Роль пептидов в функционировании нервной системы

азнообразие биологических свойств энкефалинов позволяет рассматривать их в качестве эндогенных регуляторов многих физиологических и патологических процессов в организме. В связи с этим, изучение механизмов функционирования энкефалинов открывает новые возможности медицинской практики в связи с перспективами их экзогенного введения в организм в качестве средств, идентичных или близких по природе к эндогенным при тех или иных патологиях центральной нервной системы (ЦНС).

Не исключено, что такой широкий спектр биологических свойств опиоидов обусловлен функционированием протеолитических ферментов, участвующих как в процессинге, так и инактивации опиоидов.

Рассматривая пептидные опиоиды, нельзя не упомянуть обнаружение в организме опиоидов непептидной природы. К ним относятся сальсолинол , папаверолин и в-карболины, образующиеся особенно интенсивно при алкоголизме, при нарушение дофаминового цикла, а также некоторые количества кодеина, морфина, 6-ацетил-морфина и некоторых других алкалоидов, находимых в организме животных и человека вне связи с наркоманиями, алкоголизмом и особенностями диеты. Понятно некоторое недоумение, которое эти данные вызывают, но сейчас работы по выявлению этих соединений не вызывают методических возражений. Дискутируется вопрос о месте их синтеза. Предполагается, что синтез некоторых из них могут осуществлять какие-то бактерии в кишечнике из предшественников, поступающих с растительными продуктами.

Третьего семейства НП

Адренокортикотропвый гормон (АКТГ) -- давно известен как гипофизарный гормон, функция которого состоит в индукции выделения кортикостероидов из надпочечника. Сейчас, однако, доказаны его синтез в ряде отделов мозга и прямое участие в таких функциях мозга, как уровень внимания к внешним сигналам, запоминание, обучаемость. Установлена ключевая роль для осуществления последних функций фрагмента молекулы АКТГ с 4-го по 7-й а.о. -- МЕНF. Этот же фрагмент с той же функциональной характеристикой выявлен у меланотропных пептидов. Синтезирован ряд аналогов МЕНF, которые предполагается использовать для стимуляции внимания и запоминания человека.

Четвертое семейство НП

Включает вазопрессины и окситоцины, четко объединяется общностью структуры и преимущественного места секреции -- нейрогипофиза. Синтез этих НП происходит главным образом в гипоталамусе, и они представлены в ряде отделов мозга. Вазопрессин давно известен как гормон -- дистантный ингибитор диуреза и вазопрессор, а окситоцин --как стимулятор сокращения матки при родовой деятельности. Однако сейчас стало очевидным их участие в формировании долговременной памяти. Дискутируется вопрос о том, является ли это действие прямым или осуществляется через действие на эмоциональное состояние и избирательное внимание. Вазопрессин является при этом стимулятором, а окситоцин -- частичным ингибитором.

Пятое семейство

Пятое семейство НП получило название -- панкреатические пептиды -- в значительной мере по месту первичного обнаружения. Название это, хотя и общепринято, является иногда источником недоразумений, ибо, например, инсулин, являющийся типичным полипептидным гормоном поджелудочной железы, не имеет ничего общего с этими НП ни по структуре, ни по главным функциям. Наиболее изученный представитель панкреатических пептидов -- иейропептвд Y -- широко представлен не только в органах желудочно-кишечного тракта, но и в головном мозге. Он является участником поддержания тонуса сосудов мозга и организма в целом. Он же стимулятор пищедобывательного поведения; это его свойство неожиданным образом сочетается с некоторым анксиолитическим действием.

Шестое семейство

Наиболее изученный представитель шестого семейства НП-- вазоактивный интестинальный пептид (ВИП) -- подобно НпY был впервые обнаружен в желудочно-кишечном тракте. Однако именно он (наряду с холецистокинином) содержится в особенно высоких концентрациях в коре головного мозга. Несомненной является его способность снижать тонус гладкой мускулатуры сосудов, в том числе мозга и бронхов. В последнее время показано его участие в формировании полового поведения и функциях органов репродукции. В связи с данными о регуляции сна ВИП отметим существование еще одного пептида, способного усиливать процессы, лежащие в основе сна. В данной классификации не удалось сформировать семейство, в которое входил бы так называемый пептид дельта-сна (ПДС). Он стоит по структуре и другим признакам особняком по отношению к другим НП. Его наиболее выраженное действие проявляется в индукции дельта-волновой активности мозга, регистрируемой электроэнцефалографически и характерной для ортодоксальной фазы сна. Практически важна также его способность облегчать стрессовые состояния.

Седьмое семейство

В коре головного мозга наряду с вазоактивным интестинальным пептидом очень высоко содержание представителя седьмого семейства НП -- холецистокинина-8. Первично найденный опять-таки в желудочно-кишечном тракте, он оказался чрезвычайно мощным ингибитором пищедобывательного поведения. Введение его в количествах порядка 1010 -- 1012 г в третий желудочек мозга длительно голодавших животных на несколько часов снимало пишедобывательное поведение. Еще меньший по размеру вариант холецистокинина, содержащий всего 4 аминокислотных остатка, оказался одним из внутренних факторов, индуцирующих состояние тревожности и страха.

Восьмое семейство

Наиболее изученный представитель восьмого семейства НП -- вещество Р --является первым из НП, который был идентифицирован как нейромедиатор в путях проведения сенсорных импульсов. Обладает очень сложным спектром центральных и периферических эффектов, из которых особенно интересно его участие в индукции нейрогенного воспаления. Вещество Р открыто в 1931 г. фон Эйлером и Гаддумом в экстрактах мозга и пищеварительного тракта. Было обнаружено, что оно вызывает сокращение гладких мышц кишечника и расширение кровеносных сосудов, причем для проявления эффекта у человека при внутривенном введении достаточно всего нескольких нанограммов пептида. Позднее вещество Р, выделенное преимущественно из гипоталамуса, было очищено до гомогенного состояния. Его физиологическая роль пока не выяснена. Высвобождение этого пептида после сенсорной стимуляции было показано на дорсальном роговидном отростке спинного мозга. Как уже отмечено, этот процесс ингибируется энкефалином. Вещество Р действует путем деполяризации постсинаптической мембраны и является, следовательно, медиатором сенсорной стимуляции.

Десятое семейство

Нейротензин -- десятое семейство НП -- сходен с опиоидными НП по обезболивающей активности (особенно при центральном введении), но реализуется этот эффект не через опиоидные рецепторы; структурным сходством нейротензин не обладает. Характерным является сочетание у нейротензина аналготической активности с гипотермическим и гипотензивным действием -- интересным в медицинском плане.

Одиннадцатое семейство

Самый мощный из известных гипотермических факторов -- бомбезин -- является представителем одиннадцатого семейства НП. Глубокое снижение температуры он вызывает при центральном введении. Интерес к нему связан, в частности, с его возможной ролью при зимней спячке.

Двенадцатое и тринадцатое семейства

Два НП -- брадикинин и ангиотензин II -- давно исследуются главным образом как факторы, участвующие в формировании тонуса сосудов. Брадикинин и его аналоги являются вазодилятаторами, ангиотензин II -- вазоконстриктор. Известные пути их синтеза не связаны с нервными клетками, хотя ряд эффектов реализуется посредством влияния на синаптическую передачу (например ангиотензин II --на адренергические синапсы). Оба пептида обнаружены в головном мозге, причем установлена способность ангиотензина II возбуждать жажду при центральном введении.

Четырнадцатого семейство

Названия НП четырнадцатого семейства нередко приводят к недоразумениям. Так, в англоязычной литературе они называются "calcitonin gene related peptides" и обозначаются как СGRP. В данном случае точный перевод -- "пептиды, кодируемые геном, подобным гену кальцитонина" -- является слишком громоздким. Поэтому все чаще используется в качестве

тривиального названия термин ко-кальцигенин. Биологическая активность ко-кальцигенина проявляется очень наглядно -- введение всего лишь около 1014 моля этого НП под кожу человека вызывает довольно длительное расширение артериол, усиление кровотока и (особенно совместно с веществом Р) диапедез из сосудов форменных элементов крови. Вместе с ВИП и НпY ко-кальцигенин участвует в регуляции тонуса сосудов мозга, коронарных сосудов и др.

Пятнадцатое семейство

НП пятнадцатого семейства -- атрнопептиды -- до последнего времени считались факторами сугубо периферического происхождения и действия. Главный их источник -- кардиомиоциты предсердия. Атриопептиды значительно усиливают диурез и особенно натрий-урез. Сейчас, однако, доказано, что атриопептиды синтезируются и в головном мозге. Таким образом, история их исследования подобна описанной выше для ряда пептидов, обнаруженных сначала на периферии, а затем в головном мозге. На очереди -- выявление их функций в ЦНС.

Шестнадцатое семейство

Наконец, НП шестнадцатого семейства -- эндозепины -- являются негативными регуляторами рецепторов GABA. Если сама GABA является тормозным медиатором, участвующим в разнообразных процессах, в том числе в транквилизации -- снижении тревожности, успокоении, то эндозепины, напротив, вызывают тревожность и проконфликтное поведение. По-видимому, подавление GABA-ергической трансмиссии, очень широко представленной в мозге, позволяет предполагать у эндозепинов и другие проявления биологической активности, но исследования этой группы НП начаты сравнительно недавно.

Пептиды - коннекторы

Описан целый ряд пептидов, так называемых пептидов-коннекторов, которые ряд исследователей считают непосредственными детерминантами формирования определенных условных рефлексов и довольно сложных навыков. Эту точку зрения разделяют не все исследователи. Так некоторые из них полагают, что пептиды-коннекторы являются не детерминантами памяти, а регуляторами некоторых специфических форм врожденного поведения животных. Пептиды-коннекторы представляют исключительный интерес. Наиболее изученными из них являются амелитин, скотофобин, хромодиопсины и катабатмофобин. Все они получены из мозга животных, тренированных к тому или иному навыку. При введении в мозг они сообщают необученному животному тот же навык.

Амелитин, по-видимому, имеющий строение Глу-Глу-Гли-Тир-Сер-Лиз образуется в мозгу белых крыс при привыкании к резкому звуку определенной частоты и продолжительности. После введения амелитина, выделенного из этого животного, необученной крысе, она не реагирует на резкий звук той же частоты и продолжительности. Эффективная доза -- 10 нг.

Скотофобин, вероятно, имеет следующее строение:

Сер-Асп-Асн-Асн-Глн-Глн-Гли-Лиз-Сер-Ала-Глн-Глн-Гли-Гли-Тир. Он образуется в мозгу белых крыс при воспитании у них страха перед темной частью лабиринта. После введения природного препарата белые крысы и мыши, а также рыбы избегают темноты.

Хромодиопсины образуются в мозгу золотых рыбок при выработке у них рефлексов избегания синей или зеленой стенки аквариума. Этот рефлекс передается необученным золотым рыбкам после введения им хромодиопсина. Химический состав хромодиопсинов не установлен. Хромодиопсин «к зеленому цвету» расщепляется трипсином и химотрипснном, а хромодиопсин «к синему цвету» устойчив к трипсину и расщепляется химотрипсином.

Катабатмофобин имеет молекулярный вес 1700--1950, образуется в мозгу белых крыс при формировании двигательно-оборонительного рефлекса избегания определенной последовательности движений. Введение катабатмофобина сообщает необученным белым крысам этот рефлекс. Механизм действия этой интереснейшей группы соединений пока неясен. После введения животному скотофобин преимущественно локализуется в коре. Высказывались предположения, что действие этих пептидов основано на специфическом связывании с определенными небольшими группами синапсов, надолго повышающем их проводимость (отсюда и термин--пептид-коннекторы). Для изучения этого класса пептидов требуется четкое установление их структуры.

Система регуляторных пептидов образует так называемый функциональный континуум. Это обозначает то, что, с одной стороны, каждый из пептидов обладает уникальными свойствами, уникальным комплексом активностей. С другой стороны, многие проявления биоактивности каждого из пептидов совпадают или близки к таковым ряда других пептидов. В результате каждый пептид выступает как созданный эволюцией "пакет программ" для включения или модуляции определенного комплекса функций. Набор таких комплексов настолько велик, что создается возможность относительно плавного, непрерывного перехода от одного к другому комплексу совместимых функций. Представление о функциональном континууме пептидных регуляторов позволяет понять биологический смысл их необычайного многообразия. Указанное выше число уже открытых пептидных регуляторов, по-видимому, значительно меньше их действительной численности, если учесть, что каждый год приносит открытие не только ряда пептидов, относящихся к уже известным семействам, но и новых семейств пептидов.

Кроме обеспечения разнообразнейших комплексов биоактивностей пептидный континуум выполняет ещё одну функцию -- образование сложных регуляторных цепей и каскадов. Каждый из НП обладает способностью индуцировать выход в кровь, в цереброспинальную жидкость, в межклеточные среды организма определенных НП. Частным случаем этой системы взаимной индукции является описанное действие либеринов и статинов гипоталамуса на выход гормонов гипофиза. Каждый НП, выход которого индуцирован другим пептидом, в свою очередь может индуцировать выход ряда следующих НП, так что возникает цепной, каскадный регуляторный процесс. Сейчас трудно судить о том, сколь длинной может быть такая цепь. Известно, однако, что многие НП, период полуэллиминации которых измеряется минутами, способны вызывать многочасовые и даже многосуточные эффекты после введения в организм, Вероятно, основой этого и являются такие цепные процессы. Биологический смысл существования длительных регуляторных процессов, складывающихся из кратковременных звеньев, очевиден. В отличие от систем, основанных на долгоживущих регуляторах, такая система является более гибкой в меняющейся ситуации, при поступлении новых сигналов и т.п.

В сложной системе индуцирующего действия НП на выход других НП необходимо отметить ряд элементов иерархии, "взаимоподчинения" одних регуляторов другим. Например, ВИП и ХЦК-8, локализованные в значительных количествах в коре головного мозга, способны индуцировать или тормозить выход ряда либеринов и статинов гипоталамуса, который, в свою очередь, регулирует выход гормонов гипофиза. Многие из последних тоже служат индукторами выхода периферических гормонов (щитовидной железы, надпочечников и др.). Такая иерархия, контроль и управление "сверху-вниз" сочетается со сложной системой прямых действий всех НП на многие функции организма.

Сколь бы сложной ни представлялась эта картина действия и взаимодействия пептидов, следует постоянно помнить о существовании диалектического сочетания их прямых и опосредствованных каскадных эффектов.

Процессинг и посттрансляционная модификация нейропептидов

Общий принцип синтеза всех достаточно изученных НП состоит в образовании относительно больших пептидов-предшественников, из которых после завершения трансляции выщепляются протеазами соответствующие НП. Как правило, в состав пептида-предшественника входит одна или большее число последовательностей НП (иногда весьма различных по структуре) и так называемая сигнальная последовательность, способствующая миграции предшественника внутри клетки после завершения трансляции в шероховатой эндоплазматической сети и отщепляемая в конце этой части пути.

В 1984 году Gainer сформулировали гипотезу секреторных везикул, согласно которой процессинг биологически активных пептидов осуществляется в процессе передвижения молекул пропептидов по гранулярному ЭПР, комплексу Гольджи и в секреторных везикулах. Последние содержат полный набор ферментов процессинга, специфичный для данной клетки (ткани), а также специальные системы поддержки оптимальной рН среды.

Процессинг нейропептидов внутри секреторных гранул включает в себя эндо- и экзопротеолитические реакции, а также гликолизирование, сульфатирование, амидирование и фосфорилирование N- и С-концевых аминокислотных остатков, что предохраняет образовавшийся продукт от дальнейшей деградации.

Многие пептиды-предшественники образуют промежуточное соединение с гликозидами, которые оказывают стабилизирующее действие на некоторых стадиях процессинга и влияют на выбор мест атаки протеиназами. Протеиназы, обеспечивающие выщепление НП в течение нескольких десятков минут -- часа после трансляции, не являются высокоспецифичными. В значительной мере точное выщепление обусловлено наличием в последовательности аминокислот пептидов-предшественников парных остатков. Они в первую очередь атакуются протеиназами, близкими по характеру действия к катепсину В и трипсину. Выщепляемые в этой фазе процессинга фрагменты во многих случаях уже представляют собой активные НП. Нередко эти фрагменты подвергаются дальнейшему протеолизу опять-таки с образованием новых НП. На этой фазе описано участие не только трипсиноподобных протеиназ, но и ряда других протеиназ, специфичность которых тоже не является очень высокой. Однако в различных нейронах и, возможно, даже в разных терминалях одного нейрона их набор может быть неодинаковым, что обеспечивает в конечном счете ту или иную специализацию на продукции строго определенных НП (единичных или их комплексов).

Так например, многие эндопептидазы, участвующие в процессинге энкефалинов обладают очень узкой субстратной специфичностью. Так, эндопептидаза, специфичная к связи Lys-Arg, не расщепляет связи Arg-Arg и Arg-Lys, что объясняют специфичностью фермента не только к гидролизуемой связи, но и, вероятно, к ближайшему аминокислотному окружению. Расщепление может происходить иногда не по парам остатков основных аминокислот, а по моноостаткам аргинина, лизина или каких-либо других аминокислот. Например, тиоловая прогормон-конвертаза расщепляет предшествен-ники энкефалинов с обеих сторон по моно- и диосновным остаткам аминокислот, но более высокую специфичность проявляет к моноосновным сайтам. Все этапы процессинга хорошо иллюстрируются схемой превращений проопиомеланокортина, из которого могут формироваться в-липотропин, АКТГ1-39, АКТГ1-24, АКТГ18-39 (так называемый CLIP), б, в- и г-МSH, в-, г- и б-эндорфины, Met-энкефалин, дезтирозильные производные эндорфинов, С-концевой дипептид в-эндорфина и, возможно, еще некоторые другие НП. Еще раз подчеркнем, что имеется в виду не одновременное образование всех этих НП в одном нейроне или терминали, а более или менее избирательное формирование их в зависимости от набора протеаз в данной клетке.

Обращает на себя внимание, что синтез ряда опиоидных пептидов, содержащих в качестве минимальной активной последовательности Met-энкефалин, обеспечивается по крайней мере двумя пептидами-предшественниками -- проопиомеланокортином (локализованным главным образом, но не исключительно в гипофизе) и препроэнкефалином А (локализованным преимущественно, но опять-таки не исключительно в надпочечниках). Сходным образом лей-энкефалинсодержащие опиоидные НП выщепляются из мозгового пептида-предшественника продинорфина (препроэнкефалина В) и из уже упоминавшегося препроэнкефалина А, совмещающего в себе последовательности НП с лей-энкефалиновыми и мет-энкефалиновыми активными центрами. Однако общность минимальных последовательностей опиоидных НП, заключенных в разных пептидах-предшественниках, не означает идентичности содержащих их НП большого размера: продинорфин образует лей-морфин и перекрывающийся с ним каскад динорфинов разного размера (динорфин В (риморфин) и 4кД-ди-норфин), а также б- и в-неоэндорфины. Из препроэнкефалина А формируются самостоятельные НП, содержащие и лей-энкефалин, и мет-энкефалин (например так называемый пептид Е).

Сходные закономерности структуры можно отметить и для некоторых других пептидов-предшественников, хотя они, как правило, исследованы в гораздо меньшей степени, чем предшественники опиоидов, АКТГ и МСГ. Можно полагать, что дальнейший анализ биологической активности их фрагментов позволит выявить источники новых НП.

Обращают на себя внимание большие области пептидов-предшественников, где пока не идентифицированы НП. Хотя часть из них выполняет (судя по в -эндорфину, АКТГ) функции дополнительных "адресных" последовательностей, уточняющих взаимодействие НП преимущественно с определенной тканью иди органом, есть основания предполагать и в них наличие последовательностей еще не идентифицированных НП. В ряде случаев образование НП и процессы их распада переплетаются друг с другом. Например, один из путей распада в-эндорфина - НП, имеющего самостоятельное функциональное значение, ведет, как уже упоминалось, к образованию г-эндорфина и опять-таки НП, имеющего уникальную функциональную характеристику; отщепление концевого аминокислотного остатка от г -эндорфина приводит к образованию б-эндорфина, весьма своеобразного по функциям, и т.д.

Регуляция метаболизма активных регуляторных пептидов определяется большим спектром воздействий, изменяющих гомеостаз на любом уровне - уровне клетки (транскрипция, трансляция и посттрансляционный процессинг), ткани (секреция и инактивация нейропептидов), а также на уровне организма в целом. Именно эти морфогенетические и биохимические особенности биогенеза и определяют уровень активных регуляторных пептидов в организме. При этом, несомненно, важная регулирующая роль в метаболизме нейропептидов принадлежит протеолитическим ферментам.

Страницы: 1, 2, 3