Часть 1

БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ

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

      Центральная функциональная клетка нервной ткани - нейрон - связана с помощью дендритов и аксонов с такими же клетками  и клетками других типов, например, с секреторными и мышечными клетками. Клетки разделены синаптическими щелями. Связь между клетками осуществляется путем передачи сигнала. Сигнал проходит от тела нейрона по аксону до синапса. В синаптическую щель выделяется вещество-медиатор. Медиатор вступает в связь с рецепторами на другой стороне синаптической щели. Это обеспечивает восприятие сигнала и генерацию нового сигнала в клетке-акцепторе.

ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ ТКАНИ

      1. Генерация электрического сигнала (нервного импульса)

      2. Проведение нервного импульса

      3. Запоминание и хранение информации.

      4. Формирование эмоций и поведения.

      5. Мышление.

Рекомендуемые материалы

 

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МЕТАБОЛИЗМА НЕРВНОЙ ТКАНИ

      Специфику нервной ткани определяет гематоэнцефалический барьер  (ГЭБ). ГЭБ имеет избирательную проницаемость  для различных метаболитов, а также способствует накоплению некоторых веществ  в нервной ткани.  Например,  в нервной ткани на долю глутамата и  аспартата приходится примерно 70-75%  от общего количества аминокислот. Таким  образом,  внутренняя среда нервной ткани намного отличается по химическому составу от других  тканей.

ЛИПИДЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ.

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ НЕРВНОЙ ТКАНИ.

      1. Структурная: входят в состав клеточных мембран нейронов.

      2. Функция диэлектриков (обеспечивают надежную электрическую изоляцию).

      3. Защитная. Ганглиозиды являются  очень  активными антиоксидантами - ингибиторами перекисного окисления липидов (ПОЛ). При  повреждении ткани мозга ганглиозиды способствуют ее заживлению.

      4. Регуляторная. Фосфатидилинозиты являются  предшественниками биологически активных веществ. 

      Большая часть липидов нервной ткани находится в составе плазматических и субклеточных мембран нейронов и в миелиновых оболочках. В нервной ткани по сравнению с другими тканями организма содержание липидов очень высокое.

      Особенность липидного состава нервной ткани: есть фосфолипиды (ФЛ), гликолипиды (ГЛ) и холестерин (ХС), нет нейтральных жиров. Эфиры холестерина можно встретить только в участках активной миелинизации. Сам холестерин синтезируется интенсивно только в развивающемся мозге. В мозге взрослого человека низка активность ОМГ-КоА-редуктазы - ключевого фермента синтеза холестерина. Содержание свободных жирных кислот в мозге очень низкое.

      Некоторые нейромедиаторы после взаимодействия  со специфическими рецепторами изменяют свою конформацию и изменяют конформацию фермента фосфолипазы С, которая катализирует расщепление связи в фосфатидилинозите между глицерином и остатком фосфата,  в  результате  чего образуется фосфоинозитол и диацилглицерин.  Эти вещества являются регуляторами внутриклеточного метаболизма. Диацилглицерин активирует  протеинкиназу С,  а фосфоинозитол вызывает повышение концентрации Са²⁺. Ионы кальция влияют на активность внутриклеточных ферментов и участвуют в работе  сократительных элементов нервных клеток: микрофиламентов,  что обеспечивает передвижение различных веществ в теле нервной клетки, аксоне и растущем кончике аксона. Протеинкиназа С участвует в реакциях фосфорилирования  белков внутри нервных клеток.  Если это белки-ферменты, то меняется их активность,  если это рибосомальные или ядерные белки, то изменяется скорость биосинтеза белков.

      Липиды постоянно обновляются.  Скорость их обновления различна, но в целом низка..  Некоторые  липиды (например: холестерин, цереброзиды, фосфатидилэтаноламины, сфингомиелины) обмениваются медленно - в течение месяцев и даже лет. Исключение составляют фосфатидилхолин и, особенно, фосфатидилинозиты (содержат глицерин,  фосфат, спирт (инозит), жирные кислоты) - они обмениваются очень  быстро  (сутки,  недели).

      Синтез цереброзидов и ганглиозидов протекает с большой скоростью в развивающемся мозге в период миелинизации. У взрослых почти все цереброзиды (до 90%) находятся в миелиновых оболочках, а ганглиозиды - в нейронах.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

      Нервные клетки не делятся,  значит, не происходит  синтез ДНК. Однако, содержание РНК в них самое высокое по сравнению с клетками остальных тканей организма. Скорость синтеза РНК тоже очень велика.

      В клетках нервной ткани не могут синтезироваться пиримидины (в нервной ткани отсутствует фермент карбамоилфосфатсинтаза). Пиримидины обязательно должны поступать из крови - ГЭБ для них проницаем. ГЭБ легко проницаем и для пуриновых мононуклеотидов, но, в отличие от пиримидиновых, они могут синтезироваться в  нервной ткани.

      В нервной ткани, так же, как и в других, нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу генетической информации и ее реализацию при синтезе клеточных белков.

      Например, сильные раздражители: громкие звуки, сильные зрительные стимулы и эмоции приводят к повышению скорости синтеза и РНК, и белка в определенных участках мозга. Это указывает на то, что изменения в нервной системе, отражающие индивидуальный опыт организма, кодируются в виде синтезированных макромолекул.

      Информация, благодаря которой нейроны устанавливают только определенные связи с определенными нейронами, кодируется в структуре полисахаридных веточек мембранных гликопротеинов. Образование таких связей, не заложенных в период эмбрионального развития, является результатом опыта индивидуального организма и составляет материальную основу для хранения информации, определяющей особенности поведения данного организма. 

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ И ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ.    

 В нервной ткани, составляющей только 2% от массы тела   человека, потребляется 20% кислорода, поступающего в организм. При этом энергетические возможности   нервной  ткани  ограничены.

      1. Основной путь получения энергии - только аэробный распад глюкозы по ГБФ-пути. Глюкоза является почти единственным энергетическим субстратом, поступающим в нервную ткань, который может быть использован ее клетками для образования АТФ.

      2. Проникновение глюкозы в ткань мозга не зависит от действия инсулина, который не проникает через гематоэнцефалический барьер. Влияние инсулина проявляется лишь в периферических нервах.

      3. Постоянный и непрерывный приток глюкозы и кислорода из кровеносного русла является необходимым условием энергетического обеспечения нервных клеток. Жесткая зависимость от поступления глюкозы обусловлена тем, что содержание гликогена в нервной ткани ничтожно (0.1% от массы мозга) и не может обеспечить мозг энергией даже на короткое время. С другой стороны, окисления неуглеводных субстратов с целью получения энергии не происходит. Поэтому при гипогликемии и/или даже  кратковременной гипоксии в нервной ткани образуется мало  АТФ. Следствием этого являются быстрое наступление коматозного состояния и необратимых изменений в ткани мозга.

      4. Высокая скорость потребления глюкозы нервными клетками обеспечивается, в первую очередь, работой высокоактивной гексокиназы мозга. В отличие от других тканей, здесь гексокиназа не является ключевым ферментом всех путей метаболизма глюкозы. Гексокиназа мозга отличается низким значением Км и высокой Vmax, обладает в 20 раз большей активностью, чем соответствующий изофермент печени и мышц. Ключевыми ферментами ГБФ-пути в нервной ткани являются фосфофруктокиназа и изоцитратдегидрогеназа. Фосфофруктокиназу ингибируют фруктозо-1,6-бисфосфат, АТФ и цитрат, активируют фруктозо-6-фосфат, АДФ, АМФ и неорганический фосфат. Активность изоцитратДГ даже при нормальном уровне утилизации глюкозы в состоянии покоя максимальна. Поэтому при повышенном энергопотреблении нет возможностей ускорения реакций ЦТК.

      5. Образование НАДФН₂, который используется в нервной ткани в основном для синтеза жирных кислот и стероидов, обеспечивается сравнительно высокой скоростью протекания ГМФ-пути распада глюкозы.   

      Энергия АТФ  в  нервной ткани используется неравномерно во времени.

Так же, как и скелетные мышцы, функционирование нервной ткани сопровождается  резкими перепадами в потреблении энергии. Резкое повышение энергозатрат происходит при очень быстром переходе от сна к бодрствованию. Поэтому существует еще одна особенность:

      6. Образование креатинфосфата. Он обладает способностью удерживать макроэргические связи:

Эта реакция полностью обратима,  ее направление зависит от соотношения АТФ/АДФ в клетках нервной ткани.  Во время сна накапливается фосфокреатин. Переход к бодрствованию приводит к резкому уменьшению концентрации АТФ - равновесие реакции сдвигается влево, то есть образуется АТФ.

МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ

      Ткань мозга интенсивно обменивается аминокислотами с кровью. Для этого существует специальные транспортные системы: две для незаряженных и еще несколько - для аминокислот, заряженных положительно и отрицательно.

      До 75% от общего количества аминокислот нервной ткани составляют аспартат, глутамат, а также продукты их превращений или вещества, синтезированные с их участием (глутамин, ацетильные производные, глутатион, ГАМК и другие). Их концентрации, и, в первую очередь, концентрация глутамата, в нервной ткани очень высоки. Например, концентрация глутаминовой кислоты может достигать 10ммоль/л.

      Функции глутамата в нервной ткани:

      1. Энергетическая. Глутаминовая кислота связана большим числом реакций с промежуточными метаболитами ЦТК.

      2. Глутамат (вместе с аспартатом) принимает участие в реакциях дезаминирования других аминокислот и временном обезвреживании аммиака.

      3. Из глутамата образуется нейромедиатор ГАМК.

      4. Глутамат принимает участие в синтезе глутатиона - одного из компонентов антиоксидантной системы организма.

      Глутаминовая кислота по праву занимает центральное место в обмене аминокислот мозга. Она используется для образования глутатиона, глутамина и гамма-аминомасляной кислоты. Образуется глутамат из своего кетоаналога - альфа-кетоглутаровой кислоты в ходе реакции трансаминирования. Реакция превращения альфа-КГ в глутамат протекает в ткани мозга с большой скоростью. Образующийся при этом глутамат являетя для ЦТК побочным продуктом. Большое расходование альфа-КГ восполняется за счет превращения аспарагиновой кислоты в метаболит ЦТК - ЩУК (см. рисунок).

      Образующаяся из глутамата ГАМК в результате нескольких реакций может быть превращена снова в ЩУК. Так образуется ГАМК-шунт, имеющийся в тканях головного и спинного мозга. Поэтому в этих тканях содержание ГАМК, как промежуточного метаболита циклического процесса, значительно выше, чем в остальных. На образование ГАМК здесь используется до 20% от общего количества глутамата.

      Остальные пути метаболизма аминокислот сходны с имеющимися в других тканях.

      До сих пор непонятным остается наличие в мозге почти полного набора ферментов орнитинового цикла, не  содержащего карбамоилфосфатсинтазы, из-за чего мочевина здесь не образуется.

      Ткань мозга способна синтезировать заменимые аминокислоты, как и другие ткани.

НЕЙРОМЕДИАТОРЫ

      Нейромедиаторы - это вещества, которые характеризуются следующими признаками:

      1. Накапливаются в пресинаптической структуре в достаточной концентрации;

      2. Освобождаются при передаче импульса

      3. Вызывают после связывания с постсинаптической мембраной изменение скорости метаболических процессов и возникновение электрического импульса.

      4. Имеют систему для инактивации или транпортную систему для удаления из синапса, обладающие к ним высоким сродством.

      Таким образом, нейромедиаторы играют важную роль в функционировании нервной ткани, обеспечивая синаптическую передачу нервного импульса. Их синтез происходит в теле нейронов, а накопление - в особых везикулах, которые постепенно перемещаются с участием систем нейрофиламентов и нейротрубочек к кончикам аксонов.

Рекомендуем посмотреть лекцию "Лекция 12".

ХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ   НЕЙРОМЕДИАТОРОВ.

  1) Аминокислоты (и их производные). К ним относят таурин, норадреналин,  ДОФАминГАМК, глицин, ацетилхолин, гомоцистеин и некоторые другие (адреналин,  серотонин, гистамин, серотонин).

ТАУРИН.

Таурин   образуется   из   аминокислоты цистеина. Сначала происходит окисление серы в  SH-группе  до остатка серной кислоты (процесс идет в несколько стадий),  а затем происходит  декарбоксилирование.  Таурин - это  необычная кислота, в которой нет карбоксильной группы, а имеется остаток серной кислоты:

Таурин принимает участие в проведении  нервного  импульса  в процессе зрительного восприятия.