Временнáя структура биосистем и биологическое время - Чернышева Марина. Страница 10

Глава III

Временная структура организма. Клеточные генераторы эндогенного времени

Согласно принятой нами модели временной структуры организма генераторы временных процессов являются одним из ее важнейших компонентов, обеспечивая относительную стабильность временной структуры и биологического времени. На разных структурных уровнях к ним относятся: клеточные осцилляторы, тканевые водители ритма и объединяющие их таймеры соответствующих физиологических систем. Совокупность таймеров определяет темпоральные характеристики хронотопа целостного организма. (Чернышева, 2005). К настоящему времени наиболее разработаны представления о генераторах ультрадианных и циркадианных ритмов, которые на клеточно-молекулярном уровне представлены осцилляторами.

По определению (Алпатов, 2000), осциллятор как генератор одного из типов временных процессов, ритма, представляет собой «колебательную систему, самостоятельно поддерживающую эндогенный ритм благодаря замкнутой внутренней короткой петле обратной связи». В многочисленных исследованиях, посвященных клеточно-молекулярным циркадианным осцилляторам у представителей всех царств про- и эукариот, была показана важность временной задержки в реализации обратной связи генератора ритма для сохранения точности последнего и возможности его адаптации к изменившимся условиям окружающей среды. У прокариот возникают генераторы околосуточных ритмов, которые используют энергию окислительно-восстановительных процессов или реакций дефосфорилирования / фосфорилирования. Эукариоты, наряду с ними, используют транскрипционно-трансляционные петли обратных связей, вовлекая ядерные процессы в формирование циркадианных ритмов.

Сегодня наши знания о строении и функциях клетки позволяют говорить о значительном разнообразии типов временных процессов, их клеточных генераторов и чрезвычайной сложности временной структуры клетки в целом. Рассмотрим в этом аспекте некоторые свойства генераторов клеточных мембран, цитоплазмы и ядра.

3.1. Мембранные генераторы временных процессов

Все известные функциональные молекулярные модули клеточных мембран, осуществляющих взаимодействие клетки с окружающей средой (в плазмалемме) или цитоплазмы с органеллами (в мембранах вакуолей, эндоплазматического ретикулума и т. д.), можно условно разделить на две группы.

К первой отнесем постоянно работающие в ультрадианном ритме АТФазы и пейсмекерные ионные калиевые каналы, активируемые цАМФ и гиперполяризацией мембраны (Hyperpolarization-activated Сyclic Nucleotide-gated channel, HCN). Ко второй – генераторы монофазных временных процессов, которые представлены ионными каналами, рецепторами, транспортерами, системами симпорта и антипорта клеточных мембран, в совокупности определяющих уровень активности клетки и/или ее компартментов. Охарактеризуем вклад этих групп молекулярных комплексов мембран в поддержание и модуляцию временной структуры клетки.

Известно, что Na+,K+-АТФаза плазмалеммы клеток возбудимых тканей как осциллятор в покое поддерживает асимметрию ионов по обе стороны мембраны в постоянном временном режиме. Однако при генерации потенциала действия в связи с увеличением концентрации Na+ в клетке, а К+ вне ее помпа переходит на ускоренный перенос ионов, способствуя скорейшему восстановлению исходной асимметрии Na+ и K+ по обе стороны мембраны. С помпой в мембране сопряжены Na+/Ca2+ обменники, регулирующие выход ионов кальция из клетки (Sibarov et al., 2012), а также транспортеры аминокислот, которые усиливают их трансмембранный перенос, что дополняет увеличение входа аминокислот, глюкозы и кислорода через пору помпы при ее активации. Это обеспечивает усиление метаболизма, синтеза АТФ и белков. Известная вариабельность изоформ α2 субъединицы Na+-K+-АТФазы и широкий круг ее функций (Кривой, 2012) обусловливает значение помпы для запуска многих внутриклеточных временных процессов, сохранения временной структуры клетки как биосистемы и обмена с внеклеточным пространством веществом, энергией, информацией и временем. Cопряженно с импульсной активностью нейронов СХЯ, получающих синаптические входы от сетчатки, активность Na+-K+-АТФазы их мембран усиливается днем и существенно снижается ночью (Wang et al., 2004). Cледовательно, активность помпы по сути отражает один из механизмов взаимосвязи импульсного информационно-временного кода на уровне мембраны с внутриклеточными процессами обмена веществ и энергии. Это функциональное сопряжение подтверждает, в частности, регуляция активности АТФ-чувствительных калиевых каналов в плазмалемме клеток поперечно-полосатых и гладких мышц, а также кардиомиоцитов (Flagg et al., 2010).

Обладающие разной чувствительностью к концентрации внутриклеточной цАМФ и изменениям мембранного потенциала в сторону гипер- или деполяризации HCN 1–4 типов широко представлены в мембранах клеток тканевых мышечных водителей ритма синоатриального узла сердца и клетках Кахаля в стенке пищеварительного тракта (Biel et al., 2009; Larsson et al., 2010; Liao et al., 2010), тропоцитах аденогипофиза млекопитающих (Kretchmannova et al., 2012) и пинеалоцитах эпифиза, а также в ГАМК-эргических нейронах бледного шара (Globus Pallidus) головного мозга, связанных с регуляцией двигательной активности (Chen et al., 2004). Регуляторами некоторых подтипов HCN каналов, помимо гиперполяризации мембраны и цАМФ, являются изменения трансмембранного градиента рН (показателя свободной энергии Гиббса) (Zong et al., 2001; и др.). Показано, что в нейронах-осмодетекторах супраоптического ядра гипоталамуса в мембране присутствуют HCN2, чувствительные к увеличению их объема и растяжению плазмалеммы в гипоосмотической среде (Calloe, et al., 2005; Liu, et al., 2005). Иными словами, HCN2 чувствительны к изменениям такого интегрального показателя метаболизма как осмотическое давление жидкостных сред. Описаны воздействия на активность HCN локальной температуры, отражающей уровень энергии, диссипатирующей в тепловую при процессинге информации и метаболизме. Заметим, что выключение воспринимаемой транссинаптически информации от тепловых рецепторов кожи или термочувствительных нейронов спинного мозга делает недостаточным влияние гиперполяризации и цАМФ на активацию НСN-осцилляторов в нейронах таламуса (Wechselberger et al., 2006), что свидетельствует в пользу гипотезы об информационно-энергетической природе эндогенного времени (Чернышева, Ноздрачев, 2006). В своей осцилляторной активности HCN может взаимодействовать с быстрыми кальциевыми каналами (Т-типа) клеточной мембраны, определяя частоту, скорость, паттерн разряда нейронов (Engbers et al., 2011).

Свойства HCN каналов позволяют нейрону оценивать длительность интервала между первым и «спонтанным» спайками (как двумя последовательными «событиями» на мембране). Темпоральные параметры интервала в значительной степени зависят от регулируемых характеристик: длительности гиперполяризационной фазы предыдущего спайка, скорости нарастания гиперполяризации до величины мембранного потенциала, пороговой для открывания поры HCN канала, а также от времени достижения (благодаря активности HCN) потенциалом мембраны критического уровня деполяризации, пороговой для потенциал-зависимых быстрых ионных каналов, обусловливающих генез второго спонтанного спайка. В совокупности эти процессы определяют и его латентный период, рассматриваемый как параметр, сопряженный со временем поступления информации о воздействии (Foffani et al., 2008) или ее анализа (Радченко, 2002). Вместе с тем, собственно темпоральные параметры изменения мембранного потенциала в связи с активностью НCN имеют информативный смысл. Способность осцилляторного HCN канала к генерации разрядов «спонтанных» потенциалов действия обусловливает их существенную роль в обеспечении ряда базисных функций нервной системы. Известно, что HCN играют ключевую роль в поддержании (гомеостатировании) потенциала покоя клеточной мембраны (Azene et al., 2003). Например, в нейронах ядер мозжечка возникающий после глубокой следовой гиперполяризации высокочастотный разряд спайков на волне деполяризации обеспечивается аддитивно током быстрых кальциевых Т-каналов (IT) и выпрямляющим более медленным током IH через калиевые HCN. При этом временные параметры IH определяют скорость закрывания кальциевого Т-канала и возврата к потенциалу покоя мембраны (Engbers et al., 2011). Подобные периодически повторяющиеся высокочастотные разряды, генерируемые в так называемых «командных» нейронах и нейронах, секретирующих нейропептиды, важны не только для аксонального транспорта и выделения нейропептида (медиатора и/или гормона), но и для поддержания определенного, относительно постоянного, уровня возбудимости нейрона и нервного центра, на фоне которого облегчается выделение информативно значимого сигнала (Foffani et al., 2009). Возможно, этот же тип каналов характерен для «клеток времени», описанных в поле СА1 гиппокампа (MacDonald et al., 2013; Kraus et al., 2013), на что указывает распространенность НСN в дендритах и аксонах пирамидных нейронов и ГАМК-эргических интернейронов гиппокампа, а также участие HCN в регуляции длительности ВПСП и ТПСП и в поддержании θ-ритма (Gastrein et al., 2011).