Биохимия на нервната тъкан. Биохимия на нервната тъкан Структура и функции на нервната тъкан. Характеристики на неговия състав и метаболизъм

По своя състав и метаболитни процеси нервната тъкан се различава значително от другите тъкани.

НЕВРОНИ

неврон- това е функционална единицанервна система, това е тяло (сом) , множество разклонени кратки процеси - дендрити и един дълъг кълн - аксон , който може да достигне няколко десетки сантиметра на дължина. Аксоните и дендритите завършват синаптични образувания . Дендритите провеждат нервния импулс към клетъчното тяло, а аксонът го отвежда от сомата. По този начин дендритите и аксоните са отговорни съответно за приемане и предаване на сигнали. Тялото на неврона е трофичен център, нарушаването на целостта на който води клетката до смърт.

Тялото на неврона е заобиколено от плазмена мембрана плазмалема . Плазмалемата изпълнява структурна функция, служи като бариера за поддържане на вътреклетъчния състав (клетъчни органели, невротрансмитерни везикули, метаболити), играе активна (йонни помпи, ензими) и пасивна (йонни канали, освобождаване на невротрансмитери) роля в създаването на мембранен потенциал, транспортиране на вещества през мембраната и трансфер нервен импулс.

Вътре невронът е запълнен невроплазма (цитоплазма). Обемът на невроплазмата на аксона и дендритите може да бъде няколко пъти по-голям от обема на невроплазмата в тялото на неврона. Невроплазмата съдържа всички основни органели на клетката.

ХИМИЧЕН СЪСТАВ НА НЕРВНАТА ТЪКАН

Поради разликата в структурата сивото и бялото вещество на нервната тъкан се различават по химичен състав.

Сивото вещество съдържа повече вода, отколкото бялото вещество.

В сивото вещество протеините съставляват половината от плътните вещества, а в бялото вещество - една трета.

В бялото вещество липидите представляват повече от половината от сухия остатък, а в сивото вещество - само около 30%.

Химическият състав на сивото и бялото вещество на човешкия мозък

Протеини на нервната тъкан

В мозъка протеините представляват 40% от сухата маса. Понастоящем са изолирани повече от 100 протеинови фракции на нервната тъкан (чрез хроматография, електрофореза и екстракция с буферни разтвори).

Нервната тъкан съдържа прости и сложни протеини.

Прости протеини

Невроалбумини -основните разтворими протеини (89-90%) на нервната тъкан, са протеиновият компонент на фосфопротеините, рядко се срещат в свободно състояние. Лесно се свързва с липидите нуклеинова киселина, въглехидрати и други непротеинови компоненти.

невроглобулини,съдържа се в малко количество (средно 5%).

Катионни протеини- основни протеини (pH 10,5 - 12,0), например хистони. По време на електрофорезата те се придвижват към катода.

Невросклеропротеини (поддържащи протеини).Например невроколагени, невроеластини, невростромини и др. Те съставляват 8-10% от всички прости протеини на нервната тъкан, локализирани са главно в бялото вещество на мозъка и PNS и изпълняват структурна и поддържаща функция.

Сложни протеини

Сложните протеини на нервната тъкан са представени от: нуклеопротеини, липопротеини, протеолипиди, фосфопротеини, гликопротеини и др. .

Гликопротеини -съдържат олигозахаридни вериги, които дават специфични разлики клетъчни мембрани. Невроспецифичните гликопротеини участват в образуването на миелин, в клетъчните процеси

адхезия, неврорецепция и взаимно разпознаване на неврони в онтогенезата и регенерацията.

Протеолипиди -в най-големи количества се намират в миелина и в малки количества - в синаптичните мембрани и синаптичните везикули.

невроспецифични протеини

Цитоплазмата на невроните съдържа калциневрин, протеин 14-3-2, протеин S-100, протеин P-400.

Протеин S-100(или кисел протеин), съдържа много глутаминова и аспарагинова киселина, е хомоложен на мускулния тропонин С, намира се в цитоплазмата или е свързан с мембрани. При 85-90% той е концентриран в невроглията и 10-15% в невроните. Участва в развитието на нервната система и нейната пластичност. Концентрацията на S-100 се увеличава, когато животните се обучават.

Протеин 14-3-2 -киселинен протеин, който е предимно локализиран в невроните на ЦНС.

Протеин R-400се намира в малкия мозък на мишки, където може да отговаря за моторния контрол.

Контрактилните протеини на неврона са невротубулин, невростенин, актин-подобни протеини (кинезин и др.). Те осигуряват ориентация и подвижност на цитоскелета (микротубули и нерофиламенти), активен транспорт на вещества в неврона и участват в работата на синапсите.

Невроните съдържат протеини, които извършват хуморална регулация. Това са някои хипоталамични гликопротеини, неврофизини и подобни протеини.

На мембраната на невроните са невроспецифични повърхностни антигени (NS 1, NS 2, L 1) с неизвестна функция и фактори на клетъчна адхезия (N-CAM), важни за развитието на нервната система.

Невроспецифичните протеини участват в изпълнението на всички функции на нервната система - генериране и провеждане на нервен импулс, процеси на обработка и съхранение на информация, синаптично предаване, клетъчно разпознаване, приемане и др.

Нервната система включва главния и гръбначния мозък и периферните нерви. Химическият състав на нервната тъкан е много сложен. Състои се от различни вещества включени в други тъкани на тялотои някои вещества открити почти изключително в нервната тъкан. Различни части на нервната система, които изпълняват различни функции, като сивото и бялото вещество на мозъчните полукълба, малкия мозък, медула, гръбначен мозък, периферни нерви, имат неравномерен състав. Това ни позволява да заключим, че разликата във функцията на нервната система е свързана с известна разлика в химичния състав на нейните отдели.

Мозъчната химия се променя с възрастта. В мозъчната тъкан на новороденото цереброзидите почти напълно липсват. Увеличаването на техния брой върви успоредно с образуването на миелиновите обвивки. С възрастта сухото вещество се увеличава, а количеството на фосфорните съединения намалява.

Съдържанието на фосфорни съединения в мозъка на животни от различен пол също не е еднакво.Така че при жените количеството фосфолипиди и общият фосфор е по-голямо, отколкото при мъжете.

Различните части на нервната система са различнипреди всичко според тяхното съдържание вода . най-богат на вода мозъчната корамозък, който изпълнява важна и сложна функция, по-малко - бели кахъримозък, тогава гръбначен мозъки накрая , нервни влакна.

Същото се наблюдава в съдържанието катерица в различни части на нервната система и броят липиди реверси. Следните са общи показателихимичен състав на различни части на нервната система:

Отдели на нервната система Вода Протеини Липиди

Сиво вещество на мозъка 82,7 51,0 25,0

Бяло вещество на мозъка 74,0 33,0 40,0

Гръбначен мозък 72,8 31,0 . 43,0

Периферни нерви 60,0 28,5 50,0

Протеини на нервната тъканмного разнообразен.Сред тях бяха открити протеини, близки по свойства до албумини и глобулини, протеини като кератини и еластин, нуклеопротеини и липопротеини. AT сива материямозъкът съдържа протеини невроглобулини и невростромин, които включват до 0,5% фосфор. Невроглобулинът е дезоксирибонуклеопротеин, а невростроминът е рибонуклеопротеин. Около 20-45% от всички органична материяядрата на сивото и бялото вещество представляват нуклеиновите киселини. При което 20-30% ядра от нуклеинови киселини нервни клеткиМозъкът е изграден от РНК, чието количество в другите клетки на тялото е много по-малко.

Среща се и в мозъчните протеини неврокератин, което по отношение на разтворимост и устойчивост на действието на протеолитичните ензими подобно на кератина в други тъкани. Той различни от кожните кератинии вълната в нейната химическа структура (неврокератинът е липопротеин,разтворим в хлороформ) и аминокиселинен състав (например съдържа 2 пъти по-малко аргинин от кератин). Неврокератин концентрирани главно в бялото вещество на мозъка и нервните влакна (аксони). Неврокератикът, заедно с фосфолипидите, образува обвивката на нервните влакна,

Колаген и еластин също са открити сред мозъчните протеини.

Протеините на нервната тъкан често образуват сложни комплекси с липиди - липопротеини и протеолипиди.

Голямо място сред протеините на нервната система заемат протеини-ензими на всички видове метаболизъм. В мозъка и периферните нерви са открити ензими, катализиращи трансформацията на протеини, въглехидрати и липиди. По-специално, в нервната тъкан се откриват: амилаза, малтаза, фосфорилаза, киселинни и алкални фосфатази, фосфотидази, РНКаза и ДНКаза, протеази, холинестерази, карбанхидраза, каталаза, цитохромна система, дехидрогенази, ензими на гликолиза и окислително декарбоксилиране на кето киселини, оксидази и декарбоксилази на аминокиселини, транспортни АТФази и др. Следователно, нервната система осигурява голям набор от ензими за всички аспекти на своите метаболитни процеси.

Въглехидрати. ATнервната тъкан съдържа гликоген (100-150 mg%), глюкоза 150 mg% и пентози.Мозъкът съдържа хетерополизахариди, главно ганглиозиди - гликолипиди, които се състоят от остатъци от глюкоза, галактоза, сфингозин, висши мастни киселини и невраминова киселина. В резултат на изследването на биохимичните механизми на синаптичното предаване на нервния импулс е установена значителна роля на ганглиозидите и ензима невраминидаза (разгражда невраминовата киселина) в синаптичните мембрани. Смята се, че невраминидазата е мембранен ензим и ганглиозидите, които съдържат невраминова киселина, служат като един от компонентите на активния йонен транспорт.

Липиди.В нервната тъкан са открити фосфолипиди, холестерол и холестериди, цереброзиди и малко количество глицериди.

Количествените характеристики и състав на различни липиди могат да се видят в примера на мозъка на голям говеда:

Мастна киселинамозъчните липиди имат повече висока степен на ненаситеност,отколкото липидите в други тъкани. Сред ненаситените мастни киселини на нервната тъкан има такива, които имат 4 (арахидонова киселина) и дори 5 (клюпанодонова киселина) двойни връзки. Повечето мастни киселини са част от фосфолипидите,следващите по отношение на броя на мастните киселини са цереброзидите, сфингомиелините и накрая неутралните мазнини. Съединение липидни веществамозъкът се различава от техния състав в други органи и тъкани и най-вече по това, че нервната тъкан съдържа много фосфолипиди и холестерол.

Нервната тъкан е най-богата на цефалин, сфингомиелин (плазмалогени), които представляват 1/3 от всички фосфолипиди в бялото вещество на мозъка и около 1/5 в сивото вещество.

Повечето холестеролв нервна системае в свободно състояние, а не под формата на холестерол. Част от холестерола в мозъка е свързан с протеини. Съдържанието на холестерол в нервната система се увеличава с възрастта.

Сивото вещество на мозъчните полукълба се характеризира с висока концентрация на ганглиозиди.

Минералинервната тъкан са разпределени в различни части на нервната система приблизително равномерно. в главата и гръбначен мозъкнамерени K, Na, Ca, Mg, Cu, Fe, Al, Zn, Mn, Co, P, Cl, I, S. Някои йони, особено калиевите йони играят важна роля в нервна дейност , по-специално при провеждането на импулси по нервните влакна. Повечето гони са свързани с протеини и липиди.

екстрактивни вещества.В нервната тъкан са открити азотни и безазотни нискомолекулни вещества, намиращи се в други органи и тъкани (черен дроб, мускули). от азотеноткрити екстрактивни вещества: креатин, фосфокреатин, АТФ и АДФ, свободни аминокиселини, холин, ацетилхолин, серотонин, γ -аминомаслена киселина, пикочна киселина, глутамин и аспарагин, хистамин и др. К без азотекстрактивните вещества включват глюкоза, инозитол, лактат, пируват, триоза и хексозофосфати.

нервна тъкан

Гладка мускулна тъкан от неврален произход.

Гладка мускулна тъкан от епидермален произход

Миоепителните клетки се развиват от епидермалната пъпка. Те се намират в потните, млечните, слюнчените и слъзните жлези и споделят общи прекурсори с секреторните клетки на жлезите. Миоепителните клетки са непосредствено съседни на собствените миоепителни клетки и имат обща базална мембрана с тях. По време на регенерацията тези и други клетки се възстановяват от обикновени недиференцирани прекурсори. Повечето миоепителни клетки имат звездовидна форма. Тези клетки често се наричат ​​кошничкови клетки: техните процеси покриват крайните участъци и малките канали на жлезите. Клетъчното тяло съдържа ядрото и органелите. общо значение, в процесите - контрактилният апарат, организиран, както в клетките на мускулната тъкан от мезенхимния тип.

Миоцитите на тази тъкан се развиват от клетките на невралния примордиум в състава вътрешна стеначаша за очи. Телата на тези клетки са разположени в епитела на задната повърхност на ириса. Всеки от тях има процес, който преминава в дебелината на ириса и лежи успоредно на повърхността му. Процесът съдържа контрактилен апарат, организиран по същия начин, както във всички гладки миоцити. В зависимост от посоката на процесите (перпендикулярно или успоредно на ръба на зеницата) миоцитите образуват два мускула - свиващ и разширяващ зеницата.

Нервната тъкан е система от взаимосвързани нервни клетки и невроглия, които осигуряват специфични функции на възприемане на стимули, възбуждане, генериране и предаване на импулси. Той е в основата на структурата на органите на нервната система, които осигуряват регулацията на всички тъкани и органи, тяхната интеграция в тялото и комуникацията с околната среда.

В нервната тъкан има два вида клетки – нервни и глиални. Нервните клетки (неврони или невроцити) - основните структурни компонентинервна тъкан със специфична функция. Невроглията осигурява съществуването и функционирането на нерва към източника, като изпълнява поддържащи, трофични, ограничителни, секреторни и защитни функции.

Невроните или невроцитите са специализирани клетки на нервната система, отговорни за приемането, обработката и предаването на сигнал към други неврони, мускулни или секреторни клетки. Невронът е морфологично и функционално независима единица, но с помощта на своите процеси той осъществява синаптичен контакт с други неврони, образувайки рефлексни дъги - звена във веригата, от които е изградена нервната система. В зависимост от функцията в рефлексна дъгаИма три типа неврони:

аферентни;

асоциативен;

еферентни.

Аферентните (или рецепторни, чувствителни) неврони възприемат импулс, еферентните (или моторни) го предават на тъканите на работните органи, подтиквайки ги да действат, а асоциативните (или интеркаларни) комуникират между невроните.

По-голямата част от невроните (99,9%) са асоциативни.

Невроните се предлагат в голямо разнообразие от форми и размери. Например, диаметърът на клетъчните тела-гранули на кората на малкия мозък е 4-6 микрона, а гигантските пирамидални неврони на двигателната зона на кората на главния мозък - 130-150 микрона. Невроните се състоят от тяло (или перикарион) и процеси: един аксон и различен брой разклонени дендрити. Според броя на процесите се разграничават три типа неврони:

еднополюсен;

биполярно;

многополюсен.

Дендритите са истински издатини на клетъчното тяло. Те съдържат същите органели като клетъчното тяло: струпвания от хроматофилно вещество (т.е. гранулиран ендоплазмен ретикулум и полизоми), митохондрии, голям брой невротубули (или микротубули) от неврофиламенти. Благодарение на дендритите рецепторната повърхност на неврона се увеличава 1000 или повече пъти.

аксон - това е процес, при който импулсът се предава от тялото на клетката. Съдържа митохондрии, невротубули и неврофиламенти, както и гладък ендоплазмен ретикулум.

Нервната тъкан се състои от много видове клетки с различни специфични функции. Това създава определени трудности при опознаването на основите на молекулярните процеси, протичащи в нервната тъкан. Могат да се отделят няколко основни задачи, чието решаване е в областта на биохимията на нервната тъкан: а) изследване на молекулярната основа за провеждане на възбуждане по аксона; б) изследване на молекулярната основа на синаптичното предаване; в) изучаване на особеностите на метаболизма на протеини, липиди, въглехидрати, които осигуряват изпълнението на основните функции на нервната тъкан; г) изследване на молекулярните основи на обработката и съхранението на информация; д) изследване на молекулярната основа на взаимодействие между клетките на нервната тъкан и други тъкани на тялото;

Химичен състав на нервната тъкан

. Основният му компонент е водата, като в сивото вещество тя е повече, отколкото в бялото. Сухият остатък е представен от протеини, липиди и минерали. Сред тях особено много са липидите в бялото вещество на мозъка - 17%. Делът на протеините в сивото и бялото вещество на мозъка е приблизително еднакъв, той е съответно 8 и 9%.

миелинова обвивка- производно на плазмената мембрана на глиални клетки (олигодендроглиални). Въз основа на сухото тегло съдържанието на липиди в миелина е 70-80%, протеини - 20-30%. Водата съставлява 40% от масата на свежата тъкан. Тоест в сравнение с други плазмени мембранив миелина съдържанието на липиди е ~ 2 пъти по-високо.

Специфични за миелин липиди като такива не съществуват. Но миелинът се различава значително от другите мембрани по отношение на количественото съдържание на липиди. Трябва да се отбележи високото съдържание на цереброзид и намаленото количество ганглиозиди и фосфолипиди. Миелиновата мембрана обикновено съдържа значително количество цереброзиди и увеличаването на техния брой по време на ембрионалното развитие корелира с процеса на миелинизация. Обратно, съдържанието на цереброзиди се оказва значително по-ниско, ако в процеса на миелинизация, патологични разстройствамиелин периферни нервиима подобна структура, но съдържа по-малко лецитин и повече сфингомиелини. Полуживотът на липидите варира от 5 седмици (фосфатидилинозитол) до 2-4 месеца (фосфатидилхолин, фосфатидилсерин) или до една година (фосфатидилетаноламин, холестерол, цереброзиди, сулфатиди, сфингомиелин).

Следствие от високото съдържание на липиди е малък процент протеин. Полуживотът на миелиновите протеини е около 1 месец.

Характеристики на метаболизма на нервната тъкан

Клетките на нервната тъкан се характеризират с постоянно високо потребление на АТФ, който се изразходва за процесите на биосинтеза на протеини и мембранни липиди, за процесите на поддържане на мембранния потенциал. При човек с тегло 70 кг мозъкът с тегло около 1,5 кг използва 20% от кислорода, консумиран от цялото тяло. Скоростта на кръвния поток в мозъка зависи от нивото на кислород и въглероден диоксид в кръвта. При повишаване на pCO 2 кръвният поток може да достигне максимум 90 ml / 100 g тъкан / min (в нормално състояние тази стойност е 55-65 ml). Намаляването на кръвния поток или намаляването на кислорода в тъканите (хипоксия или аноксия) води до увреждане на клетките на нервната тъкан. Чувствителността към кислород варира в клетките на различните части на мозъка и зависи от възрастта. Средно на 100 g нервна тъкан се изразходват 3,5 ml кислород за минута. Основният консуматор на кислород е процесът на окисление на въглехидратите (95% от целия използван кислород). В мозъка 4 се образува за 1 минута. 10 21 АТФ молекули. Останалата част от кислорода се използва по алтернативни начини, един от които може да бъде образуването на реактивни кислородни видове. Високата консумация на кислород в нервната тъкан несъмнено е придружена от повишено образуване на такива форми, което може да причини увреждане на клетките на нервната тъкан. За това допринасят и редица други условия. На първо място, това са характеристиките на химическия състав на нервната тъкан, отбелязани по-горе. Нервната тъкан се характеризира с високо съдържание на липиди, богати на ненаситени мастни киселини. Известно е, че ненаситените връзки в тези молекули лесно се атакуват от реактивни кислородни видове с образуването на пероксидни съединения. AT гръбначно-мозъчна течностмалко церулоплазмин и трансферин - протеини, които могат да свързват метали (съответно мед и желязо). Тези метали в несвързано състояние могат да допринесат за образуването на най-токсичната форма на кислород - хидроксилния радикал. Освен това, нервната тъкан е богата на нехемови форми на желязо, които насърчават образуването на тези радикали. Към това трябва да се добави и възможността за появата на желязо от хемоглобина с малки кръвоизливи в нервната тъкан, което засилва образуването на токсични форми на кислород.

Схема на образуване на реактивни кислородни видове чрез неговата триелектронна редукция

Не може да се изключи възможността за стимулиране на образуването на токсични кислородни видове под въздействието на невротрансмитери. Доказано е, че образуването на свободни радикали се засилва под въздействието на такъв невротрансмитер като глутаминовата киселина. И накрая, някои ензими на нервната тъкан могат да участват в образуването на реактивни кислородни видове. В нервната тъкан, както и в другите тъкани, има антиоксидантна защита, проявяваща се под формата на ензимни и неензимни форми. Ензимите, участващи в неутрализирането на радикалите, включват супероксид дисмутаза (SOD), каталаза и ензими на метаболизма на глутатиона. Неензимните форми на защита включват витамини (Е, С, А), протеини (церулоплазмин, трансферин). Показана е ролята на мелатонина като специфичен антиоксидант на нервната тъкан.

Скоростта на пренос на вещества от кръвта към мозъка

В различните части на мозъка тези стойности могат да бъдат различни за едни и същи вещества. Това се дължи на съществуването на т. нар. кръвно-мозъчна бариера, която трябва да се разглежда специално за всяко вещество или клас вещества. Кръвно-мозъчната бариера не може да бъде представена като единна структурна формация. Разликите в скоростите на приема на вещества могат да се дължат на структурни особености на съдовия ендотел, базалната мембрана и местоположението на съседните невроглиални клетки.

Таблица 18.4. Скоростта, с която веществата се движат от кръвта към мозъка

вещество		Vmax (nmol/min/g)
Фенилаланин
аденозин
Трийодтиронин

Характеристики на въглехидратния метаболизъм

Глюкозата е основният енергиен субстрат на нервната клетка. Запасите от гликоген в мозъка са незначителни (0,1% от мозъчната маса). Гликогенът е концентриран главно в астроглиите. Високата енергийна нужда с ниски запаси от гликоген прави нервните клетки пряко зависими от доставянето на глюкоза от кръвта. От 8,9 mg глюкоза, окислена в мозъка, съдово леглоВръщат се 1,2 mg лактат и 0,1 mg пирогроздена киселина. Това показва, че основният начин на окисление на глюкозата е аеробното окисление. Активността на хексокиназата в мозъка е почти 20 пъти по-висока от тази в други тъкани. Този ензим е силно свързан с митохондриите и в сравнение с мускулните и чернодробните хексокинази има по-висок афинитет към глюкозата. Подобно на други тъкани, в мозъка фосфофруктокиназата е основният ключов ензим, чиято активност определя скоростта на усвояване на глюкозата. Активаторите на ензима са фруктозо-6-фосфат, ADP, AMP, а инхибиторите са продуктите на реакцията ATP и лимонена киселина. Тези вещества позволяват регулирането на консумацията на глюкоза в съответствие с метаболитните нужди на клетката. Ензимите на гликолизата се намират не само в тялото на неврона, но и в нервните окончания, където осигуряват енергия за работата на синапсите. По време на растежа и развитието на мозъка доста значителна част от глюкозата се окислява по пентозофосфатния път. NADPH +, образуван в този процес, се използва в реакциите на синтез на холестерол, мастни киселини и в механизмите на антиоксидантна защита. Нуждата от глюкоза е доста висока. В покой мозъкът изразходва около 5 mg глюкоза на минута на 100 g мозъчна маса. При нормални условия тази нужда е задоволена, но хипогликемията причинява дисфункция на мозъчните клетки. Това се изразява в загуба на съзнание и конвулсии. По време на гладуване глюкозата се мобилизира от депото през първите часове, след което нивото на кръвната захар се поддържа благодарение на глюконеогенезата. В по-късните периоди (1 седмица) на гладуване нервните клетки могат да използват кетонни тела като източник на енергия. Инсулинът няма пряк ефект върху усвояването на глюкозата от мозъчните клетки.

Характеристики на метаболизма на протеините и аминокиселините

Потокът на аминокиселини от кръвта в мозъчните клетки зависи от характеристиките на клетките и от кръвно-мозъчната бариера. Способността на клетките на нервната тъкан да натрупват аминокиселини е ограничена. Мозъкът има няколко независими транспортни системи, зависещи от натриеви йони отделни групиаминокиселини: две системи за транспортиране на неутрални аминокиселини и отделни системи за транспортиране на киселинни и основни аминокиселини. Преобладаващите аминокиселини в клетките на нервната тъкан (75% от всички аминокиселини) са глутаминовата и аспарагиновата киселина и техните производни (N-ацетиласпартанова, глутамин, глутатион) и GABA. В по-висока концентрация в мозъка, в сравнение с други клетки, са тауринът (дори има специална транспортна система за него), цистатионинът. Някои мозъчни аминокиселини функционират като невротрансмитери (глицин, глутаминова киселина) или се използват за техния синтез (тирозин за допамин и норепинефрин, триптофан за серотонин, глутаминова киселина за GABA). Някои реакции на метаболизма на аминокиселините в мозъка с участието на дикарбоксилни аминокиселини са показани на фиг. 18.5. Както знаете, GABA се образува чрез декарбоксилиране на глутаминова киселина. Намира се във високи концентрации в главния и гръбначния мозък. GABA може да претърпи трансаминиране с α-кетоглутарат, за да образува янтарен полумиалдехид и глутаминова киселина. Първият се окислява до сукцинат, който е включен в цикъла на трикарбоксилната киселина. Това е така нареченият „GABA шунт“. През него преминава до 20% от -кетоглутаровата киселина на мозъка. Глутаминовата киселина е централна за метаболизма на аминокиселините в мозъка. Активността на почти всички ензими на синтеза на урея (с изключение на карбомоил фосфат синтетаза) е открита в мозъка. Следователно, образуването на урея в мозъка не се случва. Нарушаването на приема и метаболизма на аминокиселините причинява значителни промени във функциите.

Характеристики на образуването на амоняк

Амонякът се образува в мозъка, главно с участието на аденилат деаминаза (фиг. 18.6). Азотният атом на аминокиселината през системата глутамат-аспартат навлиза в аденилат (AMP), който се дезаминира. Амонячни мазилки токсичен ефектвърху функцията на невроните. Това се дължи на особеностите на механизмите на неговата неутрализация в нервната тъкан. Основното място в неутрализирането на амоняка се заема от реакциите на образуване на глутамин. Този процес включва глутамат дехидрогеназа и глутамин синтетаза. Важен междинен продукт от цикъла на трикарбоксилната киселина, α-кетоглутаровата киселина, се използва като първоначален субстрат за образуването на глутамин. Смята се, че когато концентрацията на амоняк в кръвта се увеличи, значителна част от тази киселина се използва за свързване на амоняк. В резултат на това има "изтичане" на субстрати от цикъла на трикарбоксилната киселина. Това от своя страна нарушава процесите на окисляване и влошава енергоснабдяването на нервните клетки. Нервната тъкан се характеризира с високо съдържание на РНК и доста висока скорост на образуване на тези молекули. Мозъчната тъкан съдържа пълен набор от ензими за de novo синтез на пуринови нуклеотиди, а de novo синтез на пиримидинови нуклеотиди е невъзможен поради липсата на карбомоил фосфат синтетаза. От друга страна, нуклеозидите лесно преминават кръвно-мозъчната бариера и могат да се включат отново в нуклеотидния синтез. Липсата на един от ензимите, които катализират повторната употреба на нуклеозиди, води до тежко увреждане на мозъчната функция (синдром на Lesh-Nyhan).

Характеристики на липидния метаболизъм

Нервната тъкан се характеризира с висока интензивност на липидния метаболизъм по време на развитието на организма и относителна стабилност на метаболизма при възрастен. Както вече споменахме, скоростта на обновяване на мозъчните липиди е доста ниска. Продължителното гладуване има малък ефект върху липиден метаболизъмнервна тъкан. В ранна възраст нервните клетки са способни да синтезират холестерол, но по-късно постепенен спадактивността на хидроксиметилглутарил редуктазата, забавяйки и спирайки синтеза на холестерол. Активното образуване на сложни липиди се случва по време на периода на миелинизация. Вродените нарушения на метаболизма на сложните липиди са придружени от тежко увреждане на мозъчните функции (вижте глава "Липиден метаболизъм").

Метаболитни връзки на неврони и глиални клетки

Както вече споменахме, нервната тъкан е сложно организирана система от клетки, като значителна част от нея е заета от невроглиални клетки. Над 50% от общия брой мозъчни клетки са астроцити, което е около 30% от общия обем на мозъка. Извънклетъчното пространство на мозъка е сравнително малко и представлява приблизително 10% от общия обем на мозъка. Следователно леките промени в обема на клетките, и предимно в астроглиите, водят до значителни промени в броя на компонентите на извънклетъчното пространство, което може да окаже значително влияние върху функцията на нервните клетки. Става очевидно, че транспортните свойства на невроглиалните мембрани са отговорни за регулирането на състава и обмена на извънклетъчната течност на нервната тъкан. В допълнение, като се вземат предвид особеностите на анатомичната връзка между невроглията и невроните, невроглиалните клетки оказват значително влияние върху процесите на транспортиране на метаболити от кръвта към невроните и обратно. Трябва да се добави, че основните запаси от гликоген също са концентрирани в невроглията, което допълнително подчертава значението му в невронния трофизъм. Между невроните и астроцитите има активен обмен на информация, тъй като невроглиалните клетки са способни да синтезират и секретират различни растежни фактори и медиатори, а невроглиите на различни части на мозъка секретират различни съединения. Например, енкефалините се произвеждат от невроглията на малкия мозък, мозъчната кора и хипоталамуса в отговор на стимулация на техните β-рецептори, а соматостатинът се произвежда от невроглията на малкия мозък, но не и от кората или стриатума. Астроцитите могат да синтезират нервен растежен фактор, инсулиноподобни растежни фактори. В допълнение, астроцитните мембрани имат рецептори, които им позволяват да реагират на невронни медиатори. Сред тези рецептори, в допълнение към гореспоменатите -адренергични рецептори, има и рецептори за аминокиселини, по-специално йоно- и метаботропни глутаминови рецептори. Известно е, че за разлика от ацетилхолина, чийто излишък се унищожава от специфичния ензим ацетилхолинестераза, глутаминовата киселина няма такива ензими и нейното ниво в синаптичната цепнатина се поддържа благодарение на специални транспортни системи в астроцитната мембрана. Описани са три транспортни системи за GLU в астроцитите: Na+-зависимо поемане, CI--зависими и Са2+-зависими транспортни механизми. В областта на синаптичното предаване, използвайки глутаминова киселина, медиаторът взаимодейства не само с пре- и постсинаптичните мембрани, но и с мембраните на процесите на астроглиалните клетки, заобикалящи тази синаптична област, върху която са разположени GLU рецепторите. Стимулирането на метаботропните GLU рецептори в астроцитите води до активиране на инозитолната система от вътреклетъчни медиатори, което води до повишаване на нивото на вътреклетъчния калций. Това води до промяна в активността на много Ca-зависими регулаторни системи на клетката. Промените в обема на астроцитите също са свързани с влиянието на калциевите йони. Важно място в този процес заема карбоанхидразата, чиято активност е 150-200 пъти по-висока от тази в невроните. Под въздействието на този ензим се образува въглена киселина, която се дисоциира и продуктите на дисоциация се отстраняват от клетката с участието на Na + /H + и Cl - /HCO 3 - носители. Този обмен води до натрупване на NaCl, повишаване на осмоларитета вътре в клетките и подуване на астроцитите. Отокът води до намаляване на обема на извънклетъчното пространство. Промените в клетъчния обем, зависещи от действието на регулаторите и последващата промяна в извънклетъчното пространство, могат да регулират локалните концентрации на невротрансмитери, метаболити и растежни фактори в определени области на мозъка. Предполага се, че системата неврон-астроглия може също да регулира микроциркулацията в мозъка. Анатомията на астроглиалните клетки е такава, че една клетка може да контактува с няколко синаптични области, други астроцити и да поддържа контакт с капиляри. Азотният оксид може да бъде кандидат за такова сътрудничество. GLU стимулира производството на NO от астроцитите, което е в състояние да увеличи скоростта на кръвния поток.

Биохимични основи на някои нервно-психични заболявания

В този подраздел ще изхождаме от факта, че читателят вече има разбиране за основите на неврофизиологията и невроанатомията. Ето защо ще обсъдим група заболявания, в механизма на развитие на които са ясно видими биохимичните аспекти: миастения гравис, инсулт, заболявания, които са се развили поради мутации в митохондриалната ДНК, синдром на крехка Х и други патологии, причинени от повторението на триплети в ДНК, болестта на Паркинсон, болестта на Алцхаймер и шизофренията. Болестта на Хънтингтън вече е описана в раздела Нуклеинови киселини. Всички тези нервно-психични разстройства се характеризират с хроничен ходи нарушение на интелектуалните функции, което води до деградация на индивида. Забележителни данни предоставя Националната фондация за изследване на мозъка (САЩ). Само в тази страна преките разходи за заболявания, свързани с увредена мозъчна функция (психиатрични, неврологични, алкохолизъм и др.), възлизат на повече от 401 милиарда долара годишно или 1/7 от всички разходи за здравеопазване в САЩ.

Биохимични механизми на увреждане на мозъка поради инсулт

Увреждането на мозъка по време на инсулт се причинява от намаляване на кръвния поток. В резултат на увреждане, в зависимост от местоположението и размера на лезията, има загуба на съзнание, развитие на парализа, загуба на зрение, говор. За да се предпише подходящо лечение на такива пациенти, е необходимо да се разберат основните механизми, които участват в увреждането на мозъка при инсулт. На първо място, трябва да знаете, че в повечето случаи инсултът се развива в резултат на тромбоза. церебрални артерии. Поради това се влошава снабдяването на мозъка с кислород и глюкоза, които са важни за неговия метаболизъм. Достатъчно е да се каже, че при тяхна липса клетките умират за по-малко от 1 час.

Симптомите на болестта на Паркинсон се появяват поради липса на допамин в substantia nigra и corpus striatum.

Болестта на Паркинсон се характеризира с тремор, брадикинезия (слабост и ограничена двигателна активност) и мускулна скованост. Рядко се проявява преди 40-годишна възраст, но над 50-годишна възраст 1% от хората страдат от това заболяване. Понятието паркинсонизъм е по-широко. Той включва други заболявания, които са придружени от горните симптоми. Ключовата патологична характеристика на болестта на Паркинсон е дегенерацията на пигментните клетки в substancia nigra. Обикновено тези клетки синтезират и използват допамин като невротрансмитер, за което са получили името си - допаминергични. Допаминергичните неврони се намират в много области на мозъка, включително нигростриаталната, мезолимбичната, мезокортикалната и туберохипофизната система.

Един подход в заместителната терапия на болестта на Паркинсон е, че L-DOPA преминава през кръвно-мозъчната бариера и се превръща в допамин в мозъка.

Допаминовата хипотеза за произхода на шизофренията

AT различни периодиПо това време възникват биохимични теории, според които ацетилхолин, -аминомаслена киселина (GABA), норепинефрин, опиати, пептиди и други молекули участват в появата на шизофрения. През последните 30 години обаче фокусът е върху допамина. В началото на 50-те години, веднага след това успешен стартупотреба на невролептици (антипсихотици) за лечение на психози, включително шизофрения, наблюдавано е, че шизофрениците развиват паркинсонизъм по време на такава терапия. Подобни наблюдения показват, че антипсихотиците намаляват нивото на допамин в тялото. Тези и други факти потвърждават участието на допамин в развитието на шизофрения (Таблица 18.10). В съответствие с хипотезата за произхода на шизофренията, тази патология се счита за проява на хипердопаминергия. За разлика от това, болестта на Паркинсон може да се разглежда като хиподопаминергично състояние.

Биохимията на нервната система изучава химичния състав на нервната тъкан и характеристиките на нейния метаболизъм. Спецификата на нервната тъкан се определя от кръвно-мозъчната бариера (КМБ). Той осигурява селективна пропускливост на различни метаболити и насърчава натрупването на определени вещества в нервната тъкан, така че нейната вътрешна среда е значително различна по химичен състав от другите тъкани. Характерните особености на нервната тъкан се определят от нейните функции в целия организъм и проявлението в него химичен състави метаболитни процеси, които са присъщи на него.

Сивото вещество на мозъка е представено главно от тела на неврони, докато бялото вещество е представено от аксони, така че тези участъци се различават по химичен състав.

Сивото вещество съдържа повече вода. Делът на сухия остатък в него е 16%, половината са протеини, една трета са липиди. Бялото вещество на мозъка се характеризира с по-малко количество вода (70%) и високо съдържание на сух остатък (30%), в който има два пъти повече липиди от протеините.

Протеини на нервната тъкан

Количеството протеини в мозъка е около 40%. По разтворимост те се разделят на:

а) разтворим във вода;

б) разтворими в солеви разтвори;

в) неразтворими.

Сивото вещество съдържа повече водоразтворими протеини, бялото - напротив, неразтворими. С помощта на съвременни биохимични методи на изследване са открити около 100 разтворими протеини в мозъчната тъкан. Протеините на нервната тъкан се делят на прости и сложни.

Прости протеини на нервната тъкан

Простите протеини включват невроалбумините, които съставляват 90% от всички разтворими протеини в нервната тъкан. Те образуват комплекси с липиди, нуклеинови киселини, въглехидрати, са основните компоненти на фосфопротеина и практически не се срещат в свободно състояние. Количеството невроглобулини е около 5% от всички разтворими протеини. Основните представители на катионните протеини на нервната тъкан са хистоните, които се разделят на 5 фракции в зависимост от съдържанието на лизинови, аргининови и глицинови остатъци в състава им. Невросклеропротеините (невроколагени, невронеластини, невростромини) са структурно поддържащи протеини, които представляват 8-10% от броя на простите протеини в нервната тъкан. Те са локализирани в периферната нервна система и бялото вещество на мозъка.

Сложни протеини на нервната тъкан

Протеините са представени от нуклеопротеини, липопротеини, протеолипиди, фосфопротеини, гликопротеини и др. Мозъчната тъкан също съдържа сложни надмолекулни образувания - липонуклеопротеини, липогликопротеини, гликолипонуклеопротеинови комплекси.

Нуклеопротеините се отнасят до рибонуклеопротеини или дезоксирибонуклеопротеини, които се разтварят във вода, соли, ливади.

Липопротеините съставляват значителна част от водоразтворимите протеини на нервната тъкан. Техният липиден компонент са главно фосфоглицериди и холестерол.

Протеолипидите - протеиново-липидните комплекси - са неразтворими във вода, но разтворими в органични разтворители. По принцип протеолипидите са концентрирани в миелина, който се съдържа в малки количества в синаптичните мембрани и синаптичните везикули.

Фосфопротеините на мозъка съставляват 2% от общия брой сложни протеини. Те са компоненти на мембраните на различни морфологични структури на нервната тъкан.

Гликопротеините са хетерогенна група от сложни протеини. В зависимост от съотношението на протеиновите и въглехидратните компоненти те се разделят на:

а) гликопротеини, съдържащи от 5 до 40% въглехидрати, техният протеинов компонент е представен от албумини и глобулини;

б) гликолипопротеини, в които делът на въглехидратите е от 40 до 80%, както и съществуващият липиден компонент.

Специфични протеини на нервната тъкан:

а) протеин S100 (протеин на Мур) - принадлежи към семейството на киселинни нискомолекулни протеини с високо съдържание на остатъци от глутаминова и аспарагинова киселина. Това е невроспецифичен протеин, въпреки че някои от неговите изоформи се срещат в други тъкани. В ЦНС са идентифицирани 18 изоформи на S100 протеини, които са концентрирани главно в невроглията, с не повече от 10–15% в невроните. Протеините на Мур се класифицират като Ca, Zn, Cu свързващи протеини от типа калмодулин с различни функции.

Те управляват:

- фосфорилиране на други протеини и тяхната ензимна активност;

— вътреклетъчен и аксонален транспорт;

- клетъчно делене и транскрипция;

- подвижност и контрактилна активност на клетките;

— процеси на пролиферация и апоптоза;

- клетъчен метаболизъм и др.

Протеините от семейство S100, като невроспецифични, са свързани с висшите функции на мозъка – мислене, памет, внимание, интелигентност. Увеличаването на количеството на протеини S100 в кръвта показва нарушение на метаболитните процеси в мозъка, които възникват при болестта на Алцхаймер, шизофрения, съдови, злокачествени заболявания, алкохолизъм, поради промени, свързани с възрасттаи т.н.

б) протеин 4312 е киселинен протеин, открит в малки количества в неврони и невроглия. Биологична роляне е изяснено;

в) протеин 10В - участва в процесите на паметта;

г) мембранни протеини на синаптичните везикули - синапсин и синаптин, синаптофизин участват в свързването към повърхността на синаптичните везикули на цитоскелетните компоненти, регулирайки освобождаването на невротрансмитер от везикулите в синаптичната мембрана.

Ензими на нервната тъкан

В нервната тъкан има неспецифични ензими, които регулират основните метаболитни пътища за метаболизма на въглехидрати, липиди, протеини: изоензими на лактатдехидрогеназа, алдолаза, хексокиназа, малатдехидрогеназа, глутаматдехидрогеназа, кисела фосфатаза, моноаминооксидаза и др.

Невроспецифичните ензими на нервната тъкан включват: енолаза, изоензими на CPK (CPK), глутамат декарбоксилаза, аргиназа, левцин аминопептидаза, ацетилхолинестераза.

Липиди на нервната тъкан

Характерна особеност на нервната тъкан е високото съдържание на липиди. Липидите на нервната тъкан се делят на две групи:

1) липиди от сивото вещество, които са част от невронни мембрани;

2) липиди на бялото вещество, от които е изградена многослойната миелинова обвивка.

Повечето липиди в сивото вещество са подобни на мембранните липиди в други тъкани.

Миелиновите структури са характерни само за нервната тъкан. Типичните миелинови липиди са: холестерол, сфинголипиди, фосфолипиди. В ембрионалния период на развитие количеството миелин в мозъка е незначително, но веднага след раждането синтезът на миелин се увеличава значително. миелинова обвивка наоколо нервни влакнаостава стабилен през целия живот. Специфичният характер на липидите на нервната тъкан определя нейното характеристики. В състава на липидите на нервната тъкан няма неутрални мазнини, ниска концентрациямастни киселини, значително количество сложни фосфо и гликолипиди. Бялото и сивото вещество на мозъка се различават по качествения състав на липидите. В сивото вещество фосфолипидите представляват около 60% от общото съдържание на липиди, в бялото вещество - 40%. В бялото вещество количеството холестерол, сфингомиелини, цереброзиди е по-високо, отколкото в сивото вещество на мозъка.