Биологическая химия - часть 157

в возрасте до 4 лет мозг потребляет даже 50% кислорода, утилизируемого

всем организмом.

О размерах потребления головным мозгом из крови различных веществ,

в том числе кислорода, можно судить по артериовенозной разнице. Уста-

новлено, что во время прохождения через мозг кровь теряет около 8 об.%

кислорода. В 1 мин на 100 г мозговой ткани приходится 53–54 мл крови.

Следовательно, 100 г мозга потребляет в 1 мин 3,7 мл кислорода, а весь

головной мозг (1500 г) – 55,5 мл кислорода*.

Газообмен мозга значительно выше, чем газообмен других тканей,

в частности он превышает газообмен мышечной ткани почти в 20 раз.

Интенсивность дыхания для различных областей головного мозга неоди-

накова. Например, интенсивность дыхания белого вещества в 2 раза ниже,

чем серого (правда, в белом веществе меньше клеток). Особенно интенсивно

расходуют кислород клетки коры мозга и мозжечка.

Поглощение кислорода головным мозгом значительно меньше при

наркозе. Напротив, интенсивность дыхания мозга возрастает при уве-

личении функциональной активности.

Метаболизм углеводов

Основным субстратом дыхания мозговой ткани является глюкоза. В 1 мин

100 г ткани мозга потребляют в среднем 5 мг глюкозы. Подсчитано, что

более 90% утилизируемой глюкозы в ткани мозга окисляется до СО

2

 и Н

2

О

при участии цикла трикарбоновых кислот. В физиологических условиях

роль пентозофосфатного пути окисления глюкозы в мозговой ткани не-

велика, однако этот путь окисления глюкозы присущ всем клеткам голов-

ного мозга. Образующаяся в процессе пентозофосфатного цикла восста-

новленная форма НАДФ (НАДФН) используется для синтеза жирных

кислот и стероидов. Интересно отметить, что в расчете на всю массу

головного мозга содержание глюкозы в нем составляет около 750 мг. За

1 мин тканью мозга окисляется 75 мг глюкозы. Следовательно, количество

глюкозы, имеющееся в ткани головного мозга, могло бы быть доста-

точным лишь на 10 мин жизни человека. Данный расчет, а также величина

артериовенозной разницы по глюкозе доказывают, что основным субстра-

том дыхания головного мозга является глюкоза крови. По-видимому,

глюкоза легко диффундирует из крови в ткань головного мозга (содержание

глюкозы в мозговой ткани 0,05%, а в артериальной крови – 4,44 ммоль/л,

или 80 мг/100 мл).

Между глюкозой и гликогеном мозговой ткани имеется тесная связь,

выражающаяся в том, что при недостаточном поступлении глюкозы из

крови гликоген головного мозга является источником глюкозы, а глюкоза

при ее избытке – исходным материалом для синтеза гликогена. Распад

гликогена в мозговой ткани происходит путем фосфоролиза с участием

системы цАМФ. Однако в целом использование гликогена в мозге по

сравнению с глюкозой не играет существенной роли в энергетическом

отношении, так как содержание гликогена в головном мозге невелико.

Наряду с аэробным метаболизмом углеводов мозговая ткань способна

к довольно интенсивному анаэробному гликолизу. Значение этого явления

* В целом потребление кислорода тканями взрослого человека в состоянии покоя

составляет 200-240 мл/мин.

633

пока недостаточно ясно, ибо гликолиз как источник энергии ни в коей мере

не может сравниться по эффективности с тканевым дыханием в головном

мозге.

Метаболизм лабильных фосфатов (макроэргов)

Интенсивность обновления богатых энергией фосфорных соединений в го-

ловном мозге очень велика. Именно этим можно объяснить, что содержа-

ние АТФ и креатинфосфата в мозговой ткани характеризуется значитель-

ным постоянством. В случае прекращения доступа кислорода мозг может

«просуществовать» немногим более минуты за счет резерва лабильных

фосфатов. Прекращение доступа кислорода даже на 10–15 с нарушает

энергетику нервных клеток, что в целостном организме выражается наступ-

лением обморочного состояния. По-видимому, при кислородном голо-

дании мозг может очень недолго получать энергию за счет процессов

гликолиза.

Установлено, что при инсулиновой коме содержание глюкозы в крови

может снижаться до 1 ммоль/л, потребление кислорода мозгом в этих

условиях не более 1,9 мл/100 г в 1 мин. В норме концентрация глюкозы

в крови 3,3–5,0 ммоль/л, а мозг потребляет 3,4–3,7 мл кислорода на 100 г

массы в 1 мин. При инсулиновой коме нарушаются процессы окисли-

тельного фосфорилирования в мозговой ткани, снижается концентрация

АТФ и происходит изменение функций мозга.

Возбуждение и наркоз быстро сказываются на обмене лабильных

фосфатов. В состоянии наркоза наблюдается угнетение дыхания; содержа-

ние АТФ и креатинфосфата повышено, а уровень неорганического фосфата

снижен. Следовательно, сокращается потребление мозгом соединений, бо-

гатых энергией.

Напротив, при раздражении интенсивность дыхания усиливается в 2–4

раза; уровень АТФ и креатинфосфата снижается, а количество неорга-

нического фосфата увеличивается. Эти изменения наступают независимо от

того, каким образом произошло стимулирование нервных процессов,

а именно путем электрического разряжения или химическим путем.

Метаболизм аминокислот и белков

Общее содержание аминокислот в ткани мозга человека в 8 раз превышает

концентрацию их в крови. Аминокислотный состав мозга отличается

определенной специфичностью. Так, концентрация свободной глутамино-

вой кислоты в мозге выше, чем в любом другом органе млекопитающих

(10 мкмоль/г). На долю глутаминовой кислоты вместе с ее амидом глу-

тамином и трипептидом глутатионом приходится более 50% α-аминоазота

головного мозга. В мозге содержится ряд свободных аминокислот, которые

лишь в незначительных количествах обнаруживаются в других тканях

млекопитающих. Это γ-аминомасляная кислота, N-ацетиласпарагиновая

кислота и цистатионин (см. главу 1).

Известно, что обмен аминокислот в мозговой ткани протекает в разных

направлениях. Прежде всего пул свободных аминокислот используется как

источник «сырья» для синтеза белков и биологически активных аминов.

Одна из функций дикарбоновых аминокислот в головном мозге – связы-

вание аммиака, освобождающегося при возбуждении нервных клеток.

Поступления аминокислот в мозговую ткань и выход из нее, а также

использование глюкозы крови для синтеза аминокислот нейронов и глии

634

в разных отделах мозга различны. Эти различия в существенной мере

обусловлены наличием гематоэнцефалического барьера, который следует

рассматривать конкретно для каждого вещества или класса веществ. Ге-

матоэнцефалический барьер не следует представлять как единое струк-

турное образование, создающее преграду для транспорта; различие отно-

сительно скоростей поступления веществ в разные отделы мозга может

быть обусловлено особенностями эпителия сосудов, базальной мембраны

или расположения прилегающих отростков глиальных клеток. В условиях

in vitro (в отсутствие барьера) многие аминокислоты накапливаются в клет-

ках мозга за счет активного транспорта, в котором участвует несколько

самостоятельных Na

+

-зависимых транспортных систем.

Установлено, что белки в головном мозге находятся в состоянии

активного обновления, о чем свидетельствует быстрое включение радиоак-

тивных аминокислот в молекулы белков. Однако в разных отделах голов-

ного мозга скорость синтеза и распада белковых молекул неодинакова.

Белки серого вещества полушарий большого мозга и белки мозжечка

отличаются особенно большой скоростью обновления. В участках голов-

ного мозга, богатых проводниковыми структурами – аксонами (белое

вещество головного мозга), скорость синтеза и распада белковых молекул

меньше.

При различных функциональных состояниях ЦНС наступают изменения

в интенсивности обновления белков. Так, при действии на организм

животных возбуждающих агентов (фармакологические средства и электри-

ческий ток) в головном мозге усиливается интенсивность обмена белков.

Под влиянием наркоза скорость распада и синтеза белков снижается.

Возбуждение нервной системы сопровождается повышением содержания

аммиака в нервной ткани. Это явление наблюдается как при раздражении

периферических нервов, так и при раздражении мозга. Считают, что

образование аммиака при возбуждении в первую очередь происходит за

счет дезаминирования АМФ.

Аммиак – очень ядовитое вещество, особенно для нервной системы.

Особую роль в устранении аммиака играет глутаминовая кислота. Она

способна связывать аммиак с образованием глутамина – безвредного для

нервной ткани вещества. Данная реакция амидирования протекает при

участии фермента глутаминсинтетазы и требует затраты энергии АТФ (см.

главу 12). Непосредственный источник глутаминовой кислоты в мозговой

ткани – путь восстановительного аминирования α-кетоглутаровой кислоты;

Образование глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой и аммиака

является важным механизмом нейтрализации аммиака в ткани мозга, где

путь устранения аммиака за счет синтеза мочевины не играет существенной

роли.

Кроме того, глутаминовая кислота в нервной ткани может декарбокси-

лироваться с образованием ГАМК:

635

α-Кетоглутарат

Спонтанно

α-Иминоглутарат

Глутамат-

дегидрогеназа

L-глутамат

L-глутамат

Глутаматде-

карбоксилаза

γ-Аминомасляная кислота

NH

3

H

2

O

НАДН+

 H

+

НАД

+

СО

2

ГAMК в наибольшем количестве содержится в сером веществе голов-

ного мозга. В спинном мозге и периферических нервах ее значительно

меньше.

Метаболизм липидов

Липиды составляют около половины сухой массы головного мозга. Как

отмечалось, в нервных клетках серого вещества особенно много фосфо-

глицеридов, а в миелиновых оболочках нервных стволов – сфингомиелина.

Из фосфоглицеридов серого вещества мозга наиболее интенсивно обнов-

ляются фосфатидилхолины и особенно фосфатидилинозитол. Обмен ли-

пидов миелиновых оболочек протекает с небольшой скоростью. Холесте-

рин, цереброзиды и сфингомиелины обновляются очень медленно.

Ткань головного мозга взрослого человека содержит много холестерина

(около 25 г). У новорожденных в головном мозге всего 2 г холестерина;

количество его резко возрастает в первый год жизни (примерно в 3 раза),

при этом биосинтез холестерина происходит в самой мозговой ткани.

У взрослых людей синтез холестерина в головном мозге резко снижается.

Основная часть холестерина в зрелом мозге находится в неэтерифици-

рованном состоянии, эфиры холестерина обнаруживаются в относительно

высокой концентрации в участках активной миелинизации. Пути биосинтеза

фосфоглицеридов в мозге сходны с теми, которые осуществляются в других

тканях. Жирные кислоты образуются в основном из глюкозы, однако

частично синтез их происходит из ацетоацетата, цитрата и даже ацетил-

аспартата.

ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

И ПРОВЕДЕНИЯ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Рассмотрим химические основы возникновения и поддержания биоэлектри-

ческих потенциалов (потенциала покоя и потенциала действия). Большинст-

во исследователей придерживаются мнения, что явления электрической

поляризации клетки обусловлены неравномерным распределением ионов

К

+

 и Na

+

 по обе стороны клеточной мембраны. Мембрана обладает

избирательной проницаемостью: большей для ионов К

+

 и значительно

меньшей для ионов Na

+

. Кроме того, в нервных клетках существует

механизм, который поддерживает внутриклеточное содержание натрия на

низком уровне вопреки градиенту концентрации. Этот механизм получил

название  н а т р и е в о г о насоса.

При определенных условиях резко повышается проницаемость мембра-

ны для ионов Na

+

.

В состоянии покоя внутренняя сторона клеточной мембраны заряжена

электроотрицательно по отношению к наружной поверхности. Объясняется

это тем, что количество ионов Na

+

, выкачиваемых из клетки с помощью

натриевого насоса, не вполне точно уравновешивается поступлением в клет-

ку ионов К

+

. В связи с этим часть катионов натрия удерживается внутрен-

ним слоем противоионов (анионов) на наружной поверхности клеточной

мембраны. Таким образом, на мембранах, ограничивающих нервные клетки,

поддерживается разность электрических потенциалов (трансмембранная раз-

ность электрических потенциалов); эти мембраны электрически возбудимы.

При возбуждении, вызванном тем или иным агентом, селективно изме-

няется проницаемость мембраны нервной клетки (аксона): увеличивается

избирательно для ионов Na

+

 (примерно в 500 раз) и остается без изменения

636