4. 2. Энергетические субстраты головного мозга

Метаболические потребности нервной ткани определяются затратами большого количества энергии, необходимой для реполяризации нейрона после проведения импульса (т.е. восстановления его функции проводимости).

Хотя мозг составляет всего 2% от общей массы тела, его потребности в катаболических субстратах чрезвычайно высоки. Он использует около 20% от общего количества кислорода и 20% от общего потребления глюкозы. Мозг является наиболее чувствительным органом к дефициту кислорода или глюкозы. Нехватка кислорода вызывает потерю сознания в течение нескольких десятков секунд и необратимое повреждение через 5 минут. 85-90% энергии головного мозга образуется за счет окисления глюкозы. Потребление глюкозы в мозге не зависит от инсулина.

Потребление кислорода серым веществом на 30–50 % выше, чем белым. Периферические нервы используют в 30 раз меньше кислорода, чем эквивалентное по массе количество ткани из ЦНС.

Энергетическими субстратами мозга являются глюкоза, гликоген, лактат, пируват, в условиях недостатка углеводов - кетоновые тела, глутамат и другие гликогенные аминокислоты.

Во время длительного голодания метаболизм мозга адаптируется к потреблению кетоновых тел (синтезируемых печенью из избытка ацетил-КоА при интенсивном липолизе).

В головном мозге глюкоза используется в качестве главного источника энергии. Основным путем катаболизма в мозге является аэробный гликолитический, то есть расщепление до триоз и окислительное декарбоксилирование пирувата в ходе пируватдегирогеназной реакции с образованием ацетил-КоА и окисление его ЦТК. В отличии от факультативно аэробных органов (печени, мышц), где до 75-85% пирувата потребляется пируваткарбоксилазной реакцией, в мозге около 90% пирувата окисляется, что контролируется главным образом изменением соотношения АТФ/АДФ. В₁ гиповитаминоз (болезнь бери-бери), проявляющий себя наиболее ярко в первую очередь полиневритом, связан с нарушением образования тиаминпирофосфата (кофермента ферментативного пируватдегидрогеназного комплекса).

Что касается других источников энергии, то мозг (в отличие от большинства других периферических тканей) не использует жирные кислоты. Жирные кислоты, транспортируемые кровотоком в комплексе с альбумином, не могут преодолевать гематоэнцефалический барьер из-за их слабого вовлечения в метаболизм; ферменты, необходимые для этого (ацил-КоА-синтаза), малоактивны в головном мозге.

Креатинфосфат в нервной ткани служит буфером АТФ, являясь формой хранения макроэргических связей для быстрого субстратного фосфорилирования АДФ, тем самым поддерживая отношение АТФ/АДФ на функциональном уровне.

В нервной ткани большая часть потребляемой глюкозы (энергии) используется для поддержания мембранного потенциала посредством Na⁺/K⁺-АТФазы и работы других белков-транспортеров, участвующих в переносе ионов через мембрану. Это основной процесс, обеспечивающий функцию нервной проводимости; около 70% всей производимой мозгом АТФ тратится на поддержание ионных градиентов.

«Натриево-калиевый насос», то есть Na⁺/K⁺-АТФаза (натрий-калий-АТФаза), является переносчиком ионов через мембрану, осуществляющим антипорт – активный транспорт двух веществ в разных направлениях против градиента их концентрации. Перекачка ионов против их градиентов требует затрат энергии. Этот источник в «калиево-натриевой помпе» – аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ могут использовать и другие мембранные транспортеры; но также часто они используют накопленный потенциал концентрации одного из транспортируемых ионов. Таким образом, Na⁺/K⁺-АТФаза служит первичным «источником энергии» для других трансмембранных транспортеров, создавая те градиенты ионов Na⁺ и К⁺, которые расходуют другие белки.

Насос, называемый натрий-калий-АТФазой, является основным во всех тканях, но в нервной ткани имеет огромное значение для функции нейронов и работает особенно интенсивно. Циклическое перераспределение ионов, потеря и восстановление градиентов является основным механизмом проводимости, и в первую очередь натрий-калий-АТФаза поддерживает восстановление этих градиентов. Именно на работу этого переносчика нервная ткань тратит большую часть своей катаболической энергии в форме АТФ и поддерживает грандиозную скорость катаболизма ради обеспечения функции возбудимости и проводимости.

Другими энергозависимыми процессами в нервной ткани являются образование и функционирование синапсов, трансмембранный перенос субстратов и нейромедиаторов, поддержание определенной конформации структурных единиц нейрона, синтез специфических молекул (белков, нейропетидов, нуклеиновых кислот и др.), участвующих в нейрологической памяти.