АТФ: не тільки енергія

Що ховається за літерами АТФ, знають багато, і не тільки біологи або медики. АТФ - це аденозинтрифосфорная кислота, універсальний акумулятор енергії в усіх рослинних і тваринних клітинах. Молекула її складається з азотистої основи аденіну, вуглеводу рибози і трьох залишків фосфорної кислоти:

Зв'язки між фосфатними угрупуваннями в молекулі АТФ легко розриваються з виділенням великої кількості енергії - близько 7 ккал / моль (при гідролізі фосфорноефірних зв'язків в інших з'єднаннях енергії виділяється набагато менше - зазвичай 2-3 ккал / моль). Аденозинтрифосфорная кислота при цьому переходить спочатку в аденозіндіфосфорная (АДФ), а якщо гідроліз триває, то і в аденозинмонофосфорной (АМФ). Виділяється енергія використовується на потреби клітини: на активне перенесення хімічних речовин через мембрани, синтез органічних сполук, скорочення м'язового волокна і т. Д. Таким чином, АТФ займає ключову позицію в енергетичному обміні клітини. Про це пишеться і в підручниках біології, і в солідних наукових монографіях. Однак не так давно стало відомо, що АТФ виконує в організмі ще одну, дещо несподівану функцію.

ВІДКРИТТЯ

Сигнали, що регулюють роботу всіх тканин і органів, являють собою електричні імпульси, які поширюються по нервових волокнах. Але в місці контакту між нервовою клітиною і клітиною-мішенню (наприклад, м'язовим волокном) відбувається зміна способу передачі інформації - з електричного на хімічний. Справа в тому, що між нервовим закінченням і мембраною клітини-мішені залишається проміжок - так звана синаптична щілину шириною від 10 до 100 нм, яку електричний імпульс подолати не може. У нервовому закінченні, в спеціальних численних бульбашках - везикулах, зберігаються певні хімічні речовини - медіатори. Досягнувши нервового закінчення, електричний імпульс викликає виділення деякої кількості медіатора з везикул. Молекули медіатора перетинають синаптичну щілину і з'єднуються з мембраною клітини-мішені - з розташованими на її поверхні білковими молекулами-рецепторами, специфічно пристосованими для взаємодії з молекулами медіатора. В результаті цієї взаємодії клітина змінює свою активність - вона "прийняла сигнал".

Діяльність різних органів і тканин регулюють різні медіатори: ацетилхолін, норадреналін, дофамін, гамма-аміномасляна кислота, гліцин, серотонін та інші. В системі внутрішніх органів основні медіатори - ацетилхолін і норадреналін. Відповідно на зовнішній поверхні клітинних мембран розташовуються різні рецептори: одні взаємодіють тільки з молекулами норадреналіну, інші - тільки з молекулами ацетилхоліну, причому результат в обох випадках буде різним. Ацетилхолін уповільнює частоту серцевих скорочень, збільшує рухову активність м'язів шлунка і кишечника, збуджує секрецію шлункових залоз; норадреналін, а також його найближчий родич адреналін, як правило, надають протилежну дію.

Картина виходила проста і зрозуміла. Якщо потрібно загальмувати, наприклад, діяльність гладких м'язів стінки шлунка, активується група так званих адренергічних нервових закінчень, що виділяють норадреналін; якщо ж, навпаки, потрібно викликати скорочення цих м'язів, в дію вступають холинергические закінчення, що виділяють ацетилхолін. В інших випадках, наприклад для серцевого м'яза, залежність протилежна - холінергічні нерви пригнічують її скорочення, а адренергические стимулюють. Але принцип залишається єдиним: діяльність внутрішніх органів регулюють дві системи нервових волокон, причому якщо одна збуджує функцію органу, то інша гальмує.

Однак на ділі все виявилося складніше. Згодом стали накопичуватися відомості, що внутрішні органи мають ще якусь, поки невідому власну систему нервової регуляції.

Існують, наприклад, хімічні препарати, здатні блокувати дію тих чи інших медіаторів, які при цьому втрачають здатність реагувати з рецепторами і впливати на діяльність клітини-мішені. І ось в 1966 р доктор Г. Кемпбелл, який працював на той час в Оксфордському університеті, виявив, що, навіть якщо повністю заблокувати адренергическую передачу за допомогою препарату орнида, переважної виділення норадреналіну з нервових закінчень, нервова система все одно зберігає здатність гальмувати скорочення м'язів шлунка. Звідси був зроблений висновок, що існує ще якийсь, поки невідомий медіатор, який і викликає таке гальмування. Почалися пошуки цього медіатора. Потрапили під підозру і були піддані суворої і ретельній перевірці багато сполук: серотонін, гістамін, простагландини, енкефаліни, циклічна АМФ, амінокислоти, поліпептиди. І виявилося, що виявлений ефект викликає ... давно відома АТФ. Це довели на початку 70-х років англійський фізіолог Дж. Бернсток і його співробітники, які встановили, що саме АТФ виділяється з нервових закінчень, що не відносяться ні до адренергічних, ні до холинергическим. Подібний тип синаптичної передачі, названий пуринергічні (оскільки аденін відноситься до числа пуринових підстав), був виявлений спочатку в шлунку і кишечнику, а потім і в інших органах і тканинах.

ДОКАЗИ

З упевненістю довести, що та чи інша фізіологічно активна речовина виконує функцію саме медіатора, - завдання нелегке. Для цього потрібно продемонструвати, що випробувані речовина відповідає багатьом абсолютно певним вимогам.

Перше. Деякі біологічно активні речовини потрапляють в клітини, кров, тканинну рідину ззовні (приклад - багато вітамінів). Зрозуміло, що такі нерегулярно надходять в організм речовини не можуть виконувати функцію медіатора: він повинен синтезуватися в самих клітинах. Цій вимозі АТФ задовольняє цілком: ферментативні системи для складання молекул АТФ є майже у всіх клітинах як рослинного, так і тваринного походження, у тому числі, зрозуміло, і нервових.

Друге. Синтезований в клітці медіатор повинен запасатися в сінаптіче-ських бульбашках - везикулах, звідки він при необхідності буде виділятися. Такі склади, де зберігаються медіатори, були виявлені за допомогою електронної мікроскопії в нервових закінченнях. При цьому бульбашки, що містять різні медіатори, розрізняються за розміром, формою та іншими особливостями, так що досвідчений дослідник вже за зовнішнім виглядом може відрізнити, скажімо, ацетилхолінові везикули від норадреналінових. І коли в нервових закінченнях були знайдені невідомі раніше великі (до 200 НАД в діаметрі, а не менше 150 нм, як зазвичай) бульбашки, виникло природне припущення, що в них міститься якийсь ще невідомі медіатор. Їм і виявилася АТФ, що було доведено за допомогою методу мічених атомів.

Схема синтезу, зберігання, дії і інактивації АТФ

Третє. Як вже говорилося, медіатори виділяються з нервових закінчень при надходженні туди електричних сигналів. Такі сигнали можна імітувати штучно, дратуючи нервову клітину імпульсним струмом. Якщо при цьому в позаклітинному середовищі з'явиться ту чи іншу речовину, якого раніше там не було, то цілком ймовірно, що воно і є агентом синаптичної передачі. АТФ витримує і цей іспит: дані біохімічного аналізу свідчать про те, що електричне роздратування пуринергічні волокон призводить до виділення АТФ з нервових закінчень.

Четверте. Виділяється при передачі інформації медіатор, прореагувавши зі своїми рецепторами, повинен вчасно звільняти місце для нових порцій медіатора - подібно до того, як телеграфіст, передає повідомлення азбукою Морзе, після кожної точки або тире повинен прибирати руку з ключа, розмикаючи ланцюг. Отже, повинні існувати якісь механізми, відповідальні за своєчасне видалення медіатора з місця його дії. Зазвичай це роблять ферменти: вони розщеплюють молекули медіатора, звільняючи рецептори для нового взаємодії. Якщо в місці синаптического контакту є системи ферментативного розщеплення випробуваного речовини, це можна розглядати як ще один аргумент на користь його медиаторной функції.

Ферментів, що розщеплюють АТФ і проміжні продукти її гідролізу, у всіх тканинах внутрішніх органів досить. Ті ж ферменти відповідальні і за інактивацію АТФ, яка виділяється з нервових закінчень. АТФаза розщеплює АТФ до АДФ і далі до АМФ; АМФ під дією 5-нуклеотидази перетворюється в аденозин, який здебільшого всмоктується назад в нервове закінчення і використовується згодом для нового синтезу АТФ, а частково розщеплюється аденозин-дезамінази до неактивного інозину (див. Схему на попередній сторінці).

П'яте. Якщо виділити в чистому вигляді речовина, яке ми вважаємо кандидатом в медіатори, і нанести його на мембрану клітини-мішені, то це повинно викликати ті ж ефекти, що і "природна" синаптична передача. Наприклад, гальмування м'язових скорочень спостерігається як при електричному подразненні холинергических нервів серця, медіатором яких є ацетилхолін, так і при безпосередньому нанесенні ацетилхоліну на м'яз. Так само діє і АТФ: експерименти показали, що ефекти електричної стимуляції пуринергічні нервів і штучного нанесення АТФ на м'язи дуже схожі. Наприклад, гладкі м'язи кишечника в обох випадках розслабляються, причому і тривалість, і швидкість розвитку цієї реакції добре збігаються.

Нарешті, шосте. Для кожного типу медіаторів можна підібрати з'єднання, специфічно впливають на ефективність синаптичної передачі. Одні з них блокують дію медіатора, на тривалий час займаючи рецептори - "посадочні майданчики" для його молекул; інші, навпаки, полегшують його завдання, виводячи з ладу ферментативну систему розщеплення медіатора, причому і той і інший ефект спостерігаються як при електричному подразненні нервових волокон, так і при штучному нанесенні медіатора. АТФ успішно пройшла і цю заключну перевірку.

АТФ І ЕВОЛЮЦІЯ

Тепер можна вважати встановленим, що крім добре відомої ролі АТФ в енергетичному обміні вона виконує і іншу важливу функцію - синаптического медіатора.

Найкраще пуринергічні синапси вивчені на органах шлунково-кишкового тракту. Однак рецептори, специфічно чутливі до АТФ, виявлені і в сечовому міхурі різних тварин, в легких, репродуктивних органах, кровоносних судинах, очних яблуках, головному і спинному мозку.

Є підстави припускати, що існують два види таких рецепторів: одні більш чутливі до самої АТФ, інші - до продукту її розщеплення аденозину. Хімічна природа рецепторів пуринергічні передачі поки неясна, але можливо, що цю роль виконує фермент аденилатциклаза. Встановлено, що пурінорецептори високочутливі не тільки до АТФ, але і до ультрафіолетового випромінювання; причина цього поки мало зрозуміла.

Нервові клітини, медіатором яких служить АТФ, розташовуються в стінках внутрішніх органів. Вони об'єднуються в групи, утворюючи нервові вузли - ганглії. З'єднуючись нервовими тяжами, такі ганглії утворюють суцільну багатоповерхову мережу - власну нервову систему внутрішніх органів. У шлунку і кишечнику, за винятком його самого нижнього відділу, пуринергічні нейрони надають гальмівну дію на гладку мускулатуру. До відкриття системи пуринергічні іннервації вважалося, що цю функцію виконують адренергические нейрони, тепер же їм відводиться лише роль модулятора синаптичної передачі, тобто системи контролю, що змінює в залежності від тих чи інших умов ефект дії на клітини-мішені інших медіаторів.

Яке ж місце АТФ в системі медіаторів? На думку доктора Бернстока, який відкрив медіаторні властивості АТФ, цю функцію АТФ стала виконувати ще на початкових етапах еволюції тваринного світу, задовго до появи інших медіаторів. Передбачається, що це відбувалося в такий спосіб. У примітивних багатоклітинних організмів, які ще не мали сформованої нервової системи, активізація діяльності однієї або декількох клітин у відповідь на дію тих чи інших зовнішніх факторів, природно, супроводжувалася підвищенням інтенсивності обміну речовин. При цьому прискорювалися і розпад, і синтез АТФ, що служила тоді всього лише акумулятором енергії. АТФ потрапляла в міжклітинний простір, впливала на сусідні клітини і змінювала обмін речовин в них. Згодом серед безлічі білкових молекул, що знаходяться на поверхні клітинних мембран, з'явилися білкові рецептори, здатні специфічно взаємодіяти з АТФ: завдяки такій взаємодії клітини отримували інформацію про появу поблизу вогнища активності і могли на це реагувати, змінюючи свій власний обмін речовин. Іншими словами, з появою специфічних рецепторів АТФ і почала виконувати функцію медіатора - хімічного переносника інформації. (На якому саме етапі еволюції багатоклітинних організмів це сталося, ми поки, на жаль, не знаємо.)

Надалі будова тіла багатоклітинних організмів ускладнювалося, відбувалися диференціювання покривних, м'язових і нервових тканин, формування нових органів. Таке удосконалення організації неминуче мало потягти за собою розвиток нервової системи. Для контролю та регуляції все ускладнюються функцій знадобилися нові передавачі інформації - і поступово в нервових клітинах з'являлися ферментативні системи, що синтезують не тільки АТФ, але і адреналін, норадреналін, дофамін, ацетилхолін та інші речовини, що виконують зараз функцію медіаторів.

Є, однак, і інша точка зору на еволюцію медіаторних систем. На думку радянського фізіолога Д. А. Сахарова, утворення різних типів медіаторів відбувалося незалежно в різних клітинних лініях нейронів; а значить, групуючи нейрони по типу хімічної передачі, ми можемо отримати інформацію про ступінь родинних відносин між цими групами. (Ця вельми цікава теорія могла б скласти предмет окремої статті.)

Як насправді відбувався еволюційний процес, ми поки не можемо сказати з повною упевненістю; ця проблема ще потребує подальших всебічних і глибоких досліджень.

Доктор біологічних наук А. Д. Ноздрачев,
кандидат біологічних наук А. В. Янцев
Хімія і Життя №7, 1982 р с. 22-25

Дата публікації:

Читайте також:

27 грудня 2012, 00:33 - Гипонатриемия і рівень зневоднення в ході ультрамарафон
27 грудня 2012, 00:27 - Дослідники виявили новий білок, що збільшує силу і обсяг м'язів
27 грудня 2012, 00:17 - Остерігайтеся «марафонських» фізичних навантажень
27 грудня 2012, 00:09 - Представники ІААФ взяли проби у 32 кенійських спортсменів
25 грудня 2012, 00:38 - 12-річний підліток відіграв 20 метрів фори на стометрівці. Відео.
25 грудня 2012, 00:31 - Ісінбаєва увічнена в бронзі. Фото.
25 грудня 2012, 00:21 - Анна Чичерова: Разом з Власіч шансів побити старий світовий рекорд буде набагато більше
25 грудня 2012, 00:13 - Екс-чемпіонка Європи Наиля Юламанова: Нічого не розумію, але вибору немає
24 грудня 2012, 23:30 - Помер Станіслав Сімоньков - легенда білоруського сверхмарафона
24 грудня 2012, 22:52 - А Ви готові до беговому сезону 2013?
22 грудня 2012, 00:42 - Американська спортсменка підробляла повією по 600 $ за годину
22 грудня 2012, 00:09 - Дарина Пищальникова: прагну захистити свою честь і гідність
21 грудня 2012, 23:56 - Чёгін: У мене є маса питань щодо достовірності та надійності системи біологічних паспортів
21 грудня 2012, 23:42 - Алекс Швацер з Італії отримав чотирирічну дискваліфікацію.
21 грудня 2012, 23:28 - Вікторія Азаренко - королева! Сергій Мартинов - король!