БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ. Биохимия нервной ткани
 Скачать 371.33 Kb.
|
     БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ Структура и функции нервной ткани. Особенности ее состава и метаболизма. Структурно-функциональная единица нервной ткани — нейрон — связана с помощью дендритов и аксонов с такими же клетками и клетками других типов (секреторными, мышечными), разделенными синоптическими щелями. Связь между клетками осуществляется путем передачи сигнала от тела нейрона по аксону до синапса. В синоптическую щель выделяется вещество-медиатор. Медиатор вступает в связь с рецепторами на другой стороне синоптической щели, что обеспечивает восприятие сигнала и генерацию нового сигнала в клетке-акцепторе. Функции нервной ткани. 1. Обеспечение связи с окружающей средой и осуществление адаптации к изменяющимся условиям внешней среды - генерация электрического сигнала (нервного импульса). 2. Осуществление высшего уровня регуляции метаболизма - проведение нервного импульса. 3. Запоминание и хранение информации. 4. Формирование эмоций и поведения. 5. Мышление. Особенности химического состава. Нервная ткань состоит из трех клеточных элементов: нейронов (нервные клетки), нейроглии (системы клеток), окружающие нервные клетки в головном и спинном мозге и глиальных макрофагов. Нейроны сосредоточены в сером веществе (60-65% от вещества головного мозга). Белое вещество ЦНС и периферические нервы состоят главным образом из элементов нейроглии и их производного – миелина. Указанные отделы мозга различаются по количеству составляющих его веществ. Химический состав от серого и белого вещества головного мозга человека (в процентах от сырой массы)
Особенности метаболизма нервной ткани
4. Метаболизм нервной ткани определяется наличием гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), обладающего избирательной проницаемостью для различных метаболитов и способствующего накоплению некоторых веществ в нервной ткани. Например, в нервной ткани на долю глутамата и аспартата приходится примерно 70-75% от общего количества аминокислот. Функции липидов нервной ткани: - структурная: входят в состав клеточных мембран нейронов; - диэлектрическая: обеспечивают надежную электрическую изоляцию; - защитная: ганглиозиды — активные антиоксиданты — ингибиторы перекисного окисления липидов (ПОЛ). При повреждении ткани мозга ганглиозиды способствуют ее заживлению; - регуляторная: фосфатидилинозиты — предшественники БАВ (биологически активные вещества) , рецепторы гормонов. Большая часть липидов нервной ткани находится в составе плазматических и субклеточных мембран нейронов и в миелиновых оболочках. В нервной ткани содержание липидов очень высокое. Особенностью нервной ткани является использование липидов в качестве пластического (структурного) материала, в то время как в других тканях эту функцию выполняют белки. Липиды представлены цереброзидами, ганглиозидами, сфингомиелинами, плазмалогенами, фосфатидилсеринами, фосфатидилхолинами, фосфатидилинозитами, фосфатидилэтаноламинами и холестерином. Миелиновые мембраны имеют 3 слоя белка и 2 слоя липидов, в которые входят фосфатидилсерин, цереброзиды, сфингомиелины и холестерин. Причем в каждом липидном слое миелиновой оболочки 5 слоев, 2 из которых холестерин, содержание которого достигает до 30%. Доказательством пластической роли липидов является замедленный обмен ВЖК в нервной ткани по сравнению с другими тканями организма. Особенность липидного состава нервной ткани: есть фосфолипиды (ФЛ), гликолипиды (ГЛ) и холестерин (ХС), нет нейтральных жиров. Эфиры холестерина встречаются только в участках активной миелинизации. Сам холестерин синтезируется интенсивно только в развивающемся мозге. В мозге взрослого человека низка активность ОМГ-КоА-редуктазы — ключевого фермента синтеза холестерина. Содержание свободных жирных кислот в мозге очень низкое. Некоторые нейромедиаторы после взаимодействия со специфическими рецепторами изменяют свою конформацию и конформацию фосфолипазы С, катализирующей расщепление связи в фосфатидилинозите между глицерином и остатком фосфата, в результате чего образуются фосфоинозитол и диацилглицерин — регуляторы внутриклеточного метаболизма. Диацилглицерин активирует протеинкиназу С, фосфоинозитол повышает концентрацию Са2+. Ионы кальция влияют на активность внутриклеточных ферментов и участвуют в работе сократительных элементов нервных клеток: микрофиламентов, обес печивая передвижение различных веществ в теле нервной клетки, аксоне и растущем кончике аксона. Протеинкиназа С участвует в реакциях фосфорилирования белков внутри нервных клеток. Липиды постоянно обновляются. Скорость их обновления различна, но в целом низка. Синтез цереброзидов и ганглиозидов 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. Метаболизм и особенности энергетического обеспечения нервной ткани Основной путь получения энергии — аэробный распад глюкозы по ГБФ-пути. Глюкоза — почти единственный энергетический субстрат, 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. Постоянный и непрерывный приток глюкозы и кислорода из кровеносного русла — необходимое условие энергетического обеспечения нервных клеток, так как содержание гликогена в нервной ткани ничтожно (0,1% от массы мозга) и не может обеспечить мозг энергией даже на короткое время. Глюкоза — основной источник энергии, так как че рез ГЭБ в нервные клетки поступает только глюкоза, ко торая, расщепляясь в аэробном гликолизе, образует ПВК, превращающуюся с помощью пируватдегидрогеназного комплекса в ацетил-КоА, который вступает в ЦТК, давая восстановленные эквиваленты для окислительного фосфорилирования, приводящего к образованию АТФ. В от личие от других тканей организма человека ВЖК не про никают через ГЭБ и не могут быть использованы в каче стве энергетического материала. В пируватдегидрогеназный и -кетоглутаратдегидрогеназный комплексы входит витамин В1в виде тиаминпирофосфата, поэтому недоста ток витамина В1 в первую очередь сказывается на функ ции нервной системы, в клетках которой будет нарушено образование АТФ. Это приводит к возникновению поли невритов. При голодании, сахарном диабете нервная ткань использует кетоновые тела в качестве энергетического материала. Высокая скорость потребления глюкозы нервными клетками обеспечивается работой высокоактивной гексокиназы мозга. Здесь гексокиназа не является ключевым ферментом всех путей метаболизма глюкозы. Ключевые ферменты ГБФ-пути в нервной ткани — фосфофруктокиназа и изоцитратдегидрогеназа. Фосфофруктокиназу ингибируют фруктозо-1,6-бифосфат, 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. Образование НАДФН2, используемого 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. Резкое повышение энергозатрат происходит при очень быстром переходе от сна к бодрствованию. Образование креатинфосфата способно удерживать макроэргические связи. 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 существуют специальные транспортные системы: две для незаряженных и еще несколько — для аминокислот, заряженных положительно и отрицательно. Концентрация свободных аминокислот в нервной ткани в 8 раз больше, чем в крови. Белки в головном мозге находятся в динамическом состоянии. Велика активность АсТ и АлТ, переводящих аминокислоты в кето-, для получения субстратов ЦТК. Белки серого вещества и мозжечка характеризуются высокой скоростью обновления особенно возбуждающих агентов (электрический ток, фармсредства), однако под влиянием наркоза, эти процессы затухают. 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, ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) глутатион). Функции глутамата в нервной ткани - Энергетическая: глутаминовая кислота связана большим числом реакций с промежуточными метаболитами цикла трикарбоновых кислот; - участие (вместе с аспартатом) в реакциях дезаминирования других аминокислот и временном обезвреживании аммиака; - образование из глутамата нейромедиатора ГАМК; - участие в синтезе глутатиона — одного из компонентов антиоксидантной системы организма. Глутамат с большой скоростью образуется из своего кетоаналога — -кетоглутаровой кислоты в ходе реакции трансаминирования и используется для образования глутатиона, глутамина и -аминомасляной кислоты. Ткань мозга способна синтезировать заменимые аминокислоты. Образование аммиака происходит в пуриновом цикле: путем гидролитического дезаминирования АМФ образуется ИМФ и аммиак. ИМФ, далее конденсируясь с аспарагиновой кислотой, образует аденилсукцинат, который, расщепляясь, образует вновь АМФ (и фумарат). Фумарат в ЦТК образует ОАА, который поддерживает уровень аспарагиновой кислоты, вступая в реакцию переаминирования с глутаминовой кислотой. Биохимические основы возникновения и проведения нервного импульса В норме в состоянии покоя мембрана аксона поля ризована: внутри аксона ионов калия в 30 раз больше, чем ионов натрия. Концентрация анионов также различна. Катионы внутри клетки нейтрализуются в основном белками и фосфатами, которые не могут выходить наружу; внеклеточные катионы (в основном Na+) уравновешиваются Cl–, проницаемость которого выше, чем белков. Это во-первых. Во-вторых проницаемость Na+ составляет 1/20 проницаемости К+. В третьих, К+, Na+ АТФ-аза выкачивает 3 Na+ в обмен на 2 К+. При таких условиях внутренняя сторона клеточной мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к наружной поверхности и электродвижущий трансмембранный потенциал Е=-70 мВ. При действии медиатора происходит активация аденилатциклазы мембран, под влиянием ко торой из АТФ образуется ц-АМФ, включающий каскад ный механизм активации (фосфорилированием белков) натрий-калиевой АТФ-азы (ионного насоса). Таким образом, с участием АТФ происходит вначале открытие ка налов для прохождения ионов натрия внутрь аксона, а затем открытие каналов для выхода ионов калия нару жу. В этом состоянии разность потенциалов достигает +40мВ, положительный заряд внутри аксона. Это потенциал действия и, возникнув в одном участке, вследствие диффузии ионов вдоль волокна, снижает потенциал покоя и вызывает здесь тоже развитие потенциала действия. Возникает волна деполяризации — нервный им пульс; затем происходит распространение волны депо ляризации. Восстановление мембраны в поляризованном виде происходит также с участием ионных насосов с зат ратой АТФ. Следовательно, для функционирования не рвной системы необходима выработка и затрата значи тельных количеств АТФ. Понятие о синапсах. Нейромедиаторы. Пептиды Синапс - функциональный контакт специализированных участков плазматических мембран двух возбудимых клеток. Состоит из пресинаптической мембраны, синаптической щели и постсинаптической 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. Здесь электрический сигнал преобразуется в химический. Пресинаптическая мембрана содержит специальные канальные белки, которые реагируют на мембранный потенциал, изменяя свою конформацию, и формируют канал. В результате ионы Са2+ проходят через пресинаптическую мембрану по градиенту кон центраций в нервное окончание. Градиент концентраций Са2+ создается работой Са2+ -зависимой АТФазы — кальциевым насосом. Повышение концентрации Са |