Нейромолекулы: «гормон счастья»
Пасмурные осенние дни вгоняют вас в депрессию? Хочется забиться в теплый угол и ничего не делать? Возможно, вам просто не хватает серотонина. Именно к такому выводу можно прийти, перейдя по некоторым ссылкам, которые выдаёт Яндекс на поисковый запрос «серотонин». Так ли это? Давайте разбираться в новом выпуске совместного проекта портала neuronovosti.ru, где работают соавторы блога с Институтом биоорганической химии РАН! И заодно в истории открытия и изучения этого вещества.
С точки зрения химии серотонин или 5-гидрокситриптамин - производное аминокислоты триптофана. Неудивительно, что эта кислота и есть сырьё для синтеза серотонина в организме человека. Этот процесс, управляемый двумя ферментами, происходит в телах (соме) нейронов. Как и многие другие нейромолекулы, серотонин совмещает функции нейромедиатора и гормона. Сначала поговорим о его медиаторной ипостаси.
Серотонин - нейромедиатор
Мы помним из предыдущих текстов, что нейромедиаторы - это сигнальные вещества, выбрасываемые одной нервной клеткой в щель в месте сближения с другой клеткой - синапсе. Медиатор может приводить к возбуждению нервного импульса в клетке-адресате - тогда он будет называться возбуждающим, а может, наоборот, блокировать проведение этого же импульса - тогда его называют тормозным.
Реакция клетки-адресата зависит от типа рецепторов, находящихся на её поверхности. Белки-рецепторы способны точно распознать молекулы медиатора и сообщать об этом клетке. По своему устройству рецепторы делятся на два больших типа: ионотропные и метаботропные. Ионотропный рецептор - это белковый трубчатый канал в мембране клетки, открывающийся в момент активации медиатором и пропускающий внутрь ионы определённого типа. Например, ионы натрия (Na+) или хлора (Cl-). Эти ионы приносят в клетку дополнительный заряд. Изменение заряда на мембране и влечёт за собой каскад необходимых реакций внутри клетки.
Метаботропные же рецепторы не имеют ионных каналов. Вместо этого в покое они связаны с G-белком. Их предназначение - в ответ на связь с медиатором изменить свою структуру, при этом активировав сцепленный с ними G-белок (отсюда их второе название: GPCR - G-Protein Coupled Receptors). «Спущенный с цепи» G-белок запускает в клетке целую лавину необходимых реакций, приводя к генерации или, наоборот, затуханию нервного импульса.
Такой разносторонний
История открытия серотонина очень непроста. В 1935 году известный итальянский химик и фармаколог Витторио Эрспамер выделил из слизистой кишечника необычное вещество, которое сокращало гладкую мускулатуру. Два года спорили на тему того, это адреналин или какое-то совсем новое вещество, и только потом итальянский учёный смог показать, что его субстанция - неизвестный науке амин. Так что в 1937 году появилось новое вещество - энтерамин.
Витторио Эрспамер
Следующая серия серотонинового сериала состоялась через десять лет. В 1947 году его выделили из сыворотки крови и описали в качестве мощного сосудосуживающего соединения. Точнее - не так. В 1947 году из сыворотки крови выделили некое вещество, которое сужало сосуды. Годом позже вторичный первооткрыватель вещества назвал его серотонином и предложил его химическую формулу, которую доказали направленным синтезом три года спустя.
В 1952 году стало понятно, что энтерамин и серотонин - одно и то же вещество. Еще год спустя нейрофизиолог Ирвин Пейдж и Бетти Твэрег обнаружили серотонин в мозге. Так началась история серотонина как нейромедиатора. Как он работает. Очень скоро стало понятно, что действие этого вещества на ткани опосредуется как минимум двумя видами белков-рецепторов: одни из них расположены на гладких мышечных волокнах и блокируются под действием ЛСД (диэтиламидом Д-лизергиновой кислоты), другие расположены в нервной системе и не чувствительны к ЛСД, зато блокируются морфином. Так в научном обороте появились два первых типа рецепторов серотонина - «Д» и «М»-рецепторы.
Серотониновое многообразие
К 1986 году, когда стало понятно, что рецепторные системы производного триптофана гораздо более разнообразны, чем считалось ранее, наконец, учёные мужи решили заново их классифицировать [2]. На сегодняшний день известно уже целых 14 типов серотониновых рецепторов, относящихся к семи разным семействам. При этом ионными каналами являются только серотониновые рецепторы класса 3 (5-HT3-рецепторы, сокращение от 5-гидрокситриптамин). Все же остальные типы 5-НТ рецепторов - метаботропные, сопряжены с G-белками.
Получается, что серотонин относится одновременно и к тормозным, и к возбуждающим медиаторам нервной системы. Его выброс может как блокировать, так и активизировать передачу нервных импульсов - всё зависит лишь от типа рецептора на поверхности клетки-мишени. Роль серотонина в мозге фантастически многогранна. Различные типы рецепторов к нему отвечают за самые разнообразные функции, участвуя в контроле эмоций, работе памяти и мышления.
В мозге есть целая серотониновая система, чем-то похожая на дофаминовую и включающая в себя нервные клетки, управляемые преимущественно одним типом медиатора. Её центральный компонент - это ядро шва, лежащее в середине ствола мозга. Отростки его серотониновых нейронов, входя в состав ретикулярной формации, расходятся практически во все части ключевого органа центральной нервной системы. Пожалуй, теснее всего ретикулярная формация связывает серотониновую сеть с дофаминовой, участвуя через неё в формировании ритма сна и бодрствования.
В рамках нашей статьи просто невозможно подробно рассказать о всех функциях серотонина, но о некоторых не упомянуть просто невозможно. Ионотропные серотониновые рецепторы 5HT3-типа в составе нервной системы, а так же в стенках кишечника участвуют в регуляции перистальтики и в сокращениях гладкой мускулатуры желудка при рвоте. Антагонисты 5HT3 рецепторов - трописетрон и ондансетрон - используются в качестве противорвотных средств при радио- и химиотерапии.
Метаботропные серотониновые рецепторы 5-HT2A-типа работают на поверхности нейронов префронтальной коры, а также голубого пятна. Особенно велика их плотность на пирамидных нейронах коры. Активность этих зон мозга связана с формированием сознания и процессами мышления. Их возбуждение играет центральную роль в появлении зрительных галлюцинаций под действием психоделиков ЛСД, мескалина и псилоцибина [3]. Однако, полностью механизм действия этих галлюциногенов ещё не изучен и, без сомнения, захватывает другие рецепторные системы.
Ну и, наконец, самое важное: практически все типы серотониновых рецепторов (как и дофаминовых) участвуют в регуляции эмоций и настроения. При этом снижение их активности или количества напрямую ассоциируется с депрессией и чувством подавленности. Как же улучшить настроение, если вконец замучила осенняя апатия? Очевидно, что работа рецепторов зависит от количества серотонина в синапсах. А оно, в свою очередь, зависит от баланса между выбросом серотонина и его удалением из синапса через расщепление или повторный захват внутрь нейрона.
За эти процессы отвечают ферменты моноаминоксидаза (МАО) и серотониновый транспортёр. Почти все коммерчески доступные антидепрессанты - блокаторы одного из этих двух белков, повышающие концентрацию серотонина в межнейронном пространстве (4,5).
Серотонин как гормон
Разносторонность серотонина в качестве медиатора поражает, но в качестве гормона он имеет ещё больше функций. Гормоны принципиально отличаются от медиаторов тем, что выделяются не в синаптическую щель между отростками двух нейронов, а прямо в кровь или тканевую жидкость. Так что называть серотонин (равно как и дофамин) «гормоном счастья» - неправильно. Как результат, они разносятся на расстояние от места выделения и действуют сразу на множество клеток.
Таким образом, вездесущий серотонин умудряется приложить руку к регуляции перистальтики гладких мышц кишечника, работе поджелудочной железы, свёртываемости крови, развитию плода, воспалению, регуляции тонуса мышц матки и гладкой мускулатуры сосудов и даже в модификации белков. Многогранный и абсолютно необходимый, серотонин стал в ходе эволюции одной из самых универсальных сигнальных молекул организма млекопитающих.
Открыты и изучены десятки процессов, где он выступает в качестве самого непосредственного участника. И без сомнения, это ещё только начало.
Текст: Дмитрий Лебедев, Институт биоорганической химии РАН с дополнениями авторов блога
1. Rapport, M. M., Green, A. A., & Page, I. H. (1947). Purification of the substance which is responsible for the vasoconstrictor activity of serum. In Federation proceedings (Vol. 6, No. 1 Pt 2, p. 184).
2. Lummis, S. C. (2012). 5-HT3 receptors. Journal of Biological Chemistry, 287(48), 40239-40245.
3. Halberstadt, A. L. (2015). Recent advances in the neuropsychopharmacology of serotonergic hallucinogens. Behavioural brain research, 277, 99-120.
4. Yanez, M., Fernando Padin, J., Alberto Arranz-Tagarro, J., Camiña, M., & Laguna, R. (2012). History and therapeutic use of MAO-A inhibitors: a historical perspective of mao-a inhibitors as antidepressant drug. Current topics in medicinal chemistry, 12(20), 2275-2282.
5. Zohar, J., & Westenberg, H. G. M. (2000). Anxiety disorders: a review of tricyclic antidepressants and selective serotonin reuptake inhibitors. Acta Psychiatrica Scandinavica, 101(S403), 39-49.
С точки зрения химии серотонин или 5-гидрокситриптамин - производное аминокислоты триптофана. Неудивительно, что эта кислота и есть сырьё для синтеза серотонина в организме человека. Этот процесс, управляемый двумя ферментами, происходит в телах (соме) нейронов. Как и многие другие нейромолекулы, серотонин совмещает функции нейромедиатора и гормона. Сначала поговорим о его медиаторной ипостаси.
Серотонин - нейромедиатор
Мы помним из предыдущих текстов, что нейромедиаторы - это сигнальные вещества, выбрасываемые одной нервной клеткой в щель в месте сближения с другой клеткой - синапсе. Медиатор может приводить к возбуждению нервного импульса в клетке-адресате - тогда он будет называться возбуждающим, а может, наоборот, блокировать проведение этого же импульса - тогда его называют тормозным.
Реакция клетки-адресата зависит от типа рецепторов, находящихся на её поверхности. Белки-рецепторы способны точно распознать молекулы медиатора и сообщать об этом клетке. По своему устройству рецепторы делятся на два больших типа: ионотропные и метаботропные. Ионотропный рецептор - это белковый трубчатый канал в мембране клетки, открывающийся в момент активации медиатором и пропускающий внутрь ионы определённого типа. Например, ионы натрия (Na+) или хлора (Cl-). Эти ионы приносят в клетку дополнительный заряд. Изменение заряда на мембране и влечёт за собой каскад необходимых реакций внутри клетки.
Метаботропные же рецепторы не имеют ионных каналов. Вместо этого в покое они связаны с G-белком. Их предназначение - в ответ на связь с медиатором изменить свою структуру, при этом активировав сцепленный с ними G-белок (отсюда их второе название: GPCR - G-Protein Coupled Receptors). «Спущенный с цепи» G-белок запускает в клетке целую лавину необходимых реакций, приводя к генерации или, наоборот, затуханию нервного импульса.
Такой разносторонний
История открытия серотонина очень непроста. В 1935 году известный итальянский химик и фармаколог Витторио Эрспамер выделил из слизистой кишечника необычное вещество, которое сокращало гладкую мускулатуру. Два года спорили на тему того, это адреналин или какое-то совсем новое вещество, и только потом итальянский учёный смог показать, что его субстанция - неизвестный науке амин. Так что в 1937 году появилось новое вещество - энтерамин.
Витторио Эрспамер
Следующая серия серотонинового сериала состоялась через десять лет. В 1947 году его выделили из сыворотки крови и описали в качестве мощного сосудосуживающего соединения. Точнее - не так. В 1947 году из сыворотки крови выделили некое вещество, которое сужало сосуды. Годом позже вторичный первооткрыватель вещества назвал его серотонином и предложил его химическую формулу, которую доказали направленным синтезом три года спустя.
В 1952 году стало понятно, что энтерамин и серотонин - одно и то же вещество. Еще год спустя нейрофизиолог Ирвин Пейдж и Бетти Твэрег обнаружили серотонин в мозге. Так началась история серотонина как нейромедиатора. Как он работает. Очень скоро стало понятно, что действие этого вещества на ткани опосредуется как минимум двумя видами белков-рецепторов: одни из них расположены на гладких мышечных волокнах и блокируются под действием ЛСД (диэтиламидом Д-лизергиновой кислоты), другие расположены в нервной системе и не чувствительны к ЛСД, зато блокируются морфином. Так в научном обороте появились два первых типа рецепторов серотонина - «Д» и «М»-рецепторы.
Серотониновое многообразие
К 1986 году, когда стало понятно, что рецепторные системы производного триптофана гораздо более разнообразны, чем считалось ранее, наконец, учёные мужи решили заново их классифицировать [2]. На сегодняшний день известно уже целых 14 типов серотониновых рецепторов, относящихся к семи разным семействам. При этом ионными каналами являются только серотониновые рецепторы класса 3 (5-HT3-рецепторы, сокращение от 5-гидрокситриптамин). Все же остальные типы 5-НТ рецепторов - метаботропные, сопряжены с G-белками.
Получается, что серотонин относится одновременно и к тормозным, и к возбуждающим медиаторам нервной системы. Его выброс может как блокировать, так и активизировать передачу нервных импульсов - всё зависит лишь от типа рецептора на поверхности клетки-мишени. Роль серотонина в мозге фантастически многогранна. Различные типы рецепторов к нему отвечают за самые разнообразные функции, участвуя в контроле эмоций, работе памяти и мышления.
В мозге есть целая серотониновая система, чем-то похожая на дофаминовую и включающая в себя нервные клетки, управляемые преимущественно одним типом медиатора. Её центральный компонент - это ядро шва, лежащее в середине ствола мозга. Отростки его серотониновых нейронов, входя в состав ретикулярной формации, расходятся практически во все части ключевого органа центральной нервной системы. Пожалуй, теснее всего ретикулярная формация связывает серотониновую сеть с дофаминовой, участвуя через неё в формировании ритма сна и бодрствования.
В рамках нашей статьи просто невозможно подробно рассказать о всех функциях серотонина, но о некоторых не упомянуть просто невозможно. Ионотропные серотониновые рецепторы 5HT3-типа в составе нервной системы, а так же в стенках кишечника участвуют в регуляции перистальтики и в сокращениях гладкой мускулатуры желудка при рвоте. Антагонисты 5HT3 рецепторов - трописетрон и ондансетрон - используются в качестве противорвотных средств при радио- и химиотерапии.
Метаботропные серотониновые рецепторы 5-HT2A-типа работают на поверхности нейронов префронтальной коры, а также голубого пятна. Особенно велика их плотность на пирамидных нейронах коры. Активность этих зон мозга связана с формированием сознания и процессами мышления. Их возбуждение играет центральную роль в появлении зрительных галлюцинаций под действием психоделиков ЛСД, мескалина и псилоцибина [3]. Однако, полностью механизм действия этих галлюциногенов ещё не изучен и, без сомнения, захватывает другие рецепторные системы.
Ну и, наконец, самое важное: практически все типы серотониновых рецепторов (как и дофаминовых) участвуют в регуляции эмоций и настроения. При этом снижение их активности или количества напрямую ассоциируется с депрессией и чувством подавленности. Как же улучшить настроение, если вконец замучила осенняя апатия? Очевидно, что работа рецепторов зависит от количества серотонина в синапсах. А оно, в свою очередь, зависит от баланса между выбросом серотонина и его удалением из синапса через расщепление или повторный захват внутрь нейрона.
За эти процессы отвечают ферменты моноаминоксидаза (МАО) и серотониновый транспортёр. Почти все коммерчески доступные антидепрессанты - блокаторы одного из этих двух белков, повышающие концентрацию серотонина в межнейронном пространстве (4,5).
Серотонин как гормон
Разносторонность серотонина в качестве медиатора поражает, но в качестве гормона он имеет ещё больше функций. Гормоны принципиально отличаются от медиаторов тем, что выделяются не в синаптическую щель между отростками двух нейронов, а прямо в кровь или тканевую жидкость. Так что называть серотонин (равно как и дофамин) «гормоном счастья» - неправильно. Как результат, они разносятся на расстояние от места выделения и действуют сразу на множество клеток.
Таким образом, вездесущий серотонин умудряется приложить руку к регуляции перистальтики гладких мышц кишечника, работе поджелудочной железы, свёртываемости крови, развитию плода, воспалению, регуляции тонуса мышц матки и гладкой мускулатуры сосудов и даже в модификации белков. Многогранный и абсолютно необходимый, серотонин стал в ходе эволюции одной из самых универсальных сигнальных молекул организма млекопитающих.
Открыты и изучены десятки процессов, где он выступает в качестве самого непосредственного участника. И без сомнения, это ещё только начало.
Текст: Дмитрий Лебедев, Институт биоорганической химии РАН с дополнениями авторов блога
1. Rapport, M. M., Green, A. A., & Page, I. H. (1947). Purification of the substance which is responsible for the vasoconstrictor activity of serum. In Federation proceedings (Vol. 6, No. 1 Pt 2, p. 184).
2. Lummis, S. C. (2012). 5-HT3 receptors. Journal of Biological Chemistry, 287(48), 40239-40245.
3. Halberstadt, A. L. (2015). Recent advances in the neuropsychopharmacology of serotonergic hallucinogens. Behavioural brain research, 277, 99-120.
4. Yanez, M., Fernando Padin, J., Alberto Arranz-Tagarro, J., Camiña, M., & Laguna, R. (2012). History and therapeutic use of MAO-A inhibitors: a historical perspective of mao-a inhibitors as antidepressant drug. Current topics in medicinal chemistry, 12(20), 2275-2282.
5. Zohar, J., & Westenberg, H. G. M. (2000). Anxiety disorders: a review of tricyclic antidepressants and selective serotonin reuptake inhibitors. Acta Psychiatrica Scandinavica, 101(S403), 39-49.