Биохимия нерной ткани

Химические основы жизнедеятельности нервной ткани имеют, с одной стороны, общие черты, присущие клеткам любой ткани, с другой- специфической особенности, определяемые характером функций, выполняемоых нервной системой в целостном организме. Эти особенности проявляются как в химическом составе, так и в метаболизме нервной ткани.

Нервная ткань состоит из трех типов клеточных элементов: нейронов (нервных клеток), нейроглии – системы клеток, непосредственно окружающих нервные клетки в головном и спинном мозге; мезенхимных элементов, включающих микроглию.

Основная масса головного мозга – это первые 2 типа клеточных элементов. Нейроны сосредоточены в сером веществе (60 – 65% от вещества головного мозга), тогда как белое вещество ЦНС и периферические нервы состоят главным образом из элементов нейроглии и их производных – миелина. В цитоплазме нейрона сосредоточены главням образом липидные компоненты клетки одной из особенностей митохондрий, изолированных из нервных клеток является то, что они содержат меньше ферментов,участвующих в процессах окисления жирных кислот и аминокислот, чем митохондрии из других тканей

В ЦНС обнаруживаются постоянно и выполняют те же функции, что и лизосомы других органов и тканей.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГОЛОВНОГО МОЗГА.

Серое вещество головного мозга представлено в основном телами нейронов, а белое – аксонами.В связи с этим… отделы головного мозга значительно отличаются по своему химическому составу. Эти отличия носят прежде всего количественный характер. Содержание воды в сером веществе головного мозга значительно больше, чем в белом. В сером веществе белки составляют половину…веществ, а в белом – одну треть. На долю липидов в белом веществе приходится более половины сухого остатка, в сером – 30%.

Белки головного мозга.

На долю белков приходится 40% сухой массы головного мозга.

Все белки нервной ткани можно разделить на 2 основные группы:

растворимые в воде и солевых растворах и нерастворимые.

Серое вещество богаче белками растворимыми, а белое – нерастворимыми.

В нервной ткани содержатся как простые, так и сложные белки.

К простым белкам относятся:

Нейроальбумины - в свободном состоянии встречаются редко,является основным белковым компонентом фосфопротеинов. на их долю приходится 90% от массы растворимых белков.

Нейроглобулины – количество в головном мозге относительно невелико, в среднем около 5% по отношению ко всем растворимым белкам, и они легко соединяются с липидами, нуклеиновыми кислотами, углеводами.

Гистоны – делят на 5 основных фракций в зависимости от содержания в них лизина, аргинина и лейцина. При электрофорезе Рн=10,5 – 12,0 они движутся к катоду и получили название катионных белков нервной ткани.

Нейросклеропротеиды структурноопорные белки. К ним относятся нейроколлаген, нейроэластин и нейростромин.Они составляют примерно 8 – 10% от всех простых белков нервной ткани и локализованы в основном в белом веществе головного мозга и периферической нервной системе.

К сложным белкам относятся:

Нуклеопротеиды – белки, которые принадлежат либо к дезоксирибонуклеопротеидам ДНП, либо к рибонуклеопротеидам РНП.

Липопротеиды хорошо растворимы в воде, их основная масса представлена простыми белками, к которым присоединяется липидные части, представленные фосфолипидами и холестерином.

Протеолипиды – основная часть липидная, связанная с белковыми группами, представленные либо одной полипептидной цепью из 5 аминокислот, либо смесью нескольких цепей. Нерастворимы в воде, но растворимы в органических растворителей, трудно поддаются действию протеолитических ферментов.

Фосфопротеиды – сложные белки, простетическая группа представлена фосфорной кислотой, соединенной с остатком серина.Содержание фосфолипидов в головном мозге более высокое, чем в других органах и тканях и обнаружены в мембранах морфологических структур нервной ткани, для них характерна быстрая обновляемость.

Гликопротеиды. Представляют собой гетерогенную фракцию белков. По количеству белков и углеводов, входящих в входящих в их состав их можно разделить на 2 основные группы.

Углеводы – 5 – 40%, остальная часть представляет собой альбумины, или глобулины.

Содержание углеводов 40 – 85%,помимо белка может содержать и липидные комплексы, образуется глико – липопротеидный комплекс.

СПЕЦИФИЧНЫЕ БЕЛКИ НЕРВНОЙ ТКАНИ.

Белок Мура обладает кислыми свойствами вследствие содержания в большом количестве аспарагиновой и особенно глутаминовой аминокислот. Около 85 – 90% данного белка находится в нейроглии и 10 – 15% в нейронах,т.е. это нейроглиальный белок, его концентрация возрастает при обучении и возможно принимает участие в формировании и хранении памяти.

Белок14 – 3 – 2 так же относится к кислым белкам, и в отличии белка -100 он локализован в основном в нейронах, в нейроглиальных клетках его содержание невелико. Роль данного белка пока не ясна.

ФЕРМЕНТЫ.

В мозговой ткани содержится большое количество ферментов, которые катализируют обмен углеводов, липидов и белков. В чистом кристаллическом виде выделены: ацетилхолинэстераза, креатинкиназа.

Значительное количество ферментов в мозговой ткани находится в нескольких молекулярных формах (изоферменты):

лактатдегидрогеназа, альдолаза, креатинкиназа, гексокиназа, глутоматдегидрогеназа, холинэстераза, моноаминооксидаза, и др.

ЛИПИДЫ.

Среди химических компонентов головного мозга особое место занимают липиды, высокое содержание и специфическая природа которых придают мозговой ткани характерные особенности.

В группу липидов головного мозга входят фосфолипиды, холестерин, сфингомиелины, цереброзиды, ганглиозиды, и очень небольшое количество нейтрального жира.

В сером веществе головного мозга фосфолиипды составляют более 60% от всех липидов, а в белом веществе 20%. Напротив, в белом веществе содержится холестерин сфигмомиелинов и церебро… больше, чем в белом веществе.

В мозговой ткани имеются гликоген и глюкоза. Однако, по сравнению с другими тканями ткани мозга белны углеводами.

В мозговой ткани имеются так же промежуточные продукты обмена углеводов, гексозо – и триозофосфаты, молочная, пировиноградная и другие кислоты.

Нуклеотиды и креатинфосфат.

Из свобвдных нуклеотидов в мозговой ткани больше приходится на долю адениловых нуклеотидов и меньше производных гуаниновых нуклеотидов.

Распределение основных макроэргических соединений примерно одинаково во всех отделах головного мозга.

Содержание циклических нуклеотидов (цАМФ, цГМФ) в головном мозге значительно выше, чем во многих других тканях, наибольшее содержание цАМФ. Для мозга характерно так же высокая активность ферментов метаболизма циклических нуклеотидов. Считается, что циклические нуклеотиды участвуют в синтетическом процессе.

Минеральные вещества

Na K Cu Fe Ca Mg Mn распределены в головном мозге относительно равномерно между серым и белым веществами. Содержание же фосфора в белом веществе выше, чем в сером.

Количественное соотношение неорганических анионов и катионов в мозговой ткани свидетельствует о дефиците анионов. Считают, что дефицит анионов покрывается за счет липидов.

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА НЕРВНОЙ ТКАНИ.

Газообмен.

На долю головного мозга приходится 2 – 3% от массы тела. В то же время потребление кислорода головным мозгом в состоянии физиологического покоя составляет 20 - 25% от общего потребления его всем организмом.

Газообмен мозга значительно выше, чем газообмен других тканей, в частности он превышает газообмен мышечной ткани в 20 раз.

Интенсивность дыхания для различных областей головного мозга неодинаково. Так, дыхание белого вещества в 2 раза ниже, чем серого. Особенно интенсивно расходуют кислород клетки коры полушарий головного мозга и мозжечка. Поглощение кислорода головным мозгом значительно уменьшается при наркозе. Напротив, интенсивность дыхания головного мозга увеличивается при возрастании функциональной активности.

ОБМЕН ГЛЮКОЗЫ И ГЛИКОГЕНА В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ.

Основным субстратом дыхания мозговой ткани является глюкоза. Об этом свидетельствует дыхательный коэффициент ткани головного мозга, который близок к единице Dk =CO2/O2=0,99+-0,33.

Показано, что более 85% утилизированной глюкозы окисляется до углекислого газа и воды при участии цикла трикарбоновых кислот.

В физиологических условиях роль пентозофосфатного пути окисления глюкозы в мозговой ткани невелика. Однако этот путь окисления глюкозы присущ всем клеткам головного мозга. Образующийся при этом НАДФН₂ используется на синтез жирных кислот и стероидов.

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 является исходным материалом для синтеза гликогена. Распад гликогена мозговой ткани идет путем фосфоролиза с участием системы цАМФ. Однако, в целом же использование гликогена в мозге не играет существенной роли в энергетическом отношении, т.к. содержание гликогена в головном мозге невелико.

ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ.

Аминокислотный состав мозга отличается определенной специфичностью. Так, концентрация свободной глутаминовой кислоты в мозге выше, чем в любом органе. Обнаруживается ряд свободных аминокислот, которые лишь в незначительном количестве находятся в других тканях. Сюда относятся: гамма – аминомасляная кислота, ацетиласпарагиновая кислота и цистотианин. Последний обнаруживается только в мозге человека, где он образуется в результате взаимодействия сирина и гомоцистеина.

Белки в головном мозге находятся в состоянии активного обновления, однако, в разных отделах головного мозга скорость синтеза и распада белковых молекул неодинакова. Белки серого вещества больших полушарий и белки мозжечка отличается особенно большой скоростью обновления. Белки белого вещества головного мозга имеют меньшую скорость синтеза и распада белковых молекул.

При различных функциональных состояниях ЦНС отмечается изменение в интенсивности обновления белков. Так, при действии на организм возбуждающих агентов в мозге усиливается интенсивность обмена белков. Напротив, под влиянием наркоза скорость распада и синтеза белков снижается.

При возбуждении центральной нервной системы отмечается повышение содержания аммиака в нервной ткани. Это явление имеет место, как при раздражении периферических нервов, так и головного мозга. Считают, что образование аммиака при возбуждении в первую очередь происходит за счет дезаминирования адениловой кислоты.

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. Длина реакции аминирования протекает при участии фермента глутаминсинтетазы и требует затрат энергии АТФ. Определенную роль в связывании аммиака играет реакция восстановительного аминирования.

Обмен липидов.

Липиды составляют около половины сухой массы головного мозга. Из фосфолипидов серого вещества головного мозга наиболее интенсивно обновляется фосфотидилхолин и особенно фосфотидилинозит.

Обмен липидов миелиновых оболочек протекает с небольшой скоростью. Холестерин, цереброзиды и сфигмомиелин обновляются очень медленно.

Обмен лабильных фосфатов (макроэргов) в ткани мозга

Интенсивность обновления богатых энергией фосфорных соединений в головном мозге очень велико. Этим можно объяснить тот факт, что содержание АТФ и креатинфоосфата в мозговой ткани характеризуется значительным постоянством. При прекращении доступа кислорода мозг может функционировать немногим более минуты за счет резерва лабильных фосов. При кислородном голодании мозг может недолго получать энергию за счет гликолиза.

Возбуждение и наркоз быстро сказываются на обмене фосфатов. В состоянии наркоза наблюдается угнетение дыхания, уровень АТФ и креатинфосфата повышается, а уровень неорганических фосфатов снижается. Следовательно, содержание потребленных мозгом соединений богато энергией. Напротив, при раздражении интенсивность дыхания усиливается в 2 – 4 раза, уровень АТФ и креатинфосфата снижается, а количество неорганического фосфата увеличивается. Эти изменения наступают независимо от того, каким образом произошло стимулирование нервных процессов.

РОЛЬ МЕДИАТОРОВ В ПЕРЕДАЧЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Медиаторы – посредник, синоптический передатчик нервного импульса с нервных окончаний на клетку периферических органов или на нервные клетки.

Чаще всего медиаторы - низкомолекулярные вещества, выполняющие в организме и другие функции.

К медиаторам относятся ацетилхолин, катехоламин (норадреналин), пептиды, некоторые аминокислоты.

Ацетилхолин – образуется при участии холина и ацетил-КоА в присутствии фермента холинацетилтрансферазы. Медиатор осуществляет передачу нервного импульса с двигательных нервных окончаний на мышцу. Распад ацетилхолина происходит под действием холиндиэстеразы, что и прекращает эффект действия ацетилхолина.

ГАМК – образуется из глютаминовой кислоты путем декарбоксилирования. Является медиатором процесса торможения ЦНС.

В большем количестве содержится в сером веществе головного мозга. В спинном мозге и периферической нервной системе её значительно меньше.

Гистамин – образуется из гистидина путем декарбоксилирования. Участвует в передаче нервного импульса в центральной и периферической нервной системе. В ЦНС проводит импульс от стволовой части мозга к гипофизу и эпифизу.

Адренергическая и холинергическая системы головного мозга тесно взаимодействуют с другими системами мозга, в частности с серотонической системой. В основном серотонинсодержащие нейроны сосредоточены в ядрах мозгового ствола. Нейромедиаторная роль серотонина осуществляется в результате взаимодействия серотонина со специфическими серотонинергическими рецепторами.

Исследования, проведенные с ингибитором синтеза серотонина дают основание считать, что серотонин влияет на процессы сна. Выявлено также, что торможение кортикостероидами секреторной активности гипофиза оказывается менее эффективным при низком содержании серотонина.

Фармакологи выяснили, что известный галлюциноген – диэтиламин лизергиновой кислоты (ЛСД) не только сходен по химическому строению с серотонином, но и нейтрализует некоторые его фармакологические эффекты (блокируя рецепторы серотонина). Поэтому было высказано предположение, что нарушение обмена серотонина может быть причиной возникновения особых психических заболеваний

Считают, что такие антипсихотические средства, как аминазин (хлорпромазин) и галоперидол, усиливая синтез катехоламинов, способны блокировать дофаминовые рецепторы в мозге.

Рядом исследований было показано значение нейропептидов в развитии организма и формировании его психической сферы. В частности к ним относятся: лейцин-энкефалин и метионин-энкифалин, обладающие способностью связываться с опиоидными рецепторами и действовать подобно морфину. В гипофизе были обнаружены и другие эндогенные опиаты – альфа-, бета-, гамма-эндорфины, являющиеся пептидами. все эти вещества с опиатоподобным действием, включая ранее открытые энкефалины, получили общее групповое название – эндорфины или эндогенные морфины. Эндорфины являются продуктами ограниченного протеолиза гормонов гипофиза, т.е. имеют гормональное происхождение.

Заложены основы нового направления исследования высшей нервной деятельности – рецепторология мозга.

показано активное участие нейропептидов в регуляции болевой чувствительности, причем найдены существенные различия их действия в зависимости от этиологии болевого синдрома.

Недостаточность регуляции эндорфинов может лежать в основе повышения болевой чувствительности и повышением ноцицептивных рефлексов.

Отмечено что подавление выброса в кровь эндорфинов обусловлен терапевтический эффект применения кортикостероидов при шоке.

у фрагментов АКТГ, вазопрессина и окситацина выявлено стимулирующее влияние на память, внимание, обучаемость. Данные нейропептиды модулируют долговременную и кратковременную память, облегчают извлечение, улучшают консолидацию следы памяти, сохранность навыка при обучении. Положительное влияние при нарушении процесса внимания, в виде усиления концентрации и увеличении объема было отмечено у фрагментов кортикотропина АКТГ_4-10.

Клиническое применение нейропептидов при анамнестических нарушениях различают нозологическую принадлежность – церебральный атеросклероз, черепно–мозговая травма, ишемия, неврастения, показано их положительное влияние.

Следует отметить, важность психотропных свойств нейропептидов, могущих служить основой для создания новых групп препаратов сильной антидепрессивной активностью, а так же новых седативных средств и транквилизаторов.

СПИННОМОЗГОВАЯ ЖИДКОСТЬ.

Общий объем спинномозговой жидкости (ликвора) в норме у взрослого человека составляет около 125 мл, который каждые 3 – 4 часа обновляется. Ликвор рассматривают иногда как первичный транссудат или ультрафильтрата плазмы. Состав спинномозговой жидкости существенно отличается от состава плазмы крови, что и позволяет приписывать сосудистому эндотелию в нервной системе главную роль в осуществлении барьерной функции. Вода в ликворе составляет 99%, не долю плотного остатка приходится около 1%. Химический состав ликвора представлен в таблице.

Компоненты содержание

белки………………………………………………0,15 – 0,4 г/л

альбумины/глобулины………………………………4:1

остаточный азот………………... ………8,57 – 14,28 ммоль/литр

аминокислот…………………………………1,14 – 1,93

мочевины……………………………………..2,86 – 7,14

глюкоза………………………………………..2,50 – 4,16

молочная кислота……………………………..1,67

холестерин……………………………………..2,62 – 5,20

нейтральные жиры…………………………….следы

лецитин…………………………………………»

Na⁺.........................................................................146 ммоль/литр

K⁺…………………………………………………3,5 – 4,0

Ca²⁺………………………………………………1,5

Cl^-…………………………………………………125

HCO₃^-………………………………………………2