Особенности структуры и функции основных элементов нс – нейрона и нейроглии
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
На рис.18.1,18.2 и 18.3 представлен химический состав мозга. 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%.
Таблица18.1. Химический состав мозга человека (в %)
|
Компоненты |
Серое вещество |
Белое вещество |
|
Вода |
83 |
68 |
|
Белки |
8 |
9 |
|
Липиды |
5 |
17 |
|
Минеральные вещества |
1 |
2 |
Таблица 18.2. Липиды серого и белого вещества мозга (в % от общего количества липидов)
|
Название липида |
Серое вещество |
Белое вещество |
Название липида |
Серое вещество |
Белое вещество |
|
Холестерол |
22.0 |
27.5 |
Фосфатидилэтаноламины |
22.7 |
14.9 |
|
Галактолипиды |
7.3 |
26.4 |
Фосфатидилхолины |
26.7 |
12.8 |
|
Цереброзиды |
5.4 |
19.8 |
Фосфатидилсерины |
8.7 |
7.9 |
|
Сульфатиды |
1.7 |
5.4 |
Фосфатидилинозиты |
2.7 |
0.9 |
|
Общие фосфолипиды |
69.5 |
45.9 |
Плазмалогены |
8.8 |
11.2 |
Рис.18.1.Сравнительный химический состав плазматической мембраны нейронов, эритроцитов, гепатоцитов и митохондрий
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.
Таблица 18.3. Липиды миелина человека (в %)
|
Холестерол |
27,7 |
Цереброзиды |
22,7 |
|
Фосфатидилэтаноламины |
15,6 |
Фосфатидилхолины |
11,2 |
|
Сфингомиелины |
7,9 |
Фосфатидилсерины |
4,8 |
|
Плазмалогены (фосфатидальэтаноламин) |
12,3 |
Свободные жирные кислоты |
в следовых количествах |
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. Ганглиозиды почти полностью представлены Gm1(структуру см. в гл.7). 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. К примеру, мутантные мыши с генетическими нарушениями миелиновой оболочки (визуально проявляются в виде "дрожания" или "подпрыгивания") содержат только 10% цереброзидов мозга нормальных мышей.
Миелин периферических нервов имеет подобное 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. Белковый состав относительно прост:
Водорастворимый щелочной белоксоставляет 1/3 всех белков миелина мозга. Обладает основными свойствами (ИЭТ 10.6), молекулярная масса 18 кД. Состоит из 170 аминокислот. Введение этого белка или его части (от 114 по 121 аминокислоты), животным вызывает энцефаломиелит, сопровождающийся демиелинизацией.
Протеолипиды. Не растворяются в воде, но растворяются в смеси хлороформ-метанол. Эти белки составляют почти половину всех белков миелина мозга. Представляют смесь родственных белков с молекулярной массой 12500-30000 Да.
Кислые белки. Эта группа белков называется белками Вольфграма, функция которых пока неизвестна.
В миелине обнаружены несколько видов ферментативной активности. Были выделены в чистом виде протеинкиназы, фосфодиэстеразы, фосфолипазы.
В нейроглии и нейронах обнаружены уникальные белки, которых нет в других тканях. К ним относятся:
Белок S-100. Выделен из глии, назван так из-за его способности растворяться в насыщенных растворах сульфата аммония. Состоит из трех субъединиц с молекулярной массой 7000 Да, богат аспарагиновой и глутаминовой кислотами. Каждая молекула связывает два иона кальция.
Белок 14-3-2. Выделен из серого вещества мозга. Он входит в нейроны и медленно перемещается из тела клетки по аксонам.
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 pCO2кровоток 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.
Рис.18.2. 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
Рис. 18.3. Схема обмена активных форм кислорода в нервной ткани
Условные обозначения: СОД - супероксиддисмутаза, МАО- моноаминоксидаза,Г-SH - восстановленная форма глутатиона , Г-S-S-Г- окисленная форма глутатиона,1-дегидрогеназа глюкозо-6-фосфата, 2-Глутатион-редуктаза 3-Глутатион-пероксидаза, 4-Каталаза.
под влиянием такого нейромедиатора, как глутаминовая кислота. И наконец, некоторые ферменты нервной ткани могут принимать участие в образовании активных форм кислорода.
К такого рода ферментам относятся триптофангидроксилаза, ксантиноксидаза и др. Образование радикалов в ряде случаев несет определенные физиологические функции. Так, например, этот процесс используется для уничтожения бактерий фагоцитами или для активирования факторов транскрипции в синтезе белка.
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
Ниже приводятся данные о скорости перехода некоторых веществ из крови в мозг. Правда, 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.