биохимия нервной ткани

БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Нервная ткань состоит из многих типов клеток, обладающих разнообразными специфическими функциями. Это вносит определенные трудности в знакомство с основами молекулярных процессов, протекающих в нервной ткани. Можно выделить несколько основных
задач, решение которых лежит в области биохимии нервной ткани:
а) изучение молекулярных основ проведения возбуждения по аксону;
б) изучение молекулярных основ синаптической передачи;
в) изучение особенностей метаболизма белков, липидов, углеводов, обеспечивающих выполнение основных функций нервной ткани;
г) изучение молекулярных основ обработки информации и ее хранения;
д) изучение молекулярных основ взаимодействия между клетками нервной ткани и
других тканей организма;
Химический состав нервной ткани
. Основным его компонентом является вода, причем в сером веществе её больше, чем
в белом. Сухой остаток представлен белками, липидами и минеральными веществами. Среди них в белом веществе мозга особенно много липидов - 17%. Доля белков в сером и белом
веществе мозга приблизительно одинакова, она составляет, соответственно, 8 и 9%.
Миелиновая оболочка - производное плазматической мембраны глиальных клеток
(олигодендроглиальных). В расчете на сухую массу содержание липидов в миелине 70-80%,
белков - 20-30%. Вода составляет 40% от массы свежей ткани. То есть по сравнению с другими плазматическими мембранами в миелине содержание липидов в ~ 2 раза выше.
Липидов, специфичных для миелина, как таковых, не существует. Но миелин заметно
отличается от других мембран по количественному содержанию липидов. Следует отметить
высокое содержание цереброзида и пониженное количество ганглиозидов и фосфолипидов.
Для миелиновой мембраны типично значительное содержание цереброзидов, причем увеличение их количества во время развития эмбриона коррелирует с процессом миелинизации. И
наоборот, содержание цереброзидов оказывается явно меньше, если в процессе миелинизации происходят патологические нарушения
Миелин периферических нервов имеет по-
добное строение, но содержит меньше лецитина и больше сфингомиелинов. Период полураспада липидов колеблется от 5 недель (фосфатидилинозитол) до 2-4 месяцев (фосфатидилхолин, фосфатидилсерин) или до года (фосфатидилэтаноламин, холестерол, цереброзиды,
сульфатиды, сфингомиелин).
 Следствием высокого содержания липидов является малый процент белка.
Время полураспада белков миелина составляет около 1 месяца.
Особенности метаболизма нервной ткани
Клетки нервной ткани характеризуются постоянно высоким потреблением АТФ, затрачиваемой на процессы биосинтеза белков и липидов мембран, на процессы поддержания
мембранного потенциала. У человека массой 70 кг мозг массой около 1.5 кг использует 20%
кислорода, потребляемого всем организмом. Скорость кровотока в мозге зависит от уровня
кислорода и углекислоты в крови. При повышении pCO2 кровоток может достигнуть максимума 90 мл/100 г ткани/мин (в обычном состоянии эта величина составляет 55-65 мл). Снижение кровотока или снижение кислорода в тканях (гипоксия или аноксия) приводит к повреждению клеток нервной ткани. Чувствительность к кислороду варьирует у клеток разных
отделов мозга и зависит от возраста. В среднем потребляется 3.5 мл кислорода на 100 г нервной ткани в минуту. Основным потребителем кислорода является процесс окисления углеводов (95% всего используемого кислорода). В мозге за 1 минуту образуется 4.1021 молекул
АТФ.
Остальная часть кислорода используется альтернативными путями, одним из которых
может быть образование активных форм кислорода. Высокое потребление кислорода в
нервной ткани, несомненно, сопровождается повышенным образованием таких форм, а это
может вызывать опасность повреждения клеток нервной ткани. Этому же способствуют и
еще ряд условий. Прежде всего, это особенности химического состава нервной ткани, отмеченные выше. Нервная ткань характеризуется высоким содержанием липидов, богатых ненасыщенными жирными кислотами. Известно, что ненасыщенные связи в этих молекулах
легко подвергаются воздействию активных форм кислорода с образованием перекисных соединений. В цереброспинальной жидкости мало церулоплазмина и трансферрина - белков,
способных связывать металлы (медь и железо соответственно). Эти металлы в несвязанном
состоянии могут способствовать образованию наиболее токсической формы кислорода гидроксильного радикала. Более того, нервная ткань богата негеминовыми формами железа,
способствующими образованию этих радикалов. Сюда следует добавить, также, возможности появления железа из гемоглобина при небольших геморрагиях в нервной ткани, что усиливает образование токсических форм кислорода.
2
e-
O2
молекула
кислорода
O2-
e-
H2O2
перекись
водорода
супероксид.
анион
e-
OH.
гидроксил
радикал
Схема образования активных форм кислорода путем трехэлектронного его восстановления
Нельзя исключать и возможность стимуляции образования токсических форм кислорода под влиянием нейромедиаторов. Показано, что образование свободных радикалов усиливается под влиянием такого нейромедиатора, как глутаминовая кислота. И наконец, некоторые ферменты нервной ткани могут принимать участие в образовании активных форм кислорода.
В нервной ткани, как и в других тканях, существует антиоксидантная защита, проявляемая в виде ферментативной и неферментативной форм. К ферментам, участвующим в
обезвреживании радикалов, относятся супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, ферменты обмена глутатиона. К неферментативным формам защиты можно отнести витамины (Е, С, А),
белки (церулоплазмин, трансферрин). Показана роль мелатонина как специфического антиоксиданта нервной ткани.
Скорость переноса веществ из крови в мозг
В разных отделах мозга эти величины могут быть разными для одних и тех же веществ. Это связано с существованием так называемого гематоэнцефалического барьера, который следует рассматривать конкретно для каждого вещества или класса веществ. Гематоэнцефалический барьер нельзя представлять как единое структурное образование. Различия
скоростей поступления веществ могут быть обусловлены особенностями строения эндотелия
сосудов, базальной мембраны и расположением прилежащих клеток нейроглии.
Таблица 18.4. Скорость проникновения веществ из крови в мозг
Вещество
Км
Глюкоза
Лактат
Фенилаланин
Холин
Лизин
Аденин
9
1.9
0.12
0.44
0.1
0.027
Vmax
(нмоль/мин/г)
1600
120
30
10
6
1
3
Аденозин
Трийодтиронин
0.018
0.001
0.7
0.1
Особенности обмена углеводов
Глюкоза - главный энергетический субстрат нервной клетки. Запасы гликогена в мозге незначительны (0.1% от массы мозга). Гликоген сосредоточен, главным образом, в астроглии. Высокая потребность в энергии при низких запасах гликогена ставит нервные клетки в
прямую зависимость от доставки глюкозы из крови. Из 8.9 мг глюкозы, окисленной в мозге,
в сосудистое русло возвращается 1.2 мг лактата и 0.1 мг пировиноградной кислоты. Это свидетельствует о том, что основным способом окисления глюкозы является аэробное окисление. Активность гексокиназы в мозге почти в 20 раз превышает таковую в других тканях.
Этот фермент прочно связан с митохондриями и в сравнении с гексокиназами мышц и печени имеет более высокое сродство к глюкозе. Подобно другим тканям, в мозге фосфофруктокиназа является основным ключевым ферментом, активность которого определяет скорость
потребления глюкозы. Активаторами фермента являются фруктозо-6-фосфат, АДФ, АМФ, а
ингибиторами - продукты реакции, АТФ и лимонная кислота. Перечисленные вещества позволяют осуществлять регуляцию расходования глюкозы в соответствии с метаболическими
потребностями клетки.
Ферменты гликолиза расположены не только в теле нейрона, но находятся и в нервных окончаниях, где обеспечивают энергией работу синапсов. Во время роста и развития
мозга довольно значительная доля глюкозы окисляется
по пентозофосфатному пути.
НАДФН+, образуемый в этом процессе, используется в реакциях синтеза холестерола, жирных кислот и в механизмах антиоксидантной защиты.
Потребность в глюкозе довольно высокая. В спокойном состоянии мозг потребляет
около 5 мг глюкозы в мин на 100 г массы мозга. В обычных условиях эта потребность удовлетворяется, однако гипогликемия вызывает нарушения функции клеток мозга. Это выражается в потере сознания и судорогах. При голодании в первые часы происходит мобилизация глюкозы из депо, затем уровень глюкозы в крови поддерживается благодаря глюконеогенезу. В более поздние сроки (1 неделя) голодания в качестве источника энергии нервные
клетки могут использовать кетоновые тела. Инсулин не оказывает прямого влияния на потребление глюкозы клетками мозга.
4
Особенности обмена белков и аминокислот
Поступление аминокислот из крови в клетки мозга зависит от особенностей клеток и
от гемато-энцефалического барьера. Способность клеток нервной ткани к накоплению аминокислот ограничена. В мозге имеется несколько самостоятельных зависимых от ионов
натрия транспортных систем для отдельных групп аминокислот: две системы для транспорта
нейтральных аминокислот и отдельные системы для транспорта кислых и основных аминокислот. Преобладающими аминокислотами в клетках нервной ткани (75% от всех аминокислот) являются глутаминовая и аспарагиновая кислоты и их производные
(N-
ацетиласпарагиновая, глутамин, глутатион) и ГАМК. В более высокой концентрации в мозге,
по сравнению с другими клетками, находятся таурин (для него даже есть специальная система транспорта), цистатионин. Некоторые аминокислоты мозга выполняют функции нейромедиаторов (глицин, глутаминовая кислота) или используются для их синтеза (тирозин - для
дофамина и норадреналина, триптофан - для серотонина, глутаминовая кислота - для
ГАМК).
Некоторые реакции обмена аминокислот в мозге с участием дикарбоновых аминокислот показаны на рис.18.5. Как известно, ГАМК образуется путем декарбоксилирования
глутаминовой кислоты. В головном и спинном мозге она находится в больших концентрациях. ГАМК может подвергаться переаминированию с -кетоглутаратом с образованием янтарного полуальдегида и глутаминовой кислоты. Первый окисляется до сукцината, который
включается в цикл трикарбоновых кислот. Это так называемый “шунт ГАМК“. Через него
проходит до 20% -кетоглутаровой кислоты мозга. Глутаминовая кислота занимает центральное место в обмене аминокислот мозга.
В мозге открыта активность почти всех ферментов синтеза мочевины (кроме карбомоилфосфат синтетазы). Поэтому образование мочевины в мозге не происходит.
Нарушение поступления и обмена аминокислот вызывает значительные изменения
функций.
Особенности образования аммиака
Аммиак образуется в мозге, главным образом, при участии аденилатдезаминазы (рис.
18.6). Атом азота аминокислоты через систему глутамат - аспартат попадает в аденилат
(АМФ), который и дезаминируется. Аммиак оказывает токсическое действие на функции
нейронов. Это связано с особенностями механизмов его обезвреживания в нервной ткани.
Основное место в обезвреживании аммиака занимают реакции образования глютамина. В
этом процессе принимают участие глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза. В качестве
5
исходного субстрата для образования глутамина используется важный промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот - -кетоглутаровая кислота. Считается, что при увеличении концентрации аммиака в крови значительная часть этой кислоты используется для связывания аммиака. В результате происходит “утечка” субстратов из цикла трикарбоновых
кислот. Это, в свою очередь, нарушает процессы окисления и ухудшает энергообеспеченность нервных клеток.
Нервная ткань характеризуется высоким содержанием РНК и довольно большой скоростью образования этих молекул. В ткани мозга содержится полный набор ферментов синтеза de novo пуриновых нуклеотидов, а синтез de novo пиримидиновых нуклеотидов невозможен из-за отсутствия карбомоилфосфатсинтетазы. Зато нуклеозиды легко проходят гемато-энцефалический барьер и могут повторно включаться в синтез нуклеотидов. Недостаток одного из ферментов, катализирующих повторное использование нуклеозидов, приводит
к тяжелому нарушению функций мозга (синдром Леш-Нихана).
Особенности обмена липидов
Нервная ткань отличается высокой интенсивностью обмена липидов в период развития организма и относительной стабильностью обмена у взрослого. Как уже указывалось,
скорость обновления липидов мозга довольно низкая. Длительное голодание несущественно
влияет на липидный обмен нервной ткани. В молодом возрасте нервные клетки способны
синтезировать холестерол, однако в последующем идет постепенное снижение активности
гидроксиметилглутарилредуктазы, замедление и прекращение синтеза холестерола. Активное образование сложных липидов идет в период миелинизации. Врожденные нарушения
обмена сложных липидов сопровождаются тяжелыми нарушениями функций мозга (см. главу "Обмен липидов").
Метаболические взаимоотношения нейронов и глиальных клеток
Как уже упоминалось, нервная ткань представляет сложно организованную систему
клеток, причем значительную долю в ней занимают клетки нейроглии. Свыше 50% от общего числа клеток мозга приходится на долю астроцитов, что составляет около 30% всего объема мозга. Внеклеточное пространство мозга сравнительно небольшое и составляет примерно 10% общего объема мозга. Поэтому незначительные изменения объема клеток и прежде
всего астроглии, влекут за собой значительные изменения количества компонентов внеклеточного пространства, что может оказывать существенное влияние на функции нервных клеток.
6
Становится очевидным, что на транспортные свойства мембран нейроглии ложится
ответственность по регуляции состава и обмена внеклеточной жидкости нервной ткани.
Кроме того, учитывая особенности анатомических взаимоотношений между нейроглией и
нейронами, нейроглиальные клетки оказывают существенное влияние на процессы транспорта метаболитов из крови к нейронам и обратно. К этому следует добавить, что основные
запасы гликогена также сосредоточены в нейроглии, что еще больше подчеркивает ее важность в трофике нейронов.
Между нейронами и астроцитами происходит активный обмен информацией, поскольку нейроглиальные клетки способны синтезировать и секретировать разнообразные
факторы роста и медиаторы, причем нейроглия разных отделов мозга секретирует разные
соединения. Например, энкефалины образуются нейроглией мозжечка, коры мозга, гипоталамуса в ответ на стимуляцию их -рецепторов, а соматостатин образуется в нейроглии
мозжечка, но не коры или полосатого тела. Астроциты могут синтезировать фактор роста
нервов, инсулино-подобные факторы роста. Кроме того, мембраны астроцитов имеют рецепторы, позволяющие им реагировать на медиаторы нейронов. Среди такого рода рецепторов
можно назвать, кроме упомянутых выше - адренорецепторов, также рецепторы к аминокислотам, в частности, ионо- и метаботропные глутаминовые рецепторы.
Известно, что, в отличие от ацетилхолина, избыток которого разрушается специфическим ферментом ацетилхолинэстеразой, глутаминовая кислота не имеет такого рода ферментов, и ее уровень в синаптической щели поддерживается благодаря специальным транспортным системам в мембране астроцитов. Описаны три транспортные системы для ГЛУ в астроцитах: Na+-зависимое поглощение, CI--зависимый и Са2+-зависимый транспортные механизмы.
В области синаптической передачи с использованием глутаминовой кислоты медиатор взаимодействует не только с пре- и постсинаптическими мембранами, но и с мембранами
отростков астроглиальных клеток, окружающих эту синаптическую область, на которых и
расположены рецепторы к ГЛУ.
Стимуляция метаботропных
ГЛУ-рецепторов астроцитов ведет к активированию
инозитольной системы внутриклеточных посредников, в результате чего повышается уровень внутриклеточного кальция. Это вызывает изменение активности многих Ca-зависимых
регуляторных систем клетки.
С влиянием ионов кальция связывают также и изменения объема астроцитов. Важное
место в этом процессе отводится карбоангидразе, активность которой в 150-200 раз превы-
7
шает таковую в нейронах. Под влиянием этого фермента происходит образование угольной
кислоты, которая диссоциирует, и продукты диссоциации выводятся из клетки при участии
Na+ /H+ и Cl- /HCO3- переносчиков. Такой обмен приводит к накоплению NaCl, повышению
осмолярности внутри клеток и набуханию астроцитов. Набухание приводит к уменьшению
объема внеклеточного пространства. Изменения объема клеток, зависимые от действия регуляторов и последовавшее за этим изменение внеклеточного пространства может регулировать локальные концентрации нейромедиаторов, метаболитов и факторов роста в отдельных
областях мозга.
Предполагается, что система нейрон - астроглия может регулировать и микроциркуляцию в мозге. Анатомия астроглиальных клеток такова, что одна клетка может контактировать с несколькими синаптическими областями, с другими астроцитами и поддерживать
контакты с капиллярами.
Кандидатом в исполнители такой кооперации может быть оксид
азота. ГЛУ стимулирует образование астроцитами NO, который способен увеличивать скорость кровотока.
Биохимические основы некоторых нервно-психических заболеваний
В этом подразделе мы будем исходить из того, что читатель уже имеет представление
об основах нейрофизиологии и нейроанатомии. Поэтому мы обсудим группу заболеваний, в
механизме развития которых отчетливо просматриваются биохимические аспекты: миастению гравис, инсульт, заболевания, развившиеся вследствие мутаций в митохондриальной
ДНК, синдром ломкой Х-хромосомы и другую патологию, обусловленную повтором триплетов в ДНК, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и шизофрению. Болезнь Гантингтона
уже описана в разделе "Нуклеиновые кислоты".
Все названные нервно-психические расстройства характеризуются хроническим течением и нарушением интеллектуальных функций, приводящим к деградации личности. Примечательные данные приводит Национальный фонд исследования мозга (США). Только в
этой стране прямые затраты на заболевания, связанные с расстройством функций мозга (психиатрические, неврологические, алкоголизм и др.), составляют более 401 млрд долларов в
год или 1/7 всех расходов на здравоохранение США.
Биохимические механизмы повреждения мозга в результате инсульта
Повреждение мозга при инсульте обусловлено снижением кровотока. В результате
повреждения, в зависимости от локализации и размеров очага поражения, наблюдается потеря сознания, развитие паралича, потеря зрения, речи. Для того, чтобы назначить таким боль-
8
ным соответствующее лечение, необходимо представлять основные механизмы, которые
вовлекаются в повреждение мозга при инсульте. Прежде всего, следует знать, что в большинстве случаев инсульт развивается в результате тромбоза мозговых артерий. Поэтому
ухудшается снабжение мозга важными для его метаболизма кислородом и глюкозой. Достаточно сказать, что в их отсутствие клетки погибают менее, чем за 1 час.
Симптомы болезни Паркинсона появляются вследствие недостатка дофамина в
substantia nigra и в corpus striatum
Для болезни Паркинсона характерны тремор, брадикинезия (слабость и ограниченность двигательной активности) и ригидность мышц. Оно редко встречается в возрасте до 40
лет, но в возрасте свыше 50 лет этим заболеванием страдают 1% людей. Понятие паркинсонизм - более широкое. Оно включает и другие заболевания, которые сопровождаются вышеназванными симптомами.
Ключевым патологическим признаком болезни Паркинсона является дегенерация
пигментных клеток в substancia nigra. В норме эти клетки синтезируют и используют дофамин в качестве нейромедиатора, за что и получили свое название - дофаминергические. Дофаминергические нейроны обнаружены во многих областях головного мозга, включая
нигростриатальную, мезолимбическую, мезокортикальную и туберогипофизеальную системы.
Один из подходов в заместительной терапии болезни Паркинсона состоит в
том, что L-ДОФА проходит через гематоэнцефалический барьер и превращается в мозге в дофамин
Дофаминовая гипотеза происхождения шизофрении
В различные периоды времени возникали биохимические теории, в соответствии с которыми в возникновении шизофрении участвовали ацетилхолин, -аминомасляная кислота
(ГАМК), норадреналин, опиаты, пептиды и другие молекулы. Однако в последние 30 лет
наибольшее внимание приковано к дофамину. В начале 50-х годов, сразу после успешного
начала использования неролептиков (антипсихотиков) для лечения психозов, в том числе
шизофрении, было замечено, что у шизофреников в ходе такой терапии развивается паркинсонизм. Подобные наблюдения навели на мысль о том, что нейролептики снижают уровень
дофамина в организме. Эти и другие факты подтверждали участие дофамина в развитии шизофрении (табл. 18.10). В соответствии с гипотезой происхождения шизофрении эту патологию рассматривают как проявление гипердофаминергии. Противоположно, болезнь Паркинсона может рассматриваться как состояние гиподофаминергии.
9
10