Основні біохімічні особливості нервової системи

- Нервова система - найбільш складна і гетерогенна організація в порівнянні з іншими тканинами. Мозкова тканина складається лише з кількох типів клітин. Основний структурно-функціональною одиницею нервової тканини є нейрон. У свою чергу нейрони утворюють складні міжнейрональні ансамблі за функціональним принципом. Крім нейронів у функціонуванні нервової тканини велику роль відіграють нейрогліальні клітини - астроцити, олігодендроціти, клітини епендими і мікроглії. Між усіма типами нервових клітин існує тісні морфо-функціональні та метаболічні взаємодії, що і забезпечує функціонування нервової тканини.

- Міжнейрональні зв'язку здійснюються через специфічні освіти - синапси, що забезпечують передачу і модуляцію сигналу за допомогою хімічних і електрохімічних механізмів.

- Для нервової тканини характерна чітко виражена просторова роз'єднаність окремих метаболічних процесів - компартменталізація метаболізму - як в різних відділах мозку, так і в різних субклітинних структурах нейрона. Наприклад, в синаптичних закінченнях протікають специфічні біохімічні реакції, що забезпечують функціонування синапсів.

- Хімічний склад головного мозку має спільні риси, властиві будь-якій тканині організму і специфічні особливості, які визначаються характером функції мозку. Сіра речовина головного мозку (тіла нейронів) за хімічним складом значно відрізняються від білої речовини мозку (аксони). Відмінності носять кількісний характер - в сірій речовині більше води, в білій речовині більше ліпідів і мінеральних речовин.

ОСОБЛИВОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ МОЗКУ

Енергетичний метаболізм мозку відрізняється високою інтенсивністю. За споживанням кисню і глюкози мозок займає перше місце серед інших органів. Встановлено, що мозок дорослої людини споживає до 20-25% кисню, що надходить в організм, і до 70% вільної глюкози з артеріальної крові. За рахунок глюкози забезпечується 85-90% енергетичних потреб тканини мозку.

Висока інтенсивність енергетичного метаболізму забезпечує специфічні енергозалежні функції мозку - передачу нервових імпульсів, зберігання і переробка інформації, що надходить, інтеграційна діяльність мозку.

У мозковій тканині є глікоген і глюкоза, проте в порівнянні з іншими тканинами, мозок бідний вуглеводами. У мозковій тканині є і проміжні продукти обміну вуглеводів: гексоза- і тріозофосфати, лактат, піруват.

Істотним відмітним моментом енергетичного метаболізму мозку є той факт, що ГЛЮКОЗА служить переважним субстратом окислення в нервової тканини і цим пояснюється висока чутливість нервової тканини до гіпоглікемії.

Вивчення метаболізму глюкози в мозку показало, що молекула глюкози включається в амінокислоти, ліпіди, нуклеїнові кислоти і білки мозку. Більше 90% глюкози піддається метаболізму за гликолитическому шляху і окисленню в ЦТК. Найменші порушення окислення глюкози (наприклад, недолік тіаміну веде до неадекватного перетворення ПВК в ацетил-КоА) супроводжуються неврологічними порушеннями.

Активність гексокінази в мозку може бути в 20 разів вищою, ніж в інших тканинах. Ізофермент гексокінази в мозку міцно пов'язаний з мітохондріями і має наступні кінетичні характеристики: низька константа Міхаеліса і висока Vmax.

Фосфофруктокінази в мозку виконує важливу роль в регуляції утилізації глюкози. Фермент відзначено зниження його продуктом, АТФ, цитратом, а активується фруктозо-6-фосфатом, АМФ, АДФ. Гліколітичні ферменти в мозку локалізуються не тільки в тілі самої клітини, але і в нервових відростках - аксоні, дендритах, тобто на значній відстані від тіла клітини. Протікає в пресинаптичних нервових закінченнях гліколіз забезпечує енергією функціонування синапсу.

Пентозний цикл функціонує у всіх клітинах мозку, генеруючи НАДФН, ніж забезпечує синтез холестерину, вищих жирних кислот (ВЖК).

Поряд з аеробних метаболізмом мозкова тканина здатна до досить інтенсивному анаеробного окислення (гліколізу), хоча цей процес енергоутворення не може навіть частково замінити тканинне дихання. Цим пояснюється висока чутливість мозку до гіпоксії.

При голодуванні субстратом для енергозабезпечення мозку починає використовуватися ацетоацетат. У цих умовах на частку утилізованого в мозку ацетоацетата може припадати 1/4 споживання О2.

З глюкози в мозку синтезується міоінозіт, який є попередником різних інозітсодержащіх речовин мозку - фосфатіділінозіта.

Оскільки енергетичні витрати мозку забезпечуються в основному глюкозою, то при гіпоглікемії виникає недолік глюкози в мозку, що веде до розвитку коми. Механізм токсичної дії на мозок гіпоглікемії складний. Мабуть, зниження концентрації глюкози в мозку клітини компенсують використанням ендогенного пулу субстратів, які акумулюють енергію, що в свою чергу може зумовити деполяризацию мембрани, втрату іонного гомеостазу, аномалії провідності і навіть некротичні зміни в нейронах, особливо в хвостатому тілі і гипоталямуса.

Специфічні для мозку особливості реакційгліколізаі їх регуляції:

Особливе значення для метаболізму мозку грає гексокіназну реакція, як основний шлях введення окислюваних субстратів в гліколітичну ланцюг,

Аллостеріческого регулювання (зміна співвідношення АТФ / АДФ) здійснює односпрямоване і синхронне протікання гексокіназну і фосфофруктокіназной реакцій, що дозволяє розглядати ці два ферменти як єдиний функціональний комплекс,

Локалізація лактатдегідрогенази не тільки в цитоплазмі, але і в мітохондріях нервових клітин дозволяє повністю використовувати лактат і піруват в подальших перетвореннях в мітохондріях.

Специфічні особливості функціонування і регуляцііЦТКв мозку:

Основним шляхом поповнення пулу метаболітів ЦТК служить піруватдегідрогеназного реакція, швидкість якої істотно вище, ніж в інших тканинах,

Активність ферментів, які каталізують найбільш повільні етапи ЦТК - цітратсінтази і НАД-ізоцитратдегідрогенази - в мозку значно вище, ніж в інших тканинах,

Ферменти ЦТК - цітратсінтаза і НАД-ізоцитратдегідрогеназа - в мозку працюють як єдиний комплекс, що забезпечує однонаправлений і синхронне зміна швидкості реакцій ЦТК в залежності від енергопотреби тканини мозку, в першу чергу від співвідношення АТФ / АДФ.

Поряд з універсальною для всіх тканин послідовністю реакцій на етапі альфа-кетоглютарат-сукцинат, в мозку можливо шунтування ЦТК (ГАМК-шунт) з утворенням проміжного продукту - специфічного нейромедіатора гамма-аміномасляної кислоти (ГАМК).

Амінокислотний склад мозку відрізняється від інших тканин кількісними і якісними характеристиками.

1.Колічественние особливості амінокислотного складу мозку. У мозку в 8 разів більше амінокислот, ніж в плазмі крові. Особливістю обміну амінокислот в мозку є те, що замінні амінокислоти синтезуються за участю глюкози. Так, після введення міченої глюкози приблизно 80% мітки виявляється в аспартату, N-ацетіласпартате, глутамат і глутамін. Надходження амінокислот в мозкову тканину і вихід з неї, а також використання глюкози для синтезу АК в нейронах і гліальних клітинах різних типів різні. Ці відмінності в істотній мірі обумовлені наявністю гематоенцефалічного бар'єру (ГЕБ). Інтактний мозок здатний концентрувати АК лише в незначній мірі, проте введені в кров АК можуть швидко обмінюватися з вільними АК мозку.

Транспорт амінокислот в мозок. Транспорт амінокислот в мозок процес багатоступінчастий, здійснюється за участю багатьох класів транспортних систем і має ряд характерних особливостей:

Перенесення АК йде проти градієнта концентрації - активний (енергозалежний) транспорт,

Транспорт АК пов'язаний з активним мембранним транспортом іонів (Na),

Залежить від рН середовища і температури,

Чутливий до нестачі кисню і дії ферментних отрут,

Амінокислот конкурують за транспортні системи один з одним.

Ключовим ферментом перенесення АК через мембрани є гамма-глутамілтранспептідаза (ГГТП), а механізм перенесення пов'язаний з гамма-глутамільним циклом (цикл синтезу і деградації глутатіону).

2. Якісні особливості обміну амінокислот в мозку. Приблизно 75% вільних АК мозку складають: глутамінова кислота, глутамін, аспарагінова, N-ацетіласпарагіновая, гамма-аміномасляна кислоти. У мозку в більш високих концентраціях містяться таурин і цистатіонін. Сумарний амінокислотний пул головного мозку відрізняється постійністю, проте в мозку нерівномірно розподілені амінокислоти, що виконують функцію нейромедіаторів - глутамінова кислота, ГАМК, таурин, гліцин.