Энергетический обмен головного мозга

Необходимо отметить, что  из четырех известных изофеоментов гексокиназы – ГК_Г, ГК_П, ГК_Ш, ГК_1У в мозге встречается лишь первые два, причем на долю ГК_Т приходится около 90% суммарной активности. Именно для этих двух изоферментов наиболее выражена способность свя зываться с внешней митохондриальной мембраной.

Связывание гексокиназы  – обратимый процесс; на соотношение  между связанной и солюбилизированной формами фермента влияет рад факторов, в первую очередь – отношение  АТФ/АДФ, концентрация неорганического  фосфата и глкжо-зо-6-фосфата, а  также уровень свободных: жирных кислот. Действие указанных факторов проявляется в пределах их физиологических  концентраций; это дало Вильсону основание  предположить, что изменение субклеточного  распределения гексокиназы служит важным механизмом регуляции активности фермента in vivo.

   Такое предположение очень интересно, поскольку мембранно-связанная гексокиназа более активна, чем цитоплазматическая форма: значение К_м для АТФ митохондриального фермента в 3 раза ниже, чем у солюбилизированного. Кроме того, связанная форма гексокиназы в меньшей степени ингибируется глюкозо-6-фосфатом. Установлено, что значение Kj солибилизированной формы гексокиназы равна в среднем 10~М, а митохондриальной – 10~*М; для сравнения можно привести средние значения концентрации глю-козо-6-фосфата в цитоплазме, где в основном сосредоточен этот метаболит – -10~М.

   Накопление в клетках аденозинтрифосфата и возрастание отношения АТФ/АДФ приводит к усилению солюбилизации гексокиназы, что вызывает замедление скорости фосфорилирования глюкозы и, следовательно, торможение гликолиза. Напротив, при уменьшении уровня АТФ в клетке происходит новое связывание фермента с ионами магния в митохондриальной мембране, которое вследствие указанной разницы значений ведет к освобождению фермента от ингибирования глюкозо-6-фосфатом и повышению скорости реакции фосфорилирования субстрата.

В мозге интактных животных гексокиназа находится преимущественно  в ингибированном состоянии. Исследования, выполненные in vivo, показали резкое повышение  количества связанного фермента при  усилении гликолиза и, напротив, возрастание  доли солюбилизированной гексокиназы  при снижении скорости гликолиза  в условиях анестезии.

    Таким образом, быстрые взаимопереходы солюбилизированной и связанной с митохондриями гексокиназы обеспечивают значительный «запас мощности» фермента, позволяя быстро менять скорость фосфорилирования глюкозы при сдвигах в энергетическом балансе мозга без изменения скорости синтеза фермента. Этот механизм контроля активности гексокиназы, чутко реагирующий на сдвиги таких балансовых показателей энергетического обмена, как отношение АТФ/АДФ, уровень неорганического фосфата, несомненно, играет большую роль в регуляции энергетического метаболизма мозга.

   Соотношение путей метаболизма глюкозо-б-фосфата в мозге. Как известно, глюкозо-6-фосфат, образующийся в гексокиназной реакции, может быть использован в качестве исходного субстрата в нескольких метаболических путях: гликолиз, пентозофосфатный путь, синтез гликогена и др. Интенсивность использования его в той или иной последовательности реакций определяется соотношением активностей ферментов, конкурирующих за глюкозо-6-фосфат.

   В табл. 2 приведены данные об интенсивности основных путей метаболизма глюкозо-6-фосфата в мозге и печени крыс, рассчитанные на основании экспериментов с С-глюкозой и анализа активностей ферментов. Несмотря на то, что эти расчеты весьма приблизительны, они все же дают наглядное представление о значительных отличиях в метаболизме глюкозо-6-фосфата в головном мозге и печени. Исследования альтернативных путей метаболизма глюкозо-б-фосфата/я vivo с помощью препаратов меченой глюкозы, содержащей С в разных положениях, а также результаты математического моделирования подтвердили, что вовлечение глюкозо-6-фосфата в реакции гликолиза с последующим окислением в ЦТК доминирует над другими путями использования этого субстрата в мозге взрослых животных.

Таблица 2. Интенсивность  отдельных путей метаболизма  глюкозо-6-фосфата в головном мозге  и печени крыс

Метаболический  путь	Доля глюкозо-6-фосфата, вовлекаемого в реакции, %
	мозг	печень
1. Окисление до  С (Х и Н20 в ходе аэробного гликолиза и ЦТк	80–90	Около 20
2. Синтез гликогена	5–7	20–25
3. Расщепление в  глюкозо-6-фосфатазной реакции до  свободной глюкозы	Следы	До 50
4. Пентозофосфатный  путь		5–15
5. Другие реакции	Менее 5	5–10

 

 

 

 

 

4. Компоненты дыхательной цепи митохондрии и их соотношение в головном мозге

 

   Созревание и окончательная дифференцировка головного мозга животных сопровождается значительной интенсификацией окислительных реакций, при этом происходят интенсивные процессы образования митохондрий. Число митохондрий в расчете на клетку у взрослых крыс вдвое больше, чем у новорожденных. Подсчитано, что нейроны мозга взрослых крыс могут воспроизводить до 2000 митохондрий в день в расчете на клетку, что свидетельствует о быстром обновлении этих важных субклеточных структур.

   С возрастом меняется не только общее количество митохондрий, но и локализация их в нервных клетках; больше митохондрий сосредоточивается в областях синоптических окончаний. Анализ ультраструктуры митохондрий с помощью электронного микроскопа показывает, что в зрелом мозге присутствует большее число относительно небольших по диаметру, но удлиненных митохондрий, чем в мозге новорожденных животных. Появление таких митохондрий приурочено к развитию дендритных сплетений.

Наряду с увеличением  количества митохондрий в головном мозге с возрастом примерно вдвое  повышается содержание основных компонентов  дыхательной цепи митохондрий: цитохромов и флавопротеидов.

   Накопление компонентов дыхательной цепи митохондрий мозга идет неравномерно: показано медленное нарастание уровня цитохромов в первые 15 дней постнатального развития и более интенсивное в интервале между 15-м и 30-м днями; к концу последнего периода содержание основных переносчиков дыхательной цепи митохондрий близко к уровню, характерному для взрослых животных. Именно период 2-й – 4-й недели развития для крыс связан с интенсивной миелинизацией, завершением развития нейронов, появлением электрической активности коры больших полушарий и двигательных реакций при электростимуляции мозга.

   Одним из наиболее важных этапов в функционировании дыхательной цепи митохондрий является передача электронов от цитохрома а₃ на кислород. Как известно, это наиболее медленная реакция среди окислительно-восстановительных реакций цитохромов. Активность цитохромоксидазы, как и количество компонентов дыхательной цепи, в головном мозге с в озрастом увеличивается примерно вдвое. Активность цитохромоксидазы несколько большая в нейроглиальных клетках, чем в нейронах.

Таблица 6. Содержание основных компонентов дыхательной  цепи митохондрий в головном мозге  взрослых и растущих кроликов 

 

Возраст животных, дни	Митохондрии коры больших  полушарий					Митохондрии ствола мозга
	флаво-гтро-теиды	цитохромы				флаво-про-теиды	цитохромы
			b	а	а3		с+с1	b	а	аз
1	0,60	0,20	0,21	0,24	0,07	1,23	0,42	0,41	0,49	0,13
15	0,76	0,20	0,22	0,4:1	0,06	0,85	0,48	0,31	0,54	0,09
30	1,47	0,45	0,45	0,51	0,15	2,64	0,72	0,67	0,99	0,27
Половозрелые	1,81	0,67	0,64	0,78	0,20	2,48	0,90	0,90	1,23	0,27

 

   Последовательность компонентов дыхательной цепи митохондрий и характер их взаимодействия в митохондриях мозга не отличаются от такового в митохондриях любой другой ткани. Как известно, скорость окислительно-восстановительных превращений компонентов дыхательной цепи значительно превышает скорость реакций дегидрирования субстратов, поэтому именно дегидрогеназные реакции определяют в конечном счете интенсивность окисления энергетических субстратов тканью. Этим же объясняется и значение для интенсивности окислительных процессов в ткани отношения активности дегидрогеназ к содержанию основных компонентов дыхательной цепи. Установлено, что в тканях с высокой скоростью окисления соотношение активности ферментов, лимитирующих ЦТК, к содержанию цитохромов а+а₃ или цитохрома с обычно превышает такое соотношение для тканей с более низкой интенсивностью окислительных процессов.

   Следовательно, существование подобного соотношения в митохондриях головного мозга можно рассматривать как структурную основу, обеспечивающую высокую интенсивность окислительного и энергетического обмена.

 

5. Энергообеспечение специфических функций нервной ткани

 

   Изучение суммарных процессов окисления и образования энергопродукции в мозге представляет собой одну сторону проблемы; другая сторона – выявление специфических процессов в нервной ткани, требующих энергетических затрат. Характеристика этих процессов остается до настоящего времени во многом загадочной.

Еще в ранних работах, выполненных  П. Мак-Ильвейном и другими исследователями  на изолированных нервах, ганглиях или срезах мозга, установлено, что  электростимуляция препаратов сопровождалась усилением потребления кислорода  и глюкозы, причем обнаружена прямая зависимость между частотой электрической  импульсации и степенью интенсификации окислительных процессов. Электрическое  раздражение вызывает резкое и быстрое  снижение уровня АТФ, вслед за которым  уменьшается содержание креатинфосфата и накапливается неорганический фосфат; после прекращения электростимуляции  препаратов в первую очередь восстанавливается  уровень АТФ.

Впоследствии аналогичные  данные об изменении уровня основных макроэргических соединений при  изменении функционального состояния  нервной системы были получены in vivo в экспериментах с мозгом целостных  животных. Показано заметное ускорение  расходования АТФ и креатинфосфата при возбуждении – условно-рефлекторном или вызванном фармакологическими препаратами; и, напротив, замедление использования  этих соединений при торможении или  наркозе. В этих экспериментах на интактных животных установлено, что  при усилении энергозатрат в мозге  сначала уменьшается уровень  запасных энергетических субстратов –  креатинфосфата и гликогена и  лишь после исчерпания этих источников начинает быстро снижаться уровень  АТФ; в период восстановления уровень  АТФ первым возвращается к исходным значениям, а затем нормализуется  содержание креатинфосфата и гликогена.

   В последние годы для исследования интенсивности энергетического метаболизма различных структур мозга широко применяется радиоактивный дериват глюкозы – 2-дезоксиглюкоза; теоретическое обоснование использования этого соединения сделано в лаборатории американского нейрохимика Л. Соколова. Метод основан на том, что дезоксиглюкоза поглощается мозгом и вступает в гексокиназную реакцию со скоростью, прямо пропорциональной скорости использования глюкозы. Однако дальнейшие метаболические превращения дезок-сиглюкозо-6-фосфата в мозге практически не происходят.

   Использование С- или дезоксиглюкозы с последующей авторадиографией срезов мозга позволило получить более детальное представление о поглощении глюкозы и интенсивности энергетического метаболизма в самых разных структурах мозга. Была установлена тесная корреляция между интенсивностью энергетического обмена и функциональной активностью определенных структур мозга в экспериментах, где контролем служили аналогичные структуры контрлатерального полушария того же самого животного. Например, обнаружено снижение на 35–60% потребления глюкозы структурами слуховой системы или зрительной системы после соответствующей депривации.

    Подобные исследования дают представление лишь об итоговых, балансовых изменениях важнейших компонентов энергетического обмена, оставляя неясными количественные характеристики энергозатрат на специфические процессы, присущие только нервной ткани, интенсивность которых меняется при изменении функционального состояния. К сожалению, в настоящее время нет еще исчерпывающего ответа на один из кардинальных вопросов нейрохимии и нейрофизиологии: какие конкретные биохимические реакции лежат в основе целого ряда функций нервной ткани. Многие стороны этой важной проблемы нуждаются в уточнениях и дальнейших углубленных исследованиях. Некоторые специфические энергозависимые функции нервной ткани и биохимические процессы, лежащие в их основе, в общих чертах суммированы в табл. 8.

    Одной из основных функций нервной ткани является передача импульсов от одного нейрона к другому. Толчком к расшифровке взаимосвязи между энергетическим метаболизмом и этой функцией послужили работы А. Ходжкина, установившего, что необходимым условием для прохождения импульсов по нервному волокну служит неравномерное распределение ионов натрия и калия по разным сторонам клеточной мембраны. Поддержание ионной асимметрии, восстановление ее после прохождения нервного импульса связано со значительными энергетическими затратами; прежде всего это относится к транспорту ионов натрия против градиента концентрации в момент перехода потенциала действия в потенштал покоя. Особое значение в этом процессе принадлежит К⁺, Na^-стимулируемой АТФазе.

 

Таблица 8. Основные энергозависимые  процессы, лежащие в основе специфических 

функций нервной ткани

 

Функции	Биохимические реакции
1. Проведение нервных  импульсов с последующим восстановлением  ионной асимметрии	К+, №+-АТФазная реакция
2. Поддержание определенной  пространственной ориентации и  конформа-ции структурных единиц  нейрона	Фосфорилирование  специфических белков нейрофиламентов  и другие реакции
3. Образование синаггтичес-ких  структур; функционирование синапсов	Синтез специфических  белков, липо- и гликопротеидных  комплексов; синтез и метаболизм нейромедиаторов, транспорт, выделение, обратный захват нейромедиаторов
4. Хранение и  переработка информации	Синтез специфических  белков, нейропеп-тидов, нуклеиновых  кислот, липо- и гликопротеидных  комплексов
5. Трансмембранный  перенос субстратов, нейромедиаторов	Реакции, катализируемые АТФазными системами, транслоказные  реакции
6. Аксональный и  ретроградный ток	Фосфорилирование  специфических белков