Обратный захват — это повторное поглощение нейромедиатора переносчиком нейромедиатора, расположенным вдоль плазматической мембраны терминали аксона ( т. е. пресинаптического нейрона в синапсе) или глиальной клетки после того, как он выполнил свою функцию по передаче нервного импульса .
Обратный захват необходим для нормальной синаптической физиологии, поскольку он обеспечивает рециркуляцию нейротрансмиттеров и регулирует уровень нейротрансмиттера, присутствующего в синапсе, тем самым контролируя длительность сигнала, возникающего в результате высвобождения нейротрансмиттера. Поскольку нейротрансмиттеры слишком велики и гидрофильны, чтобы диффундировать через мембрану, для обратного поглощения нейротрансмиттеров необходимы особые транспортные белки . Было проведено много исследований, как биохимических, так и структурных, чтобы получить подсказки о механизме обратного захвата.
Первая первичная последовательность белка обратного захвата была опубликована в 1990 году. Методика определения последовательности белка основывалась на очистке, секвенировании и клонировании рассматриваемого белка-транспортера или стратегиях экспрессионного клонирования, в которых транспортная функция использовалась в качестве анализа для видов кДНК, кодирующих этот транспортер. После разделения было обнаружено, что между двумя последовательностями ДНК существует много сходств. Дальнейшие исследования в области белков обратного захвата показали, что многие из транспортеров, связанных с важными нейротрансмиттерами в организме, также очень похожи по последовательности на транспортеры ГАМК и норадреналина. Члены этого нового семейства включают транспортеры для дофамина , норадреналина , серотонина , глицина , пролина и ГАМК . Они были названы Na + /Cl − -зависимыми транспортерами нейротрансмиттеров. Зависимость от ионов натрия и хлора будет обсуждаться позже в механизме действия. Используя сходства между последовательностями и анализами гидропатических диаграмм, было предсказано, что в семействе «классических» транспортеров есть 12 гидрофобных мембранных областей. [1] В дополнение к этому, N- и C-концы существуют во внутриклеточном пространстве . Все эти белки также имеют расширенную внеклеточную петлю между третьей и четвертой трансмембранными последовательностями. Эксперименты по направленной химической маркировке подтвердили предсказанную топологическую организацию транспортера серотонина. [2]
В дополнение к транспортерам нейротрансмиттеров, многие другие белки как у животных, так и у прокариот были обнаружены со схожими последовательностями, что указывает на более крупное семейство нейротрансмиттеров: натриевых симпортеров (NSS). Один из этих белков, LeuT, из Aquifex aeolicus , был кристаллизован Ямашитой и соавторами [3] с очень высоким разрешением, что выявило молекулу лейцина и два иона Na + , связанных вблизи центра белка. Они обнаружили, что трансмембранные (ТМ) спирали 1 и 6 содержали раскрученные сегменты в середине мембраны. Наряду с этими двумя спиралями, ТМ-спирали 3 и 8 и области, окружающие раскрученные участки 1 и 6, образовывали субстрат и сайты связывания ионов натрия. Кристаллическая структура выявила псевдосимметрию в LeuT, в которой структура ТМ-спиралей 1-5 отражена в структуре спиралей 6-10.
В белке есть внеклеточная полость, в которую выступает спиральная шпилька, образованная внеклеточной петлей EL4. В TM1 аспартат отличает транспортеры моноаминов NSS от транспортеров аминокислот , содержащих глицин в том же положении. Внешние и внутренние «ворота» были назначены парам отрицательно и положительно заряженных остатков во внеклеточной полости и вблизи цитоплазматических концов спиралей TM 1 и 8.
Классические транспортные белки используют трансмембранные ионные градиенты и электрический потенциал для транспортировки нейротрансмиттера через мембрану пресинаптического нейрона. Типичные нейротрансмиттерные натриевые симпортные транспортеры (NSS), которые зависят от ионов Na + и Cl − , используют преимущества как градиентов Na + , так и градиентов Cl − , направленных внутрь через мембрану. Ионы текут вниз по своим градиентам концентрации, во многих случаях приводя к трансмембранному движению заряда, которое усиливается мембранным потенциалом. Эти силы втягивают нейротрансмиттерный субстрат в клетку, даже против его собственного градиента концентрации. На молекулярном уровне ионы Na + стабилизируют связывание аминокислот в месте субстрата, а также удерживают транспортер в конформации, открытой наружу, что позволяет связывать субстрат. [4] Роль иона Cl − в механизме симпорта , как предполагается, заключается в стабилизации заряда симпортированного Na + . [5] [6]
После связывания ионов и субстрата должны произойти некоторые конформационные изменения. Из конформационных различий между структурой ТМ 1-5 и ТМ 6-10, а также из идентификации пути проникновения субстрата между местом связывания SERT и цитоплазмой , был предложен механизм конформационных изменений, в котором четырехспиральный пучок, состоящий из ТМ 1, 2, 6 и 7, изменяет свою ориентацию внутри остальной части белка. [7] Структура LeuT в конформации, открытой внутрь, впоследствии продемонстрировала, что основной компонент конформационных изменений представляет собой движение пучка относительно остальной части белка. [8]
Основная цель ингибитора обратного захвата — существенно снизить скорость, с которой нейротрансмиттеры реабсорбируются в пресинаптический нейрон, увеличивая концентрацию нейротрансмиттера в синапсе. Это увеличивает связывание нейротрансмиттера с пре- и постсинаптическими рецепторами нейротрансмиттера. [9] В зависимости от рассматриваемой нейронной системы ингибитор обратного захвата может оказывать сильное воздействие на познание и поведение. Неконкурентное ингибирование бактериального гомолога LeuT трициклическими антидепрессантами является результатом связывания этих ингибиторов в пути внеклеточной проницаемости. [10] [11] Однако конкурентный характер ингибирования транспорта серотонина антидепрессантами предполагает, что в транспортерах нейротрансмиттеров они связываются в месте, перекрывающем место субстрата. [12]
Хоршиц и др. [13] исследовали селективность ингибитора обратного захвата среди белка обратного захвата серотонина крысы (SERT), экспрессируемого в клетках эмбриональной почки человека (HEK-SERT). Они представили SERT с различными дозами циталопрама ( СИОЗС ) или дезипрамина (ингибитор белка обратного захвата норадреналина, NET). Изучая кривые доза-реакция (используя нормальную среду в качестве контроля), они смогли количественно определить, что циталопрам действовал на SERT как СИОЗС, и что дезипрамин не оказывал никакого эффекта на SERT. В отдельном эксперименте Хоршиц и др. подвергли HEK-SERT воздействию циталопрама на долгосрочной основе. Они заметили, что длительное воздействие привело к снижению регуляции участков связывания. Эти результаты предполагают некоторый механизм долгосрочных изменений в пресинаптическом нейроне после лекарственной терапии. Хоршиц и др. обнаружили, что после удаления циталопрама из системы нормальные уровни экспрессии сайта связывания SERT вернулись. [13]
Депрессия, как предполагалось, является результатом снижения серотонина, обнаруженного в синапсе, хотя эта гипотеза была оспорена еще в 1980-х годах [ необходима цитата ] . Первоначально она поддерживалась успешным уменьшением симптомов депрессии после приема трициклических антидепрессантов (таких как дезипрамин) и СИОЗС. Трициклические антидепрессанты ингибируют обратный захват как серотонина, так и норадреналина, воздействуя как на SERT, так и на NET. СИОЗС селективно ингибируют обратный захват серотонина, воздействуя на SERT [ как? ] . Конечным результатом является повышенное количество серотонина в синапсе, тем самым увеличивая вероятность того, что серотонин будет взаимодействовать с серотониновым рецептором постсинаптического нейрона. Существуют дополнительные механизмы, посредством которых должна происходить десенсибилизация ауторецептора серотонина , но конечный результат тот же. [14] Это увеличивает сигнализацию серотонина, которая, согласно гипотезе, должна повышать настроение и, таким образом, облегчать симптомы депрессии. Это предложение относительно антидепрессивного механизма ингибиторов обратного захвата серотонина не учитывает временной ход терапевтического эффекта, который занимает от нескольких недель до нескольких месяцев, в то время как ингибирование транспортера происходит по сути немедленно.
Чистый эффект использования амфетамина (AMPH) заключается в увеличении дофамина, норадреналина и серотонина в синапсе. Было показано, что AMPH действует на рецептор 1, ассоциированный со следовыми аминами (TAAR1), вызывая ингибирование оттока и обратного захвата в переносчиках серотонина, норадреналина и дофамина . Этот эффект требует, чтобы переносчик и TAAR1 были совместно локализованы (происходили вместе) в одном нейроне.
Астроциты , по-видимому, используют механизмы обратного захвата для нейропротекторной роли. Астроциты используют возбуждающий аминокислотный транспортер 2 (EAAT2, он же GLT-1) для удаления глутамата из синапса. Мыши с нокаутом EAAT2 были более склонны к летальным и спонтанным припадкам и острым повреждениям мозга в коре. Эти эффекты могут быть связаны с повышенной концентрацией глутамата в мозге мышей с нокаутом EAAT2, проанализированной посмертно. [15]