Биохимия нервной сиситемы

Содержание:

 

 

1. Биохимия нервной ткани.

По своему соcтаву и процессам метаболизма нервная ткань значительно отличается от других тканей.

Центральная функциональная клетка нервной ткани- нейрон - связана 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.

Функции нервной ткани

1. Генерация электрического  сигнала (нервного импульса)

2. Проведение нервного  импульса.

3. Запоминание и хранение  информации.

4. Формирование эмоций  и поведения.

5. Мышление.

Особенности химического состава и метаболизма нервной ткани

Специфику нервной ткани определяет гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Гематоэнцефалический барьер

имеет избирательную проницаемость для различных метаболитов, а также способствует накоплению

некоторых веществ в нервной ткани. Например, в нервной ткани на долю глутамата и аспартата приходится

примерно 70-75 % от общего количества аминокислот. Таким образом, внутренняя среда нервной ткани

намного отличается по химическому составу от других тканей.

Нуклеиновые кислоты.Нервные клетки не делятся, значит, 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 (в нервной ткани отсутствует фермент

карбамоилфосфатсинтаза). 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.

В нервной ткани, так же, как и в других, нуклеиновые кислоты 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.

Метаболизм углеводов и особенности энергетического обеспечения нервной ткани

В нервной ткани, составляющей только 2 % от массы тела человека, потребляется 20 % кислорода,

поступающего в организм.

При этом энергетические возможности нервной ткани ограничены.

1. Основной путь получения  энергии - только аэробный распад  глюкозы по ГБФ-пути. Глюкоза является

почти единственным энергетическим субстратом, поступающим в нервную ткань, который может

быть использован ее клетками для образования АТФ.

2. Проникновение глюкозы  в ткань мозга не зависит  от действия инсулина, который  не проникает через

гематоэнцефалический барьер. Влияние инсулина проявляется лишь в периферических нервах.

3. Постоянный и непрерывный  приток глюкозы и кислорода  из кровеносного русла является

необходимым условием энергетического обеспечения нервных клеток. Жесткая зависимость от

поступления глюкозы обусловлена тем, что содержание гликогена в нервной ткани ничтожно (0,1 %

от массы мозга) и не может обеспечить мозг энергией 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 являются быстрое наступление коматозного состояния и необратимых изменений

в ткани мозга.

4. 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. Гексокиназа мозга отличается

низким значением Км и высокой Vmax, обладает в 20 раз большей активностью, чем

соответствующий изофермент печени и мышц. Ключевыми ферментами ГБФ-пути в нервной ткани

являются фосфофруктокиназа и изоцитратдегидрогеназа. Фосфофруктокиназу ингибируют фруктозо-

1,6-бисфосфат, АТФ и цитрат, активируют фруктозо-6-фосфат, АДФ, АМФ  и неорганический фосфат.

Активность изоцитрат ДГ даже при нормальном уровне утилизации глюкозы в состоянии покоя

максимальна. Поэтому при повышенном энергопотреблении нет возможностей ускорения реакций

цикла трикарбоновых кислот.

5. Образование НАДФН2, который  используется в нервной ткани  в основном для синтеза жирных  кислот

и стероидов, обеспечивается сравнительно высокой скоростью протекания ГМФ-пути распада

глюкозы.

Энергия АТФ в нервной ткани используется неравномерно во времени.

Так же, как и скелетные мышцы, функционирование нервной ткани сопровождается резкими перепадами в

потреблении энергии. Резкое повышение энергозатрат происходит при очень быстром переходе от сна к

бодрствованию. Поэтому существует еще одна особенность.

Образование креатинфосфата. Он обладает способностью удерживать макроэргические связи.

Эта реакция полностью обратима, ее направление зависит от соотношения АТФ/АДФ в клетках нервной

ткани. Во время сна накапливается фосфокреатин. Переход к бодрствованию приводит к резкому

уменьшению концентрации АТФ - равновесие реакции сдвигается влево, т. е. образуется АТФ.

Метаболизм аминокислот и белков.

Ткань мозга интенсивно обменивается аминокислотами с кровью. Для этого существует специальные

транспортные системы: две для незаряженных и еще несколько - для аминокислот, заряженных

положительно и отрицательно.

До 75 % от общего количества аминокислот нервной ткани составляют аспартат, глутамат, а также продукты

их превращений или вещества, синтезированные с их участием (глутамин, ацетильные производные,

глутатион, ГАМК и другие). Их концентрации, и, в первую очередь, концентрация глутамата, в нервной ткани

очень высоки. Например, концентрация глутаминовой кислоты может достигать 10 ммоль/л.

Функции глутамата в нервной ткани следующие.

1. Энергетическая. Глутаминовая  кислота связана большим числом  реакций с промежуточными

метаболитами цикла трикарбоновых кислот.

2. Глутамат (вместе с аспартатом) принимает участие в реакциях  дезаминирования других аминокислот

и временном обезвреживании аммиака.

3. Из глутамата образуется  нейромедиатор ГАМК.

4. Глутамат принимает  участие в синтезе глутатиона - одного из компонентов антиоксидантной  системы

организма.

Глутаминовая кислота по праву занимает центральное место в обмене аминокислот мозга. Она используется

для образования глутатиона, глутамина и гамма-аминомасляной кислоты. Образуется глутамат из своего

кетоаналога -a -кетоглутаровой кислоты в ходе реакции трансаминирования. Реакция превращения a-КГ в

глутамат протекает в ткани мозга с большой скоростью. Образующийся при этом глутамат являетя для цикла

трикарбоновых кислот побочным продуктом. Большое расходование a-КГ восполняется за счет превращения

аспарагиновой кислоты в метаболит цикла трикарбоновых кислот - щавелевоуксусную кислоту.

Образующаяся из глутамата ГАМК в результате нескольких реакций может быть превращена снова в

щавелевоуксусную кислоту. 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.

До сих пор непонятным остается наличие в мозге почти полного набора ферментов орнитинового цикла, не

содержащего карбамоилфосфатсинтазы, из-за чего мочевина здесь не образуется.

Ткань мозга способна синтезировать заменимые аминокислоты, как и другие ткани.

Нейромедиаторы

Нейромедиаторы - это вещества, которые характеризуются следующими признаками.

1. Накапливаются в пресинаптической  структуре в достаточной концентрации.

2. Освобождаются при передаче  импульса.

3. Вызывают после связывания  с постсинаптической мембраной  изменение скорости метаболических

процессов и возникновение электрического импульса.

4. Имеют систему для  инактивации или транпортную  систему для удаления из синапса, обладающие к

ним высоким сродством.

Таким образом, нейромедиаторы играют важную роль в функционировании нервной ткани, обеспечивая

синаптическую передачу нервного импульса. Их синтез происходит в теле нейронов, а накопление - в особых

везикулах, которые постепенно перемещаются с участием систем нейрофиламентов и нейротрубочек к

кончикам аксонов.

Химическая классификация нейромедиаторов.

Аминокислоты (и их производные).

К ним относят таурин, норадреналин, ДОФАминГАМК, глицин, ацетилхолин, гомоцистеин и некоторые другие

(адреналин, серотонин, гистамин, серотонин).

Таурин.

Таурин образуется из аминокислоты цистеина. Сначала происходит окисление серы в SH-группе до остатка

серной кислоты (процесс идет в несколько стадий), а затем происходит декарбоксилирование. Таурин - это

необычная кислота, в которой нет карбоксильной группы, а имеется остаток серной кислоты.

Таурин принимает участие в проведении нервного импульса в процессе зрительного восприятия.

Ацетилхолин.

Для синтеза холина требуются аминокислоты серин, метионин. Этаноламин может быть использован и в

готовом виде. Но, как правило, из крови в нервную ткань пступает уже готовый холин. Второй же

предшественник этого нейромедиатора - Ацетил-КоА, синтезируется в нервных окончаниях.

Продукт этой реакции ацетилхолин участвует в синаптической передаче нервного импульса. Он

накапливается в синаптических пузырьках, образуя комплексы с отрицательно заряженным белком

везикулином. Передача возбуждения с одной клетки на другую осуществляется с помощью специального

синаптического механизма.

Синапс - это функциональный контакт специализированных участков плазматических мембран двух

возбудимых клеток. Синапс состоит из пресинаптической мембраны, синаптической щели и постинаптической

мембраны. Мембраны клеток в месте контакта имеют утолщения в виде бляшек - нервных окончаний.

Нервный импульс, достигший нервного окончания, не в состоянии преодолеть возникшее перед ним

препятствие - синаптическую щель. После этого электрический сигнал преобразуется в химический.

Пресинаптическая мембрана содержит специальные канальные белки, подобные белкам, формирующим

натриевый канал в мембране аксона. Они тоже реагируют на мембранный потенциал, изменяя свою

конформацию и формируют канал. В результате ионы Са2+ проходят через пресинаптическую мембрану по

градиенту концентраций в нервное окончание. Градиент концентраций Са2+ создается работой Са2+-

зависимой.

АТФазы - кальциевым насосом. Повышение концентрации Са2+ внутри нервного окончания вызывает

слияние 200-300 имеющихся там везикул, заполненных ацетилхолином, с плазматической мембраной. Далее

ацетилхолин секретируется в синаптическую щель путем экзоцитоза, и присоединяется к рецепторным

белкам, расположенным на поверхности постсинаптической мембраны.

Ацетилхолиновый рецептор представляет собой трансмембранный олигомерный гликопротеиновый

комплекс, состоящий из 6 субъединиц: 2-, 2-бета, 1-гамма и 1-дельта. Плотность расположения белков-

рецепторов в постсинаптической мембране очень велика - около 20000 молекул на 1 мкм2. Пространственная

структура рецептора строго сооответствует конформации медиатора.

При взаимодействии с ацетилхолином белок-рецептор так изменяет свою конформацию, что внутри него

формируется натриевый канал. Катионная селективость канала обеспечивается тем, что ворота канала

сформированы отрицательно заряженными аминокислотами. Таким образом повышается проницаемость

постсинаптической мембраны для натрия и возникает новый импульс (или сокращение мышечного волокна).

Деполяризация постсинаптической мембраны выеывает диссоциацию комплекса "ацетилхолин-белок-

рецептор" и ацетилхолин освобождается в синаптическую щель. Как только ацетилхолин оказывается в

синаптической щели, он за 40 мкс подвергается быстрому гидролизу под действием фермента