Синтез ацетилхолина (АХ)
Одно из первых полных исследований о том, как медиаторы аккумулируются в нервных терминалях и как запас медиаторов пополняется в периоды активности клетки, было выполнено Бирксом и МакИнтошем в работе, в которой они изучали ацетилхолин в терминалях преганглионарных аксонов переднего шейного ганглия кошки ( рис. 13.4 А и В; см также главу 16 ). Они вставляли канюли в сонную артерию и яремную вену, перфузировали ганглий раствором с антихолинэстеразой , и анализировали содержание ацетилхолина в перфузате. В условиях покоя небольшое количество ацетилхолина постоянно высвобождалось из ганглия , составляя примерно 0,1% от общего содержания ацетилхолина в каждую минуту ( рис. 13.4 С). Тот факт, что уровень ацетилхолина в ганглии оставался неизменным, означал, что ацетилхолин постоянно синтезировался в покое. (Впоследствии было показано, что скорость синтеза ацетилхолина в покое, измеренная по скорости включения радиоактивно меченого холина в ацетилхолин, настолько высока, что количество, равное полному запасу ацетилхолина, распадается и ресинтезируется в аксонной терминали каждые 20 мин).
Затем Бирке и МакИнтош стимулировали преганглионарный нерв длинными пачками импульсов и обнаружили, что количество ацетилхолина, высвобождаемое из ганглия, увеличивалось в 100 раз. Этот прирост означал, что 10% исходного содержания ацетилхолина выбрасывалось каждую минуту (см. рис. 13.4 С). Интересно, что скорость выброса поддерживалась на одном уровне в течение часа без изменения содержания ацетилхолина в ганглии. Таким образом, в течение часовой стимуляции аксонная терминаль могла высвобождать количество ацетилхолина, многократно превышающее исходное содержание медиатора в ганглии без истощения его запасов.
Единственный экзогенный ингредиент, необходимый нервным окончаниям для поддержания запасов ацетилхолина в таких условиях, - это холин, который захватывается из окружающей жидкости механизмами активного транспорта ( рис. 13.5 ). Необходимость внеклеточного холина продемонстрирована в экспериментах с перфузией препаратов растворами, не содержащими холин, и блокадой захвата холина аксонным окончанием с помощью гемихолина (HC-3) . В обоих случаях уровень ацетилхолина в ганглии и количество ацетилхолина, высвобожденного в результате стимуляции, быстро снижались ( рис. 13.4 С).
Как же контролируется синтез ацетилхолина, чтобы он мог высвобождаться по первому требованию? Наше понимание механизмов, регулирующих синтез ацетилхолина и его хранение в холинергических нервных окончаниях , на удивление ограничено. Ферментативные реакции этих процессов суммарно изображены на рис. 13.5 и детально показаны в приложении В . Ацетилхолин синтезируется из холина и ацетил СоA (ацетил-кофермента A) холинацетилтрансферазой и гидролизуется до холина и ацетата ацетилхолинэстеразой . Оба фермента находятся в цитозоле . Поскольку реакция, катализируемая холинацетилтрансферазой, обратима, единственным фактором, контролирующим уровень ацетилхолина, служит закон действующих масс . Например, снижение концентрации ацетилхолина, вызванное его высвобождением, будет способствовать синтезу до тex пор, пока равновесие не будет восстановлено.
Однако регуляторные механизмы, работающие в холинергических нервных окончаниях, являются более сложными, чем этот. Так, в условиях покоя накопление ацетилхолина ограничено одновременным гидролизом , осуществляемый внутриклеточной ацетилхолинэстеразой; ингибирование ацетилхолинэстеразы в нервном окончании вызывает повышение содержания ацетилхолина. Таким образом, уровень, до которого накапливается ацетилхолин, представляет собой динамическое равновесие между текущим синтезом и распадом. Это является общей чертой метаболизма низкомолекулярных медиаторов . Хотя это и кажется расточительством, такой постоянный круговорот может быть неизбежным следствием механизмов, гарантирущими наличие всегда доступного необходимого количества медиатора.
Большая часть АХ в нервных окончаниях перераспределяется в синаптические пузырьки , тогда как синтез и деградация АХ происходят в цитозоле . Следовательно для того, чтобы оказать влияние на уровень синтеза, высвобождение ацетилхолина должно снизить концентрацию АХ в цитоплазме. Этот процесс осуществляется перемещением цитоплазматического АХ в новообразованные пузырьки. Сходные взаимоотношения между цитоплазматическим синтезом и везикулярным хранением и высвобождением являются общей чертой метаболизма низкомолекулярных медиаторов.
Таким образом, в холинергических нервных окончаниях центральной нервной системы доступность холина, доступность субстрата ацетил СоA (производится в митохондриях ) и активность холинацетилтрансферазы регулируют скорость синтеза ацетилхолина.
