INFLUENCE OF LOW CONCENTRATIONS OF NOOPEPT ON EXCITABILITY OF THE NEURONAL MEMBRANE OF THE VINEYARD SNAIL

В настоящее время в регулировании ряда когнитивных процессов (таких как внимание, обучение, память и др.) широко используется один из ноотропный препарат –  ноопепт. Профиль активности ноопепта в целом сходен с таковым для другого распространенного препарата – пирацетама (дипептидным аналогом которого он является), но активность ноопепта проявляется в дозах значительно меньших. Поэтому выяснение механизмов его воздействия на нервную систему является одной из задач изучения влияния лекарственных препаратов на живой организм.

Как показали исследования, этот препарат преимущественно  влияет на процессы, связанные с долговременными изменениями в нейронах

Согласно существующим экспериментальным данным РР2А влияет на многие внутриклеточные процессы в клетке. Поскольку взятые для исследования на командных нейронах виноградной улитки концентрации препарата актуальны также для человека – в диапазоне концентраций ноопепта 0.01нМ–10мкМ наблюдается увеличение жизнеспособности нейронов гиппокампа

Анализ литературных данных о влиянии РР2А на процессы эндо- и экзоцитоза рецепторов позволяет выделить ключевые процессы, ответственные за  формирование экспериментальной колокообразной кривой, а расчеты, произведенные с помощью математической модели этих процессов, уточнить сделанные предположения.  Общая схема динамики рецепторов (переход во внутриклеточное пространство с мембраны и обратно) с участием РР2А, составленная на основании имеющихся данных (которые обсуждаются далее), представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая схема примембранной динамики рецепторов (а) и активации РР2А (б)

Примечание: где Рм - количество рецепторов на мембране; Р1 – количество рецепторов в везикулах, транспортируемых с мембраны; Р2 – количество рецепторов в везикулах, транспортируемых на мембрану; Фн, Фа, Фи – неактивное, активное и ингибированное состояния РР2А, соответственно; k1, k2, k3, d1, d2, d4 – константы скорости перехода между различными состояниями рецепторов и протеинфосфатазы, соответственно, а d3 зависит от количества ингибитора N

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.86.1

Система дифференциальных уравнений, описывающая эту схему, с учетом процессов  активации и ингибирования РР2А  имеет следующий вид:

dPM/dt  = k3×P2 – k1×PM

dP1/dt  = k1×PM – k2×P1

dP2/dt  = k2×P1 – k3×P2

dФа/dt = d1×Фн – d2×Фa

dФи/dt = d3×Фн – d4×Фи

dФн/dt = d2×Фа + d4×Фи – (d1+ d3)×Фн

В случае, когда суммарное количество рецепторов в рассматриваемом объеме не изменяется, т.е. РМ+Р1+Р2=Р0 (рассматриваемый отрезок времени меньше времени синтеза рецепторов и их доставки) и аналогично Фн+Фа+Фи=Ф0, и  dQ/dt =0  (Q=PM,P1,P2,Фа,Фн,Фи), т.е. в стационарном случае, соответствующем рассматриваемым экспериментам, Ра=Р0/(1+k1/k3+k1/k2)  и  Фа=Ф0/(1+(1+d3/d4)×d2/d1), где d3=d30×N, N – количество ингибитора. Поскольку в приведенной схеме 1А рассматриваются возможные процессы с участием РР2А (Фа в модели), то в случае зависимости констант перехода между различными состояниями k1, k2,k3 от Фа:  k1=k10× (1+a×Фа), k2=k20× (1+g×Фа),  k3=k30× (1+b×Фа). Такая зависимость k1 и k3 от Фа позволяет учитывать возможность транспортировки везикул с рецепторами из и на мембрану без участия РР2А, а k2 от Фа отражает данные о роли РР2А в дефосфорилировании рецепторов, находящихся на везикулах, после чего осуществляется их экзоцитоз.

Поскольку в наших исследованиях по воздействию ноопепта на депрессию вызванного входящего АХ-тока на командных нейронах виноградной улитки рассматривалось нормированное отношение тока (тока при наличии ноопепта к току в контроле) и полагалось, что входящий ток пропорционален количеству рецепторов, находящихся на мембране 

G(0) = 1 + g1× (1+a×Фа(0))/( 1+b×Фа(0)) + g2×(1+a×Фа(0))/( 1+g×Фа(0))

G(N) = 1 + g1× (1+a×Фа(N))/( 1+b×Фа(N)) + g2×(1+a×Фа(N))/( 1+g×Фа(N))

Фа(0)  = Ф0/(1+d2/d1)

Фа(N) = Ф0/(1+(1+d30× N /d4)×d2/d1)

g1 = k10/ k30,      g2 = k10/ k20.

Зависимость Фа(N) – обратно пропорциональная и при возрастании N Фа(N) монотонно уменьшается. Зависимость полученного отношения R(N) от концентрации ингибитора рассматривалась при его воздействии на разные стадии изменения состояний рецепторов. В случае существования влияния ингибитора на константу скорости переход между состояниями рецепторов, полагалось, что для этой стадии Фа=Фа(N), а для остальных – Фа=Фа(0).

Была проанализированы зависимости R(N) для всех возможных сочетаний влияния ингибитора на k1, k2, k3. Результаты вычислений представлены в Таблице 1.

Как следует из представленных результатов вычислений, зависимость R(N) имеет колокообразный вид (аналогичный экспериментальной кривой) в случаях влияния ингибитора РР2А  на следующие процессы:

1) эндоцитоз и экзоцитоз рецепторов;

2) эндоцитоз рецепторов и их дефосфорилирование в примембранных везикулах;

3) дефосфорилировани рецепторов в примембранных везикулах и их экзоцитоз;

4) на транспортные процессы рецепторов и их дефосфорилирование.

Таким образом, в случае ингибирования ноопептом РР2А, она должна играть существенную роль в этих процессах.

Рассмотрим имеющиеся экспериментальные данные, позволяющие уточнить мишени РР2А в процессах эндоцитоза и экзоцитоза рецепторов, их транспортировки и трансформации в примембранных везикулах.

Как эндоцитоз лиганд-рецепторного комплекса с поверхности плазматической мембраны, так и их транспорт к поверхности плазматической мембраны осуществляются в везикулах. Было показано, что фосфорилирование b2-адаптина коррелирует с ингибированием клатрин-опосредованного эндоцитоза рецепторов, а его дефосфорилирование осуществляется РР2А

Влияние РР2А на экзоцитоз рецепторов может осуществляться вследствие ее воздействия на комплекс экзоцисты, участвующий  в направлении транспорта везикул к определенным местам мембраны и стыковке с ней. Полученные экспериментальные данные

Транспорт везикул внутри нервных клеток к их периферии и вдоль мембраны осуществляется миозином V по примембранному актиновому цитоскелету

Наличие в модели двух разных внутриклеточных состояний рецепторов (Р1 и Р2) отражает существование в везикулярной фракции рецепторов в фосфорилированном и дефосфорилированном состояниях, поскольку рецепторы на плазматической мембране более фосфорилированы, чем в примембранной фракции, и РР2А дефосфорилирует находящиеся в эндосомах рецепторы при увеличении рН внутри везикул, что способствует возврату рецепторов на плазматическую мембрану

Таким образом, поскольку во всех рассматриваемых процессах транспортировки  и изменения состояния рецепторов (Таблица 1) существуют мишени РР2А, то наиболее вероятной является схема динамики АХ-рецепторов, учитывающая опосредованное воздействие ноопепта на все скорости перехода между различными состояниями рецепторов (представленные на рисунке 1). Однако, поскольку константы скоростей реакций ряда рассматриваемых биохимических процессов с участием РР2А точно не определены, без дальнейших экспериментальных исследований исключить возможность представленных (в Таблице 1) других схем динамики АХ-рецепторов, когда зависимость R(N) имеет колокообразный вид, нельзя.

Нахождение мишений опосредованного воздействия ноопепта (как ингибитора РР2А) в результате проведенных вычислений и имеющихся экспериментальных данных позволит при воздействии на эти мишени специфических ингибиторов уточнить, какие из них в большей степени подвержены такому воздействию, и является ли действительно ноопепт ингибитором РР2А. Ответ на этот вопрос достаточно важен, поскольку PP2A является одним из наиболее распространенных ферментов в головном мозге, и в случае воздействия ноопепта на аналогичные процессы у человека это необходимо учитывать при уменьшении концентрации принимаемого препарата.