Цинк (Zn) в мозге присутствует в двух формах: во-первых, он является ключевым структурным компонентом большого числа белков и кофактором ферментов, во-вторых, свободные ионы (Zn2+) концентрируются внутри синаптических пузырьков, главным образом в глутаматергических терминалях. В виде цинксодержащих металлопротеинов существует более 80 % общего мозгового пула цинка и только около 20% являются свободными ионами. Дефицит цинка может проявляться поведенческими нарушениями, эмоциональной неустойчивостью, снижением способности к обучению (снижением памяти), что объясняется аномальными функциями богатых цинком структур гиппокампа (см. далее).
Цинк поступает в мозг из плазмы крови и распределяется в экстраклеточной (внеклеточной) и цереброспинальной жидкости. Концентрация цинка во взрослом мозге регулируется гемато-энцефалическим барьером и достигает 200 µM. При этом его внутриклеточное содержание (в цинкергичных нейронах) в 1000 раз выше, чем экстраклеточное, что указывает на энергозависимый транспорт цинка в нейроны и глиальные клетки, который обеспечивают мембранные транспортеры. Известно 10 транспортеров, которые осуществляют вход цинка внутрь клеток (семейство белков ZnT), и 15 транспортеров, выполняющих противоположную функцию (семейство белков Zip). Оба типа транспортеров проявляют высокую тканевую специфичность. Один член семейства белков ZnT, а именно ZnT3, играет особенно важную роль в аккумуляции свободного цинка в синаптических пузырьках (везикулах), содержащих глутамат. В нейронах цинк транспортируется антероградно и ретроградно с помощью аксонального транспорта. В регуляцию транспорта, а также хранения и трансфера цинка к различным ферментам и транскрипционным факторам, вовлечены белки металлотионины.
Цинкергичными нейронами называют нейроны, которые содержат слабо связанный, гистохимически определяемый цинк в синаптических пузырьках (везикулах) своих пресинаптических терминалей. Цинкергические нейроны присутствуют во всем конечном мозге; особенно много их в гиппокампе, коре, амигдале и обонятельной луковице. В значительно меньшей степени везикулярный цинк выявляется в нейронах спинного мозга и мозжечка, которые в качестве нейротрансмиттеров используют глицин или гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК). Большинство цинксодержащих нейронов являются глутаматергичными, однако не все глутаматергичные нервные клетки содержат цинк. Нейроны, которые содержат одновременно глутамат и цинк, представляют собой специальный класс клеток, выделяемый некоторыми исследователями в отдельный глуцинергический фенотип.
Глуцинергические нейроны имеют небольшие размеры и относительно короткие аксоны. Они являются ассоциативными клетками и проецируются исключительно к «внутренним» нейрональным мишеням внутри конечного мозга. Афферентные системы глуцинергических нейронов в основном представлены кортико-кортикальными, кортико-лимбическими или лимбико-кортикальными нейрональными связями. Терминали глуцинергических нейронов распределены внутри мозговых структур гетерогенно. В коре и гиппокампе, например, их распределение соответствует слоистой архитектонике этих областей мозга: в слоях, где расположены клеточные тела, экспрессия цинка отсутствует, но обильна в слоях, где аксоны формируют синаптические контакты. Наиболее высокие количества [везикулярного] цинка обнаружены в гигантских терминалях аксонов гранулярных нейронов зубчатой фасции. Эти цинксодержащие терминали устанавливают синаптические контакты с дендритами пирамидных нейронов поля СА3 гиппокампа.
Цинк необходим для нормального развития мозга – нейрогенеза (входя в состав фермента ДНК- полимеразы, он участвует в синтезе ДНК в клетках) и для нормальной работы нервных клеток и функциональных сетей. Баланс цинка важен для формирования нейрональной трубки и дифференцировки стволовых клеток. Цинк также регулирует все стадии взрослого нейрогенеза: клеточную пролиферацию, выживание стволовых клеток и их дифференцировку, то есть в физиологических концентрациях этот микроэлемент проявляет нейропротекторную активность предотвращая повышение экстраклеточной концентрации нейромедиатора глутамата и гибель постсинаптических нейронов от перевозбуждения.
В патологических условиях (например, при ишемии, травмах ЦНС, деменции и судорожной активности) свободный цинк может аккумулироваться в ядрах, цитоплазме и дендритах нейронов, что приводит к их токсическому повреждению (и гибели), и, как следствие, к развитию нейродегенеративных заболеваний и других неврологических патологий. Происхождение цинка, который влияет на возбудимость нейронов и вызывает клеточную смерть, не известно. Одна возможность заключается в том, что он выделяется из цинксодержащих терминалей в экстраклеточное пространство во время усиленной нейропередачи и входит в постсинаптические нейроны. Другая возможность аккумуляции свободного цинка в соме нейронов – высвобождение ионов из протеинов, содержащих цинк, и выход из внутриклеточных органелл, депонирующих ионы цинка.
Многочисленными исследованиями показано вовлечение синаптически освобождаемого цинка в патогенез болезни Альцгеймера. В экспериментальных работах и на биопсийном материале, взятом от больных пациентов, обнаружено, что цинк в экстраклеточном пространстве взаимодействует с бета-амилоидом и запускает процесс формирования нейрофиламентозных сенильных бляшек в мозге. Однако не ясно, является ли цинк-индуцированная преципитация бета-амилоида нейропротекторным или деструктивным процессом для мозга. Изучение роли ионов цинка при эпилепсии также выявило двойственные, про- и антиконвульсивные эффекты на судорожную активность. Предполагается, что конечный эффект ионов цинка зависит от их концентрации и нейрохимической специфики нервных клеток.
Цинк поступает в мозг из плазмы крови и распределяется в экстраклеточной (внеклеточной) и цереброспинальной жидкости. Концентрация цинка во взрослом мозге регулируется гемато-энцефалическим барьером и достигает 200 µM. При этом его внутриклеточное содержание (в цинкергичных нейронах) в 1000 раз выше, чем экстраклеточное, что указывает на энергозависимый транспорт цинка в нейроны и глиальные клетки, который обеспечивают мембранные транспортеры. Известно 10 транспортеров, которые осуществляют вход цинка внутрь клеток (семейство белков ZnT), и 15 транспортеров, выполняющих противоположную функцию (семейство белков Zip). Оба типа транспортеров проявляют высокую тканевую специфичность. Один член семейства белков ZnT, а именно ZnT3, играет особенно важную роль в аккумуляции свободного цинка в синаптических пузырьках (везикулах), содержащих глутамат. В нейронах цинк транспортируется антероградно и ретроградно с помощью аксонального транспорта. В регуляцию транспорта, а также хранения и трансфера цинка к различным ферментам и транскрипционным факторам, вовлечены белки металлотионины.
Цинкергичными нейронами называют нейроны, которые содержат слабо связанный, гистохимически определяемый цинк в синаптических пузырьках (везикулах) своих пресинаптических терминалей. Цинкергические нейроны присутствуют во всем конечном мозге; особенно много их в гиппокампе, коре, амигдале и обонятельной луковице. В значительно меньшей степени везикулярный цинк выявляется в нейронах спинного мозга и мозжечка, которые в качестве нейротрансмиттеров используют глицин или гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК). Большинство цинксодержащих нейронов являются глутаматергичными, однако не все глутаматергичные нервные клетки содержат цинк. Нейроны, которые содержат одновременно глутамат и цинк, представляют собой специальный класс клеток, выделяемый некоторыми исследователями в отдельный глуцинергический фенотип. Глуцинергические нейроны имеют небольшие размеры и относительно короткие аксоны. Они являются ассоциативными клетками и проецируются исключительно к «внутренним» нейрональным мишеням внутри конечного мозга. Афферентные системы глуцинергических нейронов в основном представлены кортико-кортикальными, кортико-лимбическими или лимбико-кортикальными нейрональными связями. Терминали глуцинергических нейронов распределены внутри мозговых структур гетерогенно. В коре и гиппокампе, например, их распределение соответствует слоистой архитектонике этих областей мозга: в слоях, где расположены клеточные тела, экспрессия цинка отсутствует, но обильна в слоях, где аксоны формируют синаптические контакты. Наиболее высокие количества [везикулярного] цинка обнаружены в гигантских терминалях аксонов гранулярных нейронов зубчатой фасции. Эти цинксодержащие терминали устанавливают синаптические контакты с дендритами пирамидных нейронов поля СА3 гиппокампа.
Цинк необходим для нормального развития мозга – нейрогенеза (входя в состав фермента ДНК- полимеразы, он участвует в синтезе ДНК в клетках) и для нормальной работы нервных клеток и функциональных сетей. Баланс цинка важен для формирования нейрональной трубки и дифференцировки стволовых клеток. Цинк также регулирует все стадии взрослого нейрогенеза: клеточную пролиферацию, выживание стволовых клеток и их дифференцировку, то есть в физиологических концентрациях этот микроэлемент проявляет нейропротекторную активность предотвращая повышение экстраклеточной концентрации нейромедиатора глутамата и гибель постсинаптических нейронов от перевозбуждения.
В патологических условиях (например, при ишемии, травмах ЦНС, деменции и судорожной активности) свободный цинк может аккумулироваться в ядрах, цитоплазме и дендритах нейронов, что приводит к их токсическому повреждению (и гибели), и, как следствие, к развитию нейродегенеративных заболеваний и других неврологических патологий. Происхождение цинка, который влияет на возбудимость нейронов и вызывает клеточную смерть, не известно. Одна возможность заключается в том, что он выделяется из цинксодержащих терминалей в экстраклеточное пространство во время усиленной нейропередачи и входит в постсинаптические нейроны. Другая возможность аккумуляции свободного цинка в соме нейронов – высвобождение ионов из протеинов, содержащих цинк, и выход из внутриклеточных органелл, депонирующих ионы цинка.
Многочисленными исследованиями показано вовлечение синаптически освобождаемого цинка в патогенез болезни Альцгеймера. В экспериментальных работах и на биопсийном материале, взятом от больных пациентов, обнаружено, что цинк в экстраклеточном пространстве взаимодействует с бета-амилоидом и запускает процесс формирования нейрофиламентозных сенильных бляшек в мозге. Однако не ясно, является ли цинк-индуцированная преципитация бета-амилоида нейропротекторным или деструктивным процессом для мозга. Изучение роли ионов цинка при эпилепсии также выявило двойственные, про- и антиконвульсивные эффекты на судорожную активность. Предполагается, что конечный эффект ионов цинка зависит от их концентрации и нейрохимической специфики нервных клеток.
© Laesus De Liro
Journal information