Временнáя структура биосистем и биологическое время - Марина Чернышева

По определению (Алпатов, 2000), осциллятор как генератор одного из типов временных процессов, ритма, представляет собой «колебательную систему, самостоятельно поддерживающую эндогенный ритм благодаря замкнутой внутренней короткой петле обратной связи». В многочисленных исследованиях, посвященных клеточно-молекулярным циркадианным осцилляторам у представителей всех царств про- и эукариот, была показана важность временной задержки в реализации обратной связи генератора ритма для сохранения точности последнего и возможности его адаптации к изменившимся условиям окружающей среды. У прокариот возникают генераторы околосуточных ритмов, которые используют энергию окислительно-восстановительных процессов или реакций дефосфорилирования / фосфорилирования. Эукариоты, наряду с ними, используют транскрипционно-трансляционные петли обратных связей, вовлекая ядерные процессы в формирование циркадианных ритмов.

Сегодня наши знания о строении и функциях клетки позволяют говорить о значительном разнообразии типов временных процессов, их клеточных генераторов и чрезвычайной сложности временной структуры клетки в целом. Рассмотрим в этом аспекте некоторые свойства генераторов клеточных мембран, цитоплазмы и ядра.

3.1. Мембранные генераторы временных процессов

Все известные функциональные молекулярные модули клеточных мембран, осуществляющих взаимодействие клетки с окружающей средой (в плазмалемме) или цитоплазмы с органеллами (в мембранах вакуолей, эндоплазматического ретикулума и т. д.), можно условно разделить на две группы.

К первой отнесем постоянно работающие в ультрадианном ритме АТФазы и пейсмекерные ионные калиевые каналы, активируемые цАМФ и гиперполяризацией мембраны (Hyperpolarization-activated Сyclic Nucleotide-gated channel, HCN). Ко второй – генераторы монофазных временных процессов, которые представлены ионными каналами, рецепторами, транспортерами, системами симпорта и антипорта клеточных мембран, в совокупности определяющих уровень активности клетки и/или ее компартментов. Охарактеризуем вклад этих групп молекулярных комплексов мембран в поддержание и модуляцию временной структуры клетки.

Известно, что Na+,K+-АТФаза плазмалеммы клеток возбудимых тканей как осциллятор в покое поддерживает асимметрию ионов по обе стороны мембраны в постоянном временном режиме. Однако при генерации потенциала действия в связи с увеличением концентрации Na+ в клетке, а К+ вне ее помпа переходит на ускоренный перенос ионов, способствуя скорейшему восстановлению исходной асимметрии Na+ и K+ по обе стороны мембраны. С помпой в мембране сопряжены Na+/Ca2+ обменники, регулирующие выход ионов кальция из клетки (Sibarov et al., 2012), а также транспортеры аминокислот, которые усиливают их трансмембранный перенос, что дополняет увеличение входа аминокислот, глюкозы и кислорода через пору помпы при ее активации. Это обеспечивает усиление метаболизма, синтеза АТФ и белков. Известная вариабельность изоформ α2 субъединицы Na+-K+-АТФазы и широкий круг ее функций (Кривой, 2012) обусловливает значение помпы для запуска многих внутриклеточных временных процессов, сохранения временной структуры клетки как биосистемы и обмена с внеклеточным пространством веществом, энергией, информацией и временем. Cопряженно с импульсной активностью нейронов СХЯ, получающих синаптические входы от сетчатки, активность Na+-K+-АТФазы их мембран усиливается днем и существенно снижается ночью (Wang et al., 2004). Cледовательно, активность помпы по сути отражает один из механизмов взаимосвязи импульсного информационно-временного кода на уровне мембраны с внутриклеточными процессами обмена веществ и энергии. Это функциональное сопряжение подтверждает, в частности, регуляция активности АТФ-чувствительных калиевых каналов в плазмалемме клеток поперечно-полосатых и гладких мышц, а также кардиомиоцитов (Flagg et al., 2010).

Обладающие разной чувствительностью к концентрации внутриклеточной цАМФ и изменениям мембранного потенциала в сторону гипер- или деполяризации HCN 1–4 типов широко представлены в мембранах клеток тканевых мышечных водителей ритма синоатриального узла сердца и клетках Кахаля в стенке пищеварительного тракта (Biel et al., 2009; Larsson et al., 2010; Liao et al., 2010), тропоцитах аденогипофиза млекопитающих (Kretchmannova et al., 2012) и пинеалоцитах эпифиза, а также в ГАМК-эргических нейронах бледного шара (Globus Pallidus) головного мозга, связанных с регуляцией двигательной активности (Chen et al., 2004). Регуляторами некоторых подтипов HCN каналов, помимо гиперполяризации мембраны и цАМФ, являются изменения трансмембранного градиента рН (показателя свободной энергии Гиббса) (Zong et al., 2001; и др.). Показано, что в нейронах-осмодетекторах супраоптического ядра гипоталамуса в мембране присутствуют HCN2, чувствительные к увеличению их объема и растяжению плазмалеммы в гипоосмотической среде (Calloe, et al., 2005; Liu, et al., 2005). Иными словами, HCN2 чувствительны к изменениям такого интегрального показателя метаболизма как осмотическое давление жидкостных сред. Описаны воздействия на активность HCN локальной температуры, отражающей уровень энергии, диссипатирующей в тепловую при процессинге информации и метаболизме. Заметим, что выключение воспринимаемой транссинаптически информации от тепловых рецепторов кожи или термочувствительных нейронов спинного мозга делает недостаточным влияние гиперполяризации и цАМФ на активацию НСN-осцилляторов в нейронах таламуса (Wechselberger et al., 2006), что свидетельствует в пользу гипотезы об информационно-энергетической природе эндогенного времени (Чернышева, Ноздрачев, 2006). В своей осцилляторной активности HCN может взаимодействовать с быстрыми кальциевыми каналами (Т-типа) клеточной мембраны, определяя частоту, скорость, паттерн разряда нейронов (Engbers et al., 2011).

Свойства HCN каналов позволяют нейрону оценивать длительность интервала между первым и «спонтанным» спайками (как двумя последовательными «событиями» на мембране). Темпоральные параметры интервала в значительной степени зависят от регулируемых характеристик: длительности гиперполяризационной фазы предыдущего спайка, скорости нарастания гиперполяризации до величины мембранного потенциала, пороговой для открывания поры HCN канала, а также от времени достижения (благодаря активности HCN) потенциалом мембраны критического уровня деполяризации, пороговой для потенциал-зависимых быстрых ионных каналов, обусловливающих генез второго спонтанного спайка. В совокупности эти процессы определяют и его латентный период, рассматриваемый как параметр, сопряженный со временем поступления информации о воздействии (Foffani et al., 2008) или ее анализа (Радченко, 2002). Вместе с тем, собственно темпоральные параметры изменения мембранного потенциала в связи с активностью НCN имеют информативный смысл. Способность осцилляторного HCN канала к генерации разрядов «спонтанных» потенциалов действия обусловливает их существенную роль в обеспечении ряда базисных функций нервной системы. Известно, что HCN играют ключевую роль в поддержании (гомеостатировании) потенциала покоя клеточной мембраны (Azene et al., 2003). Например, в нейронах ядер мозжечка возникающий после глубокой следовой гиперполяризации высокочастотный разряд спайков на волне деполяризации обеспечивается аддитивно током быстрых кальциевых Т-каналов (IT) и выпрямляющим более медленным током IH через калиевые HCN. При этом временные параметры IH определяют скорость закрывания кальциевого Т-канала и возврата к потенциалу покоя мембраны (Engbers et al., 2011). Подобные периодически повторяющиеся высокочастотные разряды, генерируемые в так называемых «командных» нейронах и нейронах, секретирующих нейропептиды, важны не только для аксонального транспорта и выделения нейропептида (медиатора и/или гормона), но и для поддержания определенного, относительно постоянного, уровня возбудимости нейрона и нервного центра, на фоне которого облегчается выделение информативно значимого сигнала (Foffani et al., 2009). Возможно, этот же тип каналов характерен для «клеток времени», описанных в поле СА1 гиппокампа (MacDonald et al., 2013; Kraus et al., 2013), на что указывает распространенность НСN в дендритах и аксонах пирамидных нейронов и ГАМК-эргических интернейронов гиппокампа, а также участие HCN в регуляции длительности ВПСП и ТПСП и в поддержании θ-ритма (Gastrein et al., 2011).

Показано, что HCN2, HCN3 и HCN4, локализованные в перехватах Ранвье миелинизированных сенсорных и моторных нервных волокон, различаются по чувствительности к уровню гиперполяризации и цАМФ, обусловливая более низкий порог генерации спайка в сенсорных (Howells et al., 2012) и, в итоге, способствуя различению информации сенсорной, поступающей от рецепторов, и эффекторной. Вместе с тем, способность HCN к генерации периодических разрядов спайков можно расценить как один из факторов формирования и поддержания реперной или уставной точки (set point) эндогенного времени (Чернышева, 2008б) (см главу IV).