атф в головном мозге что это

Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность

По всей видимости, в эволюции сформировались энергетически эффективные механизмы кодирования и передачи информации в мозге. Подпись: «Усердно пытаюсь минимизировать энергозатраты».

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клеточные процессы, обеспечивающие обмен информацией между нейронами, требуют много энергии. Высокое энергопотребление способствовало в ходе эволюции отбору наиболее эффективных механизмов кодирования и передачи информации. В этой статье вы узнаете о теоретическом подходе к изучению энергетики мозга, о его роли в исследованиях патологий, о том, какие нейроны более продвинуты, почему синапсам иногда выгодно не «срабатывать», а также, как они отбирают только нужную нейрону информацию.

Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

Происхождение подхода

С середины ХХ века известно, что головной мозг потребляет значительную часть энергоресурсов всего организма: четверть всей глюкозы и ⅕ всего кислорода в случае высшего примата [1–5]. Это вдохновило Уильяма Леви и Роберта Бакстера из Массачусетского технологического института (США) на проведение теоретического анализа энергетической эффективности кодирования информации в биологических нейронных сетях (рис. 1) [6]. В основе исследования лежит следующая гипотеза. Поскольку энергопотребление мозга велико, ему выгодно иметь такие нейроны, которые работают наиболее эффективно — передают только полезную информацию и затрачивают при этом минимум энергии.

Это предположение оказалось справедливым: на простой модели нейронной сети авторы воспроизвели экспериментально измеренные значения некоторых параметров [6]. В частности, рассчитанная ими оптимальная частота генерации импульсов варьирует от 6 до 43 имп./с — почти так же, как и у нейронов основания гиппокампа. Их можно подразделить на две группы по частоте импульсации: медленные (

40 имп./с). При этом первая группа значительно превосходит по численности вторую [7]. Аналогичная картина наблюдается и в коре больших полушарий: медленных пирамидальных нейронов (

4—9 имп./с) в несколько раз больше, чем быстрых ингибиторных интернейронов (>100 имп./с) [8], [9]. Так, видимо, мозг «предпочитает» использовать поменьше быстрых и энергозатратных нейронов, чтобы те не израсходовали все ресурсы [6], [9–11].

Рисунок 1. Представлены два нейрона. В одном из них фиолетовым цветом окрашен пресинаптический белок синаптофизин. Другой нейрон полностью окрашен зеленым флуоресцентным белком. Мелкие светлые крапинки — синаптические контакты между нейронами [12]. Во вставке одна «крапинка» представлена ближе.
Группы нейронов, связанных между собой синапсами, называются нейронными сетями [13], [14]. Например, в коре больших полушарий пирамидальные нейроны и интернейроны образуют обширные сети. Слаженная «концертная» работа этих клеток обусловливает наши высшие когнитивные и другие способности. Аналогичные сети, только из других типов нейронов, распределены по всему мозгу, определенным образом связаны между собой и организуют работу всего органа.

Что такое интернейроны?

Нейроны центральной нервной системы разделяются на активирующие (образуют активирующие синапсы) и тормозящие (образуют тормозящие синапсы). Последние в значительной степени представлены интернейронами, или промежуточными нейронами. В коре больших полушарий и гиппокампе они ответственны за формирование гамма-ритмов мозга [15], которые обеспечивают слаженную, синхронную работу других нейронов. Это крайне важно для моторных функций, восприятия сенсорной информации, формирования памяти [9], [11].

Интернейроны отличаются способностью генерировать значительно более высокочастотные сигналы, чем другие нейроны. Они также содержат больше митохондрий, главных органелл энергетического метаболизма, «фабрик» по производству АТФ. Последние к тому же содержат большое количество белков цитохром-с оксидазы и цитохрома-с, являющихся ключевыми для метаболизма. Так, интернейроны являются крайне важными и, в то же время, энергозатратными клетками [8], [9], [11], [16].

Работа Леви и Бакстера [6] развивает концепцию «экономии импульсов» Горация Барлоу из Университета Калифорнии (США), который, кстати, является потомком Чарльза Дарвина [17]. Согласно ей, при развитии организма нейроны стремятся работать только с наиболее полезной информацией, фильтруя «лишние» импульсы, ненужную и избыточную информацию. Однако эта концепция не дает удовлетворительных результатов, так как не учитывает метаболические затраты, связанные с нейрональной активностью [6]. Расширенный подход Леви и Бакстера, в котором внимание уделено обоим факторам, оказался более плодотворным [6], [18–20]. И энергозатраты нейронов, и потребность в кодировании только полезной информации являются важными факторами, направляющими эволюцию мозга [6], [21–24]. Поэтому, чтобы лучше разобраться в том, как устроен мозг, стоит рассматривать обе эти характеристики: сколько нейрон передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит.

За последнее время этот подход нашел множество подтверждений [10], [22], [24–26]. Он позволил по-новому взглянуть на устройство мозга на самых разных уровнях организации — от молекулярно-биофизического [20], [26] до органного [23]. Он помогает понять, каковы компромиссы между выполняемой функцией нейрона и ее энергетической ценой и в какой степени они выражены.

Как же работает этот подход?

Положим, у нас есть модель нейрона, описывающая его электрофизиологические свойства: потенциал действия (ПД) и постсинаптические потенциалы (ПСП) (об этих терминах — ниже). Мы хотим понять, эффективно ли он работает, не тратит ли неоправданно много энергии. Для этого нужно вычислить значения параметров модели (например, плотность каналов в мембране, скорость их открывания и закрывания), при которых: (а) достигается максимум отношения полезной информации к энергозатратам и в то же время (б) сохраняются реалистичные характеристики передаваемых сигналов [6], [19].

Поиск оптимума

Эти «оптимальные» значения параметров затем нужно сравнить с измеренными экспериментально и определить, насколько они отличаются. Общая картина отличий укажет на степень оптимизации данного нейрона в целом: насколько реальные, измеренные экспериментально, значения параметров совпадают с рассчитанными. Чем слабее выражены отличия, тем нейрон более близок к оптимуму и работает энергетически более эффективно, оптимально. С другой стороны, сопоставление конкретных параметров покажет, в каком конкретно качестве этот нейрон близок к «идеалу».

Далее, в контексте энергетической эффективности нейронов рассмотрены два процесса, на которых основано кодирование и передача информации в мозге. Это нервный импульс, или потенциал действия, благодаря которому информация может быть отправлена «адресату» на определенное расстояние (от микрометров до полутора метров) и синаптическая передача, лежащая в основе собственно передачи сигнала от одного нейрона на другой.

Потенциал действия

Потенциал действия (ПД) — сигнал, которые отправляют друг другу нейроны. ПД бывают разные: быстрые и медленные, малые и большие [28]. Зачастую они организованы в длинные последовательности (как буквы в слова), либо в короткие высокочастотные «пачки» (рис. 2).

Большое разнообразие сигналов обусловлено огромным количеством комбинаций разных типов ионных каналов, синаптических контактов, а также морфологией нейронов [28], [29]. Поскольку в основе сигнальных процессов нейрона лежат ионные токи, стоит ожидать, что разные ПД требуют различных энергозатрат [20], [27], [30].

Что такое потенциал действия?

ПД — это относительно сильное по амплитуде скачкообразное изменение мембранного потенциала.

Анализ разных типов нейронов (рис. 4) показал, что нейроны беспозвоночных не очень энергоэффективны, а некоторые нейроны позвоночных почти совершенны [20]. По результатам этого исследования, наиболее энергоэффективными оказались интернейроны гиппокампа, участвующего в формировании памяти и эмоций, а также таламокортикальные релейные нейроны, несущие основной поток сенсорной информации от таламуса к коре больших полушарий.

Рисунок 4. Разные нейроны эффективны по-разному. На рисунке представлено сравнение энергозатрат разных типов нейронов. Энергозатраты рассчитаны в моделях как с исходными (реальными) значениями параметров (черные столбцы), так и с оптимальными, при которых с одной стороны нейрон выполняет положенную ему функцию, с другой — затрачивает при этом минимум энергии (серые столбцы). Самыми эффективными из представленных оказались два типа нейронов позвоночных: интернейроны гиппокампа (rat hippocampal interneuron, RHI) и таламокортикальные нейроны (mouse thalamocortical relay cell, MTCR), так как для них энергозатраты в исходной модели наиболее близки к энергозатратам оптимизированной. Напротив, нейроны беспозвоночных менее эффективны. Условные обозначения: SA (squid axon) — гигантский аксон кальмара; CA (crab axon) — аксон краба; MFS (mouse fast spiking cortical interneuron) — быстрый кортикальный интернейрон мыши; BK (honeybee mushroom body Kenyon cell) — грибовидная клетка Кеньона пчелы.

Почему они более эффективны? Потому что у них малó перекрывание Na- и К-токов. Во время генерации ПД всегда есть промежуток времени, когда эти токи присутствуют одновременно (рис. 3в). При этом переноса заряда практически не происходит, и изменение мембранного потенциала минимально. Но «платить» за эти токи в любом случае приходится, несмотря на их «бесполезность» в этот период. Поэтому его продолжительность определяет, сколько энергетических ресурсов растрачивается впустую. Чем он короче, тем более эффективно использование энергии [20], [26], [30], [43]. Чем длиннее — тем менее эффективно. Как раз в двух вышеупомянутых типах нейронов, благодаря быстрым ионным каналам, этот период очень короткий, а ПД — самые эффективные [20].

Кстати, интернейроны гораздо более активны, чем большинство других нейронов мозга. В то же время они крайне важны для слаженной, синхронной работы нейронов, с которыми образуют небольшие локальные сети [9], [16]. Вероятно, высокая энергетическая эффективность ПД интернейронов является некой адаптацией к их высокой активности и роли в координации работы других нейронов [20].

Синапс

Передача сигнала от одного нейрона к другому происходит в специальном контакте между нейронами, в синапсе [12]. Мы рассмотрим только химические синапсы (есть еще электрические), поскольку они весьма распространены в нервной системе и важны для регуляции клеточного метаболизма, доставки питательных веществ [5].

Чаще всего, химический синапс образован между окончанием аксона одного нейрона и дендритом другого. Его работа напоминает. «переброс» эстафетной палочки, роль которой и играет нейромедиатор — химический посредник передачи сигнала [12], [42], [44–48].

На пресинаптическом окончании аксона ПД вызывает выброс нейромедиатора во внеклеточную среду — к принимающему нейрону. Последний только этого и ждет с нетерпением: в мембране дендритов рецепторы — ионные каналы определенного типа — связывают нейромедиатор, открываются и пропускают через себя разные ионы. Это приводит к генерации маленького постсинаптического потенциала (ПСП) на мембране дендрита. Он напоминает ПД, но значительно меньше по амплитуде и происходит за счет открывания других каналов. Множество этих маленьких ПСП, каждый от своего синапса, «сбегаются» по мембране дендритов к телу нейрона (зеленые стрелки на рис. 3а) и достигают начального сегмента аксона, где вызывают открывание Na-каналов и «провоцируют» его на генерацию ПД.

Такие синапсы называются возбуждающими: они способствуют активации нейрона и генерации ПД. Существуют также и тормозящие синапсы. Они, наоборот, способствуют торможению и препятствуют генерации ПД. Часто на одном нейроне есть и те, и другие синапсы. Определенное соотношение между торможением и возбуждением важно для нормальной работы мозга, формирования мозговых ритмов, сопровождающих высшие когнитивные функции [49].

Как это ни странно, выброс нейромедиатора в синапсе может и не произойти вовсе — это процесс вероятностный [18], [19]. Нейроны так экономят энергию: синаптическая передача и так обусловливает около половины всех энергозатрат нейронов [25]. Если бы синапсы всегда срабатывали, вся энергия пошла бы на обеспечение их работы, и не осталось бы ресурсов для других процессов. Более того, именно низкая вероятность (20–40%) выброса нейромедиатора соответствует наибольшей энергетической эффективности синапсов. Отношение количества полезной информации к затрачиваемой энергии в этом случае максимально [18], [19]. Так, выходит, что «неудачи» играют важную роль в работе синапсов и, соответственно, всего мозга. А за передачу сигнала при иногда «не срабатывающих» синапсах можно не беспокоиться, так как между нейронами обычно много синапсов, и хоть один из них да сработает.

Еще одна особенность синаптической передачи состоит в разделении общего потока информации на отдельные компоненты по частоте модуляции приходящего сигнала (грубо говоря, частоте приходящих ПД) [50]. Это происходит благодаря комбинированию разных рецепторов на постсинаптической мембране [38], [50]. Некоторые рецепторы активируются очень быстро: например, AMPA-рецепторы (AMPA происходит от α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid). Если на постсинаптическом нейроне представлены только такие рецепторы, он может четко воспринимать высокочастотный сигнал (такой, как, например, на рис. 2в). Ярчайший пример — нейроны слуховой системы, участвующие в определении местоположения источника звука и точном распознавании коротких звуков типа щелчка, широко представленных в речи [12], [38], [51]. NMDA-рецепторы (NMDA — от N—methyl-D—aspartate) более медлительны. Они позволяют нейронам отбирать сигналы более низкой частоты (рис. 2г), а также воспринимать высокочастотную серию ПД как нечто единое — так называемое интегрирование синаптических сигналов [14]. Есть еще более медленные метаботропные рецепторы, которые при связывании нейромедиатора, передают сигнал на цепочку внутриклеточных «вторичных посредников» для подстройки самых разных клеточных процессов. К примеру, широко распространены рецепторы, ассоциированные с G-белками. В зависимости от типа они, например, регулируют количество каналов в мембране или напрямую модулируют их работу [14].

Различные комбинации быстрых AMPA-, более медленных NMDA- и метаботропных рецепторов позволяют нейронам отбирать и использовать наиболее полезную для них информацию, важную для их функционирования [50]. А «бесполезная» информация отсеивается, она не «воспринимается» нейроном. В таком случае не приходится тратить энергию на обработку ненужной информации. В этом и состоит еще одна сторона оптимизации синаптической передачи между нейронами.

Что еще?

Энергетическая эффективность клеток мозга исследуется также и в отношении их морфологии [35], [52–54]. Исследования показывают, что ветвление дендритов и аксона не хаотично и тоже экономит энергию [52], [54]. Например, аксон ветвится так, чтобы суммарная длина пути, который проходит ПД, была наименьшей. В таком случае энергозатраты на проведение ПД вдоль аксона минимальны.

Снижение энергозатрат нейрона достигается также при определенном соотношении тормозящих и возбуждающих синапсов [55]. Это имеет прямое отношение, например, к ишемии (патологическому состоянию, вызванному нарушением кровотока в сосудах) головного мозга. При этой патологии, вероятнее всего, первыми выходят из строя наиболее метаболически активные нейроны [9], [16]. В коре они представлены ингибиторными интернейронами, образующими тормозящие синапсы на множестве других пирамидальных нейронов [9], [16], [49]. В результате гибели интернейронов, снижается торможение пирамидальных. Как следствие, возрастает общий уровень активности последних (чаще срабатывают активирующие синапсы, чаще генерируются ПД). За этим немедленно следует рост их энергопотребления, что в условиях ишемии может привести к гибели нейронов.

При изучении патологий внимание уделяют и синаптической передаче как наиболее энергозатратному процессу [19]. Например, при болезнях Паркинсона [56], Хантингтона [57], Альцгеймера [58–61] происходит нарушение работы или транспорта к синапсам митохондрий, играющих основную роль в синтезе АТФ [62], [63]. В случае болезни Паркинсона, это может быть связано с нарушением работы и гибелью высоко энергозатратных нейронов черной субстанции, важной для регуляции моторных функций, тонуса мышц. При болезни Хантингтона, мутантный белок хангтингтин нарушает механизмы доставки новых митохондрий к синапсам, что приводит к «энергетическому голоданию» последних, повышенной уязвимости нейронов и избыточной активации. Все это может вызвать дальнейшие нарушения работы нейронов с последующей атрофией полосатого тела и коры головного мозга. При болезни Альцгеймера нарушение работы митохондрий (параллельно со снижением количества синапсов) происходит из-за отложения амилоидных бляшек. Действие последних на митохондрии приводит к окислительному стрессу, а также к апоптозу — клеточной гибели нейронов.

Еще раз обо всем

В конце ХХ века зародился подход к изучению мозга, в котором одновременно рассматривают две важные характеристики: сколько нейрон (или нейронная сеть, или синапс) кодирует и передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит [6], [18], [19]. Их соотношение является своего рода критерием энергетической эффективности нейронов, нейронных сетей и синапсов.

Использование этого критерия в вычислительной нейробиологии дало существенный прирост к знаниям относительно роли некоторых явлений, процессов [6], [18–20], [26], [30], [43], [55]. В частности, малая вероятность выброса нейромедиатора в синапсе [18], [19], определенный баланс между торможением и возбуждением нейрона [55], выделение только определенного рода приходящей информации благодаря определенной комбинации рецепторов [50] — все это способствует экономии ценных энергетических ресурсов.

Более того, само по себе определение энергозатрат сигнальных процессов (например, генерация, проведение ПД, синаптическая передача) позволяет выяснить, какой из них пострадает в первую очередь при патологическом нарушении доставки питательных веществ [10], [25], [56]. Так как больше всего энергии требуется для работы синапсов, именно они первыми выйдут из строя при таких патологиях, как ишемия, болезни Альцгеймера и Хантингтона [19], [25]. Схожим образом определение энергозатрат разных типов нейронов помогает выяснить, какой из них погибнет раньше других в случае патологии. Например, при той же ишемии, в первую очередь выйдут из строя интернейроны коры [9], [16]. Эти же нейроны из-за интенсивного метаболизма — наиболее уязвимые клетки и при старении, болезни Альцгеймера и шизофрении [16].

В общем, подход к определению энергетически эффективных механизмов работы мозга является мощным направлением для развития и фундаментальной нейронауки, и ее медицинских аспектов [5], [14], [16], [20], [26], [55], [64].

Благодарности

Искренне благодарен моим родителям Ольге Наталевич и Александру Жукову, сестрам Любе и Алене, моему научному руководителю Алексею Браже и замечательным друзьям по лаборатории Эвелине Никельшпарг и Ольге Слатинской за поддержку и вдохновение, ценные замечания, сделанные при прочтении статьи. Я также очень благодарен редактору статьи Анне Петренко и главреду «Биомолекулы» Антону Чугунову за пометки, предложения и замечания.

Источник

Мозг и кислород: в бесконечной пляске смерти

Человеческий мозг весит в среднем 1400 г, однако расходует около 20 % от общего потребляемого организмом кислорода: это уходит на поддержку

86 млрд нейронов и их невообразимо сложного коннектома, включающего в себя триллионы синапсов [1–3], что в свою очередь обслуживается обслуживается 250–300 млрд глиальных клеток [4,5].

Такое интенсивное «дыхание» необходимо мозгу для процессов мышления, и даже транзиторная ишемия приводит к массивной нейродегенерации [6]. Без достаточного количества кислорода митохондрии будут не в состоянии использовать кислород в дыхательной цепи, обеспечивая синтез АТФ, поэтому даже 30-минутная гипоксия мозга при ишемическом инсульте приводит к катастрофическим последствиям — гибели около 1,9 млн нейронов и 14 млн синапсов ежеминутно [6,7]. Тем ни менее, как это ни парадоксально на первый взгляд, мозг так тщательно регулирует потребление кислорода по той простой причине, что молекулярный кислород в основном состоянии является бирадикалом и, следовательно, потенциально токсичным, мутагенным газом.

К счастью, окислительный потенциал кислорода сдерживается одной квантово-химической тонкостью — его два электрона имеют параллельные спины, и одновременно кислород может принять лишь один электрон [8,9]. Если это свойство ограничивает реактивность кислорода, тогда почему он считается токсичным? Ответ заключается в способности кислорода образовывать свободные радикалы и другие активные формы кислорода (АФК), а именно супероксидный анион-радикал (O₂ •– ), перекись водорода (H₂O₂) и гидроксил-радикал (OH • ) (их биохимия рассмотрена в работах [8,10,11]). Такие соединения обычно считаются «темной стороной» биохимии кислорода — неизбежной платой за использование кислорода для дыхания [12].

Долгое время предполагалось, что их неконтролируемый и нежелательный синтез повышает чувствительность мозга к окислительному стрессу. Действительно, окислительный стресс тесно связан с нейродегенерацией [13,14]. Однако простое разделение кислорода на «хороший» — молекулярный и его «плохие» реактивные формы (к примеру, O₂ •– ) не может объяснить причину и механизм высокой чувствительности мозга к окислительному стрессу, потому как такой подход неверен.

Чтобы понять, почему и как мозг восприимчив к окислительному стрессу, надо отказаться от догмы о том, что АФК априори являются лишь токсичными метаболическими продуктами, и учесть некоторые их особенности. Например, важно помнить о том, что именно высокая чувствительность мозга к гипоксии является причиной возникновения адаптивных митохондриальных сигналов в ответ на воздействие O₂ •– [7]. Такой «редокс-сигналинг» вовсе не является исключением, а, напротив, широко распространен [15,16]. Окислительный стресс может возникать, когда редокс-сигналинг нарушается («двуликость» редокс-сигналинга).

Чувствительность мозга к окислительному стрессу редко подвергалась глубокому анализу, поэтому попытки устранить сложную взаимосвязь между окислительным стрессом и нейродегенерацией до сих пор не увенчались успехом. Для того чтобы лучше понять механизмы этих процессов, авторы выделили 13 биохимических причин уязвимости мозга к окислительному стрессу. Для этого они опирались на плодотворную работу Барри Холливелла и Джона Гуттериджа [17–19].

1. Редокс-сигналинг: активные формы кислорода выполняют важные биологические функции

Единственная и часто недооцененная причина, по которой мозг восприимчив к окислительному стрессу, заключается в том, что активные формы кислорода играют важную роль в функционировании организма [19,20]. Это иллюстрируют 2 примера.

Во-вторых, группа ученых под руководством Vriz установила положительное влияние генерируемой NOX H₂O₂ на аксональное наведение и регенерацию [26,27]. Аксональное наведение прокладывает нервные пути в развивающемся мозге частично с помощью секреции хемоаттрактантов и хемореппелентов, обеспечивающих правильную иннервацию [28]. Фармакологическое подавление активности NOX2, а значит и синтеза этим ферментом O2 • – /H₂O₂ замедляло рост аксонов ганглионарных клеток сетчатки у зародышей рыбок данио-рерио, что свидетельствует о выполняемой H₂O₂ функции эндогенного хемоаттрактанта [26].

2. Кальций

Потенциал действия вызывает увеличение количества поступающих ионов Ca 2+ в пресинаптических терминалях, на 4 порядка увеличивая их концентрацию (с 0,01 до

100 мкмоль на литр [29]). Вход ионов Ca 2+ вызывает экзоцитоз гранул нейромедиаторов [29]. Следовательно, потенциал-зависимые токи кальция контролируют синаптическую пластичность в обоих направлениях [30]. Такая двухсторонняя синаптическая пластичность является фундаментальным свойством, необходимым для функционирования мозга. В качестве хорошего примера таких функций можно привести в пример процессы обучения и памяти [31–33]. Зависимость работы мозга от сигналинга Cа 2+ [34] может вызывать окислительный стресс, природа которого, в свою очередь, зависит от условий среды ввиду сложных взаимоотношений ионов кальция с окислительно-восстановительными процессами [19]. Заинтересованному читателю рекомендуется ознакомиться с исчерпывающим обзором взаимоотношений Са 2+ /редокс [35], а авторы ограничатся тремя моментами.

Авторы предполагают, что H2O2 вызывает высвобождение Ca 2+ через рецепторы ИФ3 в соответствии с их редокс-регуляцией путем окисления цистеина [50]. Так как МАМ регулируют множество функций митохондрий (например, транспорт и биогенез [48]), можно легко представить, как нарушение регуляции внутри органелл будет вызывать аномальный синалинг Ca 2+ /H₂O₂, связанный с окислительным стрессом [45]. Для уверенности стоит добавить, что нарушение регуляции сигналинга МАМ связано с нейродегенерацией при болезни Альцгеймера и боковом амиотрофическом склерозе (БАС) [51]. Например, Стойка с соавт. [52] показали, что мутантный TD43 — патологический «триггер» при БАС и лобно-височной деменции [53] — уменьшает число контактов в МАМ и таким образом нарушает кальциевый гомеостаз (рис. 1–6).

3. Глутамат

Чрезмерное действие глутамата, например, через NMDA-рецепторы (NMDAR) вызывает эксайтотоксичность [72,73], которая следует за нарушением сигналинга Ca 2+ (например, вызывая устойчивое действие кальпаина) [74]. Глутаматная эксайтотоксичность приводит к перегрузке кальцием митохондрий, высвобождению ими O₂ • – /H₂O₂, и в итоге клеточной смерти, обычно через апоптоз или некроз [17,75,76]. Приток Ca 2+ может активировать nNOS, что позволяет NO • ингибировать ЦОГ, повышая тем самым концентрацию O₂ • – /H₂O₂/ONOO – в митохондриях. Согласно этому, фармакологическое ингибирование nNOS будет защищать от эксайтотоксичности [77]. А гибель нейронов по некротическому пути будет усиливать эксайтотоксичность, так как будет повышаться внеклеточная концентрация глутамата [78].

Кроме действия на рецепторы, глутамат может также вызывать эксайтотоксичноть, ингибируя систему транспортеров x_С – [84], обменивающих внутриклеточный глутамат на внеклеточный цистин [85]. В клетке цистин восстанавливается до цистеина, который может быть использован глутамат-цистеин лигазой для синтеза глутатиона de novo [86]. Ингибирование транспорта цистина внутрь клетки вызывает истощение ресурсов глутатиона, что приводит к развитию окислительного стресса [84,87]. Снижение концентрации глутатиона также необходимо для запуска ферроптоза — варианта клеточной гибели, происходящего из-за окисления железа и перекисного окисления липидов [88], что подтверждает роль внеклеточного глутамата как сигнала запуска ферроптоза [89,90]. Однако как предостерегают Цао и Диксон [90], несмотря на общие моменты в окислительно-восстановительных процессах, глутамат-ассоциированная эксайтотоксичность, связанная с клеточной гибелью и ферроптозом, имеет различия, такие как вовлечение апоптотических сигналов в первом случае.

4. Глюкоза

Для поддержания работы нейронов человеческий мозг потребляет

25 % глюкозы крови, что соответствует

5,6 мг глюкозы на 100 г ткани мозга в минуту. Судьба глюкозы в головном мозге сложна и включает так называемое метаболическое сопряжение между нейронами и глией (рассмотрено в [3,92]). Суть его заключается в том, что сначала глия превращает глюкозу в лактат, после чего тот захватывается нейронами, превращается в пируват и окисляется в митохондриях чтобы обеспечивать клетки АТФ [3].

Это согласуется с данными, подтверждающими способность нейронов эффективно метаболизировать лактат [93,94]. Следствием этого является поддержание нейронами низкой активности фосфофруктокиназы (ФФК) — скорость-лимитирующего фермента гликолиза, чтобы использовать глюкозу преимущественно в пентозофосфатном пути (ПФП) [95]. С точки зрения окислительно-восстановительных процессов кажется, что межклеточное метаболическое сопряжение призвано компенсировать ограниченные способности нейронов метаболизировать карбонилы из-за низкой экспрессии глиоксилазы 1 (GLO1) и глиоксилазы 2 (GLO2) [96]. Обе изоформы глиоксилазы метаболизируют метилглиоксаль (МГ) [97] — потенциально токсичный дикарбонил, продукт триозофосфатизомеразы [98,99]. Скорость этого процесса регулируется количеством имеющегося глутатиона. GLO1 превращает связанный с глутатионом МГ (т. е. полутиоацеталь) в S-D-лактоилглутатион, после чего GLO2 превращает S-D-лактоилглутатион в D-лактат и глутатион. Низкое содержание изоформ GLO вкупе с относительно низкой концентрацией глутатитона делает нейроны уязвимыми к токсическим эффектам МГ: концентрации МГ в 250 µM достаточно для насыщения метаболических систем нейрона, в то время как метаболизму астроцитов для насыщения требуется 2 мM МГ [96], хотя обычно концентрация «свободного» МГ составляет 2–4 мкм [100]. Тем не менее, МГ в 50000 раз более реактивен, чем глюкоза, и может быстро приводить к образованию оснований Шиффа, способных гликировать (неферментативно гликозилировать) белки, РНК и ДНК [100].

В частности, гликирование белков приводит к формированию конечных продуктов гликирования (КПГ), которые могут вызывать окислительный стресс, активируя соответствующие рецепторы и запуская воспаление, что в итоге нарушает функции митохондрий и других белков [100–102]. КПГ могут синтезироваться и в отсутствие высокой интенсивности гликолиза, так как перекисное окисление липидов тоже может приводит к формированию МГ [101]. В итоге мозг оказывается уязвимым к окислительному стрессу, вызываемому глюкозой [97].

5. Митохондрии

Чтобы справиться с экстраординарными потребностями в АТФ, мозг потребляет несоразмерные количества O2 для поддержания окислительного фосфорилирования [3]. Нейроны тратят энергию АТФ на поддержание высоких биохимических градиентов и синаптической активности [103,104]. Чистые энергетические затраты на работу синапсов можно представить в виде затрат на высвобождение везикул с медиаторами, что составляет 1,64 × 10 5 AТФ в секунду на 1 везикулу [104,105]. Для удовлетворения таких энергетических потребностей нейронов и необходимы митохондрии, а ввиду ограниченной скорости диффузии АТФ особую важность представляют синаптические митохондрии [106]. Так как нейроны постоянно ограничивают активность ФФК, то есть скорость гликолиза [95], они очень сильно зависят от работы митохондрий, хотя синтез АТФ в синапсах могут некоторое время поддерживать гликосомы [107].

Кроме окислительного фосфорилирования, митохондрии являются важными узлами сигнальных путей, регулирующими множество жизненно важных процессов, начиная от гомеостаза Ca 2+ и синтеза кластера Fe-S и заканчивая определением судьбы клетки [55,108,109]. Митохондрии нейронов это своего рода обоюдоострый меч: снабжая нейроны АТФ и сигналосомами, они при нарушении своей функции повышают уязвимость к нейродегенерации [110].

Вместо того чтобы обсуждать прозаическую мысль о том, что O₂ • – /H₂O₂ являются обязательными токсичными побочными продуктами митохондриального дыхания, авторы рассматривают уязвимость нейронов к окислительному стрессу, вызванному митохондриями, с точки зрения сигналинга [111]. То, каким способом митохондрии синтезируют O₂ • – /H₂O₂ (для исчерпывающего разбора этого момента смотрите Мёрфи [68]), ставит их в поддержании нормальной функции органелл [112]. Целенаправленный синтез O₂ • – /H₂O₂ тесно связан с адаптивным редокс сигналингом [113].

Хорошим примером являются сигнальные пути, запускаемые при гипоксии. Митохондрии реагируют на гипоксию (то есть 0,3–3 % O₂), синтезируя с помощью комплексов дыхательной цепи I и III O₂ • – /H₂O₂, которые активируют индуцируемый гипоксией фактор 1-альфа (HIF1-α), разрушая пролилгидроксилазу. HIF1-α запускает адаптивный ответ, инициируя транскрипцию ряда белков [114–118]. Так как продукция O₂ • – /H₂O₂ в митохондриях на отдельно взятом участке зависит от концентрации кислорода, числа восстановленных участков какого-либо из комплексов и кинетики реакции [68], гипоксия приводит к восстановлению комплексов I и III и запускает синтез O₂ • – (который может быть ускорен сниженной активностью COX и повышенной локальной доступностью O₂). В ответ на клеточную гипоксию HIF1-α активирует транскрипцию NDUFA4L2, альтернативную субъединицу комплекса I, чтобы таким способом подавить синтез O₂ • – [119].

Нарушения редокс-сигналинга могут приводить к нейродегенерации:неспособность клетки остановить митохондриальную продукцию O₂ • – может запустить редокс-зависимый апоптоз по внутреннему пути [120,121]. Кроме того, рассогласованность дыхательной цепи вследствие нарушения взаимодействия митохондрий и ядра может запускать сигнал (т. е. O₂ • – /H₂O₂) без какого-либо стимула (т. е. гипоксии), приводя к неадекватному ответу [111]. Если возникает накопление мутантных митохондрий, они могут привести к дисфункции клетки путем клонального повышения своей численности, так как O₂ • – /H₂O₂ регулируют биогенез митохондрий [111,122,123].

6. Эндогенный метаболизм нейромедиаторов приводит к образованию пероксида водорода

Метаболизм эндогенных моноаминных нейромедиаторов (например, дофамина) приводит к образованию H₂O₂ при участии моноаминоксидаз. Моноаминоксидазы А и B катализируют реакцию дезаминирования: амин + O₂ + H₂O → альдегид + H₂O₂ + NH₃. Обе изоформы фермента дезаминируют дофамин, тирамин, триптамин и норадреналин, МАО-А более избирательна к 5-гидрокситриптамину, МАО-B — к 2-фенилэтиламину [124,125]. В ходе катализа окисление амина до имина восстанавливает простетическую группу флавина, который затем вступает в реакцию с O₂ с образованием H₂O₂ [126,127]. После восстановления флавина интенсивность синтеза H₂O₂ контролируется скоростью связывания O₂, учитывая, что O₂ влияет на ферментативную активность. Аффинность каждой из изоформ МАО к O₂ составляет 10 и 240 µМ для МАО-А и МАО-B соответственно [127].

Несмотря на это, электрофильные альдегиды могут связываться с макромолекулами, вызывая их повреждение [142]. Например, 3,4-дигидроксифенилацетальдегид, производное дофамина, может быстро конъюгировать с белками и оказывать токсическое действие на нейроны [143], для гибели клетки достаточно повышения его концентрации с 2–3 до 6 мкм [144]. Поэтому активность изоформы МАО должна уравновешиваться активностью альдегиддегидрогеназы (АлДГ), чтобы предотвращать токсическое действие конечных продуктов. Но так как АлДГ-2 находится в матриксе митохондрий [145], MIS оказывается лишенным способности нейтрализовывать альдегиды ферментативным путем, это может способствовать формированию конъюгатов макромолекул, особенно если электрический заряд препятствует их пассивной диффузии. Возможно, в основе окислительного стресса, вызываемого МАО, лежат электрофильные альдегиды (в противоположность H₂O₂). Обсуждается, может ли H₂O₂ выступать в роли сигнальной молекулы, информирующей ядро о формировании альдегидов. Было показано, что ингибирование АлДГ способствует развитию БП [146] — это подчеркивает важность наличия активности, балансирующей работу МАО. Таким образом изоформы МАО могут вызывать окислительный стресс в головном мозге.

7. Аутоокисление нейромедиаторов

Продукты окисления дофамина могут участвовать в циклах окисления-восстановления [152]. Например, 6-гидроксидофамин может восстанавливаться до семихинон-радикала и H₂O₂. Часть H₂O₂ может реагировать с ионами металлов с переходной валентностью [11] и создавать условия для синтеза O₂ • – [139] и • OH. Повсеместно распространенные изоформы супероксиддисмутазы (СОД) [153–155] быстро нейтрализуют O₂ • – (k

Важно то, что способность к аутоокислению также имеется у серотонина и адреналина, более того, реакция аутоокисления адреналина используется для оценки активности СОД [157]. Поэтому нейромедиаторы с катехольной группой делают мозг особенно чувствительным к окислительному стрессу [17,18]. Например, циклы окисления-восстановления метаболитов дофамина, в частности, 6-гидроксидофамина, участвуют в развитии БП [158,159]. Окисление дофамина при БП [160] нарушает работу митохондрий и лизосом частично через формирование хинонов дофамина, изменяющих активность глюкоцереброзидазы — фермента лизосом, вовлеченного в патогенез БП [161], а также повышения концентрации H₂O₂ в митохондриях.

8. Скромные ресурсы антиоксидантной защиты

Как подробно рассматривается у Halliwell [17,18], относительно небольшие ресурсы антиоксидантной защиты повышают уязвимость мозга к окислительному стрессу. Другими словами, низкие способности эндогенной антиоксидантной защиты относительно других тканей (например, печени) делают мозг чувствительным к нарушениям редокс-гомеостаза. Известным примером является низкое содержание каталазы [163]: нейроны имеют в распоряжении в 50 раз меньшее количество фермента по сравнению с гепатоцитами [162], однако значение каталазы в инактивации H₂O₂ остается под вопросом.

Кроме того, что локализация каталазы ограничена пероксисомами, а механизм ее работы подразумевает реакцию одновременно с двумя молекулами H₂O₂ [164], что ограничивает активность фермента относительно наномолярных количеств H₂O₂ [164].

Более убедительным примером является глутатион. По сравнению с другими клетками цитозоль нейронов содержит вдвое меньшее количество глутатиона (например,

5 мМ в нейронах против 10–11 мМ в гепатоцитах). Низкое содержание глутатиона, в свою очередь, является следствием ограниченных способностей нейронов его синтеза ввиду малых количеств γ-GCL (γ-глутамилцистеинлигазы), причиной чего, в свою очередь, является низкие содержание и активность Nrf-2 [81,166]. Сравнительно малые ресурсы цитозольного глутатиона могут ограничивать активность GPX4 [130], что может объяснять повышенную уязвимость нейронов к ферроптозу [167]. Малые количества глутатиона могут также ограничивать способность нейронов метаболизировать электрофилы, в частности электрофильные альдегиды.

Из того, что уже обсуждалось выше, может показаться, что данный дефект связан с метаболизмом H₂O₂ [18,19] ввиду стандартного содержания и активности изоформ СОД (то есть при отсутствии нарушений в метаболизме O2• –). Поддержание нормальной инактивации O₂ • – (например, при помощи СОД) жизненно необходимо для нейронов: при делеции гена MnSOD (митохондриальной изоформы СОД) нервные клетки погибают [168–170]. В итоге ферментные системы нейронов, связанные с глутатионом, являются недостаточными.

В 1994 году группа под руководством Су Гу Ри обнаружили семейство ферментов PRDX — повсеместно распространенных цистеин-зависимых пероксидаз [171]. Изоформы PRDX восстанавливаются ферментом TRDX (тиоредоксин), а окисленный TRDX, в свою очередь, восстанавливается тиоредоксин-редуктазой за счет НАДФH [172–176]. Это открытие оказало важное влияние на понимание того, как нейроны нейтрализуют H₂O₂, так как нервные клетки экспрессируют изоформы PRDX-TRDX [162,177]. В норме система PRDX-TRDX позволяет нейронам нейтрализовывать H₂O₂, особенно если учесть что изоформы PRDX обильно распространены и распределены внутри клеток [171,175,178]. Авторы не знают ни одного отчета о слабой активности нейрональной системы PRDX-TRDX. Напротив, нейроны могут обладать относительно высокой активностью PRDX, так как метаболизм глюкозы нервных клеток идет преимущественно через ПФП, в котором генерируется НАДФH [95]. Однако есть ферменты, которые могут использовать НАДФH для синтеза O₂ • – и NO • (например, NOS) [179,180], поэтому будет опрометчиво считать, что НАДФH находится исключительно на стороне «антиоксидантов» [181]. Тем не менее, PRDX6 в качестве восстановителя предпочитает глутатион [182], поэтому относительно низкое содержание последнего может ограничивать активность и этого фермента. Не стоит считать, что система PRDX-TRDX занимается только нейтрализацией H₂O₂, так как есть убедительные биохимические доказательства участия PRDX-TRDX в передаче редокс-сигналов [16,172,183–187].

Как элегантно сформулировали Флоэ с соавт. [188], вряд ли природе понадобилось бы создавать 10 пероксидаз, чтобы просто обезвреживать H₂O₂. Лу, Хольмгрен с соавт. [162] предположили, что наличие PRDX-TRDX дает нейронам способность обуздать их относительную склонность к окислительному стрессу и направить его на передачу редокс-сигналов. Если это так, то подобное положение дел опасно, потому что при увеличении содержания H₂O₂ до высоких наномолярных концентраций будет происходить переокисление изоформ PRDX, что является признаком гибели клетки [45,180]. Это становится особенно актуальным, если учесть слабую активность глутатион-зависимых ферментных систем нейронов [81,166]. Тандем PRDX-TRDX дает возможность как нейтрализовывать H₂O₂, так и направлять H₂O₂ на потребности клеточного сигналинга, однако это остается возможным до тех пор, пока концентрация H₂O₂ остается ниже критического порога, после которого уже развивается окислительный стресс.

9. Микроглия

Микроглия представлена специализированными резидентными иммунными клетками [189,190], постоянно «патрулирующими» свою нишу на предмет угроз для гомеостаза [191,192]. Микроглиоциты образуют обширные отростки для оценки состояния синапсов и отслеживания активности нейронов [193]. Осуществляя мониторинг нейрональной активности, микроглия выполняет важную функцию по элиминации нездоровых нейронов, формировании межнейронных связей на стадиях развития организма и синаптической пластичности, зависящей от активности синапсов [194–197].

Группы под руководством Niethammer и Amaya показали, что при заживлении ран и регенерации конечностей H₂O₂ действует как хемоаттрактант [201,202]. Глия, патрулирующая свою территорию, может «чувствовать» H₂O₂ и отвечать на это активацией и пролиферацией [203], что объясняет, почему высвобождение H₂O₂ из нейронов привлекает микроглию.

Кроме того, тирозин-киназа Lyn детектирует нейрональную H₂O₂ и запускает хемотаксис микроглии через F-актин [204]. Каким образом Lyn обнаруживает H₂O₂, остается неясным, однако этот механизм может включать инактивацию H₂O₂-связанной фосфатазы [15,16]. Процесс воспаления может усиливаться благодаря цитокинам и активности микроглии, поддерживающей перекисное окисление липидов (ПОЛ) [205,206]. Хотя микроглия необходима для нормального функционирования и развития мозга, нарушение ее активности может провоцировать окислительный стресс [206]. Например, при БА микроглия способствует нейродегенерации, избыточно активируя прунинг синапсов [207,208]. Требует ли избыточный прунинг запуска окислительного стресса — неизвестно. Возможно, метаболиты ПОЛ (например, 4-гидроксиноненаль) [209] привлекают микроглию путем модификации цистеиновых остатков белков через реакцию Михаэля [210,211].

10. Металлы с переходной валентностью

Редокс-активные металлы с переходной валентностью (такие как Fe 2+ и Cu + ) присутствуют в головном мозге в значительных количествах [17,18]. Относительный избыток подобных металлов выражается в том, что их концентрация в 10000 раз превышает содержание нейромедиаторов [212,213]. Одна только концентрация связанного Fe 2+ может достигать уровня миллимолей. Большой биохимический потенциал Fe 2+ и Cu + используется для катализирования химических реакций. Например, Fe 2+ может связываться с электронно-плотными группами O и N органических молекул [214]. Соответственно, ионы Fe 2+ (и Fe 3+ ) необходимы для обеспечения каталитической активности ряда ферментов, например: аконитазы, фумаразы и цитохромов P450 [214]. Кроме того, Fe 2+ принимают участие в синтезе миелина [215,216] в качестве кофактора ферментов, осуществляющих синтез липидов de novo [215,216]. Нейроны также содержат малосвязанный пул Fe, называемый лабильным пулом железа (ЛПЖ), который поддерживается поступлением с пищей и в большинстве тканей составляет около 20 мкм [167,217].

20 мин ввиду хорошей кинетики реакции (k

Особенно интересно то, что Fe 2+ управляет реализацией ферроптоза — относительно недавно открытой формы клеточной смерти, зависимой от Fe 2+ и ПОЛ [88,167]. Fe 2+ запускает ферроптоз, катализируя реакцию образования пероксил- и алоксил-радикалов из ROOH. Кинетически эти реакции протекают легче (k

1,3 × 10 3 M-1 s-1), чем реакция Фентона (k

11. Высокое содержание ПНЖК

Головной мозг является большим депо омега-3 ПНЖК (полиненасыщенных жирных кислот) [240], особенно докозагексаеновой кислоты (ДГК). Учитывая энергетические потребности мозга, можно ожидать, что нейроны будут заниматься окислением жирных кислот для получения АТФ, особенное учитывая его большие концентрации: 106 АТФ на одну молекулу пальмитиновой кислоты, 32 АТФ на одну молекулу глюкозы [241], и только 14–17 АТФ на молекулу лактата [3]. Однако скорость бета-окисления в мозге существенно ниже [241] по сравнению с другими метаболически активными тканями (например, скелетной мускулатурой [242]). Возможно, в свете низкой активности каталазы [163] становится выгодным ограничивать использование кислорода на окисление пальмитиновой кислоты (ее окисление требует на 15 % больше O₂), и таким образом снизить синтез H₂O₂ в пероксисомах [243,244]. Подобный отказ от окисления липидов для получения АТФ может быть обусловлен использованием липидных пероксидов в качестве сигнальных молекул [19]. Например, ДГК может быть превращена в резольвины, обладающие противовоспалительными эффектами [245]. Кроме этого, жирные кислоты и холестерин востребованы для синтеза миелина. Важность последнего для мозга подчеркивается тем, что он содержит около 20 % всего холестерина организма [19].

Для наглядности были опущены некоторые этапы (например, перестройки углеродных радикалов).

Холестерин может аутоокисляться свободными радикалами или же через нерадикальные механизмы [246]. Высокое содержание липидов с ПНЖК определяет высокий риск развития окислительного стресса, так как ПНЖК очень чувствительны к ПОЛ — это может оказаться биологической расплатой за использование липидных пероксидов в качестве сигнальных молекул [89]. Перекисное окисление липидов (подробнее рассмотрено в [43,247–250]) включает начальную генерацию углеродного радикала, после чего может следовать реакция присоединения или отщепления при участии АФК достаточной активности (например, • OH) по метиленовой группе. К слову, наличие •OH может быть необязательным для инициации процессов ПОЛ, в качестве запускающего фактора могут выступать гипервалентные формы железа (например Fe IV =O) [222].

Такой феномен как ферроптоз [90, 252] объясняет, почему делеция по гену GPX4 приводит к гибели эмбрионов [253,254], так как GPX4, нейтрализуя ROOH, выступает в роли важного регулятора ферроптоза [223,255] — наличие и отсутствие активности GPX будет, соответственно, останавливать или запускать ферроптоз [256]. Низкие концентрации GSH повышают уязвимость нейронов к ферроптозу, что подтверждается гибелью нейронов при условном «выключении» GPX4 [257–259]. Это согласуется с вкладом ПОЛ в патогенез нейродегенеративных заболеваний (например, БА [209,211]).

12. Мозг использует NOS и NOX для передачи сигналов

Вторая группа ферментов, изоформы NOX, используют простетические редокс группы для окисления НАДФH и восстановления O₂ до O₂ •- [22,23]. Наличие изоформ NOX важно для мозга (подробнее в [266]), например для ДВП и работы микроглии [24].

13. Окисление РНК

Окисление РНК редко рассматривается как причина повышенной чувствительности мозга к окислительному стрессу [268]. Кроме основной матричной РНК мозг в значительной мере полагается на некодирующую РНК, особенно на длинные некодирующие РНК и микроРНК (подробнее в [269–271]). С биохимической точки зрения РНК также уязвима для окисления и подвергается аналогичным реакциям, что и ДНК [272]. Например, 8-оксогуанин является результатом окисления как РНК, так и ДНК [273]. Но ввиду своей одноцепочечной структуры РНК уязвима не только к окислению, но и к алкилированию [274] по местам образования водородных связей. Кроме того, РНК лишена защитного эффекта гистонов, а также не компарментализована (ДНК находится за ядерной мембраной), например, при нахождении в аксонах и синапсах. Хотя для функционирования синапсов очень важен локальный синтез белка [275,276], пока не изучено, будет ли окисление РНК как-то нарушать этот процесс.

Окисление РНК приводит к появлению ошибок в ее коде, что, в свою очередь, останавливает синтез белка на рибосомах [277], и при отсутствии вмешательства систем репарации могут образовываться неполные, мутантные или неправильно сложенные белки [278]. Близкое расположение мРНК к митохондриям и временная динамика окисления РНК (секунды) по сравнению с с трансляцией (часы) делают окисление РНК высоко вероятным, особенно в нейронах, где присутствуют металлы с переходной валентностью, способные участвовать в реакции Фентона [279–281].

Подход в рассмотрении окисления мРНК как причины окислительного стресса, связанного с нейродегенерацией, подтвеждается наблюдением, что окисленная мРНК Cu,Zn-СОД является ранним доклиническим признаком БАС [282].

Согласно ряду отличных обзоров [268,272], необходима дальнейшая работа для понимания распознавания, оборота и восстановления окисленной РНК [283]. Только с лучшим пониманием каждого из этих процессов можно будет оценить чувствительность нейронов, так как концентрация окисленной РНК является функцией от процессов ее образования и элиминации по времени.

Перспективы

Авторы хотят предложить всеохватывающий подход для выяснения причин, почему редокс-сигналинг приводит к развитию окислительного стресса в головном мозге. Конечной расплатой за использование редокс-сигналинга является неотъемлемая уязвимость головного мозга к окислительному стрессу в случаях, когда сигналы идут не так, как им следует, что, кажется, как раз и происходит при заболеваниях. Некоторые нейрофизиологи могли бы отрицать центральное значение нейрональной активности в этом вопросе. Но учитывая то, как митохондрия синтезирует O₂ •- /H₂O₂ [68], активность нейронов должна опосредованно регулировать митохондриальный синтез O₂ •- /H₂O₂. В активном синапсе потребности АТФ, если они могут быть обеспечены, должны снижать суммарный синтез O₂ •- /H₂O₂ в митохондриях. В это же время в неактивном синапсе низкие потребности в АТФ и ослабленная работы цепи переноса электронов должны благоприятствовать синтезу O₂ •- /H₂O₂, что потенциально ставит митохондриальные O₂ •- /H₂O₂ на роль своеобразных часовых синаптической активности. Если это так, то можно объяснить, каким образом высвобождение митохондриального O₂ •- /H₂O₂ в условиях неактивности синапса запускает долговременную депотенциацию (ДВДП) и даже синаптический прунинг — особенно, если постоянно используется один и тот же путь передачи сигнала [284].

Митохондриальный апоптоз управляет ДВДП и прунингом [285–287]. Активность митохондрий, связанная с высвобождением O₂ •- /H₂O₂, может провоцировать локальный сублетальный внутренний апоптоз и вызывать ДВДП и прунинг синапсов. Возможно, такой редокс-управляемый апоптоз является механизмом регуляции прунинга в развивающемся мозге — важного этапа, предшествующего формированию сложного коннектома, а также обязательного условия для коррекции нервных связей во взрослом возрасте [284]. Расположение митохондрий в синаптических окончаниях повышает риск потери синапсов. В случаях, когда митохондрии не могут обеспечить потребности в АТФ или же в условиях дефицита кислорода происходит высвобождение O₂ •- /H₂O₂, которые могут воспроизводить сигнал прунинга и вызывать нежелательное сокращение числа синапсов.

Имеется биологический прецедент: нежелательная реактивация сигналов прунинга, которые в норме действуют на этапах развития, способствует утрате синапсов при БА [207]. В биохимически оправданных 13 причинах уязвимости мозга к окислительному стрессу авторы умышленно приняли глобальную точку зрения, фокусируясь на «нейронах» как коллективе, работающем над общей задачей. Существуют параллели между общепринятыми терминами нейронов и активных форм кислорода [20]. Активные формы подразумевает химически гетерогенную совокупность соединений, которые могут на порядки различаться по скорости реакций с отдельно взятым субстратом (например, с гуанином • OH реагирует по мере диффузии, в то время как O₂ •- оставляет гуанин нетронутым ввиду низкой реактивности).

Аналогично активным формам кислорода, нейроны имеют гетерогенную природу, которая не укладывается в широкие определения, так как они могут сильно различаться по множеству ключевых параметров, включая функцию, расположение, связи, миелинизацию и длину аксона. Разнообразие нейронов определяет и различную чувствительность к окислительному стрессу как в пределах нейрона (т. е. тело или синапс), компартмента (т. е. синаптическая митохондрия или синаптическая мембрана), так и между нейрональным популяциями.

Дофаминергические нейроны pars compacta черной субстанции имеют разную чувствительность: они испытывают фоновый (то есть без дополнительных колебаний гомеостаза) окислительный стресс, так как их автономная пейсмекерная активность контролируется кальциевыми каналами L-типа, определяющими митохондриальный уровень O2•-/H2O2 [288]. При таком балансировании на грани окислительного стресса даже малейший неожиданный сдвиг во внутриклеточной редокс среде, возможно, связанный с метаболизмом дофамина [160], будет достаточным для того, чтобы привести к гибели.

«Прошлое» нейрона также влияет на его чувствительность к редокс-стрессу, и это усложняет ситуацию. Например, синаптическая активность, связанная сублетальными изменииями в редокс-статусе, определяет адаптивную координированную нейроглиальную реакцию, способствующую повышению внутриклеточного содержания GSH (подробнее в [81]).

В нашем примере адаптированный нейрон способен лучше нейтрализовывать ксенобиотики и препятствовать росту содержания ROO • и окисленных липидов, необходимых для осуществления ферроптоза [89]. Для предостережения стоит сказать, что адаптация требует частой стимуляции, так как концентрация GSH зависит от транскрипции на многих уровнях. В качестве интересной параллели можно привести аксиому физиологии упражнений «используй или потеряй»: при постоянной активности возникает комплекс адаптивных реакций к редокс-стрессу, однако при неактивности сопротивляемость прогрессивно снижается.

С трансляционной (трансляции в смысле переноса опыта доклинических исследований в клинические — прим. перев.) точки зрения высокая сложность редокс-гомеостаза нервных клеток помогает объяснять неуспешность попыток использования пищевых антиоксидантов для лечения нейродегенеративных заболеваний [289]. Кроме проблемы биодоступности, их неудача связана еще с кинетическими и пространственными ограничениями (подробнее в [181,290–293]). Вероятность существования соединения, обладающего достаточной биохимической универсальностью, чтобы одновременно и значительно влиять на каждый из обсуждаемых факторов, крайне мала. Прежде всего, неудачи пищевых антиоксидантов неотъемлемо связаны с их биохимическими ограничениями, однако этого недостаточно для отрицания причинной роли окислительного стресса. Многое в редокс-гомеостазе в норме и патологии головного мозга остается непонятным. Рациональная терапия нейродегенеративных заболеваний, направленная на процессы окисления-восстановления, может быть разработана только тогда, когда фундаментальные исследования раскроют новые детали механизмов регуляции редокс-гомеостаза.

Заключение

Источник