Биофизики прояснили процесс переноса глутамата в нервной системе, использовав рентген и молекулярное моделирование
Сотрудники Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ совместно с коллегами из Юлихского исследовательского центра (Германия) установили роль ионов натрия в переносе глутамата в центральной нервной системе. Глутамат - наиболее значимый возбуждающий нейромедиатор. Он удаляется из синаптической щели между нейронами при помощи белков из семейства EAAT - транспортеров возбуждающих аминокислот.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances . Глутамат служит нейромедиатором, который передает активирующий сигнал от одного нейрона другому. Чтобы обеспечить корректную работу этой системы, нейромедиатор удаляется из синаптической щели вскоре после его высвобождения из нервной клетки. Эту задачу выполняют белки семейства EAAT - переносчики, или транспортеры, глутамата.
Белки EAAT являются вторичными транспортерами, способность которых возвращать глутамат обратно в нервные клетки основана на использовании перепада в концентрации ионов натрия внутри и снаружи клетки. Для осуществления переноса транспортер связывается с нейромедиатором и тремя ионами натрия в межклеточном пространстве. Концентрация натрия внутри клетки значительно ниже, и именно этот перепад служит источником энергии, позволяющим белку перенести нейромедиатор через клеточную мембрану.
До недавнего времени оставались неясными подробности связывания белков EAAT с глутаматом и тремя ионами натрия, а также точная роль последних в переносе нейромедиатора. Авторы статьи в Science Advances ответили на этот вопрос, получив при помощи рентгеноструктурного анализа детальное изображение в высоком разрешении, на котором виден переносчик глутамата после его связи с натрием, но до «подбора» нейромедиатора. Далее ученые провели молекулярное моделирование на суперкомпьютерах Юлиха и ряд функциональных экспериментов, в результате чего удалось установить, каким образом присоединение двух ионов натрия вызывает последующее связывание глутамата и третьего иона (рисунок 1).
Результаты исследования раскрывают важные молекулярные механизмы обработки информации в мозге и могут лечь в основу новых подходов к лечению ишемических болезней головного мозга, таких как инсульт, при котором нарушение переноса глутамата приводит к повышению его концентрации. «Наши результаты помогут глубже понять, как работает транспорт нейромедиаторов в центральной нервной системе млекопитающих, и причины нарушения этого транспорта. Последнее приводит к проблемам с обучением и памятью», - рассказывает Кирилл Ковалев, сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.