3. Синапс торможения

Прохождение сигналов возбуждения как на уровне ЦНС, так и на периферическом уровне обязательно должно контролироваться системой, которая может их заблокировать. В противном случае появляется возмож-ность лавинообразного распространения возбуждения, охватывающего большие области центральной и периферической нервной системы. Кроме того, нервная система должна быть защищена от перегрузок. Наследст-венное или связанное с заболеванием или же с травмой поражение отдела нервной системы, блокирующего цепной процесс вовлечения в генериро-вание сигналов возбуждения большого числа нейронов, лежит в основе эпилептических припадков, а сильное эмоциональное возбуждение может привести к обморочному состоянию, когда нейроны торможения отклю-чают на некоторое время сознание и благодаря этому спасают участвую-щие в эмоциональном стрессе нейроны от повреждения. Случайное срабатывание группы нейронов торможения может оказаться фатальным в условиях борьбы за выживание и поэтому синапсы торможения устроены более сложно, чем синапсы возбуждения.

Механизм блокировки сигналов возбуждения основан на гипер-поляризации мембраны нейронов, передающих эти сигналы. В нормальном состоянии мембрана нейрона имеет разность потенциалов около –70 мВ. Распространение волны изменения поляризации (или иначе деполяри-зации) связано с открыванием сначала натриевых, а затем и калиевых каналов, при этом вход положительно заряженных ионов натрия в аксон изменяет разность потенциалов до величины порядка +30 мВ, а возвра-щение к исходному значению потенциала осуществляется за счёт выхода из аксона ионов калия. Натриевый канал открывается при связывании составляющих его белков с определённым лигандом или в результате электромагнитного воздействия с соседнего участка мембраны, на котором вход ионов натрия в аксон уже привёл к изменению заряда. Известно, что потенциалзависимый натриевый канал открывается при значении потен-циала в окружающей его мембране аксона около –40 мВ, т.е. наведённый с соседнего участка мембраны электромагнитный эффект составляет примерно +30 мВ (разница от состояния покоя –70 мВ до порогового значения –40 мВ). Если же на каком-либо участке передающего импульс возбуждения нейрона (чаще всего на самом нервном окончании) произошла гиперполяризация мембраны, например, до значения от –100 до –110 мВ, то наведённый за счёт деполяризации соседнего участка мем-браны заряд изменит эту величину до всего лишь –70 мВ, то есть до значения, соответствующего состоянию покоя. Это означает, что натриевые каналы на гиперполяризованном участке нервного окончания останутся закрытыми и тогда волна деполяризации на этом участке остановится и передача импульса возбуждения не состоится.

Гиперполяризация происходит в результате входа в аксон ионов хлора. Кроме известной нам разности концентраций ионов натрия и ионов калия по разные стороны клеточной мембраны, есть ещё различие и в концентрации ионов хлора (4 мэкв/л внутри аксона и 120 мэкв/л снаружи). Специальная транспортная система, обеспечивающая разность концентра-ций ионов хлора в межклеточной среде и в нейроне, неизвестна и, судя по всему, этот эффект тридцатикратного различия в концентрациях сопряжен с транспортом ионов натрия, калия и кальция и связанных с ними противо-ионов. Хлорный канал образуется комплексом из пяти пронизывающих мембрану белков, на которых кроме рецептора, связывающегося с нейро-медиатором торможения, находятся рецепторные участки, названные диазепиновым (его раньше называли индольным) и пуриновым рецепто-ром. Кроме них в работе синапса торможения принимает участие фермент фосфодиэстераза, катализирующая гидролитическое превращение цикли-ческого аденозинмонофосфата (вторичный мессенджер) в метаболический аденозинмонофосфат (цАМФ  АМФ).

Нейромедиатор в синапсах торможения головного мозга и перифе-рической нервной системы -аминомасляная кислота (ГАМК, GABA) образуется в результате декарбоксилирования глютаминовой кислоты под действием пиридоксальфосфатзависимого фермента:

ГАМК очень легко дезаминируется с образованием полуальдегида янтарной кислоты; здесь также принимают участие пиридоксальфосфат-зависимые ферменты, но они относятся к трансаминазам:

Полуальдегид янтарной кислоты превращается в янтарную кислоту, которая включается в метаболические процессы.

Известны как синтетические, например, ‑аминокапроновая кислота, так и природные агонисты ГАМК. Наиболее известным природным агонистом ГАМК является мусцимол (ЛД₅₀ 3,2 мг/кг, ЕД₅₀ 0,2 мг/кг), близкий по строению к мускарину:

Мусцимол Мускарин

Мусцимол, как и мускарин, является микотоксином, он, как и мускарин, содержится в мухоморе, но основным источником мусцимола являются некоторые лишайники (симбиоз гриба и водоросли). Отвар из лишайников, содержащих мусцимол, используется в традиционной меди-цине северных народов.

Антагонистом ГАМК является, например, алкалоид бикукулин:

В качестве лекарственного средства используется сама -амино-масляная кислота (аминалон, гаммалон). Будучи внутренней солью, это вещество плохо проходит через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), но в суточной дозе от 1,5 до 3,0 г ГАМК улучшает динамику нервных процессов в головном мозге, мышление, память, оказывает психостимули-рующее действие.

Судя по всему, в мозг попадает не сама ГАМК, а продукт её дезаминирования специфической трансаминазой – полуальдегид янтарной кислоты, превращающийся снова в эту аминокислоту в нейронах или в глиальных клетках. Это подтверждается тем, что легко проходящая через ГЭБ -гидроксимасляная кислота (ГОМК, GHB) даже превосходит ГАМК по многим фармакологическим показателям. Она также может превра-титься в ГАМК через полуальдегид янтарной кислоты. Сам этот альдегид нестабилен и поэтому в фармакологической практике не используется.

ГОМК, как отмечалось выше, имеет более широкий спектр фармако-логической активности, чем ГАМК. Так, например, она проявляет ярко выраженное антигипоксическое действие, т.е. защищает клетки от кисло-родной недостаточности. ГОМК можно использовать для облегчения родов, поскольку она расслабляет гладкую мускулатуру, не снижая при этом активности родовой деятельности. Можно использовать это соеди-нение и в качестве анаболического средства для наращивания мышечной массы. ГОМК использовалась и в комплексных препаратах обезболиваю-щего действия. Однако это вещество несовместимо с алкоголем и другими средствами, угнетающими ЦНС. Тем не менее, ГОМК можно с успехом использовать для лечения алкоголизма, в частности, это средство снимает похмельный синдром. ГОМК оказывает ряд положительных психофизи-ческих эффектов, вызывая легкую эйфорию и усиливая половое влечение. Долгое время она считалась идеальным снотворным из-за практически полного отсутствия побочных эффектов и низкой токсичности. Препараты с ГОМК успешно конкурировали с более дорогими традиционными снотворными средствами. Озабоченные этим фармацевтические фирмы представили в лицензирующее использование лекарств ведомство США (FDA, Food and Drug Administration) данные по смертности (10 человек, двое из которых были эпилептиками), которая могла быть связана с употреблением ГОМК. На этом основании ГОМК попала под запрет в США и в некоторых других странах. В настоящее время соли ГОМК (гидроксибутират, «буратино», «жидкий экстази») стали использоваться как легкий наркотик, который может вызвать только психологическое пристрастие. В связи с этим препараты ГОМК были законодательно внесены в списки наркотиков.

Производные -аминомасляной кислоты с более высокой липофиль-ностью или с замещённой аминогруппой также подходят на роль лекарств. Так, например, достаточно легко преодолевает ГЭБ цетиловый эфир ГАМК (H₂NCH₂CH₂CH₂COOС₁₆Н₃₃), но более успешными лекарствами оказались пикамилон и пантогам – продукты ацилирования ГАМК изоникотиновой кислотой (ниацином) или D‑(+)‑пантетеиновой кислотой (витамином В₅):

и, соответственно,

Эти вещества с широким спектром фармакологической активности оказывают положительный эффект во многих случаях отклонений в деятельности мозга, в частности, они повышают устойчивость к физи-ческим и умственным нагрузкам, помогают при абстинентном синдроме у алкоголиков.

Ещё один вариант модификации структуры ГАМК с целью повыше-ния её липофильности представлен арилзамещёнными производными. Близкие по строению фенибут (‑амино--фенилмасляная кислота) и баклофен (-амино--(4-хлорфенил)масляная кислота) заметно отлича-ются по фармакологической активности:

и

Если фенибут как лекарство аналогичен аминалону, то у баклофена более ярко выражено противосудорожное действие. Однако основным противоэпилептическим средством (8,7 млн. рецептов в 2010 г. в США) стало производное ГАМК, у которого гидрофобная группа представлена изобутильным остатком:

Лирика (прегабалин)

Производным лактама -аминомасляной кислоты является широко используемый для лечения связанных с возрастом отклонений в высшей нервной деятельности пирацетам (ноотропил):

Являясь производным ГАМК, ноотропил не превращается в неё в метаболических превращениях. Аналогичными лекарственными свойст-вами обладает циклический дипептид, образованный пролином и глицином (ноопепт):

Ноопепт также улучшает интегративную деятельность мозга, консо-лидирует память, улучшает процессы обучения, восстанавливает многие нарушенные функции мозга.

Широким спектром фармакологической активности выделяется 4‑фенилзамещённый пирацетам (феноторпил, карфедон):

Этот препарат был разработан в Институте медико-биологических проблем в качестве средства, повышающего физическую и психическую работоспособность космонавтов. После того, как он продемонстрировал высокую эффективность в экстремальных условиях подготовки к косми-ческим полётам, он перешёл и в гражданскую медицину. Фенотропил способствует консолидации памяти, улучшает концентрацию внимания и умственную деятельность, облегчает процессы обучения, ускоряет передачу информации между полушариями головного мозга, повышает устойчивость тканей мозга к гипоксии и токсическим воздействиям, обла-дает противосудорожным действием и анксиолитической активностью, регулирует процессы активации и торможения в ЦНС, улучшает настро-ение. Фенотропил повышает двигательную активность и оказывает общее стимулирующее воздействие, повышает устойчивость к простудным забо-леваниям и стрессам. Весь этот комплекс показаний привёл к включению фенотропила Всемирным антидопинговым агентством в список препа-ратов, которые запрещены к использованию спортсменами.

Ещё один путь воздействия на процессы, протекающие с участием ГАМК, основан на блокировке специфической трансаминазы, превраща-ющей ГАМК в полуальдегид янтарной кислоты. Основным препаратом, повышающим содержание ГАМК в ЦНС за счёт блокировки этого фермента, является вальпроевая кислота (-пропил-валериановая кислота) в виде её солей (ацедипрол). Это одно из основных противоэпилептичес-ких средств. Ацедипрол, также как и другие транквилизаторы, улучшает психическое состояние и настроение, но в отличие от них его эффект не сопровождается миорелаксацией и снотворным действием. Вальпроевую кислоту получают алкилированием нитрила валериановой кислоты пропилбромидом в условиях межфазного катализа с последующим гидролизом образовавшегося нитрила:

Как отмечалось выше, образование ГАМК из глютаминовой кислоты и её биотрансформация протекают с участием пиридоксальфосфат-зависимых ферментов, но оказалось, что гидразиды кислот, реагирующие с альдегидной группой пиридоксальфосфата и его предшественника витамина В₆ с образованием соответствующих ацилгидразонов, оказывают токсическое действие, соответствующее только блокировке её биосинтеза. В качестве примера приводится реакция пиридоксаля с гидразидом изони-котиновой кислоты, который используют как лекарственное средство при туберкулезе (изониазид), вводя его с большим количеством витамина В₆:

Высокой токсичностью (ЛД₅₀ около 5 мг/кг) выделяется дигидразид тиоугольной кислоты, который легко преодолевает гематоэнцефалический барьер. Аналогичный токсический эффект демонстрируют некоторые замещённые пиримидины, механизм действия которых основан, оче-видно, на вытеснении пиридоксальфосфата или его предшественников из активных комплексов с соответствующими апоферментами. Одно из таких соединений – 4-диметиламино-6-метил-2-хлорпиримидин (кримидин, кастрикс) получают в три стадии. Сначала проводят реакцию ацето-уксусного эфира с мочевиной:

Образовавшийся 2,4-дигидрокси-6-метилпиримидин кипятят с фосфо-рилхлоридом, замещая гидроксильные группы на атомы хлора, и после этого действием диметиламина на 2,4-дихлор-6-метилпиримидин полу-чают смесь малотоксичного 2‑диметиламино-6-метил-2-хлорпиримидина (в продуктах реакции его около 20%) и высокотоксичного 4-диметил-амино-6-метил-2-хлорпиримидина (выход около 80%, ЛД₅₀ 1,25 мг/кг):

Токсическое действие кримидина проявляется уже через 15-45 минут и сопровождается судорогами. Более мягким действием отличается 4‑амино-5-гидрокси-2-метилпиримидин (токсопиримидин, ЛД₅₀ около 250 мг/кг). В сублетальных дозах кримидин и токсопиримидин вызывают у животных повышенную возбудимость, что позволяет использовать их для снижения численности птиц около аэродромов. Съевшие корм с добавками этих антивитаминов птицы испытывают сильный испуг от шума самолетов и разлетаются, избегая после этого таких беспокойных мест.

Работа хлорных каналов может быть нарушена блокаторами, в роли которых выступают многие циклические соединения. Так, например, ‑аминокапроновая кислота является агонистом ГАМК, а её лактам (капро-лактам) блокирует хлорные каналы и вызывает судороги. Аналогично действуют некоторые лактоны, циклические мочевины и гетероаромати-ческие соединения с гидрофобными заместителями. В качестве примера можно привести циклические эфиры фосфорной кислоты и триметилол-алканов, у которых токсичность возрастает с увеличением гидрофобности и объема радикала у четвертичного атома углерода:

Первое соединение в этом ряду малотоксично, тогда как последнее относится уже к сильно действующим ядовитым веществам. Это объясня-ется, очевидно, тем, что гидрофильная фосфатная группа и гидрофобный алкильный остаток фиксируются в хлорном канале в результате взаимо-действия с полярными и гидрофобными участками гликопротеинов, обра-зующих хлорный канал.

Высокой токсичностью отличаются арилсилатраны, например, 4-хлор-фенилсилатран характеризуется значением ЛД₅₀ около 3 мг/кг:

Эти вещества также блокируют хлорные каналы. Представленная здесь особенность пространственного строения силатранов объясняет отсутствие у них основных свойств.

Ещё одно соединение полициклической структуры с таким механизмом токсического действия – тетраметилендисульфотетрамин – образуется при конденсации амида серной кислоты с формальдегидом:

Амид серной кислоты использовался в качестве добавки к мочевине при получении мочевино-формальдегидных смол для улучшения проч-ностных характеристик образующегося в результате поликонденсации полимера, использовавшегося в производстве фибры (синтетического заменителя кожи). Однако участившиеся случаи отравлений на внедрив-ших такую технологию предприятиях заставили более внимательно изучить состав продуктов реакции. В результате проведенных иссле-дований был выделен кристаллический продукт побочной реакции с ЛД₅₀ 0,2-0,25 мг/кг (мыши), оказавшийся тетраметилендисульфотетрамином.

Блокаторы хлорных каналов есть и среди микотоксинов. Вероятнее всего именно этот механизм биологической активности отвечает за токсичность пикротоксинина, выделяемого из некоторых грибов вместе с нетоксичным пикротином (их смесь называется пикротоксином):

Пикротоксинин Пикротин

Выход нейромедиатора торможения из нервного окончания может быть заблокирован токсином анаэробной спорообразующей бактерии Clostridium tetani, заражение которой вызывает болезнь столбняк. Споры этой бактерии находятся в почве. С корнями поедаемых растений они попадают в пищеварительную систему травоядных животных и превраща-ются в бактерии, развивающиеся там без доступа кислорода. Бактерии снова попадают в почву с экскрементами и в присутствии кислорода превращаются в споры, которые очень устойчивы к действию физических и химических факторов, сохраняя жизнеспособность в течение многих лет. Так происходит накопление спор в местах постоянного выпаса скота, а удобряемые навозом огороды также могут содержать значительное количество спор Clostridium tetani.

Заражение столбняком происходит при попадании возбудителя в кровь, например, когда в рану попадает почва со спорами Clostridium tetani. Кровь представляет собой прекрасную среду для их развития, поскольку свободного кислорода в ней практически нет. В организме бактерия Clostridium tetani продуцирует два токсина – тетаноспазмин и тетанолизин, из которых наиболее токсичен тетаноспазмин (ЛД₅₀ около 510^‑6 мг/кг при подкожном введении), гидролизующий мембранные белки пресинаптической мембраны синапса торможения, которые отвечают за связывание с ней везикул с ГАМК. Столбняк развивается медленно, скрытый период при заражении спорами может составлять 3-4 недели. Первые симптомы болезни – головная боль, раздражительность, потли-вость, тахикардия, напряжение жевательных и мимических мышц (скрежет зубами, гримасы на лице, так называемая сардоническая усмешка). Затем судороги переходят на все тело, голова откидывается назад, выгибается позвоночник, происходит резкий скачок температуры, спазм сердечной мышцы. Летальность при этом заболевании составляет от 40 до 78% в зависимости от штамма бактерий. Выздоровление занимает 6‑8 недель, судороги могут вызвать разрывы мышц, сухожилий и даже переломы костей.

Часто после выздоровления с исчезновением основных симптомов столбняка развивается тяжёлое воспаление лёгких. Это проявился эффект второго токсина – тетанолизина, который является простейшей гидрола-зой; его действие приводит к ослаблению иммунитета. Лечение столбняка малоэффективно, единственное средство защиты – профилактические прививки, но создаваемый ими иммунитет быстро теряется.

Как отмечалось выше, работа синапса торможения находится под более строгим физиологическим контролем, чем работа синапса возбуж-дения. Обморочные состояния по незначительному поводу или переход в сонное состояние в неподходящий для этого момент могут иметь для животного роковые последствия. Поэтому для открывания хлорного канала недостаточно связывания рецептора с ГАМК. Предполагается, что закрытое состояние хлорного канала поддерживается двумя связанными с соответствующими рецепторами лигандами. После связывания ГАМК с ГАМК-рецептором для полной структурной перестройки пяти образующих хлорный канал белков с открыванием пути для ионов хлора и последую-щей гиперполяризацией мембраны эти лиганды должны отделиться от соответствующих рецепторов, например, в соответствии со схемой:

Один из блокирующих вход ионов хлора рецепторов получил назва-ние пуринового, поскольку достаточно быстро было установлено, что в неактивированном состоянии управляющего хлорным каналом комплекса белков он связан с пуриновым основанием, на роль которого претендовали ксантины и аденозин. Более прочную связь с пуриновым рецептором образует триметилксантин (кофеин, см. стр. 41). При связывании ГАМК-рецептора с ГАМК он не отходит от соответствующего сайта так легко, как естественный лиганд, и блокирует прохождение сигнала торможения. В умеренных дозах кофеин повышает умственную и физическую работоспособность, снимает сонливость и чувство усталости, однако большие дозы кофеина могут привести к нервному истощению и гибели нейронов ЦНС.

С сайтом пуринового рецептора могут связываться вещества, которые, занимая место естественного лиганда, не препятствуют структурной пере-стройке белка в ответ на связывание с ГАМК и облегчают прохождение сигнала торможения. Такими соединениями, которые, очевидно, связываются с пуриновым рецептором, являются, например, используемый в качестве противосудорожного средства при лечении эпилепсии дифенилгидантоин (дифенин, дифентоин) и барбитураты:

Дифенилгидантоин Фенобарбитал

Барбитураты, у которых ярче выражено успокаивающее и снотворное действие, отличаются более широким спектром активности, однако такие препараты, как фенобарбитал (люминал), в последнее время также исполь-зуются преимущественно в качестве противоэпилептических средств (см. стр. 32). Было также обнаружено, что барбитураты блокируют глютамат-эргические рецепторы, передающие сигналы возбуждения в ЦНС.

Ещё один рецептор или сайт связывания, контролирующий прохожде-ние сигнала торможения, был идентифицирован в результате изучения других ингибиторов структурной перестройки комплекса белков, участ-вующих в работе хлорного канала. Первыми блокирующими структурную перестройку соединениями, сайт связывания которых отличался от сайта связывания пуринов, оказались производные гетероциклических соедине-ний -карболинов, в составе которых есть индольный фрагмент, например, метилтетрагидро--карболин. Это соединение может образовываться по реакции триптамина с ацетальдегидом (реакция Пикте-Шпенглера):

Более активным блокатором перестройки комплекса белков, участ-вующих в работе хлорного канала, является 3-этоксикарбонильное произ-водное этого гетероцикла, образующееся в аналогичной реакции ацеталь-дегида с этиловым эфиром триптофана. Эти вещества вызывают беспо-койство, страх, проконфликтное поведение. В частности, одной из причин проконфликтного поведения людей в состоянии алкогольного опьянения может быть повышенное содержание -карболинов, образующихся из ацетальдегида и триптамина или триптофана. В соответствии со строением этих соединений сайт их связывания ранее назвали индольным. И всё же природа истинного лиганда этого рецептора долгое время оставалась неизвестной, поскольку ‑карболины не могли претендовать на эту роль вследствие параметаболического механизма их образования.

При изучении механизма действия современных транквилизаторов, представляющих собой бензодиазепиновые производные, например,

Сибазон (диазепам) Нозепам (тазепам)

было установлено, что они связываются с этим сайтом (его сейчас назы-вают диазепиновым), занимая место блокирующего перестройку лиганда, но не мешают структурной перестройке управляющего хлорным каналом ансамбля белков. Это, как и в случае барбитуратов, способствует более лёгкому прохождению сигнала торможения. С помощью меченных бензодиазепинов удалось выделить белковую фракцию, с компонентами которой они взаимодействуют, и обнаружить в ней истинный лиганд, оказавшийся белком. Кроме самого этого белка с числом аминокислотных составляющих около ста, получившего название эндозепин (эндогенный диазепин), прохождение сигнала торможения задерживается также его фрагментами с числом аминокислотных остатков 18 и 6. Эндозепину-6 соответствует пептидная формула Гли-Лей-Лей-Асп-Лей-Лиз (GLLDLK).

Ещё одним соединением, которое влияет на работу хлорных каналов, является 2,6-диизопропилфенол – активное начало лекарственного средства пропофол; его вводят внутривенно в виде эмульсии раствора в соевом масле («молоко забвения»). Растворяясь в липидной компоненте мембран нейрональных клеток, это вещество облегчает срабатывание ГАМК-эргического синапса торможения.