166. Энергетический обмен в нервной ткани. Значение аэробного распада глюкозы.
На долю головного мозга приходится 2–3% от массы тела. В то же время потребление кислородаголовным мозгом в состоянии физического покоя достигает 20–25% от общего потребления его всеморганизмом, а у детей в возрасте до 4 лет мозг потребляет даже 50%кислорода, утилизируемого всеморганизмом. О размерах потребления головным мозгом изкровиразличныхвеществ, в том числекислорода, можно судить по артериовенозной разнице. Установлено, что во время прохождения через мозгкровьтеряет около 8 об.%кислорода. В 1 мин на 100 г мозговойтканиприходится 53–54 млкрови. Следовательно, 100 г мозга потребляет в 1 мин 3,7 млкислорода, а весь головной мозг (1500 г) – 55,5 млкислорода. Газообмен мозга значительно выше, чем газообмен другихтканей, в частности он превышает газообменмышечной тканипочти в 20 раз. Интенсивностьдыханиядля различных областей головного мозга неодинакова. Например, интенсивностьдыханиябелоговеществав 2 раза ниже, чемсерого(правда, в беломвеществеменьшеклеток). Особенно интенсивно расходуюткислородклеткикоры мозга и мозжечка. Поглощениекислородаголовным мозгом значительно меньше при наркозе. Напротив, интенсивностьдыханиямозга возрастает при увеличении функциональнойактивности.
Основным субстратомдыханиямозговойтканиявляетсяглюкоза. В 1 мин 100 гтканимозга потребляют в среднем 5 мгглюкозы. Подсчитано, что более 90% утилизируемойглюкозывтканимозга окисляется до СО2 и Н2О при участиицикла трикарбоновых кислот. В физиологических условиях роль пентозофосфатного путиокисленияглюкозыв мозговойтканиневелика, однако этот путьокисленияглюкозыприсущ всемклеткамголовного мозга. Образующаяся в процессепентозофосфатного циклавосстановленная форма НАДФ (НАДФН) используется для синтезажирных кислотистероидов. Интересно отметить, что в расчете на всю массу головного мозга содержаниеглюкозыв нем составляет около 750 мг. За 1 минтканьюмозга окисляется 75 мгглюкозы. Следовательно, количествоглюкозы, имеющееся втканиголовного мозга, могло бы быть достаточным лишь на 10 мин жизни человека. Данный расчет, а также величина артериовенозной разницы поглюкозедоказывают, что основнымсубстратомдыханияголовного мозга являетсяглюкозакрови. По-видимому,глюкозалегко диффундирует изкровивтканьголовного мозга (содержаниеглюкозыв мозговойткани0,05%, а в артериальнойкрови– 4,44 ммоль/л, или 80 мг/100 мл).
Между глюкозойигликогеноммозговойтканиимеется тесная связь, выражающаяся в том, что при недостаточном поступленииглюкозыизкровигликогенголовного мозга является источникомглюкозы, аглюкозапри ее избытке – исходным материалом длясинтеза гликогена.Распад гликогенав мозговойтканипроисходит путем фосфоролиза с участием системыцАМФ. Однако в целом использованиегликогенав мозге по сравнению сглюкозойне играет существенной роли в энергетическом отношении, так как содержаниегликогенав головном мозге невелико.
Наряду с аэробным метаболизмом углеводовмозговаятканьспособна к довольно интенсивному анаэробномугликолизу. Значение этого явления пока недостаточно ясно, ибогликолизкак источник энергии ни в коей мере не может сравниться по эффективности с тканевымдыханиемв головном мозге.
Интенсивность обновления богатых энергией фосфорных соединенийв головном мозге очень велика. Именно этим можно объяснить, что содержаниеАТФикреатинфосфатав мозговойтканихарактеризуется значительным постоянством. В случае прекращения доступакислородамозг может «просуществовать» немногим более минуты за счет резерва лабильныхфосфатов. Прекращение доступакислородадаже на 10–15 с нарушаетэнергетикунервных клеток, что в целостноморганизмевыражается наступлением обморочного состояния. По-видимому, при кислородном голодании мозг может очень недолго получать энергию за счет процессовгликолиза.
Установлено, что при инсулиновой коме содержание глюкозывкровиможет снижаться до 1 ммоль/л, потреблениекислородамозгом в этих условиях не более 1,9 мл/100 г в 1 мин. В нормеконцентрацияглюкозывкрови3,3–5,0 ммоль/л, а мозг потребляет 3,4–3,7 млкислородана 100 г массы в 1 мин. При инсулиновой коме нарушаются процессыокислительного фосфорилированияв мозговойткани, снижаетсяконцентрацияАТФи происходит изменение функций мозга. Возбуждение и наркоз быстро сказываются на обмене лабильныхфосфатов. В состоянии наркоза наблюдается угнетениедыхания; содержаниеАТФикреатинфосфатаповышено, а уровеньнеорганического фосфатаснижен. Следовательно, сокращается потребление мозгом соединений, богатых энергией. Напротив, при раздражении интенсивностьдыханияусиливается в 2–4 раза; уровеньАТФикреатинфосфатаснижается, а количествонеорганического фосфатаувеличивается. Эти изменения наступают независимо от того, каким образом произошло стимулирование нервных процессов, а именно путем электрического разряжения или химическим путем.
Общее содержание аминокислотвтканимозга человека в 8 раз превышаетконцентрациюих вкрови. Аминокислотный состав мозга отличается определеннойспецифичностью. Так,концентрациясвободной глутамино-войкислотыв мозге выше, чем в любом другом органе млекопитающих (10 мкмоль/г). На долюглутаминовой кислотывместе с ее амидом глу-тамином и трипептидомглутатиономприходится более 50% α-аминоазота головного мозга. В мозге содержится ряд свободныхаминокислот, которые лишь в незначительных количествах обнаруживаются в другихтканяхмлекопитающих. Это γ-аминомаслянаякислота, N-ацетиласпарагиноваякислотаицистатионин. Известно, что обменаминокислотв мозговойтканипротекает в разных направлениях. Прежде всего пул свободныхаминокислотиспользуется как источник «сырья» длясинтеза белкови биологически активныхаминов. Одна из функций дикарбоновыхаминокислотв головном мозге – связываниеаммиака, освобождающегося при возбуждениинервных клеток. Поступленияаминокислотв мозговуютканьи выход из нее, а также использованиеглюкозыкровидля синтезааминокислотнейронови глии в разных отделах мозга различны. Эти различия в существенной мере обусловлены наличием гематоэнцефалического барьера, который следует рассматривать конкретно для каждоговеществаили классавеществ. Ге-матоэнцефалический барьер не следует представлять как единое структурное образование, создающее преграду для транспорта; различие относительно скоростей поступлениявеществв разные отделы мозга может быть обусловлено особенностямиэпителиясосудов, базальноймембраныили расположения прилегающих отростков глиальныхклеток. В условиях in vitro (в отсутствие барьера) многиеаминокислотынакапливаются вклеткахмозга за счет активного транспорта, в котором участвует несколько самостоятельных Na+-зависимых транспортных систем. Установлено, чтобелкив головном мозге находятся в состоянии активного обновления, о чем свидетельствует быстрое включение радиоактивныхаминокислотвмолекулыбелков. Однако в разных отделах головного мозга скорость синтеза и распада белковыхмолекулнеодинакова.Белкисероговеществаполушарий большого мозга ибелкимозжечка отличаются особенно большой скоростью обновления. В участках головного мозга, богатых проводниковыми структурами –аксонами(белоевеществоголовного мозга), скорость синтеза и распада белковыхмолекулменьше. При различных функциональных состояниях ЦНС наступают изменения в интенсивности обновлениябелков. Так, при действии наорганизмживотных возбуждающих агентов (фармакологические средства и электрический ток) в головном мозге усиливается интенсивность обменабелков. Под влиянием наркоза скорость распада исинтеза белковснижается. Возбуждение нервной системы сопровождается повышением содержанияаммиакавнервной ткани. Это явление наблюдается как при раздражении периферических нервов, так и при раздражении мозга. Считают, что образованиеаммиакапри возбуждении в первую очередь происходит за счетдезаминированияАМФ.Аммиак– очень ядовитоевещество, особенно для нервной системы. Особую роль в устраненииаммиакаиграетглутаминовая кислота. Она способна связыватьаммиакс образованиемглутамина– безвредного длянервной тканивещества. Даннаяреакцияамидирования протекает при участииферментаглутаминсинтетазыи требует затраты энергииАТФ. Непосредственный источникглутаминовой кислотыв мозговойткани– путьвосстановительного аминированияα-кетоглутаровойкислоты;
Образование глутаминовой кислотыиз α-кетоглутаровой иаммиакаявляется важным механизмомнейтрализацииаммиакавтканимозга, где путь устраненияаммиаказа счет синтезамочевиныне играет существенной роли. Кроме того,глутаминовая кислотавнервной тканиможет декарбокси-лироваться с образованием ГАМК:
ГAMК в наибольшем количестве содержится в серомвеществеголовного мозга. В спинном мозге и периферических нервах ее значительно меньше.
Липидысоставляют около половины сухой массы головного мозга. Как отмечалось, внервных клеткахсероговеществаособенно много фосфо-глицеридов, а в миелиновых оболочках нервных стволов –сфингомиелина. Из фосфоглицеридовсероговеществамозга наиболее интенсивно обновляютсяфосфатидилхолиныи особенно фосфатидилинозитол. Обмен ли-пидов миелиновых оболочек протекает с небольшой скоростью.Холестерин,цереброзидыисфингомиелиныобновляются очень медленно.
Тканьголовного мозга взрослого человека содержит многохолестерина(около 25 г). У новорожденных в головном мозге всего 2 гхолестерина; количество его резко возрастает в первый год жизни (примерно в 3 раза), при этомбиосинтез холестеринапроисходит в самой мозговойткани. У взрослых людей синтезхолестеринав головном мозге резко снижается. Основная частьхолестеринав зрелом мозге находится в неэтерифици-рованном состоянии, эфирыхолестеринаобнаруживаются в относительно высокойконцентрациив участках активной миелинизации. Путибиосинтезафосфоглицеридов в мозге сходны с теми, которые осуществляются в другихтканях.Жирные кислотыобразуются в основном изглюкозы, однако частично синтез их происходит из ацетоацетата,цитратаи даже ацетил-аспартата.