Biochimica del tessuto nervoso. Biochimica del tessuto nervoso Struttura e funzioni del tessuto nervoso. Caratteristiche della sua composizione e metabolismo

Nella sua composizione e nei processi metabolici, il tessuto nervoso differisce significativamente dagli altri tessuti.

NEURONE

Neurone- Questo unità funzionale sistema nervoso, lo è corpo (som) , numerosi processi brevi ramificati - dendriti e un lungo germoglio - assone , che può raggiungere diverse decine di centimetri di lunghezza. Assoni e dendriti terminano formazioni sinaptiche . I dendriti conducono l'impulso nervoso verso il corpo cellulare e l'assone lo allontana dal soma. Pertanto, i dendriti e gli assoni sono rispettivamente responsabili della ricezione e della trasmissione dei segnali. Il corpo del neurone è un centro trofico, la cui violazione dell'integrità porta la cellula alla morte.

Il corpo di un neurone è circondato da una membrana plasmatica plasmalemma . Il plasmalemma svolge una funzione strutturale, funge da barriera per mantenere la composizione intracellulare (organelli cellulari, vescicole di neurotrasmettitori, metaboliti), svolge un ruolo attivo (pompe ioniche, enzimi) e passivo (canali ionici, rilascio di neurotrasmettitori) nel creare potenziale di membrana, trasporto di sostanze attraverso la membrana e trasferimento impulso nervoso.

Dentro il neurone è pieno neuroplasma (citoplasma). Il volume del neuroplasma dell'assone e dei dendriti può essere molte volte maggiore del volume del neuroplasma nel corpo del neurone. Il neuroplasma contiene tutti i principali organelli della cellula.

COMPOSIZIONE CHIMICA DEL TESSUTO NERVOSO

A causa della differenza di struttura, la sostanza grigia e quella bianca del tessuto nervoso differiscono nella composizione chimica.

La materia grigia contiene più acqua della materia bianca.

Nella materia grigia, le proteine ​​​​costituiscono la metà delle sostanze dense e nella sostanza bianca - un terzo.

Nella sostanza bianca, i lipidi rappresentano più della metà del residuo secco e nella sostanza grigia solo il 30% circa.

La composizione chimica della materia grigia e bianca del cervello umano

Proteine ​​del tessuto nervoso

Nel cervello, le proteine ​​rappresentano il 40% della massa secca. Attualmente sono state isolate più di 100 frazioni proteiche del tessuto nervoso (mediante cromatografia, elettroforesi ed estrazione con soluzioni tampone).

Il tessuto nervoso contiene proteine ​​semplici e complesse.

Proteine ​​semplici

Neuroalbumine - le principali proteine ​​solubili (89-90%) del tessuto nervoso, sono la componente proteica delle fosfoproteine, sono rare allo stato libero. Si lega facilmente ai lipidi acidi nucleici, carboidrati e altri componenti non proteici.

neuroglobuline, contenuti in una piccola quantità (media 5%).

Proteine ​​cationiche- proteine ​​​​basiche (pH 10,5 - 12,0), ad esempio istoni. Durante l'elettroforesi, si muovono verso il catodo.

Neuroscleroproteine ​​(proteine ​​di supporto). Ad esempio, neurocollageni, neuroelastine, neurostromine, ecc. Costituiscono l'8-10% di tutte le proteine ​​semplici del tessuto nervoso, sono localizzate principalmente nella sostanza bianca del cervello e del SNP e svolgono una funzione strutturale e di supporto.

Proteine ​​complesse

Le proteine ​​complesse del tessuto nervoso sono rappresentate da: nucleoproteine, lipoproteine, proteolipidi, fosfoproteine, glicoproteine, ecc. .

Glicoproteine ​​- contengono catene di oligosaccaridi che danno differenze specifiche membrane cellulari. Le glicoproteine ​​​​neurospecifiche sono coinvolte nella formazione della mielina, nei processi cellulari

adesione, neurorecezione e mutuo riconoscimento dei neuroni nell'ontogenesi e nella rigenerazione.

Proteolipidi - nelle maggiori quantità si trovano nella mielina e in piccole quantità - nelle membrane sinaptiche e nelle vescicole sinaptiche.

proteine ​​neurospecifiche

Il citoplasma dei neuroni contiene calcineurina, proteina 14-3-2, proteina S-100, proteina P-400.

Proteina S-100(o proteina acida), contiene molto acido glutammico e aspartico, è omologa alla troponina C muscolare, si trova nel citoplasma o è associata alle membrane. All'85-90% è concentrato nella neuroglia e al 10-15% nei neuroni. Partecipa allo sviluppo del sistema nervoso e alla sua plasticità. La concentrazione di S-100 aumenta quando gli animali vengono addestrati.

Proteine ​​14-3-2 - una proteina acida che è prevalentemente localizzata nei neuroni del SNC.

Proteina R-400 si trova nel cervelletto dei topi, dove può essere responsabile del controllo motorio.

Le proteine ​​contrattili del neurone sono neurotubulina, neurostenina, proteine ​​simili all'actina (chinesina, ecc.). Forniscono orientamento e mobilità del citoscheletro (microtubuli e nerofilamenti), trasporto attivo di sostanze nel neurone e partecipano al lavoro delle sinapsi.

I neuroni contengono proteine ​​che svolgono regolazione umorale. Questi sono alcuni glicoproteine ​​ipotalamiche, neurofisine e proteine ​​simili.

Sulla membrana dei neuroni sono antigeni di superficie neurospecifici (NS 1, NS 2, L 1) con funzione sconosciuta e fattori di adesione cellulare (N-CAM), importante per lo sviluppo del sistema nervoso.

Le proteine ​​​​neurospecifiche sono coinvolte nell'implementazione di tutte le funzioni del sistema nervoso: la generazione e la conduzione di un impulso nervoso, i processi di elaborazione e memorizzazione delle informazioni, la trasmissione sinaptica, il riconoscimento cellulare, la ricezione, ecc.

Il sistema nervoso comprende il cervello, il midollo spinale e i nervi periferici. La composizione chimica del tessuto nervoso è molto complessa. È composto da varie sostanze incorporato in altri tessuti del corpo e alcune sostanze trovato quasi esclusivamente nel tessuto nervoso. Varie parti del sistema nervoso che svolgono funzioni diverse, come la materia grigia e bianca degli emisferi cerebrali, il cervelletto, midollo, midollo spinale, nervi periferici, hanno una composizione disuguale. Ciò ci consente di concludere che la differenza nella funzione del sistema nervoso è associata a una certa differenza nella composizione chimica dei suoi dipartimenti.

La chimica del cervello cambia con l'età. Nel tessuto cerebrale di un neonato, i cerebrosidi sono quasi completamente assenti. L'aumento del loro numero va di pari passo con la formazione delle guaine mieliniche. Con l'età, la sostanza secca aumenta e la quantità di composti del fosforo diminuisce.

Anche il contenuto di composti del fosforo nel cervello di animali di sesso diverso non è lo stesso. Quindi, nelle femmine, la quantità di fosfolipidi e fosforo totale è maggiore che nei maschi.

Diverse parti del sistema nervoso sono diverse Prima di tutto secondo il loro contenuto acqua . più ricco di acqua corteccia cerebrale cervello, che svolge una funzione importante e complessa, meno - materia bianca cervello, quindi midollo spinale e infine , fibre nervose.

Lo stesso si osserva nel contenuto scoiattolo in diverse parti del sistema nervoso, e il numero lipidi inverte. I seguenti sono indicatori generali composizione chimica di varie parti del sistema nervoso:

Dipartimenti del sistema nervoso Acqua Proteine ​​Lipidi

Materia grigia del cervello 82,7 51,0 25,0

Materia bianca del cervello 74,0 33,0 40,0

Midollo spinale 72,8 31,0 . 43.0

Nervi periferici 60,0 28,5 50,0

Proteine ​​del tessuto nervoso Molto vario. Tra questi, sono state trovate proteine ​​\u200b\u200bche sono vicine nelle loro proprietà a albumine e globuline, proteine ​​come cheratine ed elastina, nucleoproteine ​​e lipoproteine. IN materia grigia il cervello contiene proteine neuroglobuline e neurostromina, che include fino allo 0,5% di fosforo. La neuroglobulina è una desossiribonucleoproteina e la neurostromina è una ribonucleoproteina. Circa il 20-45% di tutti materia organica i nuclei della materia grigia e bianca rappresentano gli acidi nucleici. In cui 20-30% di nuclei di acidi nucleici cellule nervose Il cervello è costituito da RNA, la cui quantità in altre cellule del corpo è molto inferiore.

Si trova anche nelle proteine ​​del cervello neurocheratina, che in termini di solubilità e resistenza all'azione degli enzimi proteolitici simile alla cheratina in altri tessuti. Lui diverso dalle cheratine della pelle e la lana nella sua struttura chimica (la neurocheratina è lipoproteine, solubile in cloroformio) e composizione aminoacidica (ad esempio, contiene 2 volte meno arginina rispetto alla cheratina). Neurocheratina concentrato principalmente nella sostanza bianca del cervello e nelle fibre nervose (assoni). Neurokeratic, insieme ai fosfolipidi, forma la guaina della fibra nervosa,

Il collagene e l'elastina sono stati trovati anche tra le proteine ​​del cervello.

Le proteine ​​​​del tessuto nervoso spesso formano complessi complessi con i lipidi - lipoproteine ​​e proteolipidi.

Un posto importante tra le proteine ​​\u200b\u200bdel sistema nervoso è proteine-enzimi di tutti i tipi di metabolismo. Enzimi che catalizzano la trasformazione di proteine, carboidrati e lipidi sono stati trovati nel cervello e nei nervi periferici. In particolare, nel tessuto nervoso si trovano: amilasi, maltasi, fosforilasi, fosfatasi acide e alcaline, fosfotidasi, RNasi e DNAasi, proteasi, colinesterasi, carbanidrasi, catalasi, sistema del citocromo, deidrogenasi, enzimi della glicolisi e decarbossilazione ossidativa dei chetoacidi, ossidasi e decarbossilasi di aminoacidi, ATPasi di trasporto, ecc. Di conseguenza, il sistema nervoso fornisce un ampio insieme di enzimi per tutti gli aspetti dei suoi processi metabolici.

Carboidrati. IN tessuto nervoso contiene glicogeno (100-150 mg%), glucosio 150 mg% e pentosi. Il cervello contiene eteropolisaccaridi, principalmente gangliosidi - glicolipidi, che consistono in residui di glucosio, galattosio, sfingosina, acidi grassi superiori e acido neuraminico. Come risultato dello studio dei meccanismi biochimici della trasmissione sinaptica di un impulso nervoso, è stato stabilito un ruolo significativo dei gangliosidi e dell'enzima neuraminidasi (scompone l'acido neuraminico) nelle membrane sinaptiche. Si ritiene che la neuraminidasi sia un enzima di membrana e i gangliosidi, che contengono acido neuraminico, servono come uno dei componenti del trasporto di ioni attivo.

Lipidi. Nel tessuto nervoso sono stati trovati fosfolipidi, colesterolo e colesteridi, cerebrosidi e una piccola quantità di gliceridi.

Le caratteristiche quantitative e la composizione dei vari lipidi possono essere viste nell'esempio del cervello di un grande bestiame:

Acido grasso i lipidi cerebrali ne hanno di più un alto grado di insaturazione, rispetto ai lipidi in altri tessuti. Tra gli acidi grassi insaturi del tessuto nervoso ci sono quelli che hanno 4 (acido arachidonico) e addirittura 5 (acido clupanodonico) doppi legami. La maggior parte degli acidi grassi fa parte dei fosfolipidi, il prossimo in termini di numero di acidi grassi sono i cerebrosidi, le sfingomieline e, infine, i grassi neutri. Composto sostanze lipidiche cervello differisce dalla loro composizione in altri organi e tessuti, e soprattutto in quanto il tessuto nervoso contiene molti fosfolipidi e colesterolo.

Il tessuto nervoso è più ricco di cefalina, sfingomielina (plasmalogeni), che rappresentano 1/3 di tutti i fosfolipidi nella sostanza bianca del cervello e circa 1/5 nella materia grigia.

La maggior parte del colesterolo v sistema nervosoè allo stato libero e non sotto forma di colesterolo. Parte del colesterolo nel cervello è legato alle proteine. Il contenuto di colesterolo nel sistema nervoso aumenta con l'età.

La materia grigia degli emisferi cerebrali è caratterizzata da un'alta concentrazione di gangliosidi.

Minerali tessuto nervoso sono distribuiti in diverse parti del sistema nervoso in modo approssimativamente uniforme. nella testa e midollo spinale trovato K, Na, Ca, Mg, Cu, Fe, Al, Zn, Mn, Co, P, Cl, I, S. Alcuni ioni, specialmente gli ioni di potassio svolgono un ruolo importante attività nervosa , in particolare nella conduzione degli impulsi lungo la fibra nervosa. La maggior parte dei gon è legata a proteine ​​e lipidi.

sostanze estrattive. Nel tessuto nervoso sono state trovate sostanze a basso peso molecolare azotate e prive di azoto presenti in altri organi e tessuti (fegato, muscoli). Da azotato sostanze estrattive presenti: creatina, fosfocreatina, ATP e ADP, aminoacidi liberi, colina, acetilcolina, serotonina, γ -acido aminobutirrico, acido urico, glutammina e asparagina, istamina, ecc. K privo di azoto le sostanze estrattive includono glucosio, inositolo, lattato, piruvato, trioso ed esoso fosfati.

tessuto nervoso

Tessuto muscolare liscio di origine neurale.

Tessuto muscolare liscio di origine epidermica

Le cellule mioepiteliali si sviluppano dalla gemma epidermica. Si trovano nelle ghiandole sudoripare, mammarie, salivari e lacrimali e condividono precursori comuni con le cellule secretorie ghiandolari. Le cellule mioepiteliali sono direttamente adiacenti alle cellule mioepiteliali vere e proprie e hanno una membrana basale in comune con esse. Durante la rigenerazione, quelle e altre cellule vengono ripristinate da comuni precursori indifferenziati. La maggior parte delle cellule mioepiteliali ha una forma stellata. Queste cellule sono spesso chiamate cellule a canestro: i loro processi ricoprono le sezioni terminali e i piccoli dotti delle ghiandole. Il corpo cellulare contiene il nucleo e gli organelli. significato generale, nei processi - l'apparato contrattile, organizzato, come nelle cellule del tessuto muscolare di tipo mesenchimale.

I miociti di questo tessuto si sviluppano dalle cellule del primordio neurale nella composizione muro interno oculare. I corpi di queste cellule si trovano nell'epitelio della superficie posteriore dell'iride. Ognuno di loro ha un processo che entra nello spessore dell'iride e giace parallelo alla sua superficie. Il processo contiene un apparato contrattile, organizzato allo stesso modo di tutti i miociti lisci. A seconda della direzione dei processi (perpendicolare o parallela al bordo della pupilla), i miociti formano due muscoli: restringono ed espandono la pupilla.

Il tessuto nervoso è un sistema di cellule nervose e neuroglia interconnesse che forniscono funzioni specifiche di percezione dello stimolo, eccitazione, generazione di impulsi e trasmissione. È la base della struttura degli organi del sistema nervoso, che assicurano la regolazione di tutti i tessuti e organi, la loro integrazione nel corpo e la comunicazione con l'ambiente.

Esistono due tipi di cellule nel tessuto nervoso: nervoso e gliale. Cellule nervose (neuroni o neurociti) - il principale componenti strutturali tessuto nervoso con una funzione specifica. La neuroglia assicura l'esistenza e il funzionamento del nervo alla fonte, svolgendo funzioni di supporto, trofiche, delimitanti, secretorie e protettive.

I neuroni, o neurociti, sono cellule specializzate del sistema nervoso responsabili della ricezione, dell'elaborazione e della trasmissione di un segnale ad altri neuroni, cellule muscolari o secretorie. Un neurone è un'unità morfologicamente e funzionalmente indipendente, ma con l'aiuto dei suoi processi entra in contatto sinaptico con altri neuroni, formando archi riflessi - collegamenti nella catena da cui è costruito il sistema nervoso. A seconda della funzione in arco riflesso Esistono tre tipi di neuroni:

afferente;

associativo;

efferente.

I neuroni afferenti (o recettori, sensibili) percepiscono un impulso, efferenti (o motori) lo trasmettono ai tessuti degli organi di lavoro, spingendoli ad agire, e comunicano in modo associativo (o intercalare) tra i neuroni.

La stragrande maggioranza dei neuroni (99,9%) sono associativi.

I neuroni sono disponibili in un'ampia varietà di forme e dimensioni. Ad esempio, il diametro dei corpi cellulari-granuli della corteccia cerebellare è di 4-6 micron e dei neuroni piramidali giganti della zona motoria della corteccia cerebrale - 130-150 micron. I neuroni sono costituiti da un corpo (o pericarion) e processi: un assone e un diverso numero di dendriti ramificati. Tre tipi di neuroni si distinguono per il numero di processi:

unipolare;

bipolare;

multipolare.

I dendriti sono vere e proprie sporgenze del corpo cellulare. Contengono gli stessi organelli del corpo cellulare: grumi di sostanza cromatofila (cioè reticolo endoplasmatico granulare e polisomi), mitocondri, un gran numero di neurotubuli (o microtubuli) di neurofilamenti. A causa dei dendriti, la superficie del recettore del neurone aumenta di 1000 o più volte.

assone - è un processo lungo il quale l'impulso viene trasmesso dal corpo cellulare. Contiene mitocondri, neurotubuli e neurofilamenti, oltre a un reticolo endoplasmatico liscio.

Il tessuto nervoso è costituito da molti tipi di cellule con una varietà di funzioni specifiche. Ciò introduce alcune difficoltà nel conoscere le basi dei processi molecolari che avvengono nel tessuto nervoso. Si possono individuare alcuni compiti principali, la cui soluzione risiede nel campo della biochimica del tessuto nervoso: a) lo studio delle basi molecolari per la conduzione dell'eccitazione lungo l'assone; b) studio delle basi molecolari della trasmissione sinaptica; c) studio delle peculiarità del metabolismo di proteine, lipidi, carboidrati, che assicurano l'adempimento delle principali funzioni del tessuto nervoso; d) studio delle basi molecolari dell'elaborazione e dell'archiviazione dell'informazione; e) studio delle basi molecolari dell'interazione tra le cellule del tessuto nervoso e gli altri tessuti del corpo;

Composizione chimica del tessuto nervoso

. Il suo componente principale è l'acqua, e nella materia grigia è più che nel bianco. Il residuo secco è rappresentato da proteine, lipidi e minerali. Tra questi, ci sono soprattutto molti lipidi nella sostanza bianca del cervello - 17%. La proporzione di proteine ​​\u200b\u200bnella materia grigia e bianca del cervello è approssimativamente la stessa, rispettivamente dell'8 e del 9%.

guaina mielinica- un derivato della membrana plasmatica delle cellule gliali (oligodendrogliale). In base al peso secco, il contenuto di lipidi nella mielina è del 70-80%, proteine ​​- 20-30%. L'acqua costituisce il 40% della massa di tessuto fresco. Cioè, rispetto ad altri membrane plasmatiche nella mielina, il contenuto di lipidi è ~ 2 volte superiore.

I lipidi specifici della mielina, in quanto tali, non esistono. Ma la mielina differisce notevolmente dalle altre membrane in termini di contenuto quantitativo di lipidi. Da notare l'elevato contenuto di cerebroside e la ridotta quantità di gangliosidi e fosfolipidi. La membrana mielinica contiene tipicamente una quantità significativa di cerebrosidi e un aumento del loro numero durante lo sviluppo embrionale è correlato al processo di mielinizzazione. Viceversa, il contenuto di cerebrosidi risulta nettamente inferiore se, nel processo di mielinizzazione, disturbi patologici mielina nervi periferici ha una struttura simile, ma contiene meno lecitina e più sfingomieline. L'emivita dei lipidi varia da 5 settimane (fosfatidilinositolo) a 2-4 mesi (fosfatidilcolina, fosfatidilserina) o fino a un anno (fosfatidiletanolamina, colesterolo, cerebrosidi, sulfatidi, sfingomielina).

Una conseguenza dell'elevato contenuto lipidico è una piccola percentuale di proteine. L'emivita delle proteine ​​della mielina è di circa 1 mese.

Caratteristiche del metabolismo del tessuto nervoso

Le cellule del tessuto nervoso sono caratterizzate da un consumo costantemente elevato di ATP, che viene speso per i processi di biosintesi delle proteine ​​e dei lipidi di membrana, per i processi di mantenimento del potenziale di membrana. In una persona che pesa 70 kg, il cervello che pesa circa 1,5 kg utilizza il 20% dell'ossigeno consumato da tutto il corpo. La velocità del flusso sanguigno nel cervello dipende dal livello di ossigeno e anidride carbonica nel sangue. Con un aumento della pCO 2, il flusso sanguigno può raggiungere un massimo di 90 ml / 100 g di tessuto / min (nello stato normale, questo valore è di 55-65 ml). Una diminuzione del flusso sanguigno o una diminuzione dell'ossigeno nei tessuti (ipossia o anossia) porta a danni alle cellule del tessuto nervoso. La sensibilità all'ossigeno varia nelle cellule di diverse parti del cervello e dipende dall'età. In media, vengono consumati 3,5 ml di ossigeno per 100 g di tessuto nervoso al minuto. Il principale consumatore di ossigeno è il processo di ossidazione dei carboidrati (95% di tutto l'ossigeno utilizzato). Nel cervello, 4 si forma in 1 minuto. 10 21 molecole di ATP. Il resto dell'ossigeno viene utilizzato in modi alternativi, uno dei quali può essere la formazione di specie reattive dell'ossigeno. L'elevato consumo di ossigeno nel tessuto nervoso è indubbiamente accompagnato da un'aumentata formazione di tali forme, e ciò può causare danni alle cellule del tessuto nervoso. Anche una serie di altre condizioni contribuiscono a questo. Prima di tutto, queste sono le caratteristiche della composizione chimica del tessuto nervoso sopra menzionate. Il tessuto nervoso è caratterizzato da un elevato contenuto di lipidi ricchi di acidi grassi insaturi. È noto che i legami insaturi in queste molecole vengono facilmente attaccati dalle specie reattive dell'ossigeno con la formazione di composti perossidici. IN liquido cerebrospinale poca ceruloplasmina e transferrina - proteine ​​​​che possono legare i metalli (rispettivamente rame e ferro). Questi metalli allo stato non legato possono contribuire alla formazione della forma più tossica di ossigeno: il radicale idrossile. Inoltre, il tessuto nervoso è ricco di forme di ferro non eme, che favoriscono la formazione di questi radicali. A ciò va aggiunta, inoltre, la possibilità della comparsa di ferro dall'emoglobina con piccole emorragie nel tessuto nervoso, che favorisce la formazione di forme tossiche di ossigeno.

Schema della formazione di specie reattive dell'ossigeno mediante la sua riduzione a tre elettroni

Non si può escludere la possibilità di stimolare la formazione di specie tossiche dell'ossigeno sotto l'influenza di neurotrasmettitori. È stato dimostrato che la formazione di radicali liberi è potenziata sotto l'influenza di un tale neurotrasmettitore come l'acido glutammico. Infine, alcuni enzimi del tessuto nervoso possono prendere parte alla formazione di specie reattive dell'ossigeno. Nel tessuto nervoso, come in altri tessuti, esiste una protezione antiossidante, manifestata sotto forma di forme enzimatiche e non enzimatiche. Gli enzimi coinvolti nella neutralizzazione dei radicali includono la superossido dismutasi (SOD), la catalasi e gli enzimi del metabolismo del glutatione. Le forme di protezione non enzimatiche includono vitamine (E, C, A), proteine ​​(ceruloplasmina, transferrina). Viene mostrato il ruolo della melatonina come antiossidante specifico del tessuto nervoso.

Il tasso di trasferimento di sostanze dal sangue al cervello

In diverse parti del cervello, questi valori possono essere diversi per le stesse sostanze. Ciò è dovuto all'esistenza della cosiddetta barriera emato-encefalica, che dovrebbe essere considerata in modo specifico per ciascuna sostanza o classe di sostanze. La barriera emato-encefalica non può essere rappresentata come una singola formazione strutturale. Le differenze nei tassi di assunzione di sostanze possono essere dovute a caratteristiche strutturali dell'endotelio vascolare, della membrana basale e della posizione delle cellule neurogliali adiacenti.

Tabella 18.4. La velocità con cui le sostanze si spostano dal sangue al cervello

Sostanza		Vmax (nmol/min/g)
fenilalanina
adenosina
Triiodotironina

Caratteristiche del metabolismo dei carboidrati

Il glucosio è il principale substrato energetico della cellula nervosa. Le riserve di glicogeno nel cervello sono insignificanti (0,1% della massa cerebrale). Il glicogeno è concentrato principalmente nell'astroglia. Un elevato fabbisogno energetico con scarse riserve di glicogeno rende le cellule nervose direttamente dipendenti dall'apporto di glucosio dal sangue. Degli 8,9 mg di glucosio ossidati nel cervello, letto vascolare Vengono restituiti 1,2 mg di lattato e 0,1 mg di acido piruvico. Ciò indica che la modalità principale di ossidazione del glucosio è l'ossidazione aerobica. L'attività dell'esochinasi nel cervello è quasi 20 volte superiore a quella di altri tessuti. Questo enzima è fortemente associato ai mitocondri e, rispetto alle esochinasi muscolari ed epatiche, ha una maggiore affinità per il glucosio. Come altri tessuti, nel cervello, la fosfofruttochinasi è il principale enzima chiave la cui attività determina il tasso di assorbimento del glucosio. Gli attivatori dell'enzima sono fruttosio-6-fosfato, ADP, AMP e gli inibitori sono i prodotti di reazione, ATP e acido citrico. Queste sostanze consentono la regolazione del consumo di glucosio in accordo con le esigenze metaboliche della cellula. Gli enzimi della glicolisi si trovano non solo nel corpo del neurone, ma anche nelle terminazioni nervose, dove forniscono energia per il lavoro delle sinapsi. Durante la crescita e lo sviluppo del cervello, una percentuale abbastanza significativa di glucosio viene ossidata lungo la via del pentoso fosfato. Il NADPH+ formatosi in questo processo viene utilizzato nelle reazioni di sintesi del colesterolo, degli acidi grassi e nei meccanismi di protezione antiossidante. Il fabbisogno di glucosio è piuttosto elevato. A riposo, il cervello consuma circa 5 mg di glucosio al minuto per 100 g di massa cerebrale. In condizioni normali, questo bisogno è soddisfatto, ma l'ipoglicemia provoca disfunzione delle cellule cerebrali. Ciò si esprime in perdita di coscienza e convulsioni. Durante il digiuno, il glucosio viene mobilizzato dal deposito nelle prime ore, quindi il livello di glucosio nel sangue viene mantenuto a causa della gluconeogenesi. Nei periodi successivi (1 settimana) di digiuno, le cellule nervose possono utilizzare i corpi chetonici come fonte di energia. L'insulina non ha alcun effetto diretto sull'assorbimento del glucosio da parte delle cellule cerebrali.

Caratteristiche del metabolismo delle proteine ​​e degli aminoacidi

Il flusso di amminoacidi dal sangue alle cellule cerebrali dipende dalle caratteristiche delle cellule e dalla barriera emato-encefalica. La capacità delle cellule del tessuto nervoso di accumulare amminoacidi è limitata. Il cervello ha diversi sistemi di trasporto dipendenti dagli ioni di sodio indipendenti per singoli gruppi amminoacidi: due sistemi per il trasporto di amminoacidi neutri e sistemi distinti per il trasporto di amminoacidi acidi e basici. Gli aminoacidi predominanti nelle cellule del tessuto nervoso (75% di tutti gli aminoacidi) sono gli acidi glutammico e aspartico e i loro derivati ​​(N-acetilaspartico, glutammina, glutatione) e GABA. In una concentrazione più alta nel cervello, rispetto ad altre cellule, c'è la taurina (c'è anche uno speciale sistema di trasporto per essa), la cistationina. Alcuni amminoacidi cerebrali funzionano come neurotrasmettitori (glicina, acido glutammico) o sono utilizzati per la loro sintesi (tirosina per dopamina e norepinefrina, triptofano per serotonina, acido glutammico per GABA). Alcune reazioni del metabolismo degli amminoacidi nel cervello con la partecipazione di amminoacidi bicarbossilici sono mostrate in Fig. 18.5. Come sapete, il GABA è formato dalla decarbossilazione dell'acido glutammico. Si trova in alte concentrazioni nel cervello e nel midollo spinale. GABA può subire transaminazione con α-chetoglutarato per formare semialdeide succinica e acido glutammico. Il primo è ossidato a succinato, che è incluso nel ciclo dell'acido tricarbossilico. Questo è il cosiddetto "shunt GABA". Fino al 20% dell'acido -chetoglutarico del cervello lo attraversa. L'acido glutammico è fondamentale per il metabolismo degli amminoacidi nel cervello. L'attività di quasi tutti gli enzimi della sintesi dell'urea (eccetto la carbomoil fosfato sintetasi) è stata scoperta nel cervello. Pertanto, la formazione di urea nel cervello non si verifica. La violazione dell'assunzione e del metabolismo degli aminoacidi provoca cambiamenti significativi nelle funzioni.

Caratteristiche della formazione di ammoniaca

L'ammoniaca si forma nel cervello, principalmente con la partecipazione dell'adenilato deaminasi (Fig. 18.6). L'atomo di azoto dell'amminoacido attraverso il sistema glutammato-aspartato entra nell'adenilato (AMP), che viene deaminato. L'ammoniaca rende effetto tossico sulla funzione dei neuroni. Ciò è dovuto alle peculiarità dei meccanismi della sua neutralizzazione nel tessuto nervoso. Il posto principale nella neutralizzazione dell'ammoniaca è occupato dalle reazioni di formazione della glutammina. Questo processo coinvolge il glutammato deidrogenasi e la glutammina sintetasi. Un importante prodotto intermedio del ciclo dell'acido tricarbossilico, l'acido α-chetoglutarico, viene utilizzato come substrato iniziale per la formazione della glutammina. Si ritiene che quando la concentrazione di ammoniaca nel sangue aumenta, una parte significativa di questo acido viene utilizzata per legare l'ammoniaca. Di conseguenza, c'è una "fuoriuscita" di substrati dal ciclo dell'acido tricarbossilico. Questo, a sua volta, interrompe i processi di ossidazione e peggiora l'approvvigionamento energetico delle cellule nervose. Il tessuto nervoso è caratterizzato da un alto contenuto di RNA e da un tasso piuttosto elevato di formazione di queste molecole. Il tessuto cerebrale contiene un set completo di enzimi per la sintesi de novo dei nucleotidi purinici e la sintesi de novo dei nucleotidi pirimidinici è impossibile a causa dell'assenza di carbomoil fosfato sintetasi. D'altra parte, i nucleosidi attraversano facilmente la barriera emato-encefalica e possono essere reinclusi nella sintesi dei nucleotidi. La mancanza di uno degli enzimi che catalizzano il riutilizzo dei nucleosidi porta a una grave compromissione della funzione cerebrale (sindrome di Lesh-Nyhan).

Caratteristiche del metabolismo lipidico

Il tessuto nervoso è caratterizzato da un'elevata intensità del metabolismo lipidico durante lo sviluppo dell'organismo e da una relativa stabilità del metabolismo nell'adulto. Come già accennato, il tasso di rinnovamento dei lipidi cerebrali è piuttosto basso. Il digiuno prolungato ha scarso effetto su metabolismo lipidico tessuto nervoso. In giovane età, le cellule nervose sono in grado di sintetizzare il colesterolo, ma in seguito declino graduale attività dell'idrossimetilglutaril reduttasi, rallentando e arrestando la sintesi del colesterolo. La formazione attiva di lipidi complessi si verifica durante il periodo di mielinizzazione. I disturbi congeniti del metabolismo dei lipidi complessi sono accompagnati da una grave compromissione delle funzioni cerebrali (vedere il capitolo "Metabolismo lipidico").

Rapporti metabolici di neuroni e cellule gliali

Come già accennato, il tessuto nervoso è un sistema di cellule organizzato in modo complesso e una parte significativa di esso è occupata da cellule neurogliali. Oltre il 50% del numero totale di cellule cerebrali sono astrociti, che rappresentano circa il 30% del volume totale del cervello. Lo spazio extracellulare del cervello è relativamente piccolo e rappresenta circa il 10% del volume totale del cervello. Pertanto, lievi cambiamenti nel volume delle cellule, e principalmente nell'astroglia, comportano cambiamenti significativi nel numero di componenti dello spazio extracellulare, che possono avere un impatto significativo sulla funzione delle cellule nervose. Diventa ovvio che le proprietà di trasporto delle membrane neurogliali sono responsabili della regolazione della composizione e dello scambio del fluido extracellulare del tessuto nervoso. Inoltre, tenendo conto delle peculiarità del rapporto anatomico tra neuroglia e neuroni, le cellule neurogliali hanno un impatto significativo sui processi di trasporto dei metaboliti dal sangue ai neuroni e viceversa. Va aggiunto che le principali riserve di glicogeno sono concentrate anche nella neuroglia, il che sottolinea ulteriormente la sua importanza nel trofismo neuronale. Esiste uno scambio attivo di informazioni tra neuroni e astrociti, poiché le cellule neurogliali sono in grado di sintetizzare e secernere una varietà di fattori di crescita e mediatori e la neuroglia di diverse parti del cervello secerne composti diversi. Ad esempio, le encefaline sono prodotte dalla neuroglia del cervelletto, dalla corteccia cerebrale e dall'ipotalamo in risposta alla stimolazione dei loro recettori β, e la somatostatina è prodotta dalla neuroglia del cervelletto, ma non dalla corteccia o dallo striato. Gli astrociti possono sintetizzare il fattore di crescita nervoso, fattori di crescita simili all'insulina. Inoltre, le membrane degli astrociti hanno recettori che consentono loro di rispondere ai mediatori neuronali. Tra tali recettori, oltre ai suddetti recettori β-adrenergici, vi sono anche recettori per gli amminoacidi, in particolare i recettori iono e metabotropici della glutammina. È noto che, a differenza dell'acetilcolina, il cui eccesso viene distrutto dall'enzima specifico acetilcolinesterasi, l'acido glutammico non ha tali enzimi e il suo livello nella fessura sinaptica viene mantenuto grazie a speciali sistemi di trasporto nella membrana degli astrociti. Sono stati descritti tre sistemi di trasporto per il GLU negli astrociti: assorbimento Na+-dipendente, meccanismo di trasporto CI--dipendente e Ca 2+-dipendente. Nell'area della trasmissione sinaptica, utilizzando l'acido glutammico, il mediatore interagisce non solo con le membrane pre e postsinaptiche, ma anche con le membrane dei processi delle cellule astrogliali che circondano questa area sinaptica, su cui si trovano i recettori GLU. La stimolazione dei recettori GLU metabotropici negli astrociti porta all'attivazione del sistema inositolo dei mediatori intracellulari, con conseguente aumento del livello di calcio intracellulare. Ciò provoca un cambiamento nell'attività di molti sistemi di regolazione Ca-dipendenti della cellula. I cambiamenti nel volume degli astrociti sono anche associati all'influenza degli ioni calcio. Un posto importante in questo processo è dato all'anidrasi carbonica, la cui attività è 150-200 volte superiore a quella dei neuroni. Sotto l'influenza di questo enzima si forma l'acido carbonico, che si dissocia, ei prodotti di dissociazione vengono rimossi dalla cellula con la partecipazione dei portatori Na + /H + e Cl - /HCO 3 -. Questo scambio porta all'accumulo di NaCl, all'aumento dell'osmolarità all'interno delle cellule e al rigonfiamento degli astrociti. Il gonfiore porta ad una diminuzione del volume dello spazio extracellulare. I cambiamenti nel volume cellulare dipendenti dall'azione dei regolatori e il conseguente cambiamento nello spazio extracellulare possono regolare le concentrazioni locali di neurotrasmettitori, metaboliti e fattori di crescita in determinate aree del cervello. Si presume che il sistema neurone-astroglia possa anche regolare la microcircolazione nel cervello. L'anatomia delle cellule astrogliali è tale che una cellula può contattare diverse regioni sinaptiche, altri astrociti e mantenere il contatto con i capillari. L'ossido nitrico può essere un candidato per tale cooperazione. GLU stimola la produzione di NO da parte degli astrociti, che è in grado di aumentare la velocità del flusso sanguigno.

Basi biochimiche di alcune malattie neuropsichiatriche

In questa sottosezione procederemo dal fatto che il lettore ha già una comprensione delle basi della neurofisiologia e della neuroanatomia. Pertanto, discuteremo un gruppo di malattie nel meccanismo di sviluppo di cui sono chiaramente visibili gli aspetti biochimici: miastenia grave, ictus, malattie che si sono sviluppate a causa di mutazioni nel DNA mitocondriale, sindrome dell'X fragile e altre patologie causate dalla ripetizione di terzine nel DNA, morbo di Parkinson, morbo di Alzheimer e schizofrenia. La malattia di Huntington è già stata descritta nella sezione Acidi Nucleici. Tutti questi disturbi neuropsichiatrici sono caratterizzati da decorso cronico e violazione delle funzioni intellettuali, che porta al degrado dell'individuo. Dati notevoli sono forniti dalla National Brain Research Foundation (USA). Solo in questo paese, i costi diretti delle malattie associate a funzioni cerebrali compromesse (psichiatriche, neurologiche, alcolismo, ecc.) ammontano a oltre 401 miliardi di dollari all'anno, pari a 1/7 di tutta la spesa sanitaria statunitense.

Meccanismi biochimici del danno cerebrale da ictus

Il danno al cervello durante un ictus è causato da una diminuzione del flusso sanguigno. Come risultato del danno, a seconda della posizione e delle dimensioni della lesione, c'è perdita di coscienza, sviluppo di paralisi, perdita della vista, parola. Per prescrivere un trattamento appropriato per tali pazienti, è necessario comprendere i principali meccanismi coinvolti nel danno cerebrale nell'ictus. Prima di tutto, dovresti sapere che nella maggior parte dei casi un ictus si sviluppa a causa della trombosi. arterie cerebrali. Pertanto, l'apporto di ossigeno e glucosio al cervello, importanti per il suo metabolismo, si sta deteriorando. Basti pensare che in loro assenza le cellule muoiono in meno di 1 ora.

I sintomi della malattia di Parkinson compaiono a causa della mancanza di dopamina nella substantia nigra e nel corpo striato.

La malattia di Parkinson è caratterizzata da tremore, bradicinesia (debolezza e limitata attività motoria) e rigidità muscolare. Raramente si verifica prima dei 40 anni, ma oltre i 50 anni, l'1% delle persone soffre di questa malattia. Il concetto di parkinsonismo è più ampio. Include altre malattie che sono accompagnate dai suddetti sintomi. La caratteristica patologica chiave della malattia di Parkinson è la degenerazione delle cellule del pigmento nella substancia nigra. Normalmente, queste cellule sintetizzano e usano la dopamina come neurotrasmettitore, per il quale hanno preso il nome: dopaminergico. I neuroni dopaminergici si trovano in molte aree del cervello, inclusi i sistemi nigrostriatale, mesolimbico, mesocorticale e tuberoipofisario.

Un approccio nella terapia sostitutiva del morbo di Parkinson prevede che la L-DOPA attraversi la barriera emato-encefalica e venga convertita in dopamina nel cervello.

Ipotesi della dopamina per l'origine della schizofrenia

IN periodi diversi tempo, sorsero teorie biochimiche, secondo le quali l'acetilcolina, l'acido -aminobutirrico (GABA), la norepinefrina, gli oppiacei, i peptidi e altre molecole parteciparono all'insorgenza della schizofrenia. Tuttavia, negli ultimi 30 anni, l'attenzione si è concentrata sulla dopamina. All'inizio degli anni Cinquanta, subito dopo inizio riuscito uso di neurolettici (antipsicotici) per il trattamento di psicosi, inclusa la schizofrenia, è stato osservato che gli schizofrenici sviluppano parkinsonismo durante tale terapia. Osservazioni simili hanno suggerito che gli antipsicotici riducono il livello di dopamina nel corpo. Questi e altri fatti hanno confermato il coinvolgimento della dopamina nello sviluppo della schizofrenia (Tabella 18.10). In accordo con l'ipotesi dell'origine della schizofrenia, questa patologia è considerata una manifestazione di iperdopaminergia. Al contrario, la malattia di Parkinson può essere considerata una condizione ipodopaminergica.

La biochimica del sistema nervoso studia la composizione chimica del tessuto nervoso e le caratteristiche del suo metabolismo. La specificità del tessuto nervoso è determinata dalla barriera emato-encefalica (BBB). Fornisce permeabilità selettiva di vari metaboliti e promuove l'accumulo di determinate sostanze nel tessuto nervoso, quindi il suo ambiente interno è significativamente diverso nella composizione chimica da altri tessuti. I tratti caratteristici del tessuto nervoso sono determinati dalle sue funzioni nell'intero organismo e dalla manifestazione nel suo Composizione chimica e processi metabolici che sono inerenti ad esso.

La materia grigia del cervello è rappresentata principalmente dai corpi dei neuroni, mentre la materia bianca è rappresentata dagli assoni, quindi queste sezioni differiscono nella composizione chimica.

La materia grigia contiene più acqua. La quota di residuo secco in esso è del 16%, metà sono proteine, un terzo sono lipidi. La sostanza bianca del cervello è caratterizzata da una minore quantità di acqua (70%) e da un alto contenuto di residuo secco (30%), in cui sono presenti il ​​doppio dei lipidi rispetto alle proteine.

Proteine ​​del tessuto nervoso

La quantità di proteine ​​nel cervello è di circa il 40%. Per solubilità, sono divisi in:

a) solubile in acqua;

b) solubile in soluzioni saline;

c) insolubile.

La materia grigia contiene più proteine ​​\u200b\u200bsolubili in acqua, bianche - al contrario, insolubili. Con l'aiuto dei moderni metodi di ricerca biochimica, nel tessuto cerebrale sono state trovate circa 100 proteine ​​solubili. Le proteine ​​​​del tessuto nervoso sono divise in semplici e complesse.

Proteine ​​semplici del tessuto nervoso

Le proteine ​​semplici includono le neuroalbumine, che costituiscono il 90% di tutte le proteine ​​solubili nel tessuto nervoso. Formano complessi con lipidi, acidi nucleici, carboidrati, sono i componenti principali della fosfoproteina e praticamente non si trovano allo stato libero. La quantità di neuroglobuline è circa il 5% di tutte le proteine ​​solubili. I principali rappresentanti delle proteine ​​​​cationiche del tessuto nervoso sono gli istoni, che sono divisi in 5 frazioni a seconda del contenuto di residui di lisina, arginina e glicina nella loro composizione. Le neuroscleroproteine ​​(neurocolagens, neuronelastins, neurostromins) sono proteine ​​strutturalmente di supporto, che rappresentano l'8-10% del numero di proteine ​​semplici nel tessuto nervoso. Sono localizzati nel sistema nervoso periferico e nella sostanza bianca del cervello.

Proteine ​​complesse del tessuto nervoso

Le proteine ​​​​sono rappresentate da nucleoproteine, lipoproteine, proteolipidi, fosfoproteine, glicoproteine, ecc. Il tessuto cerebrale contiene anche complesse formazioni supramolecolari: liponucleoproteine, lipoglicoproteine, complessi glicoliponucleoproteici.

Le nucleoproteine ​​​​si riferiscono a ribonucleoproteine ​​​​o desossiribonucleoproteine, che si dissolvono in acqua, sali, prati.

Le lipoproteine ​​costituiscono una parte significativa delle proteine ​​idrosolubili del tessuto nervoso. La loro componente lipidica è principalmente fosfogliceridi e colesterolo.

I proteolipidi - complessi proteico-lipidici - sono insolubili in acqua, ma solubili in solventi organici. Fondamentalmente, i proteolipidi sono concentrati nella mielina, che è contenuta in piccole quantità nelle membrane sinaptiche e nelle vescicole sinaptiche.

Le fosfoproteine ​​del cervello costituiscono il 2% del numero totale di proteine ​​complesse. Sono componenti delle membrane di varie strutture morfologiche del tessuto nervoso.

Le glicoproteine ​​sono un gruppo eterogeneo di proteine ​​complesse. A seconda del rapporto tra componenti proteici e carboidrati, sono suddivisi in:

a) glicoproteine ​​contenenti dal 5 al 40% di carboidrati, la loro componente proteica è rappresentata da albumine e globuline;

b) glicolipoproteine, in cui la percentuale di carboidrati va dal 40 all'80%, così come la componente lipidica esistente.

Proteine ​​specifiche del tessuto nervoso:

a) proteina S100 (proteina di Moore) - appartiene alla famiglia delle proteine ​​​​acide a basso peso molecolare con un alto contenuto di residui di acido glutammico e aspartico. È una proteina neurospecifica, sebbene alcune delle sue isoforme si trovino in altri tessuti. Nel SNC sono state identificate 18 isoforme delle proteine ​​S100, concentrate principalmente nella neuroglia, con non più del 10-15% nei neuroni. Le proteine ​​di Moore sono classificate come proteine ​​leganti Ca, Zn, Cu del tipo calmodulina con una varietà di funzioni.

Governano:

- fosforilazione di altre proteine ​​e loro attività enzimatica;

— trasporto intracellulare e assonale;

- divisione cellulare e trascrizione;

- mobilità e attività contrattile delle cellule;

— processi di proliferazione e apoptosi;

- metabolismo cellulare, ecc.

Le proteine ​​della famiglia S100, in quanto neurospecifiche, sono correlate alle funzioni superiori del cervello: pensiero, memoria, attenzione, intelligenza. Un aumento della quantità di proteine ​​​​S100 nel sangue indica una violazione dei processi metabolici nel cervello che si verificano nella malattia di Alzheimer, schizofrenia, malattie vascolari, maligne, alcolismo, a causa di cambiamenti legati all'età e così via.

b) la proteina 4312 è una proteina acida che si trova in piccole quantità nei neuroni e nella neuroglia. Ruolo biologico non è stato chiarito;

c) proteina 10B - partecipa ai processi di memoria;

d) proteine ​​​​di membrana delle vescicole sinaptiche - sinapsina e sinaptina, sinaptofisina sono coinvolte nel legame alla superficie delle vescicole sinaptiche dei componenti citoscheletrici, regolando il rilascio del neurotrasmettitore dalle vescicole nella membrana sinaptica.

Enzimi del tessuto nervoso

Nel tessuto nervoso sono presenti enzimi aspecifici che regolano le principali vie metaboliche per il metabolismo di carboidrati, lipidi, proteine: isoenzimi della lattato deidrogenasi, aldolasi, esochinasi, malato deidrogenasi, glutammato deidrogenasi, fosfatasi acida, monoaminossidasi e altri.

Gli enzimi neurospecifici del tessuto nervoso includono: enolasi, isoenzimi di CPK (CPK), glutammato decarbossilasi, arginasi, leucina aminopeptidasi, acetilcolinesterasi.

Lipidi del tessuto nervoso

Una caratteristica del tessuto nervoso è l'alto contenuto di lipidi. I lipidi del tessuto nervoso sono divisi in due gruppi:

1) lipidi della materia grigia che fanno parte delle membrane neuronali;

2) lipidi della sostanza bianca, da cui è costituita la guaina mielinica multistrato.

La maggior parte dei lipidi della materia grigia sono simili ai lipidi di membrana in altri tessuti.

Le strutture della mielina sono caratteristiche solo del tessuto nervoso. Tipici lipidi mielinici sono: colesterolo, sfingolipidi, fosfolipidi. Nel periodo embrionale di sviluppo, la quantità di mielina nel cervello è trascurabile, ma subito dopo la nascita la sintesi di mielina aumenta in modo significativo. guaina mielinica intorno fibre nervose rimane stabile per tutta la vita. La natura specifica dei lipidi del tessuto nervoso determina la sua caratteristiche. Non ci sono grassi neutri nella composizione dei lipidi del tessuto nervoso, bassa concentrazione acidi grassi, una quantità significativa di fosfo complessi e glicolipidi. La materia bianca e grigia del cervello differiscono nella composizione qualitativa dei lipidi. Nella sostanza grigia, i fosfolipidi rappresentano circa il 60% del contenuto totale di lipidi, nella sostanza bianca - 40%. Nella materia bianca, la quantità di colesterolo, sfingomieline, cerebrosidi è maggiore che nella materia grigia del cervello.