Марина Чернышева - Временнáя структура биосистем и биологическое время

Свойства HCN каналов позволяют нейрону оценивать длительность интервала между первым и «спонтанным» спайками (как двумя последовательными «событиями» на мембране). Темпоральные параметры интервала в значительной степени зависят от регулируемых характеристик: длительности гиперполяризационной фазы предыдущего спайка, скорости нарастания гиперполяризации до величины мембранного потенциала, пороговой для открывания поры HCN канала, а также от времени достижения (благодаря активности HCN) потенциалом мембраны критического уровня деполяризации, пороговой для потенциал-зависимых быстрых ионных каналов, обусловливающих генез второго спонтанного спайка. В совокупности эти процессы определяют и его латентный период, рассматриваемый как параметр, сопряженный со временем поступления информации о воздействии (Foffani et al., 2008) или ее анализа (Радченко, 2002). Вместе с тем, собственно темпоральные параметры изменения мембранного потенциала в связи с активностью НCN имеют информативный смысл. Способность осцилляторного HCN канала к генерации разрядов «спонтанных» потенциалов действия обусловливает их существенную роль в обеспечении ряда базисных функций нервной системы. Известно, что HCN играют ключевую роль в поддержании (гомеостатировании) потенциала покоя клеточной мембраны (Azene et al., 2003). Например, в нейронах ядер мозжечка возникающий после глубокой следовой гиперполяризации высокочастотный разряд спайков на волне деполяризации обеспечивается аддитивно током быстрых кальциевых Т-каналов (IT) и выпрямляющим более медленным током IH через калиевые HCN. При этом временные параметры IH определяют скорость закрывания кальциевого Т-канала и возврата к потенциалу покоя мембраны (Engbers et al., 2011). Подобные периодически повторяющиеся высокочастотные разряды, генерируемые в так называемых «командных» нейронах и нейронах, секретирующих нейропептиды, важны не только для аксонального транспорта и выделения нейропептида (медиатора и/или гормона), но и для поддержания определенного, относительно постоянного, уровня возбудимости нейрона и нервного центра, на фоне которого облегчается выделение информативно значимого сигнала (Foffani et al., 2009). Возможно, этот же тип каналов характерен для «клеток времени», описанных в поле СА1 гиппокампа (MacDonald et al., 2013; Kraus et al., 2013), на что указывает распространенность НСN в дендритах и аксонах пирамидных нейронов и ГАМК-эргических интернейронов гиппокампа, а также участие HCN в регуляции длительности ВПСП и ТПСП и в поддержании θ-ритма (Gastrein et al., 2011).

Показано, что HCN2, HCN3 и HCN4, локализованные в перехватах Ранвье миелинизированных сенсорных и моторных нервных волокон, различаются по чувствительности к уровню гиперполяризации и цАМФ, обусловливая более низкий порог генерации спайка в сенсорных (Howells et al., 2012) и, в итоге, способствуя различению информации сенсорной, поступающей от рецепторов, и эффекторной. Вместе с тем, способность HCN к генерации периодических разрядов спайков можно расценить как один из факторов формирования и поддержания реперной или уставной точки (set point) эндогенного времени (Чернышева, 2008б) (см главу IV).

Описанные свойства осцилляторных ионых каналов клеточных мембран позволяют предположить, что HCN могут выполнять функцию сенсора времени. Действительно, следуя парадигме информаци-ионно-энергетической природы времени, представленной в главе 1, предполагаемый сенсор должен обладать: 1. прямой или опосредованной чувствительностью к уровню метаболизма (концентрации определенных метаболитов, осмотическому давлению), а также к уровню свободной энергии. Последний характеризуют, в частности, потенциал клеточной мембраны, значения рН и температуры, концентрации цАМФ, и т. д.; 2. способностью генерировать временные процессы, совокупность которых формирует эндогенное время. Перечисленные свойства присущи HCN.

Из приведенных особенностей функционирования Na,K-АТФазы и HCN как мембранных генераторов временных процессов к их общим свойствам можно отнести: зависимость активности от потенциала мембраны и поддержание асимметрии ионов/потенциала покоя; зависимость от уровня энергоносителей (АТФ или цАМФ, трансмембранного градиента Na+ и H+); взаимосвязь с информацией и метаболизмом; способность к запуску временных процессов в цитоплазме, прямому и/или опосредованному через мембранные генераторы монофазных процессов. Постоянная активность Na,K-АТФазы и длительная работа HCN после активации, а также, возможно, функция сенсора времени, реализуемая HCN, предполагает их ведущую роль в поддержании базовой временной структуры клетки.