Энергетический обмен головного мозга

АО  «Медицинский Университет Астана»

Кафедра биохимии с курсом общей химии

 

    

     СРС

Тема: Энергетический обмен головного мозга

                       Выполнила: Султанбай Ж.

                                                                                Группа: 235 ОМ

                                                                        Проверила: Ниязова Р.Е.

 

 

 

Астана 2012 г.

План:

Введение

1. Потребление головным мозгом кислорода
2. Гликоген как возможный источник энергии в головном мозге
3. Аэробное окисление глюкозы в головном мозге и механизмы его регуляции
4. Компоненты дыхательной цепи митохондрии и их соотношение в головном мозге
5. Энергообеспечение специфических функций в нервной ткани

 

Заключение

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

   Изучение энергетического обмена в головном мозге привлекает особое внимание нейрохимиков и нейрофизиологов. При углубленном изучении деятельности мозга выяснено, что процессы, лежащие в основе таких специфических лишь для нервной ткани явлений, как проведение нервных импульсов, возбудимость, способность к хранению и переработке поступающей информации, а также многочисленные биохимические и биофизические процессы, связанные с поддержанием своеобразной пространственно-функциональной архитектоники мозга, с непрерывным образованием функциональных ансамблей нейронов, с обновлением и образованием синаптических структур и других, протекают с очень значительными энергетическими затратами.

   Эти наблюдения, а также наличие теснейшей связи между окислительными процессами и функциональной активностью нервной ткани позволили сформулировать принципиально важное положение о том, что интенсивность энергетического обмена является одним из ведущих факторов, лимитирующих деятельность мозга. Большой вклад в обоснование данного положения внесен основоположниками функциональной нейрохимии – Е.С. Лондоном, А.В. Палладиным, Г.Е. Владимировым, МИ. Прохоровой, Г. Мак-Ильвейном, Г. Кребсом, Л. Соколовым, Б. Съёшио.

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Потребление головным мозгом кислорода

 

    Одним из важнейших показателей, характеризующих интенсивность энергетического обмена, служит скорость дыхания. При определении артериовенозной разницы по кислороду, выполненном на интактных животных или людях, было установлено, что потребление кислорода мозгом человека составляет в среднем 1,5–1,7 мкмоль-г/мин», а мозгом крыс – 4,6–4,9 мкмоль-г/мин.

С помощью различных методических приемов показано, что по интенсивности  дыхания головной мозг занимает ведущее  место среди крупных органов  и тканей. В качестве примера можно  привести данные о среднем потреблении  кислорода тканями взрослых крыс:

Головной мозг 5,43

Сердце: интенсивная работа 4,20 покой 3,06

Почки – 2,40

Печень 1,80

    Головной мозг, составляющий не более 2% от массы тела, потребляет до 20–25% от всего поступающего в организм количества кислорода; более того, у новорожденных животных или человека на дыхание головного мозга может расходоваться до 50% от общего количества кислорода, потребляемого организмом.

Сопоставление дыхания разных отделов мозга животных показывает общую закономерность: снижение интенсивности  дыхания по мере перехода от филогенетически  более молодых передних отделов  мозга к более старым задним отделам. Максимальная интенсивность дыхания  установлена в коре больших полушарий; далее по скорости поглощения кислорода  отделы мозга можно расположить  в такой убывающей последовательности: мозжечок и промежуточный мозг > средний и продолговатый мозг > спинной мозг. Различия в интенсивности  дыхания отдельных зон коры больших  полушарий выражены слабо.

   Высокая интенсивность окислительных реакций характерна не для всей нервной ткани; установлено, что периферические нервы используют лишь около 3% того кислорода, который потребляется эквивалентным по массе количеством ткани из центральных отделов нервной системы. В литературе имеются противоречивые данные о сравнительной интенсивности дыхания двух важнейших типов клеток нервной системы: нейрональных и нейроглиальных. Большинство исследователей указывают на значительно более интенсивные окислительные процессы в нейронах по сравнению с нейроглиальными клетками. Следует, однако, отметить, что сравнение интенсивности дыхания нейрональных и нейроглиальных клеток сопряжено с определенными методическими трудностями, поскольку практически отсутствуют надежные и быстрые методы получения интактных клеток мозга, не загрязненных миелином и другими примесями.

Учитывая парциальные  объемы отдельных типов клеток и  структур мозга, а также данные об интенсивности их дыхания, можно  приблизительно оценить вклад нейронов и глии в общее потребление  О. Для коры больших полушарий  крыс установлено, что около/0% от общего поглощения кислорода приходится на нейроны, а примерно 30% – на глиальные  клетки, причем перикарион нейронов, занимающий около 5% объема в коре больших полушарий, потребляет до 25% кислорода; синаптические  окончания, занимающие около 15% объема, – примерно 10% кислорода.

 

 

 

 

2. Гликоген как возможный источник энергии в головном мозге

 

   Сопоставление данных содержания глюкозы в мозге разных животных и скорости ее потребления мозговой тканью показывает, сколь незначительны собственные ресурсы этого метаболита в мозге, и объясняет отмеченную зависимость функциональной активности головного мозга от поступления углеводов с кровью. Возникает вопрос, в какой мере уровень глюкозы в мозге может поддерживаться за счет гликогена.

Уровень этого полисахарида в мозговой ткани разных животных составляет в среднем 2,5–4,5 мкмоль/г. Общее содержание гликогена в  мозге эмбрионов и новорожденных  животных значительно выше, чем в  мозге взрослых. Например, в мозге  у новорожденных мышей гликогена  в 3 раза больше, чем в мозге взрослых животных. По мере роста и дифференцировки  мозга, а также возрастания зависимости  функционального состояния мозга  от скорости дыхания концентрация гликогена  быстро снижается и далее в  мозге взрослого животного поддерживается относительно постоянной. Эти изменения  связывают с быстрой активацией фосфорилазной системы в первые дни постнатального развития и с  повышением ее чувствительности к различным  регуляторным воздействиям, в частности  к гормональной регуляции.

   Гликоген в качестве субстрата участвует в энергетическом обмене. В экспериментах, выполненных на кошках, к перфузионной жидкости добавляли глюкозу 1–6С. Анализ С0₂ в оттекающей от мозга крови показал разбавление С0₂, образующегося из меченой глюкозы, нерадиоактивной углекислотой, источником которой служил окисляющийся гликоген мозга. Расчеты показывают, что лишь до 7–10% энергетических потребностей головного мозга могут покрываться за счет расщепления гликогена.

   В качестве энергетического источника используется свободная фракция гликогена, на долю которой приходится около 20–25% от общего содержания углевода в мозге. Остальная часть гликогена находится в связанном состоянии – это наиболее интенсивно обновляющаяся фракция гликогена. Именно за счет связанного гликогена происходит пополнение фонда расщепляющейся свободной фракции. Особенно важное значение этот субстрат имеет в головном мозге при экстремальных состояниях, когда уменьшается поступление в мозг глюкозы крови. Однако из-за небольших размеров пула гликогена в мозге полное расщепление его до глюкозы с последующим окислением может произойти в течение 5–7 мин.

   Таким образом, собственные углеводные запасы в нервной ткани относительно невелики и не могут обеспечить энергетические потребности нормально функционирующего головного мозга в течение длительного времени. Это обстоятельство наряду с отмеченной ограниченной способностью мозга использовать другие субстраты окисления лежит в основе характерной для нервной ткани зависимости от постоянного поступления глюкозы из крови-

    Для того чтобы понять, каким образом в головном мозге обеспечивается высокий уровень энергетического обмена, за счет чего глюкоза используется почти полностью именно в реакциях окисления и для обеспечения энергетических потребностей ткани, а не в других метаболических процессах, необходимо более детально рассмотреть вопросы регуляции скоростей основных путей окисления – гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Аэробное окисление глюкозы в головном мозге и механизмы его регуляции

 

В последние годы в литературе появились сведения о специфичности  регуляторных механизмов, контролирующих метаболизм глюкозы в функционально  различных органах и тканях в  условиях интактного организма. Особое внимание исследователей сосредоточено  на изучении соотношения активностей  и механизмов контроля над теми ферментами, которые конкурируют за использование  субстратов, стоящих в точках перекреста нескольких метаболических путей. Имеются  лишь единичные публикации, посвященные  исследованию механизмов, обеспечивающих высокую интенсивность энергетического  обмена мозга in vivo, а также регуляции  метаболизма мозга. Это объясняется  сложной и гетерогенной структурой, наличием ГЭБ и рядом других причин, затрудняющих интерпретацию экспериментальных  данных и экстраполяцию результатов, полученных in vitro, на мозг интактного животного. Многие аспекты этой важной и сложной  проблемы требуют дальнейших углубленных  нейрохимических исследований.

Пути утилизации глюкозы  в мозге; гликолиз и механизмы, контролирующие его скорость

Последовательность реакций  аэробного гликолиза, а также  средние значения активностей ферментов, катализирующих отдельные стадии, приведены  на схеме 1.

Из сопоставления активностей  ферментов видно, что наиболее медленными реакциями, которые могут лимитировать скорость потока метаболитов по гликолитической цепи, являются гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции.

Представление о количественном соотношении промежуточных компонентов  гликолиза дают следующие средние  результаты определения уровня метаболитов в головном мозге крыс:

Гликоген	1,9 –	3,8
УДФ-глюкоза	0,08 –	0,17
Глюкоза	1,52 –	3,70
Глюкозо-6-фосфат	0,039-	0,049
Фруктозо-б-фосфат	0,017-	0,023
Фруктозо – 1,6 – дифосфат	0,010-	0,017
Дигидроацетонфосфат	0,024
2-Глицероальдегидфосфат	0,021-	0,046
З-Фосфоглицерат	0,100-	0,085
2-Фосфоглицерат	0,010-	0,016
Фосфоенол п ируват	0,035-	0,097
Пируват	0,120-	0,190
Лактат	1,26 –	1,70

Гексокиназная реакция. Первым этапом на пути вовлечения с вободной D-глюкозы, поступающей в мозг из крови, в разнообразные метаболические превращения служит реакция фосфорилирования, катализируемая гексокиназой. Для регуляции энергетического метаболизма в головном мозге гексокиназная реакция имеет особое значение, так как она является основным поставщиком глюкозо-6-фосфата, необходимого для дальнейших превращений. В других тканях, таких как печень, сердечная и скелетная мышцы и др., источником большей части глюкозо-6- фосфата служит реакция расщепления гликогена или реакции глюконеогенеза.

Гексокиназная реакция является доминирующим путем пополнения пула метаболитов гликолиза в мозге, поскольку, как уже упоминалось, глюкоза представляет собой основной энергетический субстрат в этой ткани. Окисление иных энергетических субстратов и ввод компонентов в гликолитическую  цепь через другие реакции в нервной  ткани не имеет существенного  значения.

 

   Все это позволяет рассматривать гексокиназную реакцию как первый пункт контроля над скоростью энергетического обмена в головном мозге. Лишь в экстремальных ситуациях – при резкой гипогликемии или в условиях чрезвычайно интенсивного гликолиза при кислородной недостаточности – лимитирующим этапом может стать транспорт глюкозы через ГЭБ.

   Активность гексокиназьг мозга относительно невелика, особенно по сравнению с активностью других ферментов гликолиза; в среднем она составляет 350–450 мкмоль субстратаг-ч~. Эта величина в 5–10 раз превышает среднюю скорость поступления глюкозы в мозг. Более того, при сопоставлении активности фермента в различных тканях максимальные величины получены рядом авторов именно в экспериментах с головным мозгом.

   Распределение фермента в нервных клетках неравномерно; с помощью гистохимических, иммунохимических методов, а также при исследовании обогащенных препаратов установлена более высокая активность гексокиназы в нейронах, особенно в синаптических окончаниях, по сравнению с олигодендроглией.

   Интересная особенность отмечена при изучении распределения фермента между компартментами клетки: в отличие от ряда других тканей в мозге основная часть гексокиназы сосредоточена не в цитоплазме, а в митохондриях. В связывании фермента с внешней митохондриальной мембраной участвует специфический белок, детальные исследования свойств которого указывают на идентичность его с белком, формирующим поры. На прочность взаимодействия гексокиназы с мембранным белком оказывает влияние фосфолипидный компонент мембраны. Причины такого своеобразного внутриклеточного распределения гексокиназы в мозге пока не совсем ясны, но имеются предположения, что такая локализация обеспечивает более быстрое и эффективное фосфорилирование глюкозы за счет АТФ, синтезированного в митохондриях.