Энергетический обмен головного мозга (стр. 9 из 9)
Детальные прижизненные исследования структурной организации механорецепторного нейрона рака методом «электронного зонда», а также параллельное определение ряда метаболических и электрофизиологических параметров показали, что основные структурные и метаболические перестройки и значительное усиление энергозатрат связаны с изменением функциональной активности, т.е. режима работы нейрона – переход от относительного покоя к возбуждению, смена возбуждения торможением и др. Причем установлено, что торможение нейрона характеризуется более быстрой и интенсивной активацией энергетического обмена по сравнению с возбуждением. Эти наблюдения отражают, таким образом, энергетическое обеспечение еще одной стороны специфической деятельности нервной клетки – ее интегративной функции.
К специфическим функциям нервной ткани – относятся также процессы хранения и переработки информации, поступающей в головной мозг. Синтез специфических белков и нейро-пептидов, компонентов липо- и гликопротеидных комплексов, участвующих в реализации отдельных этапов хранения и переработки информации, в процессе консолидации временных связей требует значительных энергетических затрат. Интенсивность синтеза ряда белков и пептидов мозга существенно превышает скорость биосинтеза белков в других тканях и заметно изменяется при нарушении энергетического обмена, вызванного недостатком кислорода.
Процессы, связанные с возникновением долговременного следа памяти, наиболее выражены в областях синаптических контактов; именно в синаптических окончаниях зарегистрирована интенсификация синтеза специфических белков при обучении.
Следовательно, чем интенсивнее протекают в том или ином образовании мозга процессы переработкой запоминания поступающей информации, тем выше потребность в богатых энергией соединениях и субстратах для синтетических реакций.
Кроме того, огромную роль в обеспечении функционирования синапсов играют процессы фосфорилирования белков, также связанные с потреблением АТФ или ГТФ. Циклы фосфорилирования – дефосфорилирования белков служат важным регуляторным механизмом, обеспечивающим пластичность на уровне нейронов. Процесс фосфорилирования является Са+-кальмодулинзависимым или циклонуклеотидзависимым; последнее обстоятельство делает понятным высокую tконцентрацию циклических нуклеотидов и высокую активность ферментов их метаболизма в синаптических окончаниях. В синапсах процесс фосфофилирования специфических белков включается разнообразными нейромедиаторами. Изменение степени фосфорилирования белков, участвующих в функционировании синаптических окончаний, рецепторов, ферментов синтеза и метаболизма нейромедиаторов может существенно менять проводимость синапса; это доказано на примере фосфорилирования тирозингидроксилазы и ряда других белков.
Фосфорилирование специфических белков служит необходимым этапом синоптической передачи, обеспечивая выход некоторых нейромедиаторов в синаптическую щель. Энергозависимость процесса высвобождения нейромедиаторов в синаптическую щель, участие в нем АТФазных системна также энергозависимость процесса обратного захвата нейротрансмиттера из синаптической щели подтверждена результатами многих исследований. Последовательность протекающих; при этом процессов отражает схема 5.
Таким образом, осуществление такой важной и специфической функции нервной ткани, как синоптическая передача, требует значительных энергетических затрат. – В настоящее время трудно оценить количественно эти затраты, однако их большой объем не вызывает сомнений, поскольку число синоптических контактов на поверхности нейронов необычайно велико.
Еще одним важным обстоятельством, накладывающим определенный отпечаток на энергетический обмен и многие другие стороны метаболизма нервной ткани, является необычное для большинства других типов клеток соотношение между поверхностью клетки и объемом ее центральной части. Так, для мотонейронов коры кошки средние размеры тела клетки составляют около 50 мк, в то время как длина аксона – до 10 – 10 мк; общая поверхность клетки – до 10 мк. Поверхность дендритов клеток Пуркинье мозжечка в 80–100 раз превышает поверхность сомы.
Подобные особенности структуры клеток нервной системы объясняют причины значительных энергетических затрат на транспортные нужды клетки. В первую очередь необходимо упомянуть трансмембранный перенос субстратов, медиаторов, различных предшественников с помощью специфических транслоказ или в результате конформационных перестроек мембран, большинство из которых сопровождаются фосфорилированием-дефосфорилированием мембранах белков. Например, установлено, что не более 5% важнейшего энергетического субстрата – глюкозы – поступает в мозг за счет пассивной диффузии; подавляющее количество глюкозы переносится через ГЭБ с энергетическими затратами и при участии К+, Na – АТФазы. По мнению ряда нейрохимиков, на эти процессы расходуется в нейроне достигает 15 000–20 000, занимая до 38–40% поверхности нейрона.
В последние годы внимание нейрохимиков привлекает изучение аксонального и ретроградного транспорта. Показано, что по аксону переносятся различные белки, синтезированные в перикарионе, ряд аминокислот, некоторые углеводы – глюкозамины, сиаловые кислоты и др. Транспорт последних обусловливает специфические перестройки и функциональные модификации белков синаптических окончаний за счет включения в них углеводных компонентов. Представление о соединениях, транспортируемых по аксону с различной скоростью, дают сведения, приведенные в табл. 9.
Таблица 9. Характеристика аксонального транспорта
| Тип аксонального транспорта | Скорость, мм/день | Транспортируемый материал | |
| Прямой: | |||
| – быстрый I | 200–400 | Гликопротеиды, гликолипиды, белки, медиаторы, ферменты, ионы Са+ | |
| – промежуточный II | 50 | Митохондриальные белки | |
| III | 15 | Миозиноподобные белки | |
| IV | 2–4 | Актин, клатрин окаймленных пузырьков, калъмодулин, ферменты | |
| – медленный | V | 0,2–1,0 | Белки нейрофиламентов, тубулин, т – белки аксоплазмы |
| Обратный | |||
| – быстрый | 100–200 | Нейроростовые факторы, лизосомальные ферменты, трофические вещества, катаболиты | |
Несмотря на то, что механизмы, обеспечивающие аксоплазматический ток, не вполне ясны, его зависимость от уровня макроэргических соединений доказана в экспериментах, где этот процесс ингибировался в присутствии 2,4– ДНФ, цианида или при ишемии. В возникновении перистальтических волн вдоль аксона определенную роль играют нейротубулярные структуры. Обязательным условием функционирования специфических сократительных белков нейротубул – тубуяина, кинезина и других являются конформационные перестройки после присоединения ГТФ, а также фосфорилирование с затратой АТФ или ГТФ под действием Са+-зависимых протеинкиназных систем. Учитывая весьма значительные размеры и протяженность аксонов, а также скорость аксонального транспорта, составляющую для «медленного» тока 1–5 мм, а для «быстрого» – от 40 до 500 мм в день, можно сделать вывод, что осуществление этой специфической функции нервной ткани требует определенных затрат богатых энергией соединений.
Поддержание определенного конформационного состояния белков важных структурных образований нейрональных отростков – нейрофиламентов – также требует энергетических затрат, поскольку конформационные переходы белков нейрофиламентов осуществляются за счет реакций фосфорилирования-дефосфорилирования. Преимущественная локализация нейрофиламентов в осевом цилиндре аксонов и дендритов обеспечивает определенную пространственную ориентацию нейрональных отростков. Это обстоятельство имеет необычайную важность для осуществления нейрональных контактов, для организации функциональных ансамблей нейронов, т.е. для осуществления интегративной деятельности мозга.
Рассмотренные данные позволяют в некоторой степени конкретизировать общее положение об исключительно высоких энергетических потребностях нервной ткани и понять причину тесной зависимости между функциональной активностью мозга и интенсивностью энергетического обмена.
Выводы
1. Для мозга характерна высокая интенсивность энергетического метаболизма; мозг взрослого животного или человека потребляет до 20–25% кислорода, поступающего в организм, и до 70% свободной глюкозы, выделяемой из печени в артериальную кровь.
2. Наиболее интенсивно потребление кислорода и глюкозы осуществляется в филогенетически более молодых отделах мозга; максимальная скорость дыхания обнаружена в коре больших полушарий, минимальная – в спинном мозге и периферических нервах. Интенсивность дыхания нейронов, как правило, выше, чем нейроглиальных клеток.