Метаболіт | Вміст, мкмоль на 1г сирої тканини | Метаболіт | Вміст, мкмоль на 1г сирої тканини |
Глюкозо-6-фосфат | 0,039-0,049 | 3-Фосфогліцерат | 0,085-0,100 |
Фруктозо-6-фосфат | 0,017-0,023 | 2-Фосфогліцерат | 0,010-0,016 |
Фруктозо-1,6-дисфосфат | 0,010-0,017 | Фосфоенолпіруват | 0,035-0,097 |
Діоксиацетонфосфат | 0,024 | Піруват | 0,120-0,190 |
Гліцеральдегід-3-фосфат | 0,021-0,046 | Лактат | 1,26-1,70 |
Основним субстратом дихання нервової тканини є глюкоза. Цікаво відзначити, що в перерахунку на загальну масу головного мозку вміст глюкози в ньому становить біля 750 мг. За 1 хв окиснюється 75 мг глюкози. Отже, кількості глюкози, наявної в тканині головного мозку, могло б вистарчити лише на 10 хв життя людини. Тому основним субстратом дихання головного мозку є глюкоза крові, яка, очевидно, легко дифундує в тканину головного мозку.
За 1 хв мозок людини споживає у середньому 0,3 – 0,35 мкмоль глюкози. Її транспорт у клітини мозку здійснюють переносники: GLUT-1 (45 кДа) – в астроцити та олігодендроцити; GLUT-5 (55 кДа) – у клітини мікроглії, у нейронах виявлений специфічний високоактивний транспортер GLUT-3 (55 кДа). Підраховано, що понад 90 % глюкози у мозку окиснюється до СО2 і Н2О за участі циклу трикарбонових кислот. Особливістю цього процесу є той факт, що найповільніше відбувається цитратсинтазна реакція, навіть незначне зниження активності цитратсинтази призводить до порушення синтезу нейромедіатора ацетилхоліну та блокує холінергічну передачу (рис. 18.2)
|
|
Рис. 18.2. Участь цитратсинтазної реакції в біосинтезі ацетилхоліну: 1 – цитратсинтаза, 2 – переносник трикарбонових кислот, 3 – цитратліаза, 4 – холінацетилтрансфераза.
За фізіологічних умов роль пентозофосфатного шляху окиснення глюкози в нервовій тканині невелика, цей шлях відбувається в усіх клітинах головного мозку. Утворена відновлена форма НАДФ (НАДФН2) використовується для синтезу жирних кислот і стероїдів.
Між глюкозою і глікогеном нервової тканини є тісний зв’язок, який виражається в тому, що при недостатньому надходженні глюкози з крові глікоген головного мозку є джерелом глюкози, а глюкоза при її надлишку – вихідним матеріалом для синтезу глікогену. Шляхи утилізації глюкози дещо різняться в нейронах і астроцитах: у нейронах глюкоза швидко окиснюється в реакціях аеробного гліколізу та ЦТК, а в астроцитах частина цього моносахарида витрачається на синтез глікогену (рис. 18.3). Швидкість процесу залежить від концентрації вихідного субстрату – глюкозо-6-фосфату.
За умов посилення енергозатрат, при гіпоглікемії утворення глікогену сповільнюється, проте посилюється при глибокому наркозі.
Розпад глікогену в нервовій тканині відбувається шляхом фосфоролізу за участі цАМФ. Кінетичні та регуляторні властивості ензимів метаболізму глікогену в мозку відрізняються від їх властивостей у інших тканинах. У мозку дорослої людини гранули глікогену, а також глікогенфосфорилаза виявлені лише в астроцитах.
|
|
Поряд з аеробним метаболізмом вуглеводів мозкова тканина здатна до інтенсивного анаеробного гліколізу. Значення цього явища поки що недостатньо зрозуміле, тому що гліколіз, як джерело енергії у головному мозку, ні в якому разі не може зрівнятися за ефективністю з тканинним диханням.
Мінеральні речовини. Натрій, калій, мідь, залізо, кальцій, марганець і магнійрівномірно розподілені в сірій і білій речовинах головного мозку. Вміст фосфатів у білій речовині вищий, ніж у сірій.
Кількісне співвідношення неорганічних аніонів і катіонів у нервовій тканині свідчить про дефіцит аніонів. Розрахунок показує, що для покриття дефіциту аніонів потрібно було б у 2 рази більше мембран, ніж їх є в нервовій тканині. Прийнято вважати, що дефіцит аніонів покривається за рахунок ліпідів. Цілком можливо, що участь ліпідів в іонному балансі – одна з функцій головного мозку.
18.1.1. Особливості енергозабезпечення нервової тканини. На частку головного мозку припадає 2 – 3 % усієї маси тіла людини. У цей же час споживання кисню головним мозком у стані фізичного спокою досягає 20 – 25 % від загального споживання його всім організмом, а в дітей у віці до 4 років мозок споживає 50 % кисню, який утилізується всім організмом.
Встановлено, що 100 г тканини за 1 хв споживає 3,7 мл кисню, тоді як головний мозок (1 500 г) – 55,5 мл.
Після дисоціації оксигемоглобіну кисень дифундує під впливом концентраційного градієнта з плазми крові в міжклітинну рідину, а потім потрапляє в нейрони та гліальні клітини. Найінтенсивніше окиснювальні процеси перебігають у корі головного мозку, таламусі, хвостатому ядрі, тоді як у корі мозочка, чорній субстанції, а також у білій речовині використання кисню значно менше. В цілому газообмін нервової тканини значно вищий, ніж газообмін інших тканин, зокрема він перевищує газообмін м’язової тканини майже в 20 разів.
Постійне і безперервне надходження кисню та глюкози з кровоносного русла в нервову тканину – необхідна умова енергетичного забезпечення нейронів, адже основний шлях отримання енергії – лише аеробний розпад глюкози, вона є майже єдиним енергетичним субстратом, який надходить у нервову тканину і може використовуватися її клітинами для утворення АТФ. Проникнення глюкози в тканину мозку не залежить від впливу інсуліну, котрий не проникає через ГЕБ (вплив інсуліну проявляється лише на периферійних нервах).
Енергія АТФ у нервовій тканині використовується нерівномірно в часі. Так само, як і скелетні м’язи, нервова тканина характеризується різкими перепадами в використанні енергії: зростання енергозатрат відбувається при дуже швидкому переході від сну до стану бадьорості. Тому існує ще одна особливість енергозабезпечення нервової тканини – синтез креатинфосфату:
Креатинфосфат + АДФ ↔ Креатин + АТФ
Напрям цієї реакції залежить від співвідношення АТФ/АДФ у нервовій тканині. Під час сну накопичується креатинфосфат, тоді як перехід до стану бадьорості призводить до різкого зменшення концентрації АТФ і рівновага реакції зміщується вліво, тобто утворюється АТФ.
на забезпечення базових процесів життєдіяльності, які відбуваються в будь-якій тканині, мозок витрачає приблизно 25 % макроергічних сполук, а решта – 75 % макроергів витрачається на виконання специфічних, властивих тільки нервовій тканині функцій (табл. 18.3).
Таблиця.18.3. Основні енергозалежні процеси, що лежать в основі специфічних функцій мозку
Функції | Біохімічні реакції | Енерго-затрати, % |
Проведення нервових імпульсів із подальшим відновленням іонної асиметрії | К+, Na+-АТФазна реакція | До 40 |
Функціонування синаптичних структур | Синтез специфічних білків, ліпо- і глікопротеїдних комплексів синаптичних структур, синтез і метаболізм медіаторів, збереження, транспорт, виведення медіаторів, функціонування рецепторів | 30 – 35 |
Зберігання та перетворення інформації (нейрологічна пам'ять) | Синтез специфічних білків, нейропептидів, нуклеїнових кислот, ліпо- і глікопротеїдних комплексів | Біля 20 |
Аксональний і ретроградний потік | Гідроліз АТФ при функціонуванні скоротливих білків сімейств нейроміозинів, кінезинів, динеїнів | 2 – 3 |
Підтримання просторової орієнтації | Фосфорилування структурних і скоротливих білків | 1 – 2 |
Наведені дані пояснюють, наскільки велика залежність функціональної активності нервової тканини від інтенсивності енергетичного обміну та чому всі структури нервової системи, перш за все, головний мозок, дуже чутливі до недостатності кисню.
|
|
Фатальною виявляється ситуація, коли в результаті порушення кровопостачання одночасно знижується або припиняється надходження в мозок не лише кисню, а й глюкози. Ушкоджувальну дію гіпоксії на клітини мозку умовно можна поділити на два етапи. перший пов'язаний із енергетичним дефіцитом внаслідок порушення окиснювальних процесів у мітохондріях та активуванням глутаматергічних нейронів. У результаті знижується рівень АТФ і інших макроергічних сполук, накопичується глутамат у міжклітинному просторі, деполяризуються клітинні мембрани, виникає ацидоз. Для другого етапу характерне різке порушення гомеостазу іонів кальцію, що спричинює активування низки біохімічних механізмів, пов’язаних із деструкцією клітинних елементів.