Обменные процессы в центральной нервной системе

Нервная система реагирует на все виды раздражений (внешние и внутренние) и отличается высокой активностью обмена веществ, особенно головной мозг и, в частности, серое вещество коры больших полушарий. Характерная особенность обмена веществ в нервной ткани — высокая потребность ее в питательных веществах, особенно в углеводах при относительно ограниченных их запасах. Головной и спинной мозг — интенсивные потребители кислорода (примерно 25 % кислорода, усваиваемого организмом, потребляется нервной системой, составляющей 1,5—2,5 % массы тела).

Обмен углеводов.Углеводы — основной энергетический материал, обеспечивающий функции мозга и нервной системы в целом. В связи с этим дыхательный коэффициент мозга равняется единице или близок к ней. Однако запасы углеводов в мозгу небольшие, и он все время находится на поточном обеспечении глюкозой крови. Глюкоза поглощается нервной тканью в два раза больше, чем мышцами, и втрое больше, чем почками. Подсчитано, что на 100 г мозга животных за 1 мин в среднем используется 5 мг глюкозы. Из этого количества 85% окисляется до СО₂ и Н₂О. Промежуточные продукты этого процесса, особенно пировиноградная кислота, в значительных количествах (30—40%) используются для синтеза аминокислот, что составляет одну из особенностей обмена углеводов в мозге.

Главный путь расщепления гликогена в мозгу — гидролиз под влиянием а-амилазы (но не фосфорилаз, который ярко выражен в мышцах). В мозгу выявлены все основные группы ферментов, катализирующих углеводный обмен.

В нервной ткани выражена высокая активность обновления гликогена, особенно в больших полушариях.

Обмен белков и аминокислот.Наибольшее количество белков содержится в сером веществе мозга (на сухую ткань), выполняющем важнейшие функции.

В наиболее дифференцированных частях центральной нервной системы происходит активнейший обмен белков. У животных, через 24 ч после введения им радиоактивной аминокислоты, наибольшее количество ее выявляется в сером веществе мозга, меньше — в белом и еще меньше в периферических нервах.

Одна из особенностей обмена белков в нервной ткани — высокая обмениваемость фосфора в фосфопротеидах. В сером веществе головного мозга и других отделах нервной системы активно осуществляется преобразование глютаминовой кислоты в аспарагиновую, а также декарбоксилирование глютаминовой кислоты в γ-аминомасляную кислоту.

Глютаминовая, аспарагиновая и у-аминомасляная кислоты, усиливая энергетический обмен в нервной системе, играют существенную роль в процессах адаптации организма к гипотермии. Обмен глютаминовой кислоты в тканях мозга тесно связан с обменом аммиака и составляет важное звено всего белкового метаболизма (синтез глютамина). Метаболизм глютаминовой кислоты наиболее активен в митохондриях нервных клеток.

Аммиак в составе глютамина не только обезвреживается, но и может быть использован для биосинтеза ряда аминокислот и белков.

Окислительное дезаминирование аминокислот в нервной ткани доказано только для глютаминовой кислоты: превращение аминокислот в мозгу осуществляется преимущественно трансаминированием и непрямым дезаминированием.

Представляет определенный интерес выявление специфической роли РНК в мозговой ткани. Нервные клетки очень богаты интенсивно обменивающей РНК. Возможно, это связано не только с обычными функциями РНК, характерными для всех клеток, но и какой-то специфической ролью. В частности, привлекают внимание исследования, в которых делается попытка установления связи между обменом РНК и явлением длительной памяти.

Обмен липидов.Метаболизм жирных кислот в нервной ткани протекает относительно медленно в отличие от обмена сложных липидов. В тканях мозга активно синтезируются холестерол и фосфолипиды. При рационе, не содержащем холестерол, в центральной нервной системе количество его не уменьшается, а наоборот, увеличивается, что свидетельствует об активном биосинтезе этого вещества.

Из фосфолипидов мозга наиболее интенсивно вовлекаются в процессы обмена инозитфосфолипиды. Активность преобразования липидов значительно усиливается в нервной ткани, когда жиры и жироподобные вещества вступают в комплексные соединения с белками.

Направленность и интенсивность обмена веществ в нервной ткани находится в определенной связи с витаминами группы В и некоторых аминов.

В передаче сигналов от нейрона к нейрону участвуют протеинкиназы, нейромедиаторы, ионные каналы, G-протеины и некоторые другие передатчики сигналов. Алкогольное отравление в острой фазе влияет на кальциевые каналы нейронов, угнетая их активность и вследствие этого увеличивается число потенциалзависимых каналов при хроническом воздействии алкоголя. В случае же отмены воздействия этанола, происходит увеличение перехода кальция в клетку и повышение нейронной возбудимости.

В возникновении и развитии абстинентного синдрома большую роль играют обменные процессы с участием дофамина, серотонина, ацетилхолина и эндорфинов. В настоящее время считается, что процесс обмена нейроведиаторов типа моноаминов носит вторичный, а типа ацетилхолина - компенсаторный характер Деятельность дофамина состоит в координации моторных функций центральной нервной системы. Также дофамин участвует в процессах получения результата механизмов мотивации и поведения. При получении алкоголя один раз уровень внеклеточного дофамина в n. Accumbens повышается, а при частом получении – понижается. Таким образом, можно сделать вывод, что длительное отсутствие работающей функции дофамина в районе среднего мозга может привести к увеличению мотивации к злоупотреблению алкоголем, что в свою очередь, приводит к единовременному повышению уровня дофамина.

Не так давно были приведены доказательства того, что при злоупотреблении алкоголем в ЦНС повышается уровень эндорфинов, что, безусловно, увеличивает мотивацию к приему алкоголя.

При абстинентном же синдроме уровень эндорфинов наоборот, уменьшается, а следовательно, ухудшается настроение и уменьшается болевой порог. Немалую роль в поддержании нормального уровня температуры тела, аппетита, сна и настроения играет серотонин. При отмене алкоголя, уровень серотонина в тканях мозга увеличивается. Считается, что при абстинентном синдроме именно увеличение активности серотонинергических рецепторов приводит к появлению психопатических нарушений, а также тошноте, рвоте.

Главным нейромедиатором вегетативной, а возможно, и центральной нервной системы является ацетилхолин. При алкогольном абстинентном синдроме уровень моноаминов и ГАМК-эргических процессов торможения понижается, а роль холинэргических процессов в ЦНС повышается.

Уровень кортизола в крови при абстинентном синдроме сильно повышается, следствием чего может стать гибель нейронов, нарушение метаболизма клеток, а также увеличение риска возникновения инфекционных заболеваний.

Итак, основой патогенеза абстинентного синдрома, по мнению современных ученых, можно назвать межмедиаторные нарушения. Именно за счет этих нарушений во время алкогольного абстинентного синдрома процессы возбуждения ЦНС всегда преобладают над процессами торможения, хотя симптоматика может в различных ситуациях отличаться по срокам и тяжести протекания, а также клиническим проявлениям.

Одна из функций, больше всего подверженная влиянию алкоголя – функция системы ГАМК и NMDA рецепторов.

Важнейшим тормозным нейромедиатором ЦНС является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), которая снижает уровень чувствительности нейронов. При однократном приеме алкоголя активность ГАМК-рецепторов повышается, а при постоянной интоксикации – снижается, к тому же уровень ГАМК в ценральной нервной системе уменьшается. Таким образом, при абстинентном синдроме происходит возбуждение ЦНС.

Глутамат – один из главных возбуждающих нейромедиаторов, который участвует во взаимодействии с рецепторами трех типов, в числе которых N-метил,D-аспартат (NDMA) рецептор. Этот рецептор участвует в процессе обучения, а также принимает непосредственное участие в развитии судорожных припадков. Прием алкоголя один раз подавляет активность этих рецепторов, а хроническое употребление – увеличивает количество рецепторов NDMA. Во время абстинентного синдрома глутамат оказывает более активное влияние на нейроны.

Авторство и редактура текста:
Заведующий отделением психиатрии и наркологии МЦ "Алкоклиник", психиатр-нарколог Попов А.Г., врач психиатр-нарколог Серова Л.А.

Проконсультируйтесь
со специалистом

Человеческий мозг – это самая сложная из всех известных живых структур. Нервной системе и, в первую очередь, головному мозгу принадлежит важнейшая роль в координации поведенческих, биохимических, физиологических процессов в организме. С помощью нервной системы организм воспринимает изменения внешней среды и на них реагирует. Головной мозг является орудием познавательной деятельности человека и вопрос, как же работает человеческий мозг – остается одним из центральных в науке.

Нервная ткань состоит из нескольких типов клеток. Нейрон – это нервная клетка со всеми ее отростками.

Для поддержания нормального функционирования нейрона существуют два механизма:

1. Трансверзальный транспорт веществ – обмен веществ из внеклеточного пространства.

2. Лонгитудинальный транспорт – непрерывный обмен веществ между телом и отростками нейрона, касается, главным образом, репродукции нейроплазмы.

Функции аксонального плазматического тока

1. Непрерывное возмещение составных частей нейрона в норме и при патологии.

2. Освобождение веществ из нейрона в связи с синаптическим переносом, его трофическими и другими функциями.

3. Транспорт трофических веществ из целевого органа в тело нейрона.

4. Передача метаболической информации между отдельными участками нейрона.

В аксональном транспорте участвуют как внутриклеточные органоиды (митохондрии, лизосомы, синаптические пузырьки, нейрофиламенты), так и отдельные метаболиты (липиды, нуклеотиды, гликопротеины, свободные аминокислоты и др.).

Вторым типом клеток нервной ткани является глия. Нейроглия – система клеток, непосредственно окружающих нервные клетки головного и спинного мозга и прямо не участвующих в специфической функции нервной ткани. Популяция клеток глии в ЦНС более чем в 10 раз превышает количество нейронов. Нейроглия специлизируется на выполнении вспомогательных, в отношении нейронов, функций: опорной, трофической, изоляционной, секреторной, защитной, поглощения химических медиаторов, участия в восстановлении и регенерации (глиальные клетки сохраняют способность к делению в течение всей жизни организма).

Методы раздельного биохимического анализа нейронов и глии:

1. Метод микроманипуляций (1950–1960гг. – Хиден и Эндстрем в Швеции, Лоури в США).

2. Метод количественной цитохимии – Касперсон, 30-е годы XX века.

3. Метод обогащения фракций – Rose, 1965 г.

Общие особенности метаболизма нервной ткани

1. Высокая интенсивность в сравнении с другими тканями.

2. Поразительно высокий уровень обмена сохраняется при отсутствии большой функциональной активности – во время сна.

3. Метаболизм в периферических нервных волокнах отличается от обмена самих нервных клеток.

4. Общая интенсивность метаболизма в нервных волокнах низкая.

Аминокислоты играют важную роль в метаболизме и функционировании ЦНС. Это объясняется не только исключительной ролью аминокислот как источников синтеза большого числа биологически важных соединений, таких как белки, пептиды, некоторые липиды, ряд гормонов, витаминов, биологически активных аминов. Аминокислоты и их дериваты участвуют в синаптической передаче, в осуществлении межнейрональных связей в качестве нейротрансмитеров и нейромодуляторов. Существенной является также их энергетическая значимость ибо аминокислоты глутаминовой группы непосредственно связаны с циклом трикарбоновых кислот.

Обобщая данные об обмене свободных аминокислот в головном мозге, можно сделать следующие выводы:

1. Большая способность нервной ткани поддерживать относительное постоянство уровней аминокислот.

2. Содержание свободных аминокислот в головном мозге в 8 – 10 раз выше, чем в плазме крови.

3. Существование высокого концентрационного градиента аминокислот между кровью и мозгом за счет избирательного активного переноса через ГЭБ.

4. Высокое содержание глутамата, глутамина, аспарагиновой, N-ацетиласпарагиновой кислот и ГАМК. Они составляют 75 % пула свободных аминокислот головного мозга.

5. Выраженная региональность содержания аминокислот в различных отделах мозга.

6. Существование компартментализированных фондов аминокислот в различных субклеточных структурах нервных клеток.

7. Ароматические аминокислоты имеют особое значение как предшественники катехоламинов и серотонина.

В последнее время значительно увеличился интерес к управлению важнейшими функциями мозга с помощью пептидов. Открыто достаточно большое количество пептидов, способных в очень низких концентрациях воздействовать на нервную ткань, выступая в качестве модуляторов ряда функций, а также действия нейромедиаторов, гормонов, фармакологических средств. С учетом преимущественной локализации этих пептидов в ЦНС они получили название нейропептидов. По сравнению с другими системами межклеточной сигнализации, пептидная система оказалась наиболее многочисленной (сейчас открыто свыше 600 природных нейропептидов) и полифункциональной.

Нейропептиды представляют собой малые и средние по размеру пептиды, как правило, линейные, содержащие от 2 до 40–50 аминокислотных остатков. Часть нейропептидов модифицирована по концевым аминокислотам. Нейропептиды – это межклеточные передатчики информации. Они выполняют, нередко одновременно, функции нейромедиаторов, нейромодуляторов и дистантных регуляторов. Нейропептиды (вместе с другими регуляторными соединениями) образуют функционально непрерывную систему, функциональной континуум. Каждый нейропептид обладает своеобразным комплексом биологических активностей. Нейропептиды синтезируются путем протеолиза больших пептидов- предшественников в нейронах и сосредотачиваются в везикулах нервных окончаний. Срок полураспада большинства нейропептидов варьирует от минут (для олигопептидов) до часов (для пептидов среднего размера). Существует сложная иерархическая система, в которой одни нейропептиды индуцируют или подавляют выход других нейропептидов. При этом сами нейропептиды-индукторы обладают, кроме того, способностью непосредственно вызывать ряд биохимических и физиологических эффектов.

Характерными чертами энергетического обмена в ткани головного мозга являются:

1. Высокая его интенсивность в сравнении с другими тканями.

2. Большая скорость потребления кислорода и глюкозы из крови. Головной мозг человека, на долю которого приходится 2% от массы тела, потребляет до 20% всего кислорода, используемого организмом в покое.

3. Потребление кислорода серым веществом на 30–50% выше, чем белым. Периферические нервы используют в 30 раз меньше кислорода, чем эквивалентное по массе количество ткани из ЦНС.

4. Различная скорость потребления кислорода отдельными регионами ЦНС: кора больших полушарий > мозжечок > промежуточный мозг > средний и продолговатый мозг > спинной мозг.

5. Нейроны отличаются более интенсивным дыханием, чем глиальные клетки. В коре больших полушарий 70% от общего поглощения кислорода приходится на нейроны и 30% на глиальные клетки.

6. Невозможность замены основного энергетического субстрата, глюкозы, другими соединениями, интенсивно окисляющимися в других тканях.

7. Приблизительно 70% всей производимой в мозге АТФ расходуется на поддержание ионных градиентов между содержимым нервных клеток и окружающей средой.

Особенности углеводного обмена в ткани головного мозга

1. Функциональная активность мозга в наибольшей степени зависит от обмена углеводов.

2. Головной мозг в качестве энергетического материала использует почти исключительно глюкозу.

3. Доминирующим путем метаболизма глюкозы в нервной ткани является аэробный гликолиз.

4. Важная роль для метаболизма мозга гексокиназы, как основного механизма вовлечения глюкозы в гликолиз.

5. Существование единого функционального комплекса из двух ферментов гликолиза – гексокиназы и фосфофруктокиназы, синхронно однонаправленно регулируемых пулом адениловых нуклеотидов.

Липидный состав головного мозга уникален не только по высокой концентрации общих липидов, но и по содержанию здесь их отдельных фракций. Почти все липиды головного мозга представлены тремя главными фракциями: глицерофосфолипидами, сфинголипидами и холестеролом, который всегда обнаруживается в свободном, а не эстерифицированном состоянии, характерном для большинства других тканей.

Обмен липидов в нервной ткани имеет следующие особенности

1. мозг обладает высокий способностью синтезировать жирные кислоты;

2. в мозге практически не происходит β-окисления жирных кислот;

3. скорость липогенеза в головном мозге неодинакова в различные сроки постнатального периода;

4. постоянство состава липидов в зрелом мозге подтверждает низкую скорость их обновления в целом;

5. фосфатидилхолин и фосфатидилинозит обновляются в ткани мозга быстро;

6. скорость синтеза холестерола в мозге высока в период его формирования. С возрастом активность этого процесса уменьшается;

7. синтез цереброзидов и сульфатидов протекает наиболее активно в период миелинизации.

В зрелом мозге 90 % всех цереброзидов находятся в миелиновых оболочках, тогда как ганглиозиды – типичные компоненты нейронов.

Большинство синапсов в нервной системе млекопитающих является химическими. Процесс передачи сигнала в химическом синапсе осуществляется посредством освобождения нейромедиаторов из пресинаптических нервных окончаний. К нейромедиаторам относятся в настоящее время 4 группы веществ: моноамины, аминокислоты, пуриновые нуклеотиды, пептиды. В индивидуальном нейроне синтезируется, как правило, несколько нейромедиаторов различной химической природы. Кроме нейромедиаторов существует обширный класс соединений – нейромодуляторов, регулирующих уровень синаптической передачи.

Память – сложный и еще не достаточно изученный процесс, включающий фазы запечатления, хранения и извлечения поступающей информации. Все эти фазы тесно связаны между собой, и нередко их очень трудно разграничить при анализе функций памяти.

Виды биологической памяти:

4. Нейрологическая (ее иногда называют психической или индивидуальной).

В настоящее время нейрологическую память делят на три этапа:

1. Кратковременная память (длительность от нескольких миллисекунд до нескольких минут).

2. Промежуточный (от нескольких секунд до нескольких часов).

3. Долговременная память (годы, десятилетия и в течение всей жизни).

Нейрологическая память обладает сложной системной организацией и не имеет строгой локализации в определенных участках мозга. По современным представлениям, следы памяти (энграммы) фиксируются в мозге в виде изменений состояния синаптического аппарата, в результате которых возникает предпочтительное проведение возбуждения по определенным нервным путям.

Общее количество ликвора у взрослого человека составляет 100–150 мл, у детей 80 – 90 мл. Скорость образования ликвора колеблется в пределах 350–750 мл/сутки. Обновляется ликвор 3 – 7 раз в сутки, чаще всего 3,5 раза.

Распределение ликвора в ликворной системе:

1. боковые желудочки – 20–30 мл

2. 3 и 4 желудочки – 3–5 мл

3. подпаутинное пространство головного мозга – 20–30 мл

4. подпаутинное пространство спинного мозга – 50–70 мл

Функции спинномозговой жидкости:

1. Механическая защита мозга.

2. Экскреторная функция – выведение метаболитов из мозга.

3. Транспорт различных биологически активных веществ.

4. Контроль окружающей среды мозга:

• буферная роль при быстрых изменениях состава крови;

• регуляция оптимальной концентрации ионов и рН для обеспечения нормальной возбудимости ЦНС;

• является специальным защитным иммунобиологическим барьером.

Метаболические болезни нервной системы включают широкую группу гетерогенных состояний, общим для которых является только наличие известного метаболического дефицита, а патологическая анатомия, клинические проявления и сложности диагностики существенно отличаются.

Успешно выделено несколько крупных подгрупп метаболических болезней:

1) Нарушения, затрагивающие внутриклеточные органеллы. Данная группа заболевания включает болезни лизосом, аппарата Гольджи и пре-Гольджи и пероксисом. Классическим примером является связь лизосомальных болезней с отсутствием лизосомальных ферментов и развитие в результате болезней накопления. В таких случаях ферментный блок приводит к накоплению веществ, которые могут оказывать воздействия на функцию и/или выживание нервных клеток. Метаболический блок может также оказывать воздействие путем индуцирования дефицита метаболитов, образующихся в норме, или путем изменения других метаболических путей в результате изменения нормального пути на добавочный или в норме не используемый метаболический путь.
Тем не менее, некоторые нарушения внутриклеточных органелл (например, пероксисомные болезни) не приводят к накоплению веществ, но оказывают воздействие на различные необходимые метаболические процессы.

2) Нарушения промежуточного обмена. Данные болезни чрезвычайно разнородны, но метаболический блок не приводит к накоплению веществ. Нарушения множества метаболических путей приводят к нарушениям выработки энергии, катаболизма аминокислот и органических кислот с эндогенной интоксикацией и нарушению синтеза нейротрансмиттеров.

3) Нарушения обмена липидов, не относящиеся к поражению лизосом или других органелл (например, холестерина).

4) Нарушения метаболизма нейротрансмиттеров.

5) Нарушения метаболизма металлов, в особенности меди.

6) Прочие метаболические болезни.

Прогрессирующие метаболические заболевания центральной нервной системы встречаются редко. Тем не менее, их распространенность в Швеции составила 0,58 на 1000 живых новорожденных, что сходно с показателями частоты дефектов нервной трубки или врожденной гемиплегии (Uvebrant et al, 1992).

Ряд метаболических болезней затрагивает нервную систему только в редких случаях или вторично, и в данной книге они будут лишь перечислены.

Галактоземия, развивающаяся в результате дефицита галактоз-уридилтрансферазы или (в редких случаях) эпимеразы, сопровождается токсическим воздействием на центральную нервную систему, нарушением роста и катарактой (Segal, 1993). Ген расположен на 9q13 хромосоме и известно несколько его мутаций, которые в 90% случаев приводят к полному подавлению ферментативной активности. Даже в случае правильного лечения с помощью диеты с низким содержанием галактозы значимый зрительно-перцептивный дефицит и аномалии ЭЭГ выявляются у трети-половины пациентов. Данное обстоятельство может быть связано с продолжающимся эндогенным образованием токсичного галактозо-1 -фосфата из глюкозо-1-фосфата под действием эпимеразы.

Цистиноз первоначально поражает почки с формированием прогрессирующей почечной недостаточности. Тем не менее, при успешном лечении поражения почек могут проявиться неврологические осложнения. Возможно развитие энцефалопатии с мозжечковыми и пирамидными знаками и прогрессирующей деградации (Broyer et al., 1996), иногда в сочетании с атрофией мозга и многоочаговыми кальцинатами внутренней капсулы и перивентрикулярного белого вещества (Fink et al., 1989). Дистальная вакуолярная миопатия может развиться на поздних стадиях заболевания (Vester et al., 2000). Профилактическое лечение цистамином может быть эффективно.

Синдром Лоу включает врожденную катаракту, гипотонию, отсутствие глубоких сухожильных рефлексов, умственную отсталость, генерализованную аминоацидурию и почечный канальцевый ацидоз с гипофосфатемией. Несмотря на то, что у 12 из 47 пациентов (Kenworthy et al., 1993) коэффициент IQ составил >70, часто отмечались вспышки гнева и раздражительность. На МРТ можно продемонстрировать перивентрикулярные повреждения (Schneider et al., 2001; Sener, 2004). Окулоцереброренальный синдром является генетическим заболеванием, сцепленным с полом, встречающимся только у мужчин, при котором дефектный ген располагается на Xq26.1 хромосоме. Женщины-носительницы дефектного гена могут быть выявлены при обнаружении множественных мелких помутнений хрусталика. Ген OCRL1 кодирует белок массой 105 кДа, который может быть связан с комплексом Гольджи (Olivos-Glander et al., 1995) и играет важную роль в метаболизме фосфоинозитола.

Возможна пренатальная диагностика. Несмотря на явные метаболические нарушения, синдром Лоу в настоящее время сложно классифицировать.

Лактозилцерамидоз. Данное заболевание является необычным и вызвано дефицитом лактозил-бетагалактозидазы. Отмечается регресс когнитивного и двигательного развития в возрасте 1 или 2 лет в сочетании с гепатоспленомегалией и стремительным течением с летальным исходом (Watts и Gibbs, 1986).

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 11.12.2018