что такое гамк в цнс
γ-аминомасляная кислота (GABA), которая синтезируется главным образом из глутамата глутаматдекарбоксилазой, является наиболее широко распространенным ингибиторным нейротрансмиттером в ЦНС как беспозвоночных, так и позвоночных. У беспозвоночных (например, насекомых) ГАМК обеспечивает быструю химическую нейротрансмиссию вместе с L- глутаматом, возбуждающим нейромедиатором в соединениях нервных мышц.
Механизмы антагонизма iGABAR были тщательно изучены и хорошо охарактеризованы в последние пять десятилетий с использованием различных технических подходов. Подавляющее большинство доказательств на молекулярном уровне подтверждается экспериментальными результатами, полученными в результате многочисленных фармакологических, электрофизиологических, биохимических и мутагенезных исследований.
Общий баланс между возбуждением и торможением нейронов жизненно важен для нормальной работы мозга. Слишком сильное торможение или слишком слабое возбуждение могут привести к коме, депрессии, пониженному кровяному давлению, седации или сну; с другой стороны, слишком сильное возбуждение или слишком слабое торможение могут привести к ряду состояний, включая судороги, беспокойство, высокое кровяное давление, тревогу и бессонницу. Хорошо известно, что блокировка GABA-закрытого хлоридного канала снижает нейрональное торможение и вызывает эпилептическую или эпилептиформную энцефалопатию.
Нейромолекулы: гамма-аминомасляная кислота или просто ГАМК
Работу нервной системы не представляется возможным описать в двух словах. Но если бы неведомая сила всё-таки принудила нас выразить так её сущность, то первым словом было бы «возбуждение», а вторым — «торможение». Ведь именно баланс этих двух процессов порождает всё многообразие реакций живых существ на сигналы извне. Этими явлениями в центральной нервной системе (ЦНС) управляют аминокислоты — базовые биохимические молекулы, которых называют нейромедиаторами. Их три (на самом деле больше, но эти — основные): глутаминовая кислота (наиболее важный медиатор возбуждения), гамма-аминомасляная кислота и глицин (отвечают за торможение). Сейчас мы поговорим о тормозных нейромедиаторах, а точнее — о гамма-аминомасляной кислоте.
Давным-давно, когда мир ещё не знал об Интернете, постмодернизме и оружии массового поражения, один из наиболее влиятельных физиологов второй половины XIX в. Иван Михайлович Сеченов в своих работах показал существование в ЦНС явления торможения. В ранних опытах Сеченова стимуляция определённых центров нервной системы лягушки подавляла рефлекторное движение лапки, выполняя таким образом функцию «тормоза» для этого рефлекса. В те времена дать ответ на вопрос о том, как осуществляется торможение в нервной системе на клеточном и молекулярном уровне, было невозможно. Для этого требовалось несколько десятков лет постепенного накопления данных, добытых трудолюбивыми учёными в лабораториях по всему миру, в том числе и в России (вспомнить хотя бы нобелевского лауреата Ивана Петровича Павлова). Именно благодаря их труду мы теперь имеем возможность спуститься по воображаемой иерархической лестнице до уровня молекул и разобраться подробнее, что же именно открыл Сеченов.
Основной медиатор торможения в ЦНС — аминокислота ГАМК (гамма-аминомасляная кислота). В англоязычных источниках мы видим её под аббревиатурой GABA, поскольку в английском языке она носит более формальное химическое название – гамма-аминобутановая кислота. Что это значит на практике? Почти в любом регионе мозга можно найти нейроны, несущие на себе рецепторы молекул ГАМК. При этом активация этих рецепторов приводит к гиперполяризации мембраны нейрона (об этом процессе мы писали в статье про потенциал действия). Такой нейрон становится на некоторое время менее восприимчивым к активирующим (возбуждающим) сигналам от других нервных клеток. Таким образом, ГАМК выполняет функцию молекулярного тормоза, регулирующего активность нейронов.
Как нейрон доходит до этого состояния? Рецепторы ГАМК можно разделить на две группы – ионотропные и метаботропные. Метаботропные рецепторы относятся к обширному семейству GPCR (G-protein coupled receptors; рецепторы, сопряженные с G-белками). Они связываются с молекулами ГАМК и пробуждают ферменты, которые активируют калиевые каналы, то есть транспортные белки, занимающиеся поставками калия сквозь мембрану клетки для передачи нервных сигналов.
Ионотропные рецепторы (или лиганд-управляемые ионные каналы) сами представляют собой ионные каналы, проницаемые для ионов хлора. Активация и калиевых, и хлорных каналов преследует одну цель: затормозить нервные импульсы (положительно заряженные ионы калия покидают клетку, делая её заряженной отрицательно относительно внешней среды; отрицательно заряженные ионы хлора проникают внутрь клетки, придавая ей дополнительный отрицательный заряд).
Широкая распространённость рецепторов ГАМК в нервной системе сделала возможной разработку множества лекарств, молекулы которых взаимодействуют с различными типами этих рецепторов. Например, бензодиазепины – лекарства, обладающие успокоительным эффектом – работают как положительные модуляторы ионотропных рецепторов ГАМК. Молекулы бензодиазепинов связываются с рецептором и делают его более чувствительным к воздействию природной гамма-аминомасляной кислоты, что приводит к «затормаживанию» некоторых процессов в мозге и медикаментозному успокоению.
В последние годы идёт разработка и негативных модуляторов рецепторов ГАМК для стимуляции работы нервной системы при состояниях, когда она слишком «заторможена» от природы или в результате воздействия каких-либо веществ, например, алкоголя.
Текст: Денис Кудрявцев (научный сотрудник Лаборатории лиганд-рецепторных взаимодействий Института биоорганической химии РАН)
Что такое гамк в цнс
ГАМК (гамма-аминомасляная кислота, гамма-амино-бутировая кислота) синтезируется из глутамата с помощью фермента глутаматдекарбоксилазы. Предполагается, что ГАМК является основным тормозным медиатором мозга. Этот медиатор так же, как и холинергические интернейроны, способен регулировать активность (возбуждение) пирамидальных клеток.
Нейроны, чувствительные к ГАМК, очень распространены в ЦНС, причем здесь доминируют нейрональные клеточные популяции. В последние годы обнаружены небольшие по своему размеру интернейроны, чувствительные к ГАМК в кортексе, их повреждение исследователи связывают с длительно сохранюющейся обостренной сенситивностью некоторых людей.
Дисфункция ГАМК-эргической системы
При промежуточном включении ГАМК-эргических нейронов возможен двухфазный сдерживающий эффект в отношении дофаминергических нейронов.
Накопление ГАМК регулируется с помощью механизма обратной связи. К регуляторам синтеза ГАМК относят: АТФ, неорганический фосфат и кофактор пиридоксальфосфат. Различают два типа рецепторов ГАМК: ГАМК-А и ГАМК-В.
 | Для выявления влияния нейромедиаторов на развитие шизофрении необходимо проводить лабораторные обследования пациентов |
Как показали результаты постмортальных исследований, при шизофрении обнаруживается дефицит ГАМК. Этот факт связывается с недостаточной активностью ГАМК-эргической системы коры мозга, которая контролирует активность дофаминергической системы подкорковых образований.
Пониженная активность ГАМК вызывает повышение активности системы дофамина, что клинически проявляется усилением возбуждения.
Низкий уровень ГАМК был обнаружен в спинномозговой жидкости больных шизофренией во время дебюта заболевания.
О роли ГАМК в генезе шизофрении говорит тот факт, что бензодиазепины (агонисты ГАМК) ослабляют выраженность психомоторного возбуждения при этом заболевании, напротив, баклофен, являющийся антагонистом ГАМК-эргической системы, обостряет симптоматику шизофрении.
K. Gauggel (2008) с точки зрения интегративного нейрохимического подхода к патофизиологии шизофрении ее развитие представляет себе следующим образом:
Что такое гамк в цнс
ГАМК (гамма-аминомасляная кислота, гамма-амино-бутировая кислота) синтезируется из глутамата с помощью фермента глутаматдекарбоксилазы. Предполагается, что ГАМК является основным тормозным медиатором мозга. Этот медиатор так же, как и холинергические интернейроны, способен регулировать активность (возбуждение) пирамидальных клеток.
Нейроны, чувствительные к ГАМК, очень распространены в ЦНС, причем здесь доминируют нейрональные клеточные популяции. В последние годы обнаружены небольшие по своему размеру интернейроны, чувствительные к ГАМК в кортексе, их повреждение исследователи связывают с длительно сохранюющейся обостренной сенситивностью некоторых людей.
Дисфункция ГАМК-эргической системы
При промежуточном включении ГАМК-эргических нейронов возможен двухфазный сдерживающий эффект в отношении дофаминергических нейронов.
Накопление ГАМК регулируется с помощью механизма обратной связи. К регуляторам синтеза ГАМК относят: АТФ, неорганический фосфат и кофактор пиридоксальфосфат. Различают два типа рецепторов ГАМК: ГАМК-А и ГАМК-В.
| | Для выявления влияния нейромедиаторов на развитие шизофрении необходимо проводить лабораторные обследования пациентов |
Как показали результаты постмортальных исследований, при шизофрении обнаруживается дефицит ГАМК. Этот факт связывается с недостаточной активностью ГАМК-эргической системы коры мозга, которая контролирует активность дофаминергической системы подкорковых образований.
Пониженная активность ГАМК вызывает повышение активности системы дофамина, что клинически проявляется усилением возбуждения.
Низкий уровень ГАМК был обнаружен в спинномозговой жидкости больных шизофренией во время дебюта заболевания.
О роли ГАМК в генезе шизофрении говорит тот факт, что бензодиазепины (агонисты ГАМК) ослабляют выраженность психомоторного возбуждения при этом заболевании, напротив, баклофен, являющийся антагонистом ГАМК-эргической системы, обостряет симптоматику шизофрении.
K. Gauggel (2008) с точки зрения интегративного нейрохимического подхода к патофизиологии шизофрении ее развитие представляет себе следующим образом:
Нейромедиаторы, часть 2
Аденозин, ацетилхолин, глутамат и гамма-аминомасляная кислота
Первую часть рассказа о нейромедиаторах «Атлас» посвятил молодежным дофамину, норадреналину и серотонину. Во втором посте речь пойдет о менее известных медиаторах, которые выполняют важную невидимую работу: стимулируют и тормозят другие нейромедиаторы, помогают нам учиться и запоминать.
Ацетилхолин
Это первый нейромедиатор, который открыли ученые. Он отвечает за передачу импульсов двигательными нейронами – а значит, за все движения человека. В центральной нервной системе нейромедиатор берет на себя стабилизирующие функции: выводит мозг из состояния покоя, когда необходимо действовать, и наоборот, тормозит передачу импульсов, когда необходимо сосредоточиться. В этом ему помогают два типа рецепторов – ускоряющие никотиновые и тормозящие мускариновые.
Ацетилхолин играет важную роль в процессе обучения и формирования памяти. Для этого требуется как способность фокусировать внимание (и тормозить передачу отвлекающих импульсов), так и способность переключаться с одного предмета на другой (и ускорять реакцию). Активная работа мозга, например, при подготовке к экзамену или годовому отчету, приводит к повышению уровня ацетилхолина. Если мозг долгое время бездействует, специальный фермент ацетилхолинэстераза разрушает медиатор, и действие ацетилхолина слабеет. Идеальный для учебы, ацетилхолин будет плохим помощником в стрессовых ситуациях: это медиатор размышления, но не решительных действий.
Переизбыток ацетилхолина в организме вызывает спазм всех мышц, судороги и остановку дыхания – именно на такой эффект рассчитаны некоторые нервно-паралитические газы. Недостаток ацетилхолина приводит к развитию болезни Альцгеймера и других видов старческой деменции. В качестве поддерживающей терапии пациентам назначают препарат, блокирующий разрушение ацетилхолина – ингибитор ацетилхолинэстеразы.
Ген CHRNA3 кодирует никотиновый рецептор ацетилхолина, на который может воздействовать никотин. На первом этапе вещество действует на симпатическую систему организма, которая отвечает за спазм гладкой мускулатуры и сокращение сосудов. Поэтому у начинающих курильщиков сигареты вызывают скорее тошноту и бледность кожи, чем восторг. Но со временем никотин достигает клеток головного мозга и активизирует рецепторы ацетилхолина. Так как этим занимается и никотин, и ацетилхолин одновременно, мозг пытается скорректировать «двойную подачу», и через некоторое время нейроны головного мозга сокращают нормальное производство ацетилхолина. С этого момента никотин будет нужен курильщику по каждому поводу – с утра чтобы взбодриться, после совещания наоборот, чтобы успокоиться, после обеда – чтобы хоть немного подумать о вечном.
Полиморфизм гена CHRNA3 влияет на скорость формирования никотиновой зависимости и, как следствие, на риск развития рака лёгких, вызванного курением.
Все химические реакции в организме требуют затраты энергии. В качестве валюты в этом процессе используется молекула аденина с несколькими основаниями фосфорной кислоты. Сразу после «зарплаты» у вас на карточке окажется «триста рублей» – молекула аденозинтрифосфат с тремя остатками фосфорной кислоты. На каждую транзакцию уходит по сто рублей, соответственно, после первой «покупки» на счету останется всего двести рублей (аденозиндифосфат), после второй – сто рублей (аденозинмонофосфат), после третьей – ноль рублей.
Купюра в ноль рублей – и есть аденозин. Как нейромедиатор он отвечает за чувство усталости и засыпание. Во время сна купюрам в ноль-ноль рублей дорисовывают троечки, аденозин трансформируется в аденозинтрифосфат, и мы с новыми силами готовы вернуться к работе.
Есть способ обмануть «банковскую систему»: заблокировать рецепторы аденозина и уйти в кредит. Именно этим и занимается кофеин – позволяет игнорировать усталость и продолжать работать. При этом он не приносит настоящей энергии, а только дает тратить деньги, как если у вас всё ещё есть триста рублей. Как и за любой кредит, за перерасход приходится расплачиваться – большей усталостью, заторможенностью внимания, привыканием. Тем не менее, кофеиносодержащие кофе, чай и шоколад – самый популярный стимулятор в мире.
Всего известно четыре вида рецепторов аденозина, которые активируются и блокируются аденозином. Ген ADORA2A кодирует рецепторы аденозина второго типа, которые участвуют в активации противовоспалительных процессов, формировании иммунного ответа, регуляции боли и сна. От работы этого рецептора зависит скорость реакции организма на ранение и травму.
Глутаминовая кислота в форме глутамата – пищевая аминокислота, которая содержится в продуктах животного происхождения. Вкусовые рецепторы воспринимают глутамат как индикатор белковой пищи – а значит питательной и полезной – и оставляют заметку, что было вкусно, и надо повторить. В двадцатом веке японские ученые выяснили принцип восприятия этого вкуса (они назвали его «умами» – вкусный), и со временем глутамат натрия стал популярной пищевой добавкой. Именно благодаря ему иногда сложно устоять перед соблазном съесть лапшу доширак. Как пищевая добавка глутамат не влияет напрямую на работу нейронов, поэтому его «передозировка» в худшем случае обойдется головной болью.
Глутамат – это не только пищевая аминокислота, но и важный нейромедиатор, рецепторы которого есть у 40% нейронов головного мозга. Он не имеет собственной «смысловой нагрузки», а только ускоряет передачу сигнала другими рецепторами – дофаминовыми, норадреналиновыми, серотониновыми и т.д. Эта функция позволяет глутамату формировать синаптическую пластичность – способность синапсов регулировать свою активность в зависимости от реакции постсинаптических рецепторов. Этот механизм лежит в основе процесса обучения и работы памяти.
Снижение активности глутамата приводит к вялости и апатии. Переизбыток – к «перенапряжению» нервных клеток и даже их гибели, как если бы на электрическую сеть дали большую нагрузку, чем она способна выдержать. «Перегорание» нейронов – эксайтотоксичность – наблюдается после приступов эпилепсии и при нейродегенеративных заболеваниях.
Две группы генов кодируют белки-транспортеры глутамата. Гены группы EAAT отвечают за натрий-зависимые белки – те самые, которые участвуют в процессе запоминания. Мутации в генах этой группы повышают риск инсульта, болезни Альцгеймера, болезни Гентингтона, бокового амиотрофического склероза. Мутации в генах везикулярных белков-транспортеров группы VGLUT ассоциированы с риском шизофрении.
У каждой инь есть свой ян, и у глутамата есть вечный его противник, с которым он тем не менее неразрывно связан. Речь идет о главном тормозном нейромедиаторе – гамма-аминомасляной кислоте (ГАМК или GABA). Так же как и глутамат, ГАМК не вносит новых цветов в палитру мозговой активности, а только регулирует активность других нейронов. Так же как и глутамат, ГАМК охватил сетью своих рецепторов около 40% нейронов головного мозга. И глутамат, и ГАМК синтезируются из глутаминовой кислоты и по существу являются продолжением друг друга.
Для описания эффекта ГАМК идеально подходит поговорка «тише едешь – дальше будешь»: тормозящий эффект медиатора позволяет лучше сосредоточиться. ГАМК снижает активность самых разных нейронов, в том числе связанных с чувством страха или тревоги и отвлекающих от основной задачи. Высокая концентрация ГАМК обеспечивает спокойствие и собранность. Снижение концентрации ГАМК и нарушение баланса в вечном сопротивлении с глутаматом приводит к синдрому дефицита внимания (СДВГ). Для повышения уровня ГАМК хорошо подходят прогулки, йога, медитации, для снижения – большинство стимуляторов.
У гамма-аминомасляной кислоты два типа рецепторов – быстрого реагирования GABA-A и более медленного действия GABA-B. Ген GABRG2 кодирует белок рецептора GABA-A, который резко снижает скорость передачи импульсов в головном мозге. Мутации в гене связаны с эпилепсией и фебрильными судорогами, которые могут возникать при высокой температуре.
Если дофамин, серотонин и норадреналин – голливудские актеры большой нейронной киноиндустрии, то герои второй части рассказа о нейромедиаторах скорее работают за кадром. Но без их незаметного вклада большое кино было бы совсем другим.
В следующей части «Атлас» расскажет о пептидах и опиоидиах – эта тема требует отдельного разговора.