Особенности метаболизма нервной ткани

Центральной функциональной клеткой нервной ткани является нейрон, который связан с помощью дендритов и аксонов с такими же клетками и клетками других типов, например, с секреторными и мышечными клетками. Клетки разделены синаптическими щелями. Связь между клетками осуществляется путем передачи сигнала. Сигнал проходит от тела нейрона по аксону до синапса. В синаптическую щель выделяется вещество – медиатор. Медиатор вступает в связь с рецепторами на другой стороне синаптической щели. Это обеспечивает восприятие сигнала и генерацию нового сигнала в клетке – акцепторе.

К функциям нервной ткани относятся: генерация электрического сигнала (нервного импульса); проведение нервного импульса; запоминание и хранение информации; формирование эмоций и поведения; мышление.

Специфику нервной ткани определяет гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Гематоэнцефалический барьер имеет избирательную проницаемость для различных метаболитов, а также способствует накоплению некоторых веществ в нервной ткани. Таким образом, нервная ткань отличается по химическому составу от других тканей.

Большая часть липидов нервной ткани находится в составе плазматических и субклеточных мембран нейронов и в миелиновых оболочках. В нервной ткани по сравнению с другими тканями организма содержание липидов очень высокое. В липидный состав нервной ткани входят: фосфолипиды, гликолипиды и холестерин и нет нейтральных жиров. Эфиры холестерина находятся только в участках активной миелинизации. Сам холестерин синтезируется интенсивно только в развивающемся мозге. В мозге взрослого человека низка активность ГМГ-КоА-редуктазы – ключевого фермента синтеза холестерина. Содержание свободных жирных кислот в мозге очень низкое.

Функции липидовнервной ткани:

1. Структурная. Липиды входят в состав клеточных мембран нейронов.

2. Функция диэлектриков.

3. Защитная. Ганглиозиды являются активными антиоксидантами – ингибиторами перекисного окисления липидов. При повреждении ткани мозга ганглиозиды способствуют ее заживлению.

4. Регуляторная. Фосфатидилинозиты являются предшественниками биологически активных веществ.

Липиды постоянно обновляются. Некоторые липиды: холестерин, цереброзиды, фосфатидилэтаноламины, сфингомиелины, обмениваются медленно, в течение месяцев и даже лет. Исключение составляет фосфатидилхолин и, особенно, фосфатидилинозиты. Они обмениваются очень быстро (сутки, недели). Синтез цереброзидов и ганглиозиов протекает с большой скоростью в развивающемся мозге в период миелинизации. У взрослых почти все цереброзиды (до 90%) находятся в миелиновых оболочках, а ганглиозиды – в нейронах.

Нервные клетки не делятся, следовательно, в них не происходит синтез ДНК. Однако содержание РНК в них самое высокое по сравнению с клетками остальных тканей организма. Скорость синтеза РНК тоже очень велика. В клетках нервной ткани не могут синтезироваться пиримидины, т.к. в нервной ткани отсутствует фермент карбамоилфосфатсинтетаза. Пиримидины обязательно должны поступать из крови – гематоэнцефалический барьер для них проницаем. Гематоэнцефалический барьер легко проницаем и для пуриновых мононуклеотидов, но, в отличие от пиримидиновых, они могут синтезироваться в нервной ткани.

Нуклеиновые кислоты в нервной ткани обеспечивают хранение и передачу генетической информации и ее реализацию при синтезе клеточных белков. Например, сильные раздражители – громкие звуки, сильные зрительные стимулы и эмоции – приводят к повышению скорости синтеза и РНК, и белка в определенных участках мозга. Это указывает на то, что изменения в нервной системе, отражающие индивидуальный опыт организма, кодируются в виде синтезированных макромолекул. Информация, благодаря которой нейроны устанавливают только определенные связи с определенными нейронами, кодируется в структуре полисахаридных веточек мембранных гликопротеинов. Образование таких связей, не заложенных в период эмбрионального развития, является результатом опыта индивидуального организма и составляет материальную основу для хранения информации, определяющей особенности поведения данного организма.

В нервной ткани, составляющей только 2% от массы тела человека, потребляется 20% кислорода, поступающего в организм, при этом энергетические возможности нервной ткани ограничены.

Метаболизм углеводов. Основной путь получения энергии – только аэробный распад глюкозы. Глюкоза является почти единственным энергетическим субстратом, поступающим в нервную ткань, который может быть использован ее клетками для образования АТФ. Проникновение глюкозы в ткань мозга не зависит от действия инсулина, который не проникает через гематоэнцефалический барьер. Влияние инсулина проявляется лишь в периферических нервах. Содержание гликогена в нервной ткани ничтожно и не может обеспечить мозг энергий даже на короткое время. С другой стороны, окисления неуглеводных субстратов с целью получения энергии не происходит. Поэтому при гипогликемии и/или даже кратковременной гипоксии в нервной ткани образуется мало АТФ. Следствием этого является быстрое наступление коматозного состояния и необратимые изменения в ткани мозга.

Высокая скорость потребления глюкозы нервными клетками обеспечивается, в первую очередь, работой высокоактивной гексокиназы мозга. В отличие от других тканей, здесь гексокиназа не является ключевым ферментом всех путей метаболизма глюкозы. Ключевыми ферментами являются фосфофруктокиназа и изоцитратдегидрогеназа.

Образование НАДФН₂, который используется в нервной ткани в основном для синтеза жирных кислот и стероидов, обеспечивается сравнительно высокой скоростью протекания пентозофосфатного пути распада глюкозы.

Функционирование нервной ткани сопровождается резкими перепадами в употреблении энергии. Резкое повышение энергозатрат происходит при очень быстром переходе от сна к бодрствованию. Во время сна накапливается креатинфосфат. Переход к бодрствованию приводит к резкому уменьшению концентрации АТФ. Происходит образование АТФ из креатинфосфата.

Метаболизм аминокислот и белков. Ткань мозга интенсивно обменивается аминокислотами с кровью. Для этого существуют специальные транспортные системы - две для незаряженных аминокислот и еще несколько - для аминокислот, заряженных положительно и отрицательно. До 75% от общего количества аминокислот нервной ткани составляют аспартат и глутамат, а также продукты их превращения или вещества, синтезированные с их участием (глутамин, ацетильные производные, глутатион, ГАМК и др.). Их концентрации, и, в первую очередь, концентрация глутамата в нервной ткани очень высоки. Например, концентрация глутаминовой кислоты может достигать 10 ммоль/л.

Глутаминовая кислота связана большим числом реакций с промежуточными метаболитами ЦТК (энергетическая функция). Глутамат (вместе с аспартатом) принимает участие в реакциях дезаминирования других аминокислот и временном обезвреживании аммиака. Из глутамата образуется нейромедиатор ГАМК. Он принимает участие в синтезе глутатиона – одного из компонентов антиоксидантной системы организма.

Образуется глутамат из своего кетоаналога - α-кетоглутаровой кислоты в ходе реакции трансаминирования. Большое расходование α-кетоглутаровой кислоты восполняется за счет превращения аспарагиновой кислоты в метаболит ЦТК - оксалоацетат.

Образующаяся из глутамата ГАМК в результате нескольких реакций может быть превращена снова в оксалоацетат. Так образуется ГАМК-шунт, имеющийся в тканях головного и спинного мозга. Поэтому в этих тканях содержание ГАМК, как промежуточного метаболита циклического процесса, значительно выше, чем в остальных. На образование ГАМК здесь используется до 20% от общего количества глутамата.

Остальные пути метаболизма аминокислот сходны с имеющимися в других тканях. Ткань мозга способна синтезировать заменимые аминокислоты, как и другие ткани. До сих пор непонятным остается наличие в мозге почти полного набора ферментов орнитинового цикла, не содержащего карбамоилфосфатсинтазы, из-за чего мочевина здесь не образуется.