Особенности синтеза белка в нейронах

Хорошо известно, что необходимыми метаболитами для биосинтеза белков в клетке являются аминокислоты (АК), АТР, аминоацил-тРНКсинтетазы (APC) и тРНК. Активирование AK осуществляется в два этапа: сначала на APC в присутствии ATP происходит активирование АК: AK + ATP-APC ⇔ AK-AMP-APC + PPi, где AK-AMP — аминоациладенилат (он остается в комплексе с АРС), PPi — пирофосфат; затем происходит акцептирование AK молекулой тРНК: AK-AMP + тРНК ⇔ AK- тРНК, где АК-тРНК — аминоацил-тРНК. На этом этапе AK присоединяется к 2′- или 3′-гидроксильной группе рибозы на 3′-конце молекулы тРНК. Для биосинтеза белка из активированных аминокислот необходимо участие мРНК, рибосомы и аминоацил-тРНК. Синтез белка в нейронах центральной нервной системы должен незамедлительно реагировать на любые изменения гомеостаза снижением или увеличением интенсивности синтеза белка (по единственному принципу — выживает тот, кто быстрее получит информацию, обработает ее и адекватно на нее прореагирует). В процессе эволюционного развития нейронов мозга для синтеза белка в нейронах были созданы особые условия и сняты все ограничения, используемые в биохимических реакциях метаболизма живой материи. Синтез белка в нейронах является основным преобразователем всех эндогенных и экзогенных информационных потоков, и от надежности этого процесса зависит не только судьба индивида, но существование и процветание популяции в целом. AK являются для нервной ткани источником синтеза большого числа биологически важных соединений, таких как специфические белки, пептиды, нейромедиаторы, гормоны, витамины, биологически активные амины и др. Интенсивность биохимических реакций контролируется и ограничивается количеством каждого из субстратов, принимающих участие в реакции. Для белка единственным и самым важным расходным субстратом является АК, и природа позаботилась о том, чтобы активность важного информационного преобразователя не зависела от ограничения AK при продолжительном интенсивном белковом синтезе.

Постоянство качественного и количественного состава АК, APC и ATP в метаболических фондах мозга обеспечивается такими взаимосвязанными процессами, как поступление этих метаболитов из циркулирующей крови, отток их из мозга в кровь и участие в реакциях внутриклеточного метаболизма. В центральной нервной системе организма все эти процессы сбалансированы слаженным функционированием гомеостатических механизмов, гематоэнцефалическим барьером и мембранным транспортом AK. Важную роль в поддержании стабильности высоких концентраций метаболитов синтеза белка играет гибель «фуражных» нефункциональных нейронов от апоптоза. Ежедневно головной мозг теряет около 5 000 000 нейронов из исходного пула в 100 млрд. При этом гибнут нейроны, не имеющие функциональной нагрузки. В процессе гибели клеток происходит экспонирование на их поверхность разнообразных молекул (cell-death associated molecules (CDAM)). От сочетания экспонированных CDAM зависит, будет ли ответ организма специфическим или неспецифическим иммунным. Показано, что в условиях апоптоза в межклеточное пространство так же секретируются аминокислоты и АРСазы. При этом некоторые АРСазы начинают выполнять неканонические функции и обеспечивают своевременную ликвидацию продуктов апоптоза. Состав пула свободных AK мозга при нормальных физиологических условиях достаточно стабилен. AK фонд мозга человека составляет в среднем 34 мкмоль на 1 г ткани, что значительно превышает их содержание, как в плазме крови, так и в спинномозговой жидкости. Изучение конкурентных отношений в транспорте AK выявило наличие в нейронах восьми типов мембранотранспортных систем, имеющих ряд особенностей:

• перенос AK часто происходит против высоких концентрационных градиентов;

• этот процесс энергозависим;

• на него влияют температура и pH среды;

• он ингибируется анаэробным состоянием клеток;

• перенос AK связан с активным мембранным транспортом ионов, например он Ма+-зависим;

• обнаружено конкурентное торможение мембранного транспорта одних AK другими.

Эксперименты показывают, что процесс синтеза белка идет с освобождением большого количества свободной энергии. Из анализа энергетического баланса выше представленных реакций видно, что обе реакции сами по себе не дают выигрыша свободной энергии (гидролиз в стандартных условиях) и, следовательно, эти реакции не должны протекать с большим сдвигом в сторону синтеза. Если в естественных условиях PPi гидролизуется пирофосфатазой до ортофосфата в параллельной реакции, то общий энергетический баланс составит n*60 кДж на 1 моль белка: nPPi + nН2О → 2nP * n*30 кДж/моль.

Недавние исследования по протеомному составу мозга умерших людей с БA и здоровых людей выявило 827 уникальных белков. Среди этих белков 227 были найдены у 9 из 10 пациентов с БA. Из этих 227 белков 69 отличались по уровню по сравнению со здоровым мозгом: уровень 37 белков был увеличен, а 32 — уменьшен значительно. Из этих 69 белков 46 ранее были уже упомянуты в работах по протеомному и иммуногистохимическому изучению как связанные с БA. 23 белка из 69 пока никак не упоминались в качестве связанных с БA. Среди белков с увеличенным уровнем при BA оказались белки, связанные с энергетическим метаболизмом мозга, такие как: аспартатаминотрансферазы, альдегид дегидрогеназы, 6-фосфоглюконатдегидрогеназы, транскетолазы, глутатион S-трансферазы Р, карбоангидразы 2, α-енолаза, малат-дегидрогеназа и сывороточный альбумин.