Принцип конформационных изменений в регуляторных белках с минимальной затратой энергии на запись информации в нейронах лежит в основе ряда концепций о молекулярной основе памяти [Либерман Е. А., 1975; Бородкин Ю. С, 1976; Matthies H., 1974; Conrad M., 1976], в соответствии с которыми отдельные молекулы являются основными рабочими элементами в мозге, а функция нейрона позволяет связать эти элементы друг с другом.
По мнению Е. И. Либермана (1975), при изменении конформации рецепторного белка к его поверхности присоединяется соответствующая молекула глико- или фосфолипида, образующая площадку на универсальном «белке памяти».
В качестве последних он рассматривает АТФазу, УТФазу, цитохром Bs и другие белки. При этом для записи информации с любого из рецепторов используется минимальная свободная энергия порядка 5 — 10 кТ, и запись может быть осуществлена одним электроном или за счет распада одной молекулы АТФ с переходом фермента в энергетически напряженное состояние.
Центральная идея концепции М. Conrad (1976) заключена в том, что реализация механизмов памяти осуществляется посредством конформационных изменений аллостерических ферментов, определяющих события, распознаваемые нейроном, и катализирующих процессов, ведущих к формированию нервного импульса. Важно, что «молекулы памяти» М. Conrad располагаются в дендритах, что позволяет оценивать их работу как изменение амплитуды входа.
В «молекуле памяти» автор выделяет участок хранения с одной из двух конформации. В одной из них молекула регистрирует приход импульса, а в другой — его отсутствие. Регуляторный участок контролирует способность такой молекулы принимать новую информацию. Этот процесс включает сенситизацию молекулы, когда она переходит в состояние, в котором участок хранения существует в течение определенного времени после поступления нервного импульса, и стабилизирует свою собственную конформацию.
Процесс фиксации предупреждает молекулы от «разгрузки» информации. Активный участок непосредственно катализирует события, связанные с формированием нервного импульса.
Такая схема Conrad представляет несомненный интерес хотя бы потому, что она рассматривает память как обычное взаимодействие различных элементов нейрона, а конформационные изменения мембранных белков — как рабочий механизм, определяющий формирование нервного импульса. К сожалению, М. Conrad не указывает конкретно, с какими молекулярными структурами следует идентифицировать так называемые «молекулы памяти», предполагая лишь, что сенситизация таких молекул есть не что иное, как взаимодействие ионов с регуляторными участками рецепторов.
Н. Matthies (1978) предложил модель внутриклеточной регуляции синаптической активности нейронов, в которой выделяются три ступени регуляции. Синаптосомальная регуляция осуществляется через изменение конформации ферментов рецепторных и мембранных белков, вызывая специфические изменения синаптической активности, через которую реализуется активность нейрона. Рибосомальная ступень регуляции синтеза белка контролируется уровнем транспортных метаболитов, образующихся в результате синаптической активности.
Ядерная ступень регуляции включает влияние транспортных метаболитов и ионов на синтез ядерной РНК, что, в свою очередь, ведет к количественным изменениям в синтезе белков, а именно: к повышению или снижению образования мембранных, ферментативных, рецепторных белков, к изменению функциональных характеристик синапсов, включая изменения синтеза сократительных белков синапсов, регулирующих степень их напряженности (релаксация или напряжение с соответствующими расширениями или уменьшением размеров синаптической щели).
По гипотезе Н. Matthies системная активность нейронов, отраженная в их первичной нейрональной активности, лежит в основе кратковременного хранения информации, занимающей период нескольких секунд или минут. Процесс фиксации следа в нейрональном ансамбле занимает несколько минут или часов и связан с конформационными изменениями синаптосомальных ферментов, рецепторных и мембранных белков. Длительное хранение энграмм в течение нескольких месяцев и лет обусловлено структурными изменениями синапсов в результате количественных изменений синтеза белков.
«Нейрохимические и функциональные основы долговременной памяти»,
Ю.С. Бродкин, Ю.В. Зайцев