Глава 5. Особенности метаболизма в нейронах
Основная структурно-функциональная единица нервной системы – нейрон; число этих клеток составляет 1012-1015, они образуют сложные межнейрональные комплексы по функциональному принципу. Наряду с ними большую роль играют различные клетки нейроглии (астроциты, олигодендроциты, клетки эпендимы и микроглии), метаболически тесно связанные с нейронами.
Сложнейшая система межнейрональных и периферических связей осуществляется через специфические образования – синапсы, обеспечивающие передачу и модуляцию сигнала с помощью химических и электрических механизмов.
Характерная особенность нервной ткани – высокая интенсивность энергетического метаболизма.
Кислородное и энергетическое обеспечение нервной ткани
Нервная ткань, которая составляет лишь 2% от массы тела человека, поглощает 20% кислорода, поступающего в организм (а у детей до 4 лет - около 30-40%). Газообмен в сером веществе интенсивнее, чем в белом. Дыхательный коэффициент в нервных клетках (СО2/О2) равен 1. Мозг очень чувствителен к кислородному голоданию. Отсутствие кислорода в течение 5 мин вызывает необратимые в изменения мозге. Основной путь получения энергии нервных клеток – аэробное окисление глюкозы. Глюкоза является практически единственным энергетическим субстратом, поступающим в нервную ткань и не зависит от действия инсулина. Постоянное и непрерывное поступление глюкозы в клетки мозга из кровеносного русла является необходимым условием энергетического обеспечения нервных клеток. Содержание гликогена в нервной ткани небольшое (составляет 0,1% от массы мозга) и не может обеспечить мозг энергией даже на короткое время (только до 10 мин). Энергетическим материалом для клеток мозга также могут быть кетоновые тела, поскольку в нервной ткани есть ферменты для их окисления. Однако, использование кетоновых тел начинается только через 3 - 4 суток энергетического голодания.
Кроме энергии, глюкоза обеспечивает субстратами процессы биосинтеза медиаторов, аминокислот, липидов, нуклеиновых кислот. Такими субстратами являются промежуточные продукты гликолиза, ацетил-КоА (продукт окислительно декарбоксилування пирувату), α-кетокислот цикла Кребса, метаболиты пентозофосфатного цикла (рибоза-5-фосфат и НАДФН2).
Метаболизм липидов
На долю липидов приходится до 50% сухой массы нервной ткани, при этом фосфолипиды составляют около половины, а холестерол и гликолипиды примерно 25% от общего количества липидов. Для нервной ткани характерны специфические липиды: ганглиозиды, галактоцереброзиды, фосфатидилинозитолы. Среди высших жирных кислот мозга преобладают пальмитат, стеарат, олеинат, арахидонат. Обращает на себя внимание высокое содержание ганглиозидов, особенно в мембранах нервных окончаний. Специфические липидные компоненты миелина – цереброзиды и сульфоцереброзиды, много в нем плазмалогенов. Особенностью липидного спектра нервной ткани является отсутствие нейтральных жиров, низкое содержание жирных кислот, высокое содержание сложных липидов (фоcфо-и гликолипидов). Эфиры холестерина находятся только в участках активной миелинизации. Сам холестерин синтезируется интенсивно только в мозге, которая находится на стадии развития.
Основные функции липидов: пластическая - входят в состав клеточных мембран нейронов; диэлектрическая - обеспечивают надежную электрическую изоляцию за счет миелина (белково-липидного комплекса, который на 90% состоит из фосфоглицеридив, холестерина и цереброзидив); з ащитная: ганглиозиды являются очень активными антиоксидантами — ингибиторами перекисного окисления липидов (ПОЛ); регуляторная: инозитфосфатиды принимают участие в передаче гормонального сигнала;
В нервной ткани происходит интенсивный синтез жирных кислот, сложных липидов (глицерофосфолипидив, сфингомиелину, гликолипидив), холестерина. Синтез цереброзидов активнее в период миелинации, а синтез ганглиозидов - при дифференциации нейронов. Нарушения процессов распада сложных липидов приводит к их накоплению в мозге и развитию дегенеративных изменений нервной ткани.
Гипоксия и чрезмерные функциональные нагрузки усиливают свободнорадикальное окисление липидов нейрональных мембран, что вызывает их повреждение, приводящее к выходу из клетки ионов, биологически активных веществ (медиаторов, пептидов, ферментов и др.). Одни из них (например, лизосомальные энзимы) вызывают альтерацию соседних клеток, другие (структурные белки) играют роль вторичных антигенов. При цитотоксическом повреждении значительно страдают окислительно-восстановительные процессы.
Метаболизм аминокислот и белков
В мозгу интенсивно проходит обмен аминокислот, концентрация их в 5-10 раз выше, чем в крови. В частности достаточно высоким содержанием таких аминокислот как глутамат и глутамин.
Метаболизм аминокислот в нервной ткани имеет ряд специфических черт. Эти вещества широко используются для синтеза белков, пептидов, нейромедиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые аминокислоты сами служат нейромедиаторами (глицин, глутаминовая кислота). Головной мозг характеризуется высокой концентрацией аминокислот глутаминовой группы. Глутамат, аспартат, N-ацетиласпартат, ГАМК составляют 75% пула свободных аминокислот. Эти соединения выполняют особую роль. Кроме нейромедиаторов, они могут служить источниками энергии, участвовать в обезвреживании аммиака. Вследствие высокой интенсивности этих процессов глутаминовая кислота, подвергаясь реакциям переаминирования, преобразуется в α-кетоглутарат – метаболит цикла трикарбоновых кислот.
Соли глутамата используются в качестве пищевой приправы, но у некоторых лиц регистрируется повышенная чувствительность к нему (могут появиться ощущение жжения, напряжение мышц лица, боли в грудной клетке, голове, депрессия – эти симптомы известны как “синдром китайских ресторанов“, т.к. эта соль широко используется в китайской кухне). Многие аналоги глутамата токсичны.
Ароматические аминокислоты имеют особое значение как предшественники катехоламинов и серотонина.
В нервной ткани синтезируются различные белки, в том числе нейроспецифические, которые участвуют в генерации и проведении нервного импульса, процессах переработки и хранения информации, клеточном узнавании, рецепции и др. Особую группу представляют сократительные белки нервной ткани (нейротубулин, нейростенин, актиноподобные белки – кинезин и др.), которые обеспечивают ориентацию и подвижность цитоструктурных образований (микротрубочек, нейрофиламентов), активный транспорт компонентов нейрона. Кроме того, в формировании миелина, в процессах клеточной адгезии, нейрорецепции участвуют специфические гликопротеиды.
Передача сигнала в химическом синапсе осуществляется нейромедиаторами, которые представлены 4 группами: моноамины (серотонин, дофамин, гистамин, норадреналин), аминокислоты (медиаторы возбуждения: аспартат, глутамат; тормозные медиаторы: глицин, таурин, ГАМК), пуриновые (аденозин, АТФ), пептиды (нейропептид У, вещество Р, соматостатин, люлиберин).
В механизмах формирования памяти участвуют как “классические” медиаторы, так и большое число нейропептидов; среди последних – вазопрессин, фрагменты АКТГ, введение которых в небольших дозах знаЧительно стимулирует процессы, связанные с запоминанием и извлечением информации из памяти. Имеются сведения о том, что при обучении в мозге животных вырабатываются определенные олигопептиды, которые при введении необученным индивидам способны возбуждать у них выработку аналогичного навыка. Однако конкретные механизмы такого “транспорта памяти ” пока не известны.
Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ) (от греческого haimatos – кровь и enkephalos – мозг) – физиологический механизм, регулирующий обмен веществ между кровью, спино-мозговой жидкостью и мозгом. ГЭБ осуществляет защитную функцию, препятствуя проникновению в ЦНС некоторых ксенобиотиков, введенных в кровь, или продуктов нарушенного обмена веществ, образовавшихся в самом организме. От проницаемости ГЭБ в направлении кровь мозг и мозг кровь для различных веществ зависит в значительной степени состояние нервных клеток головного и спинного мозга, особо чувствительных даже к небольшим колебаниям состава и физико-химических свойств окружающей среды. через различные участки ГЭБ из крови в ЦНС проникают те или иные соединения, необходимые для питания и деятельности нервных образований, различающихся как строением, так и химическим составом. В осуществлении барьерных функций особая роль межклеточному матриксу, находящемуся между клетками стенок капилляров, представленному протеогликанами.