Дія алкоголю на мозок: знайдений сайт зв'язування молекул спиртів

Ефект від вживання алкогольних напоїв відомий практично кожному, однак молекулярний механізм дії етанолу на мозок довгий час була зовсім не вивчена - не було зрозуміло навіть, чи є дія специфічним (тобто, заснованим на механізмі ліганд-рецептор) або неселективних (коли етанол просто порушує фізико-хімічну рівновагу внутрішнього середовища організму). У світлі останніх досліджень можна віддати перевагу першому варіанту: в структурі G-белóк-залежних K + -каналів входить випрямлення мембран нейронів (GIRK) знайдений сайт, що специфічно зв'язує низькомолекулярні спирти, що активує канал (незалежно від дії G-белкá) і змінює характер взаємодії між нервовими клітинами.

Ефект дії етилового спирту на мозок відомий людству ще з часів, коли цілеспрямоване виготовлення алкогольних напоїв було справою далекого майбутнього: відомо, що примати з задоволенням п'ють природним чином утворилося «вино», поїдаючи перебродили фрукти і ягоди, коли вдається дістати це «ласощі». Напої, що містять спирт, займають почесне місце у всіх відомих культурах - очевидно, не тільки через благородного смаку деяких з них, але і завдяки п'янкому дії, що здійснюється ними на свідомість.

Незважаючи на вкрай просту будову молекули етилового спирту - «активної речовини» цих напоїв - молекулярний механізм дії алкоголю на нервову систему довгий час був абсолютно невідомий; зрозуміло було тільки, що він якось порушує взаємодію між нервовими клітинами в мозку. Думки коливалися між двома крайніми випадками: від варіанту неспецифічного взаємодії - коли етанол зрушує фізико-хімічний і біохімічний баланс організму (гомеостаз) і впливає, зокрема, на властивості клітинних мембран, - до механізму ліганд-рецепторної взаємодії. (Останній випадок має на увазі існування особливого рецептора спирту, який був невідомий, і існування якого уявлялося сумнівним з урахуванням малого розміру молекули етанолу.)

Порівняно недавно стали з'являтися біохімічні дані, що говорять про чутливість багатьох іонних каналів, присутніх в мембранах нервових клітин (наприклад, керованих лигандами: γ-аміномасляної кислоти, гліцином, ацетилхолином, серотоніном і іншими) до дії етанолу та інших низькомолекулярних спиртів [1] , [2] . Ранні гіпотези пояснювали цей ефект модифікацією в'язкості і плинності ліпідних мембран клітин, але пізніше вчені стали схилятися до ідеї специфічних сайтів зв'язування молекул спиртів в цих каналах.

дослідники з інституту Солка в Каліфорнії (США) докладно досліджували це питання, і їм вдалося остаточно підтвердити гіпотезу специфічної взаємодії спиртів з каналами білкової природи в нервових клітинах [3] . Об'єктом їх досліджень стали (на відміну від уже згаданих ліганд-керованих каналів) мембранні калієві канали вхідного випрямлення, також реагують на присутність спиртів: G-білок-залежні ( GIRK , G-protein-gated inwardly rectifying potassium channel) і G-білок-незалежні (IRK, G-protein-insensitive inwardly rectifying potassium channel) K + -канали. Белк і цього сімейства є мішенню дії багатьох токсинів; порушення їх роботи призводить до ряду серйозних захворювань. Їх особливістю є одностороння проникність: вони впускають іони K + в клітину більш «охоче», ніж випускають їх; однією з їх функцій вважається підтримання потенціалу спокою нейронів на заданому рівні. GIRK запускаються Gβγ-субодиницями G-білка, який активується за допомогою ряду G-белоксопряжённих рецепторів (GPCR), - зокрема, m2-мускаринового рецептора. (Іншими відомими представниками сімейства мембранних рецепторів GPCR є фоторецептор родопсин [4] і адренорецептори [5] .) Результатом їх роботи стала ідентифікація та характеристика молекулярних сайтів зв'язування молекул спиртів в структурах цих рецепторів.

Кілька років тому цією ж групою вчених була отримана кристалографічна структура цитоплазматического домену G-білок-незалежного K + -каналу входить випрямлення (IRK1) зі зв'язаними молекулами спирту [6] (Правда, це не етанол, а більший двоатомний 2-метил-2,4-пентадіол, МПД). Виявилося, що чотири «кишені», що зв'язують по молекулі спирту, утворені парами суміжних субодиниць в складі тетрамера, формує активну форму каналу IRK1. На основі структурного подібності каналів GIRK1 і GIRK2 з каналом IRK1 (структури всіх трьох цитоплазматических доменів відомі) дослідники припустили загальний механізм скріплення спиртів цими рецепторами (рис. 1).

Малюнок 1. Консервативні спирт-зв'язуючі сайти в структурах K + -каналів входить випрямлення IRK1 і GIRK2. а - Структура цитоплазматического домену каналу IRK1 в комплексі з молекулою двухатомного спирту 2-метил-2,4-пентандіола (МПД). Сайт зв'язування, утворений контактом двох суміжних субодиниць, складається з трьох структурних елементів: N-кінцевої ділянки, βL-βM «шпильки» однієї субодиниці і βD-βE «шпильки» інший субодиниці. (На врізки схематично зображено структура однієї субодиниці IRK-каналу, включаючи поровим петлю, два трансмембранних сегмента і цитоплазматичний домен, зображений на цій картинці [показаний пунктиром].) Б, в - Детальний уявлення спирт-зв'язуючих сайтів в комплексі з МПД в структурі каналу IRK1 (Б) і в отриманій за аналогією моделі комплексу з GIRK2 в - (Передбачуване положення МПД в другому випадку [показано пунктиром] отримано шляхом поєднання структур цитоплазматических доменів IRK1-МПД і GIRK2.) г - Вирівнювання амінокислотних последов ательностей IRK1 і GIRK2 в області трьох структурних доменів, що утворюють сайт зв'язування спиртів (залишки, безпосередньо формує сайт, обведені в рамку). д - Вольт-амперна характеристика каналу GIRK2: базальний ток і активоване ток в присутності 100 мМ МПД, що становить ~ 246% від базального. Для порівняння наведено ток каналу, ингибированного 1мМ іонами Ba2 + (чорним).

Дані про активацію каналів GIRK спиртами з числом атомів вуглецю до чотирьох (метанолом, етанолом, 1-пропанолом і 1-бутанолом) і блокуванні довшими спиртами говорять про обмеженому обсязі сайту зв'язування; ці ж відомості лягли в основу проведеного експерименту за влучним висловом цього сайту за допомогою точкового мутагенезу. Заміна функціонально важливого амінокислотного залишку L257 в сайті (рис. 1) на ряд інших підтвердила, що взаємодія здійснюється саме в цьому місці, і показала, що обсяг сайту зв'язування спиртів і його гідрофобність є критично важливими параметрами: збільшення обсягу заміщає залишку або посилення його полярних якостей знижує здатність до активації в присутності спиртів. Фактично, спирти активують канали IRK і GIRK «паразитних» чином, тобто, в обхід активації через G-белóк. обсяг сайту зв'язування спиртів в структурах каналів GIRK становить ~ 250 Å3, що дозволяє пов'язувати спирти настільки об'ємні як МПД, дія якого на канали GIRK аналогічно дії етанолу (проте н -пентанол і все більші лінійні спирти вже інгібують канал).

Що цікаво, схожі за формою і обсягом активні сайти виявлені і в інших белкáх, що зв'язують спирти, - зокрема, в алкогольдегідрогеназу, що розщеплює етанол в клітинах печінки, і в білку дрозофіли LUSH, відповідальному за рецепцію алкоголю в навколишньому середовищі.

Активація каналів GIRK призводить до загального зниження активності нейронів, що узгоджується з депресорні впливом алкоголю на центральну нервову систему. Дослідники вважають, що ця властивість може бути використано при лікуванні епілепсії, яка характеризується епізодичними аномальними сплесками електричної активності мозку, зовні проявляються у вигляді сумнозвісних припадків. «Якби вдалося розробити нове з'єднання, конкуруюче з алкоголем за зв'язування в активних сайтах GIRK-каналів, цим можна було б пригнічувати спалахи ненормальною активності нейронів і, можливо, отримати нові ліки від епілепсії», - говорить Пол Слезингер, керівник дослідження [7] .

Ця робота фінансувалося американськими інституціями алкогольної залежності і алкоголізму, так що результати, можливо, будуть використані і в лікуванні більш поширеного захворювання.

1. S. John Mihic, Qing Ye, Marilee J. Wick, Vladimir V. Koltchine, Matthew D. Krasowski, et. al .. (1997). Sites of alcohol and volatile anaesthetic action on GABAA and glycine receptors . Nature. 389, 385-389;
2. D. Lovinger, G White, F. Weight. (1989). Ethanol inhibits NMDA-activated ion current in hippocampal neurons . Science. 243, 1721-1724;
3. Prafulla Aryal, Hay Dvir, Senyon Choe, Paul A Slesinger. (2009). A discrete alcohol pocket involved in GIRK channel activation . Nat Neurosci. 12, 988-995;
4. Зоровий родопсин - рецептор, що реагує на світло ;
5. Новий рубіж: отримана просторова структура β2-адренорецептори ;
6. Scott Pegan, Christine Arrabit, Paul A. Slesinger, Senyon Choe. (2006). Andersen's Syndrome Mutation Effects on the Structure and Assembly of the Cytoplasmic Domains of Kir2.1 †, ‡ . Biochemistry. 45, 8599-8606;
7. Site for alcohol's action in the brain discovered . (2009). ScienceDaily.