Метаболизм лабильных фосфатов (макроэргов)

Введение

На долю головного мозга приходится 2—3% от массы тела. В то же время потребление кислорода головным мозгом в состоянии физического покоя достигает 20—25% от общего потребления его всем организмом, а у детей 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. Установлено, 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 неодинакова. 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 увеличении функциональной активности.

 

Метаболизм углеводов (гликолиз, пентозный цикл, ЦТК), роль инсулина в метаболизме мозга

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 СО₂ и Н₂О при участии цикла трикарбоновыхкислот. В физиологических условиях роль пентозофосфатного пути окисления глюкозы в мозговой ткани невелика, однако этот путь окисления глюкозы присущ всем клеткам головного мозга. Образующаяся в процессе пентозофосфатного цикла восстановленная 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 достаточным лишь на 10 мин жизни человека. Данный расчет, а также величина артериовенозной разницы по глюкозе доказывают, что основным субстратом 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 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 головном мозге очень велика. Именно этим можно объяснить, что содержание АТФ и креатинфосфата в мозговой ткани характеризуется значительным постоянством. В случае прекращения доступа кислорода мозг может «просуществовать» немногим более минуты за счет резерва лабильных фосфатов. Прекращение доступа кислорода даже на 10—15 секунд нарушает энергетику нервных клеток, что в целостном организме выражается наступлением обморочного состояния. По-видимому, при кислородном голодании мозг может очень недолго получать энергию за счет процессов гликолиза.

При инсулиновой коме нарушаются процессы окислительного 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; содержание АТФ и креатинфосфата повышено, а уровень неорганического фосфата снижен. Следовательно, сокращается потребление мозгом соединений, богатых 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, а именно путем электрического разряжения или химическим путем.

 

Метаболизм белков

Установлено, что белки в головном мозге находятся в состоянии активного обновления, о чем свидетельствует быстрое включение радиоактивных аминокислот в молекулы белков. Однако в разных отделах головного мозга скорость синтеза и распада белковых молекул неодинакова. Белки серого вещества полушарий большого мозга и белки мозжечка отличаются особенно большой скоростью обновления. В участках головного 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 электрический 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 аминирования протекает при участии фермента глутаминсинтетазы и требует затраты энергии АТФ. Непосредственный источник глутаминовой кислоты в мозговой ткани—путь восстановительного аминирования а-кетоглутаровой кислоты;

Образование глутаминовой кислоты из а-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:

ГАМК в наибольшем количестве содержится в сером веществе головного мозга. В спинном мозге и периферических нервах ее значительно меньше.

Специфические белки

В нервной ткани обнаружен ряд специфических белков, в частности белок S-100 и белок 14-3-2. Белок S-100, или белок Мура, называют также кислым белком, так как он содержит большое количество остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот. Этот белок сосредоточен в основном в нейроглии (85-90%), в нейронах его не более 10-15% от общего количества белка в головном мозге. Установлено, что концентрация белка S-100 возрастает при обучении (тренировках) животных. Пока нет оснований считать, что белок S-100 непосредственно участвует в формировании и хранении памяти. Не исключено, что его участие в этих процессах опосредованно. Основной белок миелина (ОБМ) - один из главных белковых компонентов миелина центральной нервной системы, составляющий около 30% общего содержания протеинов в миелине. ОБМ не является интегральным мембранным белком. Различают его растворимую фракцию, присутствующую в цитоплазме олигодендроцитов перед включением в мембраны миелина, и нерастворимую, входящую в состав миелина. В миелине ОБМ локализован с цитоплазматической стороны элементарной мембраны. ОБМ играет важную роль в организации, сборке и поддержании структурной целостности миелина. Исследования ОБМ при сосудистой патологии головного мозга фрагментарны. Экспериментально показано, что априорная сенсибилизация к ОБМ значительно ухудшает прогноз инсульта и увеличивает размеры инфаркта мозга. В клиническом исследовании J. Palfreyman с соавт. [ Palfreyman J. 1979 ] выявлено увеличение концентрации ОБМ в сыворотке крови больных с острыми нарушениями мозгового кровообращения, сохранявшееся на протяжении первых 7 дней заболевания. Отмечена корреляция между уровнем ОБМ в сыворотке крови и прогнозом инсульта.организации, сборке и поддержании структурной целостности миелина.

Фактор роста нервов — небольшой секретируемый белок, поддерживающий жизнеспособность нейронов, стимулирующий их развитие и активность. Относится к семейству нейротрофинов. Был идентифицирован первым из факторов роста. Другие представители этого семейства, которые хорошо известны, включают в себя нейротрофический фактор головного мозга, нейротрофин-3 и нейротрофин 4/5.

 

Метаболизм аминокислот, роль дикарбоновых аминокислот - глу и асп в метаболизме мозга (цикл Робертса, цикл пуриновых нуклеотидов - реакции, ферменты, субстраты, физиологическая роль)

Часть аминокислот является строительным компонентом мозга и центральной нервной системы, другая выступает в роли нейромедиаторов и напрямую воздействует на функции мозга - улучшает краткосрочную и долгосрочную память, повышает интеллект и способность к обучению.

Для фукнционирования организма необходимы все аминокислоты, но для работы мозга и центральной нервной системы особо важны следующие аминокислоты: триптофан, глицин, глутаминовая кислота и тирозин. Эти аминокислоты выделены в таблице красным цветом. Большая часть из них являются нейромедиаторами - активными биологическими веществами, отвечающими за передачу нервных импульсов, а значит эти аминокислоты отвечают за память, интеллект и возбудимость нервной системы.

Вторая группа аминокислот, выделенная зеленым цветом, также активно участвует в психических и интеллектуальных процессах. Эти аминокислоты отвечают за устойчивость психики, настроение, психическую активность, внимание. Многие из этих аминокислот используются при синтезе нейромедиаторов.

Третья группа: аминокислоты, отвечающие за психическую энергию, они выделены желтым цветом. Эта группа отвечает за выносливость нервной системы и помогает мозгу при длительных нагрузках.

АСПАРАГИН помогает защитить центральную нервную систему, т.к. помогает выделять вредный аммиак (действует как высокотоксичное вещество) из организма. Необходим для поддержания баланса в процессах, происходящих в центральной нервной системе; препятствует как чрезмерному возбуждению, так и излишнему торможению. Он участвует в процессах синтеза аминокислот в печени. Последние исследования указывают на то, что он может быть важным фактором в повышении сопротивляемости к усталости. Когда соли аспарагиновой кислоты давали атлетам, их стойкость и выносливость значительно повышались. Больше всего аспарагина в мясных продуктах.

ГЛУТАМИН (ГЛЮТАМИН) производится в мозге, необходим для детоксикации аммиака - побочного продукта протеинового обмена. Он также служит предшественником мозговых нейротрансмиттеров, таких как возбуждающий нейротрансмиттер глютамат и подавляющий нейротрансмиттер гамма-аминобутировая кислота. Гамма-аминомасляная кислота (GABA) выполняет в организме функцию нейромедиатора центральной нервной системы. Гамма-аминомасляную кислоту назначают при синдроме дефицита внимания. Глютамин очень легко проникает через гематоэнцефалический барьер и в клетках головного мозга переходит в глютаминовую кислоту и обратно. Глютамин находится в больших количествах в мышцах и используется для синтеза белков клеток скелетной мускулатуры. Глютамин улучшает деятельность мозга и поэтому применяется при эпилепсии, синдроме хронической усталости, импотенции, шизофрении Пищевые добавки, содержащие глютамин, следует хранить только в сухом месте, иначе глютамин переходит в аммиак и пироглютаминовую кислоту. Не принимают глютамин при циррозе печени, заболеваниях почек, синдроме Рейе.

Глютамин содержится во многих продуктах как растительного, так и животного происхождения, но он легко уничтожается при нагревании. Шпинат и петрушка являются хорошими источниками глютамина, но при условии, что их потребляют в сыром виде.

Аминобутиратный шунт (цикл Робертса) — последовательность биохимических реакций в головном мозге, происходящих в экстремальной для организма ситуации при большом дефиците энергии — длительный недостаток кислорода, чрезмерное нервно-психическое перенапряжение, физическая перегрузка, высокая или низкая температура, тяжелая инфекция.

В процессе аминобутиратного шунта большие количества глютаминовой кислоты превращаются в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая окисляется в головном мозге бескислородным путем с выделением большого количества энергии. Этот процесс нормализует содержание гистамина и серотонина в мозге, повышает микроциркуляцию в его тканях, не оказывая влияния на артериальное давление и показатели работы сердца.

 

 

Метаболизм липидов

Липиды составляют около половины сухой массы головного мозга. Как отмечалось, в нервных клетках серого вещества особенно много фосфоглицеридов, а в миелиновых оболочках нервных стволов — сфингомиелина. Из фосфоглицеридов серого вещества мозга наиболее интенсивно обновляются фосфатидилхолины и особенно фосфатидилинозитол. Обмен липидов миелиновых оболочек протекает с небольшой скоростью. Холестерин, 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 неэтерифицированном 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.

Физиологическая роль холестерина

Холестерин появился в эволюции вместе с животными клетками сотни миллионов лет назад. Растительные клетки покрыты двумя оболочками: одна — нежная липидно-белковая, другая — прочная целлюлозная. Клетки животных тканей имеют лишь одну оболочку, но прочности липидно-белковой мембраны было недостаточно, особенно для тканей с механическими функциями и для «блуждающих» клеток, таких, как лимфоциты и эритроциты. Именно холестериновые молекулы придают клеточным оболочкам животных необходимую прочность. Структура этих молекул такова, что они могут встраиваться между углеводородными цепочками жирных кислот клеточных мембран и «цементировать» липопротеиновую плёнку.

Среди разных клеток млекопитающих наиболее прочные — необновляемые оболочки эритроцитов. Эти клетки имеют форму вогнутого диска, что обеспечивает их максимальную поверхность по отношению к массе. Эритроциты проталкиваются под давлением через тончайшие капилляры, сталкиваясь с их стенками в узких местах. В артериях они постоянно сталкиваются между собой, подвергаясь давлению от сжатий сердечной мышцы. Это продолжается много недель, так как синтеза новых молекул в эритроцитах не происходит, они лишены ядра и других клеточных органелл и заполнены лишь гемоглобином. Именно для прочности оболочки эритроцитов содержат 23% холестерина, это больше, чем нужно оболочкам других клеток.

В оболочках клеток печени содержание холестерина составляет около 17%. В мембранах внутриклеточных структур, например митохондрий, содержание холестерина не превышает 3%. Миелиновое многослойное покрытие нервных волокон, выполняющее изоляционные функции, на 22% состоит из холестерина. В составе белого вещества мозга содержится 14% холестерина, в составе серого вещества мозга — 6%. Из холестерина в печени образуются соли желчных кислот, без которых невозможно переваривание жиров. В половых железах холестерин преобразуется в стероидные гормоны, тестостерон и прогестерон, имеющие близкую с холестерином структуру молекул. В надпочечниках производным холестерина является гормон кортизол. В женских яичниках из холестерина образуется эстрадиол. Холестерин важен для клеток почек, селезёнки и для функций костного мозга. Из холестерина в коже под влиянием света образуется витамин D, спасающий людей от рахита.

 

Список используемой литературы:

· http://elementy.ru/lib/43056

· http://www.bibliotekar.ru/447/172.htm

· http://www.imalive.ru/section25/r44

· Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В.М. Мир; 1994; 415стр.; ISBN: 5030017755