Нейрофизиология на ПостНауке: Вячеслав Дубынин о глицине и аденозине

 

Среди тормозящих нейромедиаторов нашей нервной системы можно встретить глицин и аденозин. Об открытии глицина, аденозиновых рецепторах и активности мотонейронов в своей лекции на портале «Постнаука» рассказывает Вячеслав Дубынин, доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии человека и животных биологического факультета МГУ, специалист в области физиологии мозга.

Глицин — один их тормозных медиаторов нашего мозга, пусть не такой важный, как гамма-аминомасляная кислота, но все-таки это вещество, которое способно блокировать многие информационные потоки. Одновременно глицин является пищевой аминокислотой, то есть это вещество, которое входит в состав обычных белков, которые мы едим: белков молока, злаков, мясных белков — глицина в еде достаточно много. Глицин и был идентифицирован как составная часть белков еще в начале XIX века. В 1820 году, работая с коллагеном, химики смогли выделить сладковатые кристаллы и назвали их глицином, а потом понадобилась 30 лет, чтобы идентифицировать уже химическую структуру этого вещества, и оказалось, что это так называемая аминокислота. Соответственно, в молекулу глицина входит аминогруппа, которая обладает небольшими щелочными свойствами, и кислотная группа. Это типичная структура для тех двадцати кирпичиков, из которых строится наша белковая молекула.

Глицин

Глицин более всего известен как медиатор, который ограничивает активность мотонейронов. Как известно, каждая наша мышца управляется импульсами, поступающими от нервных клеток. Медиатором этих нервных клеток является ацетилхолин (это и есть мотонейроны). Мотонейроны обладают системой так называемого возвратного торможения. Она защищает их от перевозбуждения. Большинство мотонейронов находится в передних рогах серого вещества спинного мозга, и дальше их аксон выходит через позвоночник и идет к мышце. До того, как аксон вышел из спинного мозга, он дает отросток коллатераль, и эта коллатераль возвращается к небольшим клеткам (они даже заслужили собственное название — клетки Реншоу). Именно эти клетки и используют глицин в качестве медиатора. Основной информационный сигнал идет по мотонейрону и возвращается на мотонейрон через клетку Реншоу. Фокус в том, что клетка Реншоу включается тогда, когда мотонейрон перевозбужден, когда сигнал идет слишком интенсивно. На системном уровне слишком интенсивный сигнал от мотонейрона означает судороги, и это совершенно ни к чему. Таким образом, можно сказать, что клетка Реншоу защищает наши двигательные системы, мышцы от перенапряжения и от перехода в судорожное состояние. И это крайне важно.

Если смотреть на синаптическом уровне, то мы видим, что глицин — это медиатор, для которого существует только один рецептор. Это довольно редкая ситуация, потому что, как правило, к медиаторам есть несколько типов рецепторов, а к глицину — один вариант рецептора. Рецептор, который при попадании глицина начинает пропускать через себя хлор, и ионы хлора, входя в мотонейрон, его подтормаживают. Хлор имеет отрицательный заряд, цитоплазма мотонейрона начинает становиться более негативной, и интенсивность генерации импульсов снижается. Это возвратное торможение действительно является очень важным, и если его блокировать, то появляется куча проблем.

Стрихнин

Как известно, существуют токсины, в том числе растительные природные токсины, которые мешают работать глицину, то есть антагонисты глициновых рецепторов. Самый известный из этих антагонистов — вещество стрихнин, токсин большого тропического дерева, которое называется чилибуха. Чилибуха производит стрихнин в больших количествах, защищаясь, например, от поедания семян разными членистоногими. Человеку этот токсин тоже известен, и часто в детективных романах злодеи травят других персонажей с помощью стрихнина. Если стрихнин попадает в организм, он блокирует эффекты клеток Реншоу, а мотонейрон действительно переходит в суперактивный судорожный режим. Для этого достаточно, чтобы в мотонейроне возникали потенциалы действия с частотой 200–300 импульсов в секунду. Тогда возникает тотальная судорога, и она, например, останавливает дыхание. Организм, который попал под большую дозу стрихнина, погибает, по сути дела, от удушья. Если стрихнин брать в микроскопической дозе, можно чуть-чуть, аккуратно поднять уровень активности и мотонейронов, и других нейронов, которые получают глициновое торможение. Надо сказать, что стрихнин в микродозах действительно когда-то использовался как психомоторный стимулятор и даже был одним из первых спортивных допингов тогда, когда эра большого спорта и допинга только начиналась. Причем сначала он появился как допинг в лошадином спорте, на скачках, а потом были зафиксированы случаи использования стрихнина спортсменами на первых Олимпийских играх, когда еще не было никакого допинг-контроля. Могло оказаться, что какой-нибудь Олимпийский чемпион по марафону принимал чуть-чуть стрихнина и чуть-чуть кокаина, никакого ВАДА в тот момент не существовало.

Если мы используем глицин в качестве лекарственного препарата, он может вызвать легкое торможение функций нервной системы. Но надо сказать, что для этого нужна достаточно большая доза, потому что, поскольку глицин является компонентом обычных белков, мы каждый день получаем с обычной пищей порядка 1 грамма этого вещества. Если вы хотите использовать глицин как лекарственный препарат, который как-то дополнительно подтормаживает нервную систему, то получается, что нужно еще не меньше 1 грамма вводить в виде таблеток. Тогда, может быть, будет небольшое успокоение.

Дело в том, что мотонейроны расположены не только в спинном мозге, где идет управление мышцами туловища и конечностей. Довольно много мотонейронов у нас в головном мозге, и головной мозг управляет в основном мышцами головы, мимической мускулатурой, языком, глазодвигательными мышцами. В тот момент, когда глицин системно попадает в организм, он также влияет и на эти мотонейроны, и на то, что называется стволовые структуры, потому что аксоны клеток Реншоу в стволовых структурах расходятся достаточно широко и могут влиять, скажем, на сосудодвигательный центр, на центр, связанный с развитием стресса. Поэтому глицин, принимаемый системно как лекарственный препарат, может оказывать очень мягкое, но вполне реальное успокаивающее действие, защищать человека от стресса.

Кроме того, глицин полезен в ситуациях, когда мозг почему-то перевозбужден. Это может быть связано с его незрелостью, как у маленьких детей, или, например, это может быть связано со старением мозга. В общем, можно сказать, что глицин относится к разряду препаратов, которые точно не повредят, а может, и помогут, потому что он очень слабо проходит гематоэнцефалический барьер, но если проходит, то тогда может немного подтормозить различные функции мозга, и это уже бывает полезно.

Аденозин

Аденозин — это еще одно вещество, которое способно оказывать в нашей системе тормозные эффекты, вызывать подтормаживание различных функций. К этому веществу существуют специальные аденозиновые рецепторы, и их активация вызывает субъективное ощущение утомления. Соответственно, мы перестаем активно двигаться. На самом деле аденозиновые рецепторы есть на очень многих органах, и в большинстве случаев их активация вызывает снижение активности этих органов. То есть, по сути, это защита от утомления и перегрузки.

Почему именно аденозин задействован на такую функцию? На самом деле все, кто интересуется биологией, прекрасно знают слова «аденозин», «аденин», потому что данная молекула входит в состав нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой. Когда мы смотрим на их структуру, там возникают «волшебные буквы» АТГЦ или АУГЦ. Вот эта А — аденозин, молекула, которая имеет в своем составе азотистое основание аденин, и к нему привязан еще сахар пентоза (например, рибоза). Аденин плюс рибоза — это и есть аденозин.

Помимо того, что аденин и аденозин входят в состав нуклеиновых кислот, есть еще одна очень известная и важная молекула, которая называется АТФ — аденозинтрифосфорная кислота. АТФ — это молекула, на которой держится весь энергетический обмен в наших клетках. Как известно, в этой молекуле к аденозину приделаны три фосфорные кислоты, и их отрыв вызывает запуск каких-то реакций в нашем организме на молекулярном уровне, потому что каждый раз, когда отлетает одна фосфорная кислота, некий «кусочек» энергии передается на белковые молекулы, которые что-то делают. В этом смысле аденозинтрифосфорную кислоту сравнивают с детским пистолетом, в котором есть три шарика. Вы можете выстрелить три раза — три фосфорные кислоты вылетели. Выполняется очень большая работа. Зарядка этих «пистолетиков» происходит, как известно, в митохондриях за счет прежде всего окисления глюкозы. А когда ваш «пистолетик» полностью разряжен, то вдруг оказывается, что вместо АТФ у вас уже остался чистый аденозин. Раз он появился в межклеточной среде или внутри клеток, это означает, что запас энергии подходит к концу. Появление аденозина — знак того, что система утомилась и нужно понижать общую активность. С этой точки зрения целесообразно существование аденозиновых рецепторов. Появление данной молекулы сигнализирует о том, что нужно снижать активность.

Действительно, мы наблюдаем эти рецепторы на самых разных органах — в стенках сосудов, в сердце их функционирование является очень важным, — а также, конечно, в нервной системе. Аденозиновые рецепторы присутствуют на самых разных нервных клетках и способны понижать их активность.

Кофеин

С точки зрения практического приложения мы в основном сталкиваемся не с аденозином, а с веществом, которое называется кофеин. Кофеин — очень известная молекула. Более того, это самый продаваемый в мире психотропный препарат, который входит в состав огромного количества продуктов. Кофеин является антагонистом аденозиновых рецепторов. Присоединяясь к этим рецепторам, он не позволяет аденозину передать сигнал об утомлении. В большинстве случаев мы видим, что эффект кофеина является бодрящим, то есть система продолжает активно функционировать, несмотря на то что реально она достаточно сильно утомилась. В этом заключается достаточно опасный эффект кофеина, потому что получается, что само вещество или кофеиносодержащие напитки, строго говоря, не дают энергии. Что бы ни вещала реклама, в этой баночке с некоей жидкостью никакой энергии не содержится. В тот момент, когда вы вводите в организм кофеин, вы просто блокируете сигнал об утомлении, а клетки, вместо того чтобы переходить на более спокойный режим, продолжают активно функционировать и залезают в некий неприкосновенный запас АТФ.

Какой-то процент АТФ (20%) наши клетки держат на всякий пожарный случай. На фоне кофеина мы начинаем использовать этот запас, и утомление заходит гораздо глубже, чем обычно. Если вы это делаете иногда, по каким-то особым поводам, то особой беды в этом нет. А если вы делаете это постоянно, то тогда это может стать серьезной проблемой. В конце концов может сформироваться привыкание к кофеину, зависимость от кофеина, когда без чашечки кофе глаза с утра уже не открываются. Конечно, кофеин не является серьезным наркотиком, как никотин, героин или кокаин, но наркотикоподобное действие у него все-таки есть. Поэтому нужно быть осторожными с кофеиносодержащими веществами и продуктами (а они нас окружают со всех сторон). Как известно, кофеин и похожие на него вещества содержатся в чае, кофе, шоколаде (то есть в какао). Всяческие напитки, которые имеют внутри слово «кола», тоже, как правило, содержат серьезные дозы кофеина, который выделяется из специальных орехов, называемых кола.

Еще один интересный эффект связан с нарушением обмена у некоторых людей. Дело в том, что, когда у нас из организма идет уход отходов азотистого обмена, сначала образуется вещество, которое называется мочевина, а потом возникает молекула, которая называется мочевая кислота. Мочевая кислота по своему строению напоминает кофеин и может оказывать общестимулирующее действие на организм. Люди, у которых в организме много мочевой кислоты, все время находятся под кофеином, и они очень активны. Это уже влияние на темперамент человека. При этом у таких людей повышен риск развития подагры, то есть воспаления суставов, когда мочевая кислота начинает откладываться в суставных сумках, прежде всего в тех зонах, которые часто охлаждаются, — в пальцах рук и ног. Подагрику живется довольно тяжело, хотя, как правило, он психически очень активен.