4. Особенности метаболизма нервной ткани.
К особенностям метаболизма нервной системы надо отнести высокий аэробный обмен головного мозга. В 20 раз газообмен в мозге превышает газообмен в мышечной ткани. Клетки мозга обладают очень высокой чувствительностью к кислородному голоданию. При этом основным энергетическим субстратом окисления является глюкоза. Ни один орган не поглощает глюкозу крови с такой скоростью и в таких количествах как мозг. Что касается обмена белков и аминокислот, следует сказать, что барьерные механизмы мозга обладают высокой избирательностью и исключительной способностью устойчиво поддерживать постоянство состава внутренней среды, Это постоянство поддерживается даже тогда, когда существенно меняется функциональное состояние организма. Общее содержание аминокислот в ткани мозга очень велико. Их концентрация в 8 раз превышает таковую в крови, а концентрация глутаминовой кислоты - в 100 раз выше, чем в других тканях. Глутаминовая кислота образуется в головном мозге из аммиака и альфа-кетоглутаровой кислоты в результате реакции аминирования при участии глутаматдегидрогеназы. В качестве источника
восстановительных эквивалентов в этой реакции используется НАДФН. Эта реакция - важнейший биологический механизм для нейтрализации аммиака в ткани мозга. Глутаминовая кислота может в присутствии АТФ присоединять еще одну молекулу аммиака с образованием глутамина. Образование глутамата и глутамина -главный путь превращения свободного аммиака, который, как известно, токсичен, в нетоксичные соединения для переноса кровью. Путь устранения аммиака за счет синтеза мочевины не играет в мозге существенной роли. В то же время мозг очень чувствителен к аммиаку, который довольно интенсивно образуется в результате многих метаболических процессов при возбуждении ЦНС. Глутаминовая кислота в нервной ткани выполняет функции медиатора возбуждения. Она может декарбоксилироваться с образованием гамма-аминомасляной кислоты - основного тормозного медиатора в ЦНС.
Среди липидов наиболее интенсивно обновляются фосфоинозитолы и фосфатидилхолин. Нервные клетки и клетки нейроглии обладают активными системами синтеза и распада всех классов липидов. В миелиновых оболочках обмен липидов протекает медленно. Белки нервной системы подвергаются непрерывному синтезу и распаду. Полупериод их жизни составляет в среднем 15 дней. Активность биосинтеза белков в нейронах в несколько раз выше, чем в нейроглии.
Транспорт веществ в нейроне.
Каждый нейрон соединяется посредством синапсов на аксоне с сотнями и тысячами других нейронов. Поэтому, нейрон можно рассматривать как секреторную клетку, выделяющую свой секрет -нейромедиатор- на очень большом расстоянии от тела клетки, где синтезируются макромолекулы. В то же время рибосомы, субклеточное образование, где происходит синтез белка, находятся в теле нейрона, в аксоне их нет. Однако, в аксоне, а именно, в синапсе происходят интенсивный распад, обновление и секреция белков. Именно синапс является местом интенсивной биохимической активности. Поэтому нейрону необходима внутриклеточная система транспорта молекул из тела клетки к самым отдаленным участкам аксона и дендритов. Установлено, что вновь синтезируемые материалы переносятся из тела нервной клетки в аксоны и дендриты с помощью механизмов медленного и быстрого транспорта. Белки цитоскелета (нейрофиламенты. актиновые филаменты, белки микротрубочек) движутся по аксону за счет медленного аксонного транспорта. Скорость его 1-5 мм в сутки. Белки цитозоля, включая многие ферменты, движутся таким же образом. Нецитозольные материалы, необходимые в синапсе (секретируемые белки и липиды), перемещаются от тела нейрона в аксон гораздо более быстрым образом. Они от рибосом переносятся к аппарату Гольджи (обычно у основания аксона) и в виде упакованных в мембранные пузырьки переносятся со скоростью до 400 мм в сутки вдоль путей, образуемых микротрубочками. Этот способ транспортировки называется быстрым аксонным транспортом. Нейропептиды, выделяемые многими нейронами в качестве нейромедиаторов в синапсе, часто в сочетании с небелковыми медиаторами, переносятся таким же быстрым аксонным транспортом. Обратная химическая связь между окончаниями и телом нервной клетки осуществляется за счет быстрого ретроградного транспорта мембран (от концов клеточных отростков). Таким образом транспортируются в тело клетки стареющий митохондрии, пузырьки, образующиеся при эндоцитозе, которое имеет место при восстановлении мембраны аксона после выброса медиатора.
Биоэлектрические явления в нервных клетках. Химические основы возникновения и проведения нервных импульсов.
Мы уже говорили о том, что основная функция нейрона заключается в приеме и передаче информации. Нейроны способны выполнять эти функции только благодаря особым свойствам их наружной мембраны. Мембрана нейрона имеет специальные молекулярные устройства, которые позволяют ей генерировать, проводить и принимать нервный импульс, практически мгновенно изменять ионную проницаемость и создавать за счет этого трансмембранный ионный ток. Способность к проведению нервного импульса в аксонах обусловлена наличием в мембранах ионных каналов, управляемых электрическими
потенциалами, а кроме того, наличием структур, поддерживающих ионные градиенты в мембранах, - так называемых ионных насосов. Насосы расходуют метаболическую энергию для перемещения ионов против концентрационных градиентов между вне- и внутриклеточной средой. Особенно важны различия в концентрациях ионов Na, К и Са. Концентрация ионов Na снаружи клетки (145 мМ) почти в десять раз превышает внутреннюю(12 мМ), концентрация ионов К вне клетки (4 мМ) в десятки раз ниже, чем внутри клетки (155 мМ), концентрация ионов Са вне клетки (1,5 мМ) в сотни раз выше, чем внутри клетки (менее 10 -3 мМ). Такое распределение ионов для Na и К обеспечивается внутренним мембранным белком, который называется №,К-АТФаза или Na-насос. Каждый акт гидролиза АТФ этим белком сопровождается переброской трех ионов натрия из клетки наружу, одновременно с этим осуществляется перенос двух ионов калия внутрь клетки. Существуют и другие типы ионных насосов. Генерация нервного импульса описывает проведение электрического сигнала путем изменения проницаемости для ионов натрия и калия. Эта модель была разработана А.Ходжкиным и А.Хаксли. Суть этой модели заключается в том, что механизмы ионной проницаемости натрия и калия работают независимо друг от друга и описывается с помощью констант скоростей реакции, зависящих от единственной переменной - мембранного потенциала.
Таким образом, передача электрических сигналов нервной клеткой основана на изменении мембранного потенциала в результате прохождения небольших количеств ионов через управляемые ионные каналы. Эти ионы перемещаются за счет энергии, которая создается благодаря работе Na,K-Hacoca, поддерживающего высокие градиенты концентрации этих ионов на мембране нервной клетки. В состоянии покоя мембрана нейрона благодаря каналам утечки ионов К более проницаема для К, чем для других ионов. Поэтому мембранный потенциал близок к равновесному калиевому потенциалу, составляющему около -70 мВ. Потенциал действия возникает тогда, когда под влиянием короткого деполяризующего стимула открываются потенциал-зависимые натриевые каналы - мембрана становится более проницаемой для ионов натрия. Мембранный потенциал смещается при этом в сторону равновесного натриевого потенциала. При этом открывается еще больше натриевых каналов, что приводит к возникновению потенциала действия. На каждом данном участке мембраны потенциал действия быстро исчезает вследствие инактивации натриевых каналов, а во многих нейронах также вследствие открытия потенциал-зависимых калиевых каналов. Ионные каналы - это макромолекулярные комплексы, которые образуют сквозные гидрофильные поры в липидном матриксе и способны регулировать транспорт ионов через мембрану клетки. Ионные каналы имеют два очень важных свойства: они способны избирательно пропускать ионы и имеют механизм контроля за скоростью перемещения ионов. Кроме потенциал-зависимых ионных каналов, существуют ионные каналы, открываемые в ответ на химический сигнал.