Ацетилхолин «вывели на чистую воду»

18 апреля 2020

Ученые Института химии растворов РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН смоделировали какую роль может играть вода в биологической активности ацетилхолина – первого открытого нейромедиатора. Результаты исследования опубликованы в Journal of Molecular Liquids.

Человеческий мозг состоит из сотни миллиардов нейронов, каждый из которых взаимодействует с тысячами себе подобных. Всего таких связей порядка триллиона. Благодаря им мы размышляем и учимся, радуемся и грустим, двигаемся и засыпаем. Общение нервных клеток между собой обеспечивают посредники – нейромедиаторы (нейротрансмиттеры). Через специальные узлы связи – синапсы – они передают нервные импульсы от нейрона к нейрону. И если эти «курьеры» по каким-то причинам теряют свою активность, человек это сразу чувствует. Известно, в частности, что сбои в работе ацетилхолина – нейромедиатора, участвующего в передаче нервного возбуждения в центральной и периферийной нервной системе (его еще называют молекулой памяти), – могут привести к развитию болезни Альцгеймера. Если наука ответит на вопросы, почему этот нейротрансмиттер порой теряет рабочую форму и как заставить его выполнять свои функции, будет найден ключ к управлению его поведением, а значит, и контролю над развитием нейродегенеративных заболеваний.

Группа учёных из Института химии растворов РАН совместно с коллегами из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН нашла новые возможности для изучения структурного окружения ацетилхолина в воде. Для этого они использовали методы статистической механики.

Какаую роль играет вода в биологической активности нейромедиаторов? Дело в том, что действовать эти «агенты» начинают после того, как они свяжутся с клеточными мишенями – рецепторами. Однако прежде, чем это произойдет, нейротрансмиттеры проникают в синаптическую щель – заполненное водой пространство в составе синапса. Там они взаимодействуют с молекулами воды, то есть вступают в процесс гидратации, в результате чего, могут менять свою пространственную структуру. Это, предположительно, влияет на их биологическую активность. В недавних работах канадских ученых высказывается мнение, что гидратация воздействует на быстрый метаболизм нейротрансмиттеров в синаптической щели и их обратный захват нервными окончаниями.

Однако до сих пор гидратация нейротрансмиттеров была мало изучена, не было представлено расчетов, доказывающих ее воздействие на поведение ацетилхолина. Российские исследователи впервые исследовали гидратное окружение различных конформеров нейромедиатора памяти в воде и показали, что различие в их гидратации определяется их пространственной конфигурацией. Нейромедиатор, как и большинство биомолекул, не имеет застывшей формы. В зависимости от того, какую конформацию он принимает, меняются и его возможности. Так молекула ацетилхолина может быть «развернутой» — в такой форме она легко проникает в область мембраны и связывается с передающим импульсы мускариновым рецептором, и «свернутой», способной проникнуть только к внеклеточному сайту связывания никотинового рецептора без взаимодействия с самой мембраной. До исследования ученых из ИХР РАН и ИТЭБ РАН было неизвестно, почему нейромедиатор подходит к рецепторам в том или ином виде. Его результаты показали, что основную роль в его трансформации как раз и играет гидратация – взаимодействие нейромедиатора с молекулами воды.

«Вы можете бежать навстречу другому человеку с распростертыми руками или сжав кулаки. Естественно, результат встречи будет разный, в зависимости от вашей «конформации». Однако ваше поведение и состояние будет сильно различаться от того, где вы встречаетесь в толпе или в лесу. С гидратацией аналогично, она может не дать широко раздвинуть руки», — поясняет один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории возбудимых сред Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Геннадий Чуев.

Ученые считают, что полученные результаты помогают понять молекулярные механизмы связывания нейротрансмиттеров с рецепторами на мембране и, в конечном счете, дадут возможность выявить пути управления этим процессом.

Текст: ИТЭБ РАН

Marina V.Fedotova, Sergey E.Kruchinin, Gennady N.Chuev Hydration features of the neurotransmitter acetylcholine. Journal of Molecular Liquids. Volume 304, 15 April 2020,

https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112757