ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Кафедра биохимии, доцент Орёл Н.М.

НЕРВНАЯ СИСТЕМА (Н.С.) – УНИКАЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА:

• регулирует и интегрирует процессы, протекающие внутри целостного организма,

• прямо или косвенно управляет важнейшими внешними функциями организма человека и животных.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ Н.С. —САМАЯ СЛОЖНАЯ ИЗ ОБЛАСТЕЙ СОВРЕМЕННОЙ БИОХИМИИ.

ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ ТКАНИ

1. Метаболическая (в нейронах и нейроглии).

2. Генерация электрического сигнала (нервного импульса).

3. Проведение нервного импульса.

4. Запоминание и хранение информации.

5. Формирование эмоций и поведения.

6. Мышление.

ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

1) Основной структурно-функциональной единицей является нейрон..

Существует несколько типов нейронов, отличающихся размерами, числом отростков, функциональными и биохимическими свойствами.

В нейронах существуют специфические Транспортные системы нейрона (из-за

разницы между размерами, объемом клетки и длиной отростков, особенно аксона).

осуществляют: • перенос метаболитов, ионов, предшественников для образования структурных элементов и др., • антероградный и ретроградный аксональный ток , который обеспечивает постоянное обновление компонентов синаптических структур, осуществление обратной связи между отростками и телом нейрона, а также между отдельными компартментами клетки.

Нейроны образуют сложные межнейрональные ансамбли по функциональному принципу.

Число нейронов в ЦНС высших животных - 1012~1015.

2) нейроглиальные клетки —астроциты, олигодендроциты, клетки эпендимы и микроглии.

Астроглия служит опорой нейронов, обеспечивает репаративные процессы нервных стволов, изолирует нервное волокно, участвует в метаболизме нейронов.

Олигодендроглия участвует в миелинизации аксонов, в метаболизме нейронов.

Микроглия – самые мелкие клетки, (блуждающие клетки) образуются из структур оболочек мозга, проникают в белое и серое вещество мозга, способны к фагоцитозу.

Функциональная деятельность нервной ткани обеспечивается благодаря тесному морфофункциональному и метаболическому взаимодействию нейрональных и глиальныхклеток.

3) Межнейрональные и периферические связи осуществляются через синапсы (на одном нейроне от десятков до нескольких тысяч). Они обеспечивают передачу и модуляцию сигнала с помощью химических и электрических механизмов.

Строение химического синапса

4) Специфика в строении нейрональныхмембран, способных к генерации и распространению электрического потенциала.

5) Наличие миелиновых оболочек:• обеспечивают надежную электрическую изоляцию тел нейронов и их отростков,• исключают неадекватное взаимодействие между нейронами при распространении возбуждения, • гарантируют высокую скорость проведения нервного импульса.

В периферической н.с. одна шванновская клетка образует миелиновую оболочку вокруг одного волокна. В ЦНС один

олигодендроцит – вокруг нескольких

6. Автономия по отношению к другим областям организма обеспечивается гематоэнцефалическим барьером, который

играет очень большую роль в обеспечении постоянства внутренней среды мозга (поддержании ионного и осмотического баланса, избирательном активном транспорте питательных и регуляторных веществ и др.).

Основные компоненты гематоэнцефалического барьера головного мозга и периферической нервной системы

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

1. ПОСТОЯННЫЙ ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА.

По потреблению глюкозы и кислорода –первое место среди крупных органов.

Глюкоза – основной энергетический субстрат, важнейший предшественник биосинтеза аминокислот (особенно глутамата, аспартата, аланина, глицина) и других метаболитов.

Проникновение глюкозы в ткань мозга не зависит от действия инсулина. Инсулин не проходит через гематоэнцефалический барьер.

Мозговая ткань очень чувствительна к гипоксии и гипогликемии (особенно кора полушарий).

• Мозг взрослого животного или человека потребляет до 20-25% кислорода, поступающего в организм, и до 70% свободной глюкозы крови.

• Максимальная скорость дыхания происходит в коре больших полушарий, меньше — в спинном мозге и периферических нервах.

• Интенсивность дыхания нейронов, как правило, выше, чем клеток нейроглии.

• За счет окисления глюкозы обеспечивается 85-90% энергетических потребностей ткани. Относительно низкое содержание глюкозы и высокая скорость ее окисления объясняют исключительную зависимость энергетического метаболизма от поступления глюкозы из крови.

• В качестве дополнительных энергетических субстратов нейрональныеи глиальные клетки могут использовать аминокислоты, в первую очередь —глутамат и аспартат.

• Окисление свободных жирных кислот и кетоновых тел в мозге в основном происходит только в ранний постнатальный период.

• Степень использования в мозге дополнительных энергетических субстратов определяется проницаемостью для них гематоэнцефалического барьера и активностью ферментов их метаболизма. Интенсивность окисления глюкозы и других энергетических субстратов в нейронах и нейроглии различна.

• При изучении протекания реакций гликолиза в мозге установлено:

а) гексокиназная реакция – основной путь ввода окисляемых субстратов в гликолитическую цепь; активность гексокиназы в мозге выше по сравнению с другими тканями;

б) однонаправленная и синхронная регуляция адениновыми нуклеотидами гексокиназной и фосфофруктокиназнойреакций; скорость фосфорилированиясубстратов гликолиза этими ферментами определяет скорость гликолиза в целом;

в) лактатдегидрогеназа в мозге локализована не только в цитоплазме, но и в митохондриях, что дает возможность наиболее полно использовать пируват и лактат в дальнейших окислительных реакциях в митохондриях.

• При изучении функционирования ЦТК установлены следующие специфические черты:

а) основным путем пополнения пула метаболитов ЦТК служит пируват-дегидрогеназная реакция, скорость которой существенно выше, чем в других тканях;

б) активность ферментов, катализирующих наиболее медленные этапы ЦТК (цитратсинтаза, НАД-изоцитратдегидрогеназа), в мозге значительно выше, чем в других тканях;

в) единый функциональный комплекс двух ферментов – цитратсинтазы и НАД-изоцитратдегидрогеназы обеспечивает однонаправленное и синхронное изменение скоростей наиболее медленных реакций ЦТК в зависимости от энергетических потребностей ткани и соотношения АТФ/АДФ.

г) в мозге (кроме универсальных для всех тканей реакций ЦТК) функционирует шунт, образующий на этапе α-кетоглутарат –сукцинат в качестве промежуточного продукта у-аминомасляную кислоту (ГАМК).

ГАМК-шунт (разновидность ЦТК) характерен только для нервных клеток. Физиологическая роль – образование у-аминомасляной кислоты, важнейшего нейромедиатора.

д) экспериментально продемонстрирована тесная корреляция между интенсивностью энергопродукции и функциональной активностью мозга.

Охарактеризованы специфические функции нервной ткани, требующие высоких энергозатрат.

Основные энергозависимые процессы, лежащие в основе специфических функций нервной тканиФункции Биохимические, реакции

1. Проведение нервных импульсов с последующим восстановлением ионной асимметрии

К+, Nа+-АТФазная реакция

2. Поддержание определенной пространственной ориентации и конформации структурных единиц нейрона

Фосфорилирование специфических белков нейрофиламентов и другие реакции

3. Образование синаптических структур; функционирование синапсов

Синтез специфических белков, липо- и гликопротеиновых комплексов; синтез и метаболизм нейромедиаторов, транспорт, выделение, обратный захват нейромедиаторов

4. Хранение и переработка информации (нейрологическая память)

Синтез специфических белков, нейропептидов, нуклеиновых кислот, липо- и гликопротеиновых комплексов

5. Трансмембранный перенос субстратов, нейромедиаторов

Реакции, катализируемые АТФазнымисистемами, транслоказные реакции

б. Аксональный и ретроградный ток Фосфорилирование специфических белков (тубулина и др.)

2. ВЫСОКОЕ СОДЕРЖАНИЕ И ГЕТЕРОГЕННОСТЬ ЛИПИДОВ – НЕ МЕНЕЕ 50% СУХОГО ОСТАТКА.

Фосфолипиды – 50 %, холестерол и гликолипиды (цереброзиды и ганглиозиды) – по 25 %.

Липиды являются не только структурными компонентами ЦНС, но и важнейшими участниками функциональной активности.

В состав нервной ткани входят специфические липиды, которые в других органах и тканях отсутствуют или обнаруживаются в ничтожных количествах.

Функции липидов нервной ткани

1. Структурная: входят в состав клеточных мембран.

2. Функция диэлектриков (обеспечивают надежную электрическую изоляцию).

3. Защитная (обеспечивается ганглиозидами , липидами мембран – демпферная функция и др.).

4. Регуляторная. Фосфатидилинозитолы являются предшественниками вторичных мессенджеров(инозитолтрифосфатов и и диацилглицеролов). Из арахидоновой кислоты фосфолипидов синтези-руются простагландины и др.

5. Обеспечение функционирования синапти-ческих мембран.

Липидный состав нервной ткани практически постоянен и неизменен под влиянием внешних факторов (особенности питания, гормональный статус, поступление лекарственный и др. веществ, стрессы), меняющих липидный состав других органов и плазмы крови. Т.о. ЦНС защищена от внешних воздействий.

Существенные изменения липидного состава происходят в период развития.

Сложнейшая деятельность нервной ткани опосредуется через мембраны, в формировании и функционировании которой липиды принимают непосредственное участие.

1) Установлено огромное разнообразие и наличие специфических только для мозга индивидуальных липидов.

2) Фосфолипиды нервной ткани составляют до 70% от общего содержания липидов в сером веществе мозга и до 45-50% –в белом.

Фосфолипиды мозга (по сравнению с висцеральными органами) очень гетерогенны.

3) Основной представитель стеролов в нервной ткани — холестерол, около 25% от суммарного содержания липидов.

В мозге взрослых животных мало эфиров холестерола.

4) Значительная часть сфинголипидов мозга представлена галактоцереброзидами и галактосульфатидами, их количество в белом веществе значительно выше, чем в сером.

Для мозга характерна высокая концентрация и большое разнообразие индивидуальных ганглиозидов, выполняющих в мозге множество функций.

5) Установлены существенные различия в липидном составе важнейших мембранных образований нервной ткани. Высокое содержание и чрезвычайное разнообразие ганглиозидов обнаружено в мембранах нервных окончаний и в дендритах. В них они участвуют в связывании катионов (Na+, К+, Са2+ и др.), в процессах адгезии, в обеспечении иммуиохимической специфичности, антиоксидантной защиты и др.

6) В мозге мало свободных жирных кислот; высокое содержание и огромное разнообразие жирных кислот установлено в липидах нервной ткани.

Основную массу ж.к. липидов мозга составляют пальмитиновая 16:0, стеариновая 18:0, олеиновая 18:1 и арахидоновая 20:4 кислоты.

В мозге идентифицировано около 40 индивидуальных жирных кислот (в том числе полиненасыщенных, длинноцепочечных и гидрокислот), ими особенно богаты цереброзиды и сульфатиды.

Гетерогенность жирных кислот липидов мозга лежит в основе структурной лабильности мембран и определяет их важнейшие физико-химические свойства.

7) Специфическими липидными компонентами миелина являются цереброзиды и сульфоцереброзиды; высоко содержание холестерина (20-25%) и фосфолипидов (40-45%), в том числе плазмалогенов (более 90% от его количества в целом мозге).

8) Липиды мембран мозга организованы в бислой с планарной и поперечной асимметричностью размещения липидов по слоям.

Асимметрия поддерживается механизмами, учитывающими структуру липидов, их ненасыщенность, стереоконфигурацию полярных групп, специфичность липидпереносящнх белков, ферментативные превращения липидов.

9) Динамичность липидного бислояопределяется интрамолекулярными движениями (латеральная и вращательная диффузии, вертикальные колебания, флип-флоп) и фазовыми переходами, что создает основу для структурных перестроек в мембранах.

Фазовые переходы липидов

В водной среде структуры, образуемые фосфолипидами (ламеллярные, мицеллярные, гексагональные и др.), ведут себя как анизотропные жидкости, обладающие признаками упорядоченности, т. е. как жидкие кристаллы. Таким структурам присущи зависимость состояния от гидратации и зависимость структуры от температуры. Оба свойства связаны между собой.

Например, фазовые переходы липидов, по типу «гель - жидкий кристалл», происходят при температуре (Ткр), ее величина зависит от содержания воды в системе.

Ткр достигает минимума, как только общее содержание воды превышает то количество, которое могут связывать липидные структуры.

В то же время при температуре выше Ткрлипиды могут находиться в упорядоченном состоянии при недостатке воды.

10) Экстраклеточный матрикс мембран мозга (гликокалекс толщиной 10-50 нм) представляет собой комплексную, динамичную систему, в нем происходит распределение регуляторных сигналов, передача информации внутрь клетки, реализуется прямая и обратная связь с ядром. Содержит внешние компоненты рецепторов гормонов, медиаторов, ростовых факторов, нейропептидов, антигенов и других факторов.

11) Специфичность экстраклеточного матрикса определяется первичной структурой, организацией и площадью, занимаемой гликолипидами и гликопротеинами. Экстраклеточный матрикс нейрональных мембран обогащен разнообразными ганглиозидами.