Влияние распределения глициновых рецепторов в постсинаптической мембране нейронов на градиенты концентрации ионов хлора

Глицин является хорошо известным нейромедиатором в центральной нервной системе. В основе тормозного эффекта данной аминокислоты лежит активация специфического глицинового рецептора (GlyR), представляющего собой лиганд-зависимый хлорный канал на поверхности мембраны нейрона. Известно, что изменение числа рецепторов на мембране нейронов является важным аспектом нейропластичности. Однако роль пространственного расположения рецепторов на поверхности мембраны до конца не выяснена. Целью данной работы являлась оценка влияния относительного расположения GlyR на постинаптической мембране на формирование пространственных градиентов ионов хлора в окончании нейрона. Для достижения поставленной цели в работе проводилось компьютерное моделирование нестационарных градиентов концентрации хлора, возникающих вблизи постсинаптической мембраны глицинергического синапса после открытия каналов глициновых рецепторов. Для моделирования постсинаптического окончания нейрона человека использовался виртуальный масштабированный фантом. Показано, что преимущественная локализация GlyR в центральной части постсинаптической мембраны приводит к появлению устойчивой во времени области повышенной концентрации ионов хлора по сравнению с синапсами со стохастическим или периферическим распределением рецепторов. Пространственное расположение рецепторов на постсинаптической мембране наряду с их количеством определяет амплитуду локального изменения концентрации ионов в нейроне.

Введение

Глицин является широко известным тормозным нейромедиатором в центральной нервной системе [1], в основе действия которого лежит активация гетеропентамерных лиганд-зависимых хлорных каналов, расположенных на поверхности мембраны нейронов [2]. Это вызывает распространение волны гиперполяризации, что наряду с активацией ГАМКергических рецепторов запускает процесс торможения в нейронах человека. Примечательно, что при рассмотрении процессов ионного транспорта через возбудимые мембраны основное внимание уделяется изменению мембранного потенциала. В то же время индуцированные трансмембранные токи приводят к изменению концентрации ионов в нейроплазме, что может в конечном итоге реализовываться в виде как осмотических (в случае одновалентных ионов), так и регуляторных (в случае двухвалентных катионов) эффектов. Более того, повышение/понижение уровня концентрации Na+, K+, Cl- обычно принято считать гомогенным и незначительным. В данной работе показано, что при условии преимущественной локализации рецепторов в центральной части постсинаптического окончания нейрона при их активации удается выявить значительную флуктуацию концентрации ионов.

Материал и методы

Для построения виртуального фантома постсинаптического окончания (рис. 1А) использовались экспериментальные данные о геометрии и размерах синапса [3, 4]. Методика построения фантома для последующих расчетов диффузии метаболитов подробно описана ранее [5–7]. На основании экспериментальных данных была создана в...

Я.Р. Нарциссов, С.Е. Бороновский, Е.В. Машковцева, В.С. Копылова