Кіріспе

Мидағы химиялық синапстарда NMDA рецепторына тәуелді ұзақ мерзімді потенциациялау (LTP) индукциясы шамалы түсінікті механизм арқылы жүзеге асады. Постсинаптикалық жасушаның ішіндегі (немесе дәлірек айтқанда, дендриттік омыртқаның ішіндегі) кальций иондарының концентрациясының айтарлықтай және жылдам өсуі LTP-ні тудыру үшін қажеттінің бәрі болуы мүмкін. Бірақ LTP-ні индукциялау үшін постсинаптикалық жасушаға кальцийдің жеткізілу механизмі күрделірек.

АМФА рецепторларының рөлі

АМФА рецепторы (AMPAR) – қоздырғыштық постсинаптикалық потенциалды (EPSP) іске қосатын «қозғалтқыш» болып табылады. AMPAR-дың кейбір түрлері кальцийді өткізе алады, бірақ неокортексте кездесетін көптеген AMPAR кальций өткізбейді. AMPAR екі глутамат молекуласын байланыстырғаннан кейін, шағын қабықшаның ашылуына ұқсас конформациялық өзгеріске ұшырайды. Бұл конформациялық өзгеріс AMPAR ақуыз құрылымындағы иондық арнаны ашады, бұл натрий иондарының жасушаға ағып кіруіне және калий иондарының жасушадан шығуына мүмкіндік береді (яғни, бұл аралас катионды өткізгіш арна). AMPAR арнасының Na+ және K+ өткізгіштігі шамамен тең болғандықтан, арна ашылғанда мембраналық потенциалдағы өзгеріс нөлге жақындайды (EK және ENa тепе-теңдік потенциалдары арасындағы жартысынан сәл жоғары). Бұл тепе-теңдік шамамен 0 мВ-та орналасады (яғни, EPSP тогының кері потенциалы шамамен 0 мВ-қа тең). Дегенмен, постсинаптикалық мембраналық потенциал, пресинаптикалық бір глутамат бөлінісі кезінде тынығу потенциалынан бірнеше милливольтқа ғана өзгереді, себебі көптеген AMPAR арналары ашылмайды. Синаптық кеңіштегі глутаматтың өмір сүру ұзақтығы AMPAR арнасының қысқа ғана ашылуына мүмкіндік бермейді, сондықтан тек шағын деполяризация туындайды. Ашық AMPAR арнасы көбінесе кальций өткізбейтін деп есептеледі, бірақ бұл шамамен ғана дұрыс, өйткені белгілі бір құрамы бар AMPAR кальцийді NMDAR-ға қарағанда басқа деңгейде және жиілікте өткізе алады. Тарихи тұрғыдан алғанда, LTP-ні тудырудың ең көп қолданылатын тәжірибелік әдісі – синапстың немесе синапстар тобының пресинаптикалық аксонына тетаникалық стимуляция беру болып табылады. Бұл тетанус жиілігі әдетте 100 Гц-ке жетеді және ұзақтығы шамамен 1 секундты құрайды. Бір AMPAR-мен шартталған EPSP-нің шыңға жету уақыты шамамен 2-5 мс, ал ұзақтығы шамамен 30 мс-қа тең. Егер синапс 100 Гц жиілігімен стимуляцияланса, пресинаптикалық нейрон әр 10 мс сайын глутаматты босатуға тырысады. Алдыңғы EPSP-ден кейін 10 мс өткен соң пайда болатын EPSP, алдыңғы EPSP-нің ең жоғары амплитудасы кезінде жетеді. Осылайша, 100 Гц стимуляция кезінде әр EPSP алдыңғы EPSP-лердің нәтижесінде туған мембраналық деполяризацияға қосылады. Бұл синаптық жиынтықталу мембраналық потенциалды жалғыз синаптық стимулмен қол жеткізе алмайтын мәндерге қарай итереді. EPSP-лер жиынтықтасқанда, олар оқу шегінен асып түседі.

NMDA рецепторларының рөлі

NMDA рецепторы (NMDAR) тынығу немесе тынығуға жақын мембраналық потенциал жағдайында EPSP-ге елеулі ток қоспайды. Пресинаптикалық глутаматтың босатылуынан кейін, ол AMPA рецепторымен (AMPAR) байланысып, оны ашады, содан кейін NMDAR да осы глутаматпен байланысып ашылады. Дегенмен, ток NMDAR иондық каналы арқылы өте алмайды, себебі ол NMDAR каналының ашық тесігінің "ішіндегі" орынға байланысатын магний ионы (Mg2+) арқылы дереу бұғатталады. Магний осы байланысу орнына тек NMDAR каналы глутамат байланысу арқылы ашылғанда ғана кіре алады, бұл ашық каналды тұйықтау деп аталады.

Магний блокадасы

NMDAR арнасының магний блокадасы LTP индукциясы тұрғысынан ерекше маңызды, себебі блокада мембраналық кернеуге тәуелді. Бұл кернеуге тәуелділіктің негізі салыстырмалы түрде қарапайым. NMDAR каналы – трансмембраналық ақуыз, яғни ол жасуша мембранасынан өтеді. Осылайша, ол мембраналық потенциал тудыратын электр өрісін қамтиды. NMDAR арнасындағы магний байланысу орны осы электр өрісінің ішінде орналасқан. Қос оң зарядты магний иондарына бұл өріс әсер ете алады. Жасуша гиперполяризацияланғанда магний арнаның ішінде тұрақтанады (яғни магний ионындағы екі оң заряд электр өрісінің теріс полюсіне тартылады, ол жасушаның ішкі жағына бағытталған). Жасушаның деполяризациялануымен магний ионына әсер ететін өріс әлсірейді және магний иондарының арнада қалу уақыты қысқарады. Осылайша, магний мен NMDAR арнасы арасындағы байланыс реакциясының кинетикасы магнийдің мерзімді түрде ажыралып, арнадан шығып, орнына басқа магний ионының келуіне мүмкіндік береді. Магний ашық арнадан жоқ болған (өте қысқа) уақытта натрий және кальций сияқты басқа иондар арна арқылы өте алады. Бірақ жасуша гиперполяризацияланғанда магнийдің байланысқан күйі тұрақтанады, ол арнадан сирек және қысқа уақытқа (орташа есеппен) шығады. Жасушаның гиперполяризациясы азайғанда магний арнадан жиірек шығады және ұзақ уақытқа (орташа есеппен) қалады. Сондықтан ашық NMDAR арнасының магний блокадасы мембраналық кернеуге тәуелді. NMDAR арнасының өзі кернеуге тәуелділік көрсетпесе де (оның ашық арнасының I/V қисығы көбінесе сызықтық), магний блогының кернеуге тәуелділігі, тікелей болмаса да, осы арнаға кернеуге тәуелділік қасиетін береді. Осылайша, NMDAR каналы бір мезгілде лигандқа және кернеуге сезімтал канал болып табылады. Бұл факт NMDAR-дың Хеббилік сәйкестік детектор ретінде жұмыс істеуі үшін маңызды. Нақтырақ айтқанда, ашық және бұғатталмаған NMDAR арқылы өтетін ішкі катиондық ток (натрий немесе кальций) деполяризация кезінде азаяды (электрохимиялық "жетектеуші күштің" төмендеуіне байланысты), бірақ кернеуге тәуелді бұғатталу осы жетектеуші күштің төмендеуінен асып түседі, сондықтан алдын ала және постсинаптикалық импульстардың сәйкес уақытта туындауынан туындаған омыртқаға кальций ағыны жеке импульстардың тудырған ағынының қосындысынан әлдеқайда артық. Бұл қосымша немесе "сызықтық емес" кальцийдің енуі күштіліктің өзгеруіне әкеледі.