидными медиаторами. В одном и том же нервном окончании локализованы определенные комбинации непептидного нейромедиатора с одним, двумя, а иногда и тремя НП. В зависимости от частоты и длительности импульсации они выделяются совместно или раздельно, иногда такие НП называют ко-нейротрансмиттерами или ко-нейромедиаторами. Кроме участия в передаче сигнала в синапсе НП способны осуществлять передачу информации и на более значительные дистанции -- в небольших зонах, в органе и даже в пределах целого организма. В этом случае их функции неотличимы от функций гормонов (в том числе гистогормонов). Объектом дистантного действия НП являются пре- и постсинаптические зоны нейронов, а также другие клетки. НП могут при этом облегчать или тормозить передачу импульса и оказывать другие влияния на состояние нейрона, т.е. функционировать как нейромодудяторы.

Классификация нейропептидов основана на сочетании трёх принципов: функционального, структурного и топологического:

Первое семейство

Либерины и статины (релизинг-факторы) гипоталамуса -- объединяет общность одной из главных функций, состоящей в регуляции выхода гормонов гипофиза и общность места образования установленного первыми исследователями этих НП. Либерины стимулируют выход (а в ряде случаев и синтез) определенных гормонов из клеток гипофиза, а статины тормозят его. По структуре они весьма разнообразны. Что касается места их образования, то синтез этих НП происходит не только в гипоталамусе, но и во многих других отделах мозга и организма в целом. В гипоталамусе синтезируется та часть либеринов и статинов, преимущественной (но не единственной) функцией которых является действие на гипофиз. Тем не менее ассоциация либеринов и статинов прежде всего с гипоталамусом стала традицией.

Помимо действия на выход гипофизарных гормонов каждый из либеринов и статинов обладает большим числом биологических активностей, осуществляемых прямым действием на определенные нейроны и другие клетки мозга и организма. Так, тиролиберин является мощным стимулятором эмоционального поведения, двигательной активности, дыхательного центра и др.

Люлиберин -- главный фактор, усиливающий половое поведение не только через усиление секреции гонадотропных гормонов, но и непосредственным действием на отделы мозга. Кортиколиберин, открытый как индуктор выхода АКТГ, непосредственно подавляет половое поведение и потребление пищи, будучи одновременно антидепрессантом и стимулятором эмоционального поведения. Типичным статином широкого спектра действия является соматостатин. Помимо подавления выхода гормона роста он является умеренным ингибитором настолько большого числа других функций, что его называют иногда пангибином. В их число входит способность подавлять моторику и секрецию желудочно-кишечного тракта, что нашло уже применение при лечении тяжелых форм язвенной болезни, связанных с кровотечениями. Развитие некоторых форм рака (например предстательной железы) тормозится соматостатином.

Второе семейство - опиаты

В отличие от либеринов и статинов эти НП имеют общие особенности структуры. Они содержат в качестве активного центра Met- или Leu-энкефалиновые последовательности или (в группе параэнкефалиновых опиоидов) аналоги этих последовательностей. Первыми были выделены два аналогичных пентапептида, названные энкефалинами и имеющие аминокислотные последовательности:

Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Met-энкефалин

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu Leu-энкефалин

Большинство из опиоидов обладает более или менее выраженным обезболивающим действием, реализуемым через рецепторы, впервые описанные в связи с изучением механизмов действия классических непептидных опиатов -- морфина, налоксон и др. Однако не менее важными представляются их активности в отношении высших функций мозга: снижение эмоционального поведения ("внутренние нейролептики"), индукция "чувства удовлетворения, вознаграждения", т.е. функция внутренних факторов подкрепления, и др. Некоторые из представителей этого семейства (например "гепта-" и "октапептиды", FMRF и б-эндорфин) ведут себя как частичные антагонисты классических опиоидов. Особенно показателен в этом отношении б-эндорфин. Если в-эндорфин, г-эндорфин и дез-тирозил-г-эндорфин снижают эмоциональное поведение, то б-эндорфин его усиливает, вызывая эффекты, подобные эффектам такого психостимулятора, как фенамин. Наконец, такой НП, как в-эндорфин, оказался мощным активатором разновидности лимфоцитов, убивающих раковые клетки, т.е. одним из важных регуляторов системы иммунитета, химическим посредником между этой системой и нервной системой. Заметим, что осуществление такой гуморальной связи -- "нервная система -- сома" -- характерно и для других НП.

Источники опиоидных НП в организме многообразны: большая часть эндорфинов и часть мет-энкефалина образуется в гипофизе; динорфины, неоэндорфииы, леуморфин, риморфин -- преимущественно в мозге (или исключительно в нем); адренорфин, "окта-" и "гептапептиды" -- преимущественно в надпочечнике; большая часть лей-энкефалина и часть мет-энкефалина имеет источником надпочечник и мозг. Особого упоминания заслуживание такой пищевой источник опиоидных НП, как продукты неполного гидролиза казеина и глютена в желудочно-кишечном тракте, среди которых обнаружены аналоги энкефалинов -- казаморфин и глюторфин. Пока неясны количества, в которых они могут образоваться, степень их всасывания и их вклад в баланс опиоидов организма.

Страницы: 1, 2, 3

В соцсетях