Биохимия нервной ткани. Биохимия нервной ткани Структура и функции нервной ткани. Особенности ее состава и метаболизма

По своему соcтаву и процессам метаболизма нервная ткань значительно отличается от других тканей.

НЕЙРОН

Нейрон - это функциональная единица нервной системы, он состоит из тела (сомы) , многочисленных ветвящихся коротких отростков – дендритов и одного длинного отростка – аксона , длина которого может достигать несколько десятков сантиметров. Аксоны и дендриты оканчиваются синаптическими образованиями . Дендриты, проводят нервный импульс по направлению к телу клетки, а аксон, проводит его от сомы. Таким образом, дендриты и аксоны отвечают соответственно за получение и передачу сигнала. Тело нейрона является трофическим центром, нарушение целостности которого ведет клетку к гибели.

Тело нейрона окружено плазматической мембраной – плазмалеммой . Плазмалемма выполняет структурную функцию, служит барьером для поддержания внутриклеточного состава (клеточные органеллы, везикулы нейромедиаторов, метаболиты), играет активную (ионные насосы, ферменты) и пассивную (ионные каналы, высвобождение нейромедиатора) роли в создании мембранного потенциала, транспорте веществ через мембрану и передаче нервного импульса.

Внутри нейрон заполнен нейроплазмой (цитоплазмой). Объем нейроплазмы аксона и дендритов, может в несколько раз превышать объем нейроплазмы в теле нейрона. Нейроплазма содержит все основные органеллы клетки.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕРВНОЙ ТКАНИ

В связи с различием строения, серое и белое вещество нервной ткани отличаются по химическому составу.

В сером веществе воды больше, чем в белом.

В сером веществе белки составляют половину плотных веществ, а в белом веществе – одну треть.

В белом веществе на липиды приходится более половины сухого остатка, а в сером – лишь около 30%.

Химический состав серого и белого вещества головного мозга человека

Белки нервной ткани

В головном мозге на белки приходиться 40% сухой массы. В настоящее время выделено более 100 белковых фракций нервной ткани (методами хроматографии, электрофореза и экстракции буферными растворами).

В нервной ткани содержатся простые и сложные белки.

Простые белки

Нейроальбумины – основные растворимые белки (89-90%) нервной ткани, являются белковым компонентом фосфопротеинов, в свободном состоянии встречаются редко. Легко соединяются с липидами, нуклеиновыми кислотами, углеводами и другими небелковыми компонентами.

Нейроглобулины, содержатся в небольшом количестве (в среднем 5%).

Катионные белки - основные белки (рН 10,5 – 12,0), например, гистоновые. При электрофорезе они движутся к катоду.

Нейросклеропротеины (опорные белки). Например,нейроколлагены, нейроэлластины, нейростромины и др. Они составляют 8-10% от всех простых белков нервной ткани, локализованы в основном в белом веществе головного мозга и ПНС, выполняют структурно-опорную функцию.

Сложные белки

Сложные белки нервной ткани представлены: нуклеопротеинами, липопротеинами, протеолипидами, фосфопротеинами, гликопротеинами и т.д.

Гликопротеины – содержат олигосахаридные цепи, которые придают специфические отличия клеточным мембранам. Нейроспецифические гликопротеины участвуют в формировании миелина, в процессах клеточной

адгезии, нерорецепции и взаимном узнавании нейронов в онтогенезе и при регенерации.

Протеолипиды – в наибольших количествах содержатся в миелине и в небольших количествах - в синаптических мембранах и синаптических пузырьках.

Нейроспецифические белки

В цитоплазме нейронов присутствуют кальцийнейрин, белок 14-3-2, белок S-100, белок Р-400.

Белок S-100 (или кислый белок), содержит много глутаминовой и аспарагиновой кислот, гомологичен мышечному тропонину С, находиться в цитоплазме или связан с мембранами. На 85-90% он сосредоточен в нейроглии, и на 10-15% в нейронах. Участвует в развитии нервной системы и ее пластичности. Концентрация S-100 возрастает при обучении животных.

Белок 14-3-2 - кислый белок, который преимущественно локализован в нейронах ЦНС.

Белок Р-400 находится в мозжечке мышей, где, возможно, отвечает за двигательный контроль.

К сократительным белкам нейронаотносятсянейротубулин, нейростенин, актиноподобные белки (кинезин и др.). Они обеспечивают ориентацию и подвижность цитоскелета (микротрубочек и нерофиламентов), активный транспорт веществ в нейроне, участвуют в работе синапсов.

В нейронах имеются белки, осуществляющие гуморальную регуляцию. Это некоторые гликопротеины гипоталамуса, нейрофизины и подобные им белки.

На мембране нейронов расположены нейроспецифические поверхностные антигены (NS 1 , NS 2 , L 1) с неизвестной функцией и факторы адгезии клеток(N-САМ), важные для развития нервной системы.

Нейроспецифические белки участвуют в осуществлении всех функций нервной системы - генерации и проведении нервного импульса, процессах переработки и хранении информации, синаптической передаче, клеточном узнавании, рецепции и др.

Нервная система включает головной и спинной мозг и периферические нервы. Химический состав нервной ткани очень сложный. Она состоит из разнообразных веществ, входящих в состав других тканей организма и некоторых веществ, встречающихся почти исключительно в нервной ткани . Различные отделы нервной системы, выполняющие разные функции, как, например, серое и белое вещество полушарий головного мозга, мозжечок, продолговатый мозг, спинной мозг, периферические нервы, имеют неодинаковый состав. Это позволяет сделать заключение, что различие в функции нервной системы связано с определенным различием химического состава ее отделов.

Химический состав мозга меняется с возрастом . В мозговой ткани новорожденного цереброзиды почти полностью отсутствуют. Увеличение их количества идет параллельно с формированием миелиновых оболочек. С возрастом сухое вещество увеличивается, а количество фосфорных соединений уменьшается.

Неодинаково также содержание фосфорных соединений в мозгу животных разного пола. Так, у самок количество фосфолипидов и общего фосфора больше, чем у самцов.

Различные отделы нервной системы отличаются прежде всего по содержанию в них воды . Наиболее богата водой кора больших полушар ий мозга, выполняющая важную и сложную функцию, менее - белое вещество мозга, затем спинной мозг и, наконец, нервные волокна .

То же самое наблюдается в содержании белка в разных отделах нервной системы, а количество липидов меняется в обратном порядке . Ниже приводятся общие показатели химического состава различных отделов нервной системы:

Отделы нервной системы Вода Белки Липиды

Серое вещество мозга 82,7 51,0 25,0

Белое вещество мозга 74,0 33,0 40,0

Спинной мозг 72,8 31,0 . 43,0

Периферические нервы 60,0 28,5 50,0

Белки нервной ткани очень разнообразны. Среди них обнаружены белки, близкие по своим свойствам к альбуминам и глобулинам, белки типа кератинов и эластина, нуклеопротеиды и липопротеиды . В сером веществе мозга содержатся белки нейроглобулины и нейростромин , в составе которых до 0,5 % фосфора . Нейроглобулин является дезоксирибонуклеопротеидом, а нейростро­мин- рибонуклеопротеидом. Около 20-45 % всех органических веществ ядер серого и белого вещества приходится на долю нуклеиновых кислот. При этом 20-30 % нуклеиновых кислот ядер нервных клеток мозга составляет РНК, количество кото­рой в других клетках организма значительно меньше.

В белках мозга находится также нейрокератин , который по растворимости и устойчивости к действию протеолитических ферментов похож на кератин других тканей . Он отличается от кератинов кожи и шерсти по своему химическому строению (нейрокератин является липопротеидом, растворим в хлорофор­ме) и аминокислотному составу (например, аргинина в нем со­держится в 2 раза меньше, чем в кератине). Нейрокератин сосредоточен главным образом в белом веществе мозга и нерв­ных волокнах (аксонах) . Нейрокератик вместе с фосфолипидами образует оболочку нервного волокна ,

Среди белков мозга обнаружены также коллаген и эластин.

Белки нервной ткани нередко образуют с липидами слож­ные комплексы - липопротеиды и протеолипиды.

Большое место среди белков нервной системы составляют белки-ферменты всех видов обмена веществ . В мозгу и периферических нервах обнаруже­ны ферменты, катализирующие превращения белков, углеводов и липидов. В частности, в нервной ткани найдены: амилаза, мальтаза, фосфорилаза, кислая и щелочная фосфатазы, фосфотидазы, РНК-аза и ДНК-аза, протеазы, холинэстеразы, кар-бангидраза, каталаза, цитохромная система, дегидрогеназы, ферменты гликолиза и окислительного декарбоксилирования кетокислот, оксидазы и декарбоксилазы аминокислот, транс­портные АТФ-азы и др. Следовательно, нервная система боль­шим набором ферментов обеспечивает все стороны ее обменных процессов.

Углеводы. В нервной ткани содержатся гликоген (100- 150 мг%), глюкоза 150 мг % и пентозы. В мозгу содержатся гетерополисахариды , главным образом ганглиозиды - гликолипиды , которые состоят из остатков глюко­зы, галактозы, сфингозина, высших жирных кислот и нейраминовой кислоты. В результате исследования биохимических механизмов синаптической передачи нервного импульса установ­лена значительная роль ганглиозидов и фермента нейраминидазы (расщепляет нейраминовую кислоту) в синаптических мембранах. Предполагают, что нейраминидаза является мем­бранным ферментом, а ганглиозиды, которые содержат нейра­миновую кислоту, служат одним из компонентов активного транспорта ионов.

Липиды. В нервной ткани обнаружены фосфолипиды, холестерол и холестериды, цереброзиды и небольшое количество глицеридов.

Количественную характеристику и состав различных липи­дов можно видеть на примере мозга крупного рогатого скота:

Жирные кислоты липидов мозга обладают более высокой степенью ненасыщенности, чем в липидах других тканей. Среди непредельных жирных кислот нервной ткани встречаются та­кие, которые имеют 4 (арахидоновая кислота) и даже 5 (клупанодоновая кислота) двойных связей. Большинство жирных кислот входит в состав фосфолипидов, далее по количеству жир­ных кислот идут цереброзиды, сфингомиелины и, наконец, нейт­ральные жиры. Состав липидных веществ мозга отличается от их состава в других органах и тканях и прежде всего тем, что в нервной ткани содержится много фосфолипидов и холестерола .

Нервная ткань наиболее богата кефалином, сфингомиелином (плазмалогены), на долю которых приходится 1/3 всех фосфо­липидов в белом веществе мозга и около 1/5 в сером веществе.

Большинство холестерола в нервной системе находится в свободном состоянии, а не в виде холестеридов. Часть холесте­рола мозга связана с белками. Содержание холестерола в нерв­ной системе увеличивается с возрастом.

Для серого вещества полушарий мозга характерна высокая концентрация ганглиозидов.

Минеральные вещества нервной ткани распределены в раз­ных отделах нервной системы примерно равномерно. В голов­ном и спинном мозге найдены К, Na, Ca, Mg, Cu, Fe, Al, Zn, Mn, Co, P, Cl, I, S. Некоторые ионы, особенно ионы калия, играют большую роль в нервной деятельности , в частности в проведении импульсов по нервному волокну . Большинство гонов находится в связанном состоянии с белками и липидами.

Экстрактивные вещества. В нервной ткани обнаружены азо­тистые и безазотистые низкомолекулярные вещества, встречаю­щиеся в других органах и тканях (печень, мышцы). Из азоти­стых экстрактивных веществ обнаружены: креатин, фосфокреатин, АТФ и АДФ, свободные аминокислоты, холин, ацетилхолин, серотонин, γ-аминомасляная кислота, мочевая кислота, глютамин и аспарагин, гистамин и др. К безазотистым экстрак­тивным веществам относят глюкозу, инозит, лактат, пируват, триозо- и гексозофосфаты.

Нервная ткань

Гладкая мышечная ткань нейрального происхождения.

Гладкая мышечная ткань эпидермального происхождения

Миоэпителиальные клетки развиваются из эпидермального зачатка. Они встречаются в потовых, молочных, слюнных и слезных железах и имеют общих предшественников с железистыми секреторными клетка­ми. Миоэпителиальные клетки непосредственно прилежат к собственно миоэпителиальным и имеют общую с ними базальную мембрану. При реге­нерации те и другие клетки восстанавливаются из общих малодифференцированных предшественников. Большинство миоэпителиальных клеток имеют звездчатую форму. Эти клетки нередко называют корзинчатыми: их отростки охватывают концевые отделы и мелкие протоки желез. В теле клетки располагаются ядро и органеллы общего значения, в отростках - сократительный аппарат, организованный, как и в клет­ках мышечной ткани мезенхимного типа.

Миоциты этой ткани развиваются из клеток нейрального зачатка в составе внутренней стенки глазного бокала. Тела этих клеток распола­гаются в эпителии задней поверхности радужки. Каждая из них имеет отросток, который направляется в толщу радужки и ложится параллель­но ее поверхности. В отростке находится сократительный аппарат, ор­ганизованный так же, как и во всех гладких миоцитах. В зависимости от направления отростков (перпендикулярно или параллельно краю зрач­ка) миоциты образуют две мышцы - суживающую и расширяющую зрачок.

Нервная ткань - это система взаимосвязанных нервных клеток и нейроглии, обеспечивающих специфические функции восприятия раз­дражений, возбуждения, выработки импульса и его передачи. Она является основой строения органов нервной системы, обеспечивающих регуляцию всех тканей и органов, их интеграцию в организме и связь с окружающей средой.

В нервной ткани выделяют два типа клеток - нервные и глиальные. Нервные клетки (нейроны, или нейроциты) - основные структурные компоненты нервной ткани, выполняющие специфическую функцию. Нейроглия обеспечивает существование и функционирование нервных к исток, осуществляя опорную, трофическую, разграничительную, сек­реторную и защитную функции.

Нейроны, или нейроциты, - специализированные клетки нервной системы, ответственные за получение, обработку и передачу сигнала на другие нейроны, мышечные или секреторные клетки. Нейрон являет­ся морфологически и функционально самостоятельной единицей, но с помощью своих отростков осуществляет синаптический контакт с дру­гими нейронами, образуя рефлекторные дуги - звенья цепи, из которой построена нервная система. В зависимости от функции в рефлекторной дуге различают три типа нейронов:

афферентные;

ассоциативные;

эфферентные.

Афферентные (или рецепторные, чувствительные) нейроны вос­принимают импульс, эфферентные (или двигательные) передают его на ткани рабочих органов, побуждая их к действию, а ассоциативные (или вставочные) осуществляют связь между нейронами.

Подавляющее большинство нейронов (99,9%) - ассоциативные.

Нейроны отличаются большим разнообразием форм и размеров. Например, диаметр тел клеток-зерен коры мозжечка 4-6 мкм, а гигант­ских пирамидных нейронов двигательной зоны коры большого мозга - 130-150 мкм. Нейроны состоят из тела (или перикариона) и отростков: одного аксона и различного числа ветвящихся дендритов. По количеству отростков различают три типа нейронов:

униполярные;

биполярные;

мультиполярные.

Дендриты представляют собой истинные выпячивания тела клетки. Они содержат те же органеллы, что и тело клетки: глыбки хроматофильной субстанции (т. Е. гранулярной эндоплазматической сети и полисом), митохондрии, большое количество нейротубул (или микротрубочек) нейрофиламентов. За счет дендритов рецепторная поверхность нейрона увеличивается в 1000 и более раз.

Аксон - это отросток, по которому импульс передается от тела клет­ки. Он содержит митохондрии, нейротубулы и нейрофиламенты, а также гладкую эндоплазматическую сеть.

Нервная ткань состоит из многих типов клеток, обладающих разнообразными специфическими функциями. Это вносит определенные трудности в знакомство с основами молекулярных процессов, протекающих в нервной ткани. Можно выделить несколько основных задач, решение которых лежит в области биохимии нервной ткани: а) изучение молекулярных основ проведения возбуждения по аксону; б) изучение молекулярных основ синаптической передачи; в) изучение особенностей метаболизма белков, липидов, углеводов, обеспечивающих выполнение основных функций нервной ткани; г) изучение молекулярных основ обработки информации и ее хранения; д) изучение молекулярных основ взаимодействия между клетками нервной ткани и других тканей организма;

Химический состав нервной ткани

. Основным его компонентом является вода, причем в сером веществе её больше, чем в белом. Сухой остаток представлен белками, липидами и минеральными веществами. Среди них в белом веществе мозга особенно много липидов - 17%. Доля белков в сером и белом веществе мозга приблизительно одинакова, она составляет, соответственно, 8 и 9%.

Миелиновая оболочка - производное плазматической мембраны глиальных клеток (олигодендроглиальных). В расчете на сухую массу содержание липидов в миелине 70-80%, белков - 20-30%. Вода составляет 40% от массы свежей ткани. То есть по сравнению с другими плазматическими мембранами в миелине содержание липидов в ~ 2 раза выше.

Липидов, специфичных для миелина, как таковых, не существует. Но миелин заметно отличается от других мембран по количественному содержанию липидов. Следует отметить высокое содержание цереброзида и пониженное количество ганглиозидов и фосфолипидов. Для миелиновой мембраны типично значительное содержание цереброзидов, причем увеличение их количества во время развития эмбриона коррелирует с процессом миелинизации. И наоборот, содержание цереброзидов оказывается явно меньше, если в процессе миелинизации происходят патологические нарушения Миелин периферических нервов имеет подобное строение, но содержит меньше лецитина и больше сфингомиелинов. Период полураспада липидов колеблется от 5 недель (фосфатидилинозитол) до 2-4 месяцев (фосфатидилхолин, фосфатидилсерин) или до года (фосфатидилэтаноламин, холестерол, цереброзиды, сульфатиды, сфингомиелин).

Следствием высокого содержания липидов является малый процент белка. Время полураспада белков миелина составляет около 1 месяца.

Особенности метаболизма нервной ткани

Клетки нервной ткани характеризуются постоянно высоким потреблением АТФ, затрачиваемой на процессы биосинтеза белков и липидов мембран, на процессы поддержания мембранного потенциала. У человека массой 70 кг мозг массой около 1.5 кг использует 20% кислорода, потребляемого всем организмом. Скорость кровотока в мозге зависит от уровня кислорода и углекислоты в крови. При повышении pCO 2 кровоток может достигнуть максимума 90 мл/100 г ткани/мин (в обычном состоянии эта величина составляет 55-65 мл). Снижение кровотока или снижение кислорода в тканях (гипоксия или аноксия) приводит к повреждению клеток нервной ткани. Чувствительность к кислороду варьирует у клеток разных отделов мозга и зависит от возраста. В среднем потребляется 3.5 мл кислорода на 100 г нервной ткани в минуту. Основным потребителем кислорода является процесс окисления углеводов (95% всего используемого кислорода). В мозге за 1 минуту образуется 4 . 10 21 молекул АТФ. Остальная часть кислорода используется альтернативными путями, одним из которых может быть образование активных форм кислорода. Высокое потребление кислорода в нервной ткани, несомненно, сопровождается повышенным образованием таких форм, а это может вызывать опасность повреждения клеток нервной ткани. Этому же способствуют и еще ряд условий. Прежде всего, это особенности химического состава нервной ткани, отмеченные выше. Нервная ткань характеризуется высоким содержанием липидов, богатых ненасыщенными жирными кислотами. Известно, что ненасыщенные связи в этих молекулах легко подвергаются воздействию активных форм кислорода с образованием перекисных соединений. В цереброспинальной жидкости мало церулоплазмина и трансферрина - белков, способных связывать металлы (медь и железо соответственно). Эти металлы в несвязанном состоянии могут способствовать образованию наиболее токсической формы кислорода - гидроксильного радикала. Более того, нервная ткань богата негеминовыми формами железа, способствующими образованию этих радикалов. Сюда следует добавить, также, возможности появления железа из гемоглобина при небольших геморрагиях в нервной ткани, что усиливает образование токсических форм кислорода.

Схема образования активных форм кислорода путем трехэлектронного его восстановления

Нельзя исключать и возможность стимуляции образования токсических форм кислорода под влиянием нейромедиаторов. Показано, что образование свободных радикалов усиливается под влиянием такого нейромедиатора, как глутаминовая кислота. И наконец, некоторые ферменты нервной ткани могут принимать участие в образовании активных форм кислорода. В нервной ткани, как и в других тканях, существует антиоксидантная защита, проявляемая в виде ферментативной и неферментативной форм. К ферментам, участвующим в обезвреживании радикалов, относятся супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, ферменты обмена глутатиона. К неферментативным формам защиты можно отнести витамины (Е, С, А), белки (церулоплазмин, трансферрин). Показана роль мелатонина как специфического антиоксиданта нервной ткани.

Скорость переноса веществ из крови в мозг

В разных отделах мозга эти величины могут быть разными для одних и тех же веществ. Это связано с существованием так называемого гематоэнцефалического барьера, который следует рассматривать конкретно для каждого вещества или класса веществ. Гемато-энцефалический барьер нельзя представлять как единое структурное образование. Различия скоростей поступления веществ могут быть обусловлены особенностями строения эндотелия сосудов, базальной мембраны и расположением прилежащих клеток нейроглии.

Таблица 18.4. Скорость проникновения веществ из крови в мозг

Вещество		Vmax (нмоль/мин/г)
Фенилаланин
Аденозин
Трийодтиронин

Особенности обмена углеводов

Глюкоза - главный энергетический субстрат нервной клетки. Запасы гликогена в мозге незначительны (0.1% от массы мозга). Гликоген сосредоточен, главным образом, в астроглии. Высокая потребность в энергии при низких запасах гликогена ставит нервные клетки в прямую зависимость от доставки глюкозы из крови. Из 8.9 мг глюкозы, окисленной в мозге, в сосудистое русло возвращается 1.2 мг лактата и 0.1 мг пировиноградной кислоты. Это свидетельствует о том, что основным способом окисления глюкозы является аэробное окисление. Активность гексокиназы в мозге почти в 20 раз превышает таковую в других тканях. Этот фермент прочно связан с митохондриями и в сравнении с гексокиназами мышц и печени имеет более высокое сродство к глюкозе. Подобно другим тканям, в мозге фосфофруктокиназа является основным ключевым ферментом, активность которого определяет скорость потребления глюкозы. Активаторами фермента являются фруктозо-6-фосфат, АДФ, АМФ, а ингибиторами - продукты реакции, АТФ и лимонная кислота. Перечисленные вещества позволяют осуществлять регуляцию расходования глюкозы в соответствии с метаболическими потребностями клетки. Ферменты гликолиза расположены не только в теле нейрона, но находятся и в нервных окончаниях, где обеспечивают энергией работу синапсов. Во время роста и развития мозга довольно значительная доля глюкозы окисляется по пентозофосфатному пути. НАДФН + , образуемый в этом процессе, используется в реакциях синтеза холестерола, жирных кислот и в механизмах антиоксидантной защиты. Потребность в глюкозе довольно высокая. В спокойном состоянии мозг потребляет около 5 мг глюкозы в мин на 100 г массы мозга. В обычных условиях эта потребность удовлетворяется, однако гипогликемия вызывает нарушения функции клеток мозга. Это выражается в потере сознания и судорогах. При голодании в первые часы происходит мобилизация глюкозы из депо, затем уровень глюкозы в крови поддерживается благодаря глюконеогенезу. В более поздние сроки (1 неделя) голодания в качестве источника энергии нервные клетки могут использовать кетоновые тела. Инсулин не оказывает прямого влияния на потребление глюкозы клетками мозга.

Особенности обмена белков и аминокислот

Поступление аминокислот из крови в клетки мозга зависит от особенностей клеток и от гемато-энцефалического барьера. Способность клеток нервной ткани к накоплению аминокислот ограничена. В мозге имеется несколько самостоятельных зависимых от ионов натрия транспортных систем для отдельных групп аминокислот: две системы для транспорта нейтральных аминокислот и отдельные системы для транспорта кислых и основных аминокислот. Преобладающими аминокислотами в клетках нервной ткани (75% от всех аминокислот) являются глутаминовая и аспарагиновая кислоты и их производные (N-ацетиласпарагиновая, глутамин, глутатион) и ГАМК. В более высокой концентрации в мозге, по сравнению с другими клетками, находятся таурин (для него даже есть специальная система транспорта), цистатионин. Некоторые аминокислоты мозга выполняют функции нейромедиаторов (глицин, глутаминовая кислота) или используются для их синтеза (тирозин - для дофамина и норадреналина, триптофан - для серотонина, глутаминовая кислота - для ГАМК). Некоторые реакции обмена аминокислот в мозге с участием дикарбоновых аминокислот показаны на рис.18.5. Как известно, ГАМК образуется путем декарбоксилирования глутаминовой кислоты. В головном и спинном мозге она находится в больших концентрациях. ГАМК может подвергаться переаминированию с -кетоглутаратом с образованием янтарного полуальдегида и глутаминовой кислоты. Первый окисляется до сукцината, который включается в цикл трикарбоновых кислот. Это так называемый “шунт ГАМК“. Через него проходит до 20% -кетоглутаровой кислоты мозга. Глутаминовая кислота занимает центральное место в обмене аминокислот мозга. В мозге открыта активность почти всех ферментов синтеза мочевины (кроме карбомоилфосфат синтетазы). Поэтому образование мочевины в мозге не происходит. Нарушение поступления и обмена аминокислот вызывает значительные изменения функций.

Особенности образования аммиака

Аммиак образуется в мозге, главным образом, при участии аденилатдезаминазы (рис. 18.6). Атом азота аминокислоты через систему глутамат - аспартат попадает в аденилат (АМФ), который и дезаминируется. Аммиак оказывает токсическое действие на функции нейронов. Это связано с особенностями механизмов его обезвреживания в нервной ткани. Основное место в обезвреживании аммиака занимают реакции образования глютамина. В этом процессе принимают участие глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза. В качестве исходного субстрата для образования глутамина используется важный промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот - -кетоглутаровая кислота. Считается, что при увеличении концентрации аммиака в крови значительная часть этой кислоты используется для связывания аммиака. В результате происходит “утечка” субстратов из цикла трикарбоновых кислот. Это, в свою очередь, нарушает процессы окисления и ухудшает энергообеспеченность нервных клеток. Нервная ткань характеризуется высоким содержанием РНК и довольно большой скоростью образования этих молекул. В ткани мозга содержится полный набор ферментов синтеза de novo пуриновых нуклеотидов, а синтез de novo пиримидиновых нуклеотидов невозможен из-за отсутствия карбомоилфосфатсинтетазы. Зато нуклеозиды легко проходят гемато-энцефалический барьер и могут повторно включаться в синтез нуклеотидов. Недостаток одного из ферментов, катализирующих повторное использование нуклеозидов, приводит к тяжелому нарушению функций мозга (синдром Леш-Нихана).

Особенности обмена липидов

Нервная ткань отличается высокой интенсивностью обмена липидов в период развития организма и относительной стабильностью обмена у взрослого. Как уже указывалось, скорость обновления липидов мозга довольно низкая. Длительное голодание несущественно влияет на липидный обмен нервной ткани. В молодом возрасте нервные клетки способны синтезировать холестерол, однако в последующем идет постепенное снижение активности гидроксиметилглутарилредуктазы, замедление и прекращение синтеза холестерола. Активное образование сложных липидов идет в период миелинизации. Врожденные нарушения обмена сложных липидов сопровождаются тяжелыми нарушениями функций мозга (см. главу "Обмен липидов").

Метаболические взаимоотношения нейронов и глиальных клеток

Как уже упоминалось, нервная ткань представляет сложно организованную систему клеток, причем значительную долю в ней занимают клетки нейроглии. Свыше 50% от общего числа клеток мозга приходится на долю астроцитов, что составляет около 30% всего объема мозга. Внеклеточное пространство мозга сравнительно небольшое и составляет примерно 10% общего объема мозга. Поэтому незначительные изменения объема клеток и прежде всего астроглии, влекут за собой значительные изменения количества компонентов внеклеточного пространства, что может оказывать существенное влияние на функции нервных клеток. Становится очевидным, что на транспортные свойства мембран нейроглии ложится ответственность по регуляции состава и обмена внеклеточной жидкости нервной ткани. Кроме того, учитывая особенности анатомических взаимоотношений между нейроглией и нейронами, нейроглиальные клетки оказывают существенное влияние на процессы транспорта метаболитов из крови к нейронам и обратно. К этому следует добавить, что основные запасы гликогена также сосредоточены в нейроглии, что еще больше подчеркивает ее важность в трофике нейронов. Между нейронами и астроцитами происходит активный обмен информацией, поскольку нейроглиальные клетки способны синтезировать и секретировать разнообразные факторы роста и медиаторы, причем нейроглия разных отделов мозга секретирует разные соединения. Например, энкефалины образуются нейроглией мозжечка, коры мозга, гипоталамуса в ответ на стимуляцию их -рецепторов, а соматостатин образуется в нейроглии мозжечка, но не коры или полосатого тела. Астроциты могут синтезировать фактор роста нервов, инсулино-подобные факторы роста. Кроме того, мембраны астроцитов имеют рецепторы, позволяющие им реагировать на медиаторы нейронов. Среди такого рода рецепторов можно назвать, кроме упомянутых выше - адренорецепторов, также рецепторы к аминокислотам, в частности, ионо- и метаботропные глутаминовые рецепторы. Известно, что, в отличие от ацетилхолина, избыток которого разрушается специфическим ферментом ацетилхолинэстеразой, глутаминовая кислота не имеет такого рода ферментов, и ее уровень в синаптической щели поддерживается благодаря специальным транспортным системам в мембране астроцитов. Описаны три транспортные системы для ГЛУ в астроцитах: Na + -зависимое поглощение, CI - -зависимый и Са 2+ -зависимый транспортные механизмы. В области синаптической передачи с использованием глутаминовой кислоты медиатор взаимодействует не только с пре- и постсинаптическими мембранами, но и с мембранами отростков астроглиальных клеток, окружающих эту синаптическую область, на которых и расположены рецепторы к ГЛУ. Стимуляция метаботропных ГЛУ-рецепторов астроцитов ведет к активированию инозитольной системы внутриклеточных посредников, в результате чего повышается уровень внутриклеточного кальция. Это вызывает изменение активности многих Ca-зависимых регуляторных систем клетки. С влиянием ионов кальция связывают также и изменения объема астроцитов. Важное место в этом процессе отводится карбоангидразе, активность которой в 150-200 раз превышает таковую в нейронах. Под влиянием этого фермента происходит образование угольной кислоты, которая диссоциирует, и продукты диссоциации выводятся из клетки при участии Na + /H + и Cl - /HCO 3 - переносчиков. Такой обмен приводит к накоплению NaCl, повышению осмолярности внутри клеток и набуханию астроцитов. Набухание приводит к уменьшению объема внеклеточного пространства. Изменения объема клеток, зависимые от действия регуляторов и последовавшее за этим изменение внеклеточного пространства может регулировать локальные концентрации нейромедиаторов, метаболитов и факторов роста в отдельных областях мозга. Предполагается, что система нейрон - астроглия может регулировать и микроциркуляцию в мозге. Анатомия астроглиальных клеток такова, что одна клетка может контактировать с несколькими синаптическими областями, с другими астроцитами и поддерживать контакты с капиллярами. Кандидатом в исполнители такой кооперации может быть оксид азота. ГЛУ стимулирует образование астроцитами NO, который способен увеличивать скорость кровотока.

Биохимические основы некоторых нервно-психических заболеваний

В этом подразделе мы будем исходить из того, что читатель уже имеет представление об основах нейрофизиологии и нейроанатомии. Поэтому мы обсудим группу заболеваний, в механизме развития которых отчетливо просматриваются биохимические аспекты: миастению гравис, инсульт, заболевания, развившиеся вследствие мутаций в митохондриальной ДНК, синдром ломкой Х-хромосомы и другую патологию, обусловленную повтором триплетов в ДНК, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и шизофрению. Болезнь Гантингтона уже описана в разделе "Нуклеиновые кислоты". Все названные нервно-психические расстройства характеризуются хроническим течением и нарушением интеллектуальных функций, приводящим к деградации личности. Примечательные данные приводит Национальный фонд исследования мозга (США). Только в этой стране прямые затраты на заболевания, связанные с расстройством функций мозга (психиатрические, неврологические, алкоголизм и др.), составляют более 401 млрд долларов в год или 1/7 всех расходов на здравоохранение США.

Биохимические механизмы повреждения мозга в результате инсульта

Повреждение мозга при инсульте обусловлено снижением кровотока. В результате повреждения, в зависимости от локализации и размеров очага поражения, наблюдается потеря сознания, развитие паралича, потеря зрения, речи. Для того, чтобы назначить таким больным соответствующее лечение, необходимо представлять основные механизмы, которые вовлекаются в повреждение мозга при инсульте. Прежде всего, следует знать, что в большинстве случаев инсульт развивается в результате тромбоза мозговых артерий. Поэтому ухудшается снабжение мозга важными для его метаболизма кислородом и глюкозой. Достаточно сказать, что в их отсутствие клетки погибают менее, чем за 1 час.

Симптомы болезни Паркинсона появляются вследствие недостатка дофамина в substantia nigra и в corpus striatum

Для болезни Паркинсона характерны тремор, брадикинезия (слабость и ограниченность двигательной активности) и ригидность мышц. Оно редко встречается в возрасте до 40 лет, но в возрасте свыше 50 лет этим заболеванием страдают 1% людей. Понятие паркинсонизм - более широкое. Оно включает и другие заболевания, которые сопровождаются вышеназванными симптомами. Ключевым патологическим признаком болезни Паркинсона является дегенерация пигментных клеток в substancia nigra. В норме эти клетки синтезируют и используют дофамин в качестве нейромедиатора, за что и получили свое название - дофаминергические. Дофаминергические нейроны обнаружены во многих областях головного мозга, включая нигростриатальную, мезолимбическую, мезокортикальную и туберогипофизеальную системы.

Один из подходов в заместительной терапии болезни Паркинсона состоит в том, что L-ДОФА проходит через гематоэнцефалический барьер и превращается в мозге в дофамин

Дофаминовая гипотеза происхождения шизофрении

В различные периоды времени возникали биохимические теории, в соответствии с которыми в возникновении шизофрении участвовали ацетилхолин, -аминомасляная кислота (ГАМК), норадреналин, опиаты, пептиды и другие молекулы. Однако в последние 30 лет наибольшее внимание приковано к дофамину. В начале 50-х годов, сразу после успешного начала использования неролептиков (антипсихотиков) для лечения психозов, в том числе шизофрении, было замечено, что у шизофреников в ходе такой терапии развивается паркинсонизм. Подобные наблюдения навели на мысль о том, что нейролептики снижают уровень дофамина в организме. Эти и другие факты подтверждали участие дофамина в развитии шизофрении (табл. 18.10). В соответствии с гипотезой происхождения шизофрении эту патологию рассматривают как проявление гипердофаминергии. Противоположно, болезнь Паркинсона может рассматриваться как состояние гиподофаминергии.

Биохимия нервной системы изучает химический состав нервной ткани и особенности ее метаболизма. Специфика нервной ткани определяется гематоенцифаличним барьером (ГЭБ). Он обеспечивает избирательную проницаемость различных метаболитов и способствует накоплению отдельных веществ в нервной ткани, поэтому ее внутренняя среда значительно отличается по химическому составу от других тканей. Характерные особенности нервной ткани определенны ее функциями в целом организме и проявлением в ее химическом составе и метаболических процессах, которые ей присущи.

Серое вещество головного мозга представлено преимущественно телами нейронов, белое — аксонами, поэтому эти отделы различаются по химическому составу.

Серое вещество содержит больше воды. Доля сухого остатка в ней составляет 16%, половину составляют белки, треть — липиды. Белое вещество мозга отличается меньшим количеством воды (70%) и большим содержанием сухого остатка (30%), в котором липидов вдвое больше, чем белков.

Белки нервной ткани

Количество белков в головном мозге составляет около 40%. По растворимости они делятся на:

а) растворимые в воде;

б) растворимые в солевых растворах;

в) нерастворимые.

Серое вещество содержит больше водорастворимых белков, белое — наоборот, нерастворимых. С помощью современных биохимических методов исследования в ткани мозга найдено около 100 растворимых белков. Белки нервной ткани делятся на простые и сложные.

Простые белки нервной ткани

К простым белкам относят нейроальбумины, составляющие 90% всех растворимых белков нервной ткани. Они образуют комплексы с липидами, нуклеиновыми кислотами, углеводами, являются основными компонентами фосфопротеина, а в свободном состоянии практически не встречаются. Количество нейроглобулинов составляет около 5% от всех растворимых белков. Главными представителями катионных белков нервной ткани является гистоны, которые разделяют на 5 фракций в зависимости от содержания в их составе остатков лизина, аргинина, глицина. Нейросклеропротеины (нейроколагены, нейронеластины, нейростромины) — структурноопорные белки, на долю которых приходится 8-10% от количества простых белков нервной ткани. Они локализованы в периферийной нервной системе и белом веществе головного мозга.

Сложные белки нервной ткани

Белки представлены нуклеопротеинами, липопротеинами, протеолипидами, фосфопротеинами, гликопротеинами и др. В ткани мозга также содержатся сложные надмолекулярные образования — липонуклеопротеины, липогликопротеины, гликолипонуклеопротеиновые комплексы.

Нуклеопротеиды относятся к рибонуклеопротеинам или к дезоксирибонуклеопротеинам, которые растворяются в воде, солях, лугах.

Липопротеины составляют значительную часть водорастворимых белков нервной ткани. Их липидный компонент — это в основном фосфоглицериды и холестерин.

Протеолипиды — белковолипидные комплексы — нерастворимые в воде, но растворимы в органических растворителях. В основном протеолипиды сосредоточены в миелине, которые в небольшом количестве содержатся в синаптических мембранах и синаптических пузырьках.

Фосфопротеины головного мозга составляют 2% от общего количества сложных белков. Они — компоненты мембран различных морфологических структур нервной ткани.

Гликопротеины — это гетерогенная группа сложных белков. В зависимости от соотношения белкового и углеводного компонентов их разделяют на:

а) гликопротеины, содержащие от 5 до 40% углеводов, их белковая составляющая представлена ​​альбуминами и глобулинами;

б) гликолипопротеины, в которых доля углеводов составляет от 40 до 80%, а также имеющийся липидный компонент.

Специфические белки нервной ткани:

а) белок S100 (белок Мура) — принадлежит к семейству кислых низкомолекулярных белков с большим содержанием остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот. Это нейроспецифический протеин, хотя некоторые его изоформы случаются в других тканях. В ЦНС идентифицировано 18 изоформ белков S100, которые сосредоточены в основном в нейроглии, в нейронах их не более 10-15%. Белки Мура относят к Са, Zn, Cu связывающих протеинов кальмодулинового типа с разнообразными функциями.

Они регулируют:

— фосфорилирования других белков и их ферментативную активность;

— внутриклеточный и аксональный транспорт;

— деление клеток и транскрипцию;

— подвижность и сократительную активность клеток;

— процессы пролиферации и апоптоза;

— клеточный метаболизм и др.

Белки семейства S100 как нейроспецифические имеют отношение к высшим функциям мозга — мышления, памяти, внимания, интеллекта. Увеличение количества белков S100 в крови свидетельствует о нарушении метаболических процессов в головном мозге, которые возникают при болезни Альцгеймера, шизофрении, сосудистых, злокачественных заболеваниях, алкоголизме, вследствие возрастных изменений и др.

б) белок 4312 — кислый протеин, который в небольшом количестве содержится в нейронах и нейроглии. Биологическая роль его не выяснена;

в) белок 10В — участвует в процессах памяти;

г) белки мембран синаптических пузырьков — синапсин и синаптин, синаптофизин участвуют в связывании с поверхностью синаптических пузырьков компонентов цитоскелета, регулировании высвобождения нейромедиатора из пузырьков в синаптическую мембрану.

Ферменты нервной ткани

В нервной ткани находятся неспецифические ферменты, регулирующие основные метаболические пути обмена углеводов, липидов, белков: изоферменты лактатдегидрогеназы, альдолаза, гексокиназа, малатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа, кислая фосфатаза, моноаминоксидаза и другие.

К нейроспецифическим ферментам нервной ткани относят: энолазу, изоферменты КФК (КФК), глутаматдекарбоксилазы, аргиназу, лейцинаминопептидазы, ацетилхолинэстеразу.

Липиды нервной ткани

Характерной особенностью нервной ткани является высокое содержание липидов. Липиды нервной ткани подразделяют на две группы:

1) липиды серого вещества, входящие в состав нейронных мембран;

2) липиды белого вещества, из которых построен многослойный миелиновой футляр.

Большинство липидов серого вещества аналогичны мембранным липидам других тканей.

Миелиновые структуры характерны только для нервной ткани. Типичными липидами миелина являются: холестерол, сфинголипиды, фосфолипиды. В эмбриональный период развития количество миелина в мозге незначительное, но сразу после рождения синтез миелина значительно увеличивается. Миелиновая оболочка, образовавшаяся вокруг нервных волокон, остается стабильной на протяжении всей жизни. Специфическая природа липидов нервной ткани определяет ее характерные особенности. В составе липидов нервной ткани отсутствуют нейтральные жиры, низкая концентрация жирных кислот, значительное количество сложных фосфо и гликолипидов. Белое и ​​серое вещества мозга различаются по качественному составу липидов. В сером веществе на долю фосфолипидов приходится около 60% от общего содержания липидов, в белой — 40%. В белом веществе количество холестерола, сфингомиелины, цереброзидов выше, чем в сером веществе мозга.