книги из ГПНТБ / Шахнович, А. Р. Математические методы в исследовании биологических систем регулирования

Экспериментальные исследования на живых клетках подтвер­

Обнаруженная при этом зависимость хорошо соответствует

требует определенных затрат энергии. Существует много теоре­ тических моделей работы «натриевого насоса», однако механизм его действия до настоящего времени неясен.

Большинство теорий предусматривает существование особых молекул — переносчиков, локализующихся в мембране и способ­ ных соединяться с Na+ . Находясь на внутренней стороне мембра­ ны, такой переносчик соединяется с ионом Na+ , переходит к на­ ружной стороне, где освобождает Na+ , затем возвращается за очередным ионом Na + и т. д.

По мнению Davies и Keynes (1961), таким переносчиком слу­ жат липопротеидные молекулы, которые имеются в мембране и соединяются в различных местах либо с Na"1;, либо с К + . Внутри клетки этот переносчик соединяется с Na+ , повернувшись на на­ ружную сторону мембраны, отдает Na+ и присоединяет К + . Затем следует новый поворот — К + освобождается внутрь клетки, а на

Под влиянием возбуждающих импульсов происходит сниже­ ние этого отрицательного заряда клеточной мембраны — деполяри­ зация. Если в результате такой деполяризации отрицательный потенциал покоя уменьшается до —60 mV, — нервная клетка ге­

su

мембранный потенциал меняет свой зпак. Возникающий при этом положительный заряд мембраны достигает + 30 mV.

Через некоторое время, измеряемое миллисекундами, прони­ цаемость мембраны для ионов натрпя снижается, а для калия повышается. Положительный заряд клетки, а также высокая концентрация ионов калия внутри клетки создают движущие

эквивалентно количеству вошедшего в HeeNa+ . Заряды К + и Na + одинаковы. Поэтому после окончания потенциала действия мем­ бранный потенциал не отличается от исходного.

Усиление работы «натриевого насоса» после потенциала дей­ ствия приводит к ликвидации избытка натрия внутри клетки и к недостатку ионов калия. Как уже указывалось, работа «натриевого насоса» связана с затратой энергии. На источниках этой энергии мы остановимся более подробпо в следующей главе.

Внастоящей главе представлены самые элементарные сведения

офизиологии нервной клетки. Более подробно они изложены в ряде монографий и обзоров (Костюк, 1959, 1969; Экклс, 1959, 1966; Ходжкин, 1965; Тасаки 1957; Окуджава, 1963; Шаповалов, 1966; Либерман, А. Чайлахян, 1969; Аршавский, Беркенблит, Ходо-

ров, 1969; Thomas, 1972, и др.)

Л И Т Е Р А Т У Р А

Аршавский 10. И., Беркенблит М. Б., Ходоров Б. И. Функциональные свойства нервной клетки и ее частей.— В кн. «Руководство по физиоло­ гии. Общая и частная физиология нервной системы», М., «Наука», 1969.

81

Hodgkin A. L . The ionic basis of electrical activity in nerve and muscle.— Biol. Rev., 1951, 26.

Hodgkin A. L . , Horowicz P. The influence of potassium and chloride on the membrane potential of single muscle fibres.— J . Physiol., 1959, 148.

Nernst W. Zur Theorie des elektrischen Reizes.— Pflunger's Arch. Physiol., 1908, 122, 275-314.

Solomon А. К. Measurement of the equivalent pore radius in cell membranes. In «Membrane Transport and Metabolism*. Keinzeller and Kotyk (Eds.) N. Y . Acad. Press, 1961.

Thomas R. C. Electrogenic sodium pump in nerve and muscle cells.— Physiol. Rev., 1972, 52, N 3.

Глава 11-2 МЕТАБОЛИЗМ

Работа мозга связана с потреблением очень большого коли­ чества энергии, которая освобождается в результате окисления глюкозы. Кислород и глюкоза доставляются в мозг вместе с кро­ вью.

Мозг взрослого человека потребляет приблизительно 20% всего кислорода, поступающего в организм. У детей интенсив­ ность окислительного обмена выше, чем у взрослых, — мозг 5-лет­ него ребенка потребляет около половипы всего кислорода, по­ ступающего в организм.

Нормальная работа мозга возможна только при условии по­ стоянного притока кислорода.

Если мозговой кровоток прекращен внезапно с помощью ман­ жетки тонометра, наложенной па шею, то потеря сознания и дель­ та-волны на электроэнцефалограмме возникают через fr—8 сек.

(Rossen et al., 1943). Полное восстановление функции мозга насту­ пает только в том случае, если остановка кровотока не превышает 5 минут. При более длительном нарушении мозгового кровообра­ щения наступают необратимые изменения функции мозга. Нару­ шение функции мозга возникает также и при недостаточном коли­ честве глюкозы в крови.

При гипогликемии, обусловленной введением инсулина, мо­ жет наступить потеря сознания, а на электроэнцефалограмме по­

скорость потребления этих веществ мозгом.

Скорость потребления кислорода мозгом составляет в среднем 3,5 л{л/100 з ткани за минуту, а глюкозы — 5,5 Л І Л / І О О г ткани за

минуту.

82

В притекающей и оттекающей от мозга крови нет статистичес­ ки значимой разницы в содержании молочной и пировиноградной кислот. Эти данные свидетельствут о том, что мозг здорового человека получает энергию исключительно за счет окисления глюкозы.

Процессы метаболизма в мозговой ткани обнаруживают опре­ деленную независимость от кровотока. Усиление и уменьшение кровотока в определенных пределах не оказывает какого-либо влияния на скорость потребления кислорода и глюкозы.

Только в том случае, если скорость кровотока уменьшается больше чем на 60%, возникает уменьшение скорости потребления кислорода (Sokoloff, 1960).

Механизмы определенной «автономности» процессов метаболиз­ ма и их относительной независимости от скорости кровотока и напряжения кислорода в крови не совсем ясны.

Определенную роль для такой «автономности» играет относи­ тельная независимость скорости некоторых биохимических реак­ ций, например между цитохромоксидазой и кислородом, от кон­ центрации последнего.

Цитохромоксидаза — основной фермент, обеспечивающий ды­ хание клетки. Однако помимо цитохромоксидазіы в окислительных процессах участвуют и другие ферменты. Среди них особое зна­ чение имеют флавопротеиды. Под действием ферментов глюкоза окисляется до углекислоты ы воды. Наибольшее количество энер­ гии выделяется в процессе окислительного фосфорилирования в цикле Кребса. Освобождающаяся энергия аккумулируется в макроэргических связах аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и креатинфосфата. Эта энергия может расходоваться для жизнедея­ тельности нервных клеток. В зависимости от функциональной ак­ тивности нейронов содержание АТФ может меняться.

При резком увеличении интенсивности обмена уровень АТФ временно снижается.

Креатинфосфат служит запасным веществом, поставляющим макроэргические фосфатиые связи для пополнения израсходован­ ной АТФ.

Значительное усиление функциональной активности нервной системы, которое возникает при эпилептических судорогах, при­ водит к заметному увеличению скорости потребления кислорода мозгом.

Вместе с тем значительное снижение температуры тела — ги­ потермия — приводит к уменьшению скорости потребления кислорода (Rosomoff, Holaday, 1954).

Автономность процессов метаболизма мозговой ткани прояв­ ляется не только в его независимости от скорости кровотока, но также и от напряжения кислорода в крови.

Увеличение напряжения кислорода в притекающей к мозгу крови при дыхании чистым кислородом под давлением 3,5 атм не оказывает влияния на скорость потребления кислорода.

83

Снижение напряжения кислорода в крови до определенного предела также не сказывается па скорости потребления кислорода мозгом (Иванов, 1968).

Сопоставление артериовенозной разницы по кислороду и глю­ козе позволяет установить, что между ними имеется соотношение —

требляемый мозгом кислород может уйти на окисление только 26

вергается окислению, до настоящего времени окончательно не решен. Можно предположить, что эта глюкоза используется в условиях анаэробного гликолиза, при котором выделяется зна­ чительно меньше энергии, чем нрп окислении глюкозы. В пользу этого предположения могут свидетельствовать данные Hinvwich, Himwich (1946, 1969) об увеличении количества лактата в отте­ кающей от мозга крови по сравнению с притекающей. Однако эти данные находятся в противоречии с результатами исследований других авторов (Kety, 1957). Вероятнее всего, в норме роль ана­ эробного гликолиза ничтожна и потребляемая мозгом энергия освобождается в основном при окислении глюкозы.

При недостатке кислорода значение анаэробного гликолиза возрастает п его интенсивность увеличивается в 4—7 раз. При этом значительно увеличивается содержание лактата в мозговой ткани и ликворе (Kaasik, Nilsson, Siesjö, 1970; Каасик, 1972; Про­ мыслов и др., 1964, 1967). Однако энергетический выход ана­ эробного гликолиза ничтожен по сравнению с окислением глюко­ зы, и даже значительное его усиление не может удовлетворить энергетических запросов мозга. Окисление глюкозы происходит под влиянием дыхательных ферментов, которые имеются во всей клетке. Однако наибольшее их количество сосредоточено в ми­ тохондриях — продолговатых образованиях размером 0,2—0,5 на 1—2 мк, имеющих просвет 200—300 Â. Толщина наружной и внутренней мембран митохондрий 160 Â. Дыхательные ферменты сосредоточены главным образом в мембранах митохондрий и об­ разуют электронно-транспортные частицы (Иванов, 1969). Эти частицы включают ферменты: флавопротеиды, коэнзим 0, цитохромы, цитохромоксидазу. .

Величина каждой электронно-транспортной частицы составляет 100 А, а их количество в каждой митохондрии достигает 2000. Электронно-транспортные частицы могут участвовать в окислении глюкозы только в том случае, если напряжение кислорода в мито­ хондрии не ниже «критического» уровня — 8 мм рт. ст.

Если же напряжение кислорода выше этого критического уров­ ня, то в митохондрии происходит окислительное фосфорилирова-

84

ние пирувата в цикле Кребса. Освобождающаяся при этом энер­ гия преобразуется в энергию макроэргнческих фосфатных связей креотинфосфата и аденозинтрифосфата (АТФ). Наибольшее коли­ чество митохондрий сосредоточено в апикальных деидритах нервных клеток, где происходит иаиболее интенсивный окислительный обмен. В аксонах митохондрии сосредоточены вблизи синапсов, где потребление энергии усилено в связи с передачей импуль­ сов.

Таким образом, митохондрии сосредоточены в тех участках нервных клеток, функциональная активность которых особепно велика. Такое расположение митохондрий биологически оправда­ но в связи с ограниченными возможностями диффузии молекул АТФ. Скорость такой диффузии составляет приблизительно 100 Â за 0,001 сек. При небольших расстояниях — это достаточно эффективный способ транспорта энергии.

Однако большое расстояние, например-от наружной мембраны до центра нейрона, составляющее приблизительно 10 мк, моле­ кула АТФ пройдет в гомогенной сфере за 1 сек. В связи с нали­ чием в клетке мембран это время будет еще большим.

Особенно большие трудности для диффузии молекул АТФ воз­ никают при недостатке кислорода. В этих условиях синтез моле­ кул АТФ в митохондриях тормозится, а усиливается в гиалоплазме, где сосредоточены ферменты анаэробного гликолиза.

Однако отдаленность гиалоплазмы от функционально активных участков нейрона затрудняет использование энергии, аккумули­ рованной в молекулах АТФ, образовавшихся в условиях анаэроб­ ного гликолиза.

Вот почему при недостатке кислорода в мозгу может сохра­ няться нормальное количество макроэргов и вместе с тем возни­ кают симптомы кислородной недостаточности и даже наблюдается гибель нервных клеток.

Процессы метаболизма в нервной системе обнаруживают за­ висимость от различных химических веществ и эндокринных пре­ паратов. Так, например, цианиды нарушают окислительный об­ мен, инактивируя фермент цитохромоксидазу. В основе этого яв­ ления лежит образование комплексного соединения между груп­ пой циана и уже окисленным железом цитохромоксидазы.

Другие вещества, например азид, динитрофенол, препятствуют образованию макроэргнческих связей и поэтому называются ра­ зобщающими агентами.

При этом на другие стадии кислородного обмена эти вещества не оказывают влияния (Brink et al., 1952). Вместе с тем различ­ ные анестетики снижают скорость окислительного обмена в нерв­ ной ткани.

Определенную роль в таком ослаблении окислительного обме­ на играет депрессия окислительного фосфорилирования.

Несмотря на ослабление окислительного обмена в мозгу во время анестезии, увеличивается количество богатых энергией сое-

85

диненіій — аденозинтрифосфорной кислоты и креатиифосфата (Sokoloi'f, 1960).

Эти данные могут указывать на уменьшение потребления моз­ гом энергии при анестезии, которое обусловлено, по-видимому, блокадой сииаптических образований. Из гормональных препара­ тов особенно четкое влияние на процессы метаболизма в голов­ ном мозгу оказывает адреналин. Внутривенное введение этого пре­ парата значительно увеличивает скорость потребления кислорода мозгом. Выделением адреналина в кровь можно объяснить увели­ чение скорости потребления кислорода при эмоциональном воз­ буждении. Вместе с тем норадреналпн, а также кортизон, адреиокортикотрошшй гормон п тиреоидин не оказывают какоголибо заметного влияния на скорость потребления кислорода моз­ гом.

Энергия макроэргнческих связей аденозпнтрифосфорной кис­ лоты и креатинфосфата обеспечивает функциональную активность нервных клеток, которая в значительной степени определяется работой калий-натриевого насоса.

Концентрация ионов патрия внутри клетки ниже, чем в меж­ клеточной жидкости. Обратные соотношения характерны для ио­ нов калпя. Разница в концентрации ионов натрия и калия внутри клетки и вне ее достаточно велика.

Так, в мотонейронах концентрация ионов натрия составляет 15 мкмолей, а в межклеточной жидкости — 150 мкмолей. Обрат­ ные соотношения имеются между концентрациями ионов калия (150 и 5,5 мкмолей) (Экклс, 1959).

Такое асимметричное расположение ионов по отношению' к клеточной мембране определяет потенциал покоя и потенциал действия нервной клетки.

Процессы диффузии стремятся уравнять концентрацию ионов по обе стороны клеточной мембраны. Этим процессам активно противодействует калий-натриевый насос, работа которого свя­ зана с затратой большого количества энергии.

Это количество в значительной степени определяется актив­ ностью нейрона. В состоянии покоя нерв поглощает вдвое мень­ ше кислорода, чем в период активности (Gerard, 1932).

Вработе калий-натриевого насоса важную роль играют макроэргические фосфатные связи АТФ.

Вопытах на гигантском аксоне было доказано, что добавле­ ние к омывающей нерв жидкости метаболических ядов (цианидов, азида, 2,4-динитрофеиола) тормозит работу натриевого насоса (Hodgkin, Keynes, 1955).

Выхождение Na + из ' аксона при этом падает на протяжении

100 мин. По возвращении аксона в обычную среду выхождение Na + достигает прежнего уровня. Таким образом, имеются все ос­ нования считать, что энергия, освобождающаяся в процессе мета­ болизма и аккумулированная в виде макроэргнческих фосфатных связей, идет на работу калий-натриевого насоса.

86

Учитывая зависимость импульсной активности нервной клетки от энергетических ресурсов, необходимо принимать во внимание, что в период возникновения потенциала действия потребление кислорода резко увеличивается, а его напряжение, следователь­ но, должно упасть. Поэтому интервал времени между двумя им­ пульсами, возникающими в нервной клетке, не может быть меньше некоторой критической величины, которая определяется скоро­ стью диффузии кислорода, восстанавливающей его концентрацию после каждого импульса.

К сожалению, гипотеза о ритмическом дыхании нервной клет­ ки еще не доказана, так как измерение напряжения кислорода в

же уменьшением. количества аденозинтрифосфорной кислоты не­ посредственно в волокне (Caldwell, I960; Caldwell et al., 1960; Keynes 1960). Вместе с тем введение АТФ на несколько часов вос­ станавливает выхождение Na+ . Эти факты свидетельствуют о том, что АТФ имеет прямое отношение к работе натриевого насоса.

Освобождение энергии из АТФ, необходимое для работы нат­ риевого насоса, происходит под влиянием фермента АТФ-азы, ко­ торый гидролизует АТФ до АДФ, с выделением фосфата. Этот фермент активируется ионами Mg+ + (Abood, Gerard, 1954).

Имеется основание считать, что АТФ-аза является носителем Na + или по крайней мере связана с механизмами его переноса (Macllwaïn, 1963; Skou, 1961). Паралич «натриевого насоса» при торможении активности АТФ-азы триэтилоловом может привести к отеку мозга (Гурвич, 1969). Для отека мозга характерно прежде всего набухание клеток астроглии. Транспортные механизмы мем­

альных клеток развивается вследствие паралича механизма вы­

его восстановленная форма). Любое торможение этой реакции мо­

поксии и усилении анаэробного гликолиза в нейронах) сдвигает

87

вышеприведенную реакцию влево и тормозит анаэробный глико­ лиз в глиальных клетках. При этом нарушается транспорт ионов Na + из глиальных клеток во внеклеточное пространство, что со­ провождается задержкой в этих клетках воды и их набуханием.

По данным Лаборп, для того чтобы гипоксия могла привести к отеку мозга, возникающая при ней лактацидемия должна дос­ тигнуть определенного уровня — 80 мг/100 мл.

Вместе с тем гиперкапния приводит к возникновению отека мозга не в результате непосредственного влияния углекислоты на клеточные мембраны, а опосредованно в результате увеличения количества адреаналина в крови, который активизирует анаэроб­ ный гликолиз в нейронах. Накапливающийся при этом лактат пе­ реходит в глию и тормозит в ней глпколитические процессы.

Возникающее при этом затруднение транспорта ионов Na + из глиальных клеток приводит к их набуханию.

Вместе с тем вещества, которые устраняют лактацидемию или способствуют окислению Н А Д . Н 2 , предотвращают возиикповепие отека мозга (к ним относятся барбитураты, пируват, кортизон, резерпин, ГОМК).

Таким образом, в борьбе с отеком мозга могут быть использова­ ны не только дегидратирующие препараты, но также средства, оказывающие влияние па энергетические процессы в нервных и

Caldwell P. C. The phosphorus metabolism of squid axons and its relationschip

88

Глава II-3

КРОВОСНАБЖЕНИЕ МОЗГА

Энергетические запросы мозга и других тканей удовлетворя­ ются благодаря кровоснабжению, причем величина тканевого кровотока находится в соответствии с этими энергетическими за­ просами. Такое соответствие кровотока и метаболизма является результатом сложного взаимодействия различных регулирующих механизмов, причем особенно совершенными являются механизмы, регулирующие кровоток в головном мозгу.

Еще сравнительно недавно (вплоть до 20—30-х годов X X в.) общепризнанной была концепция Monro-Kellie, в соответствии с которой калибр мозговых сосудов не меняется и основным фак­ тором, определяющим скорость мозгового кровотока, являются из ­ менения системного артериального давления. Таким образом, в

89