Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

переважно у сірій речовині головного мозку, де вони становлять близько 6 % мембранних білків. У мембранах вони локалізовані здебільшого в тих специфічних ділянках нервових закінчень, де відбувається зв’язування молекул нейромедіатора в процесі передачі нервового імпульсу від однієї нервової клітини до іншої (рецепторні ділянки).

Вуглеводи нервової тканини

Порівняно з іншими тканинами, тканина мозку бідна на вуглеводи, водночас потреба мозку у вуглеводах дуже значна. Із вуглеводів у головному мозку найбільше глікогену і глюкози. Вміст глікогену в мозку становить 1,0–1,5 г/кг, тоді як у м’язах — 10–20 г/кг. Близько 80 % глікогену зв’язано з білками і ліпідами, лише близько 20 % їх перебуває у вільному стані. Вміст глюкози в тканині мозку близько 0,5 г/кг (1–4 мкмоль на 1 г тканини). Мозок поглинає глюкози вдвічі більше, ніж м’язи, і втричі більше, ніж нирки.

Особливості обміну речовин у нервовій системі

Обмін вуглеводів. На частку головного мозку припадає 2–3 % маси тіла. Однак споживання кисню головним мозком у стані спокою сягає 20– 25 % від загальної кількості кисню, спожитої організмом. У дітей віком 4 роки мозок споживає навіть 50 % кисню, що утилізується організмом. Це доводить високу інтенсивність тканинного дихання в мозковій тканині. Основним енергетичним матеріалом головного мозку є глюкоза. За добу мозок поглинає близько 120 г глюкози. У стані спокою мозок витрачає близько 60 % глюкози, спожитої організмом. Із цієї кількості 85–90 % її окиснюється до СО2 і Н2О за участю циклу Кребса. Деяка кількість глюкози окиснюється в пентозофосфатному циклі. Піровиноградна кислота як проміжний продукт гліколізу в значних кількостях використовується для синтезу амінокислот.

У розрахунку на всю масу головного мозку, вміст глюкози становить близько 750 мг. За одну хвилину тканина мозку окиснює 75 мг глюкози, отже, кількість глюкози, що міститься в тканині головного мозку, могла б бути достатньою тільки на 10 хв життя людини. Основним джерелом глюкози головного мозку є глюкоза крові, що легко дифундує з крові в тканину мозку, де концентрація глюкози нижча, ніж в артеріальній крові. При недостатньому надходженні глюкози з крові джерелом глюкози у головному мозку є глікоген мозку. При надлишку глюкози в мозку вона використовується на біосинтез глікогену. Однак запаси глікогену в мозку незначні, тому мозок потребує постійної доставки глюкози кров’ю.

Отже, глюкоза — практично єдине джерело енергії в мозку людини, при тривалому голодуванні джерело енергії — кетонові тіла. При нетривалому голодуванні після витрати глікогену моз-

ку витрачається глікоген печінки. При тривалому голодуванні глюкозу заміняють кетонові тіла

— ацетоацетат і гідроксибутират, що утворюються в печінці з жирних кислот. Запаси жиру в організмі набагато перевищують запаси глікогену; при голодуванні запасів глікогену вистачає лише на кілька днів. Використання мозком кетонових тіл під час голодування дозволяє зберегти білки м’язів, які через процес глюконеогенезу служать для мозку останнім джерелом глюкози при голодуванні.

Обмін ліпідів. У тканині мозку інтенсивно відбувається обмін (біосинтез і розпад) фосфоліпідів, які містяться в значних кількостях у нервових клітинах. Обмін ліпідів мієлінових оболонок перебігає дуже повільно. У тканині головного мозку дорослої людини міститься близько 25 г холестеролу. У немовлят у головному мозку всього близько 2 г холестеролу; кількість його зростає протягом першого року життя приблизно втричі. При цьому біосинтез холестеролу відбувається в самій тканині мозку. У дорослих людей синтез холестеролу в головному мозку різко знижується, аж до повного припинення. Як уже зазначалося, при тривалому голодуванні в головному мозку інтенсивно використовуються кетонові тіла — продукти розпаду жирних кислот.

Обмін білків і амінокислот. Білки головного мозку перебувають у стані активного відновлення, тобто розпад і біосинтез цих сполук відбувається дуже інтенсивно, особливо відновлення білків у сірій речовині головного мозку й у мозочку; менша швидкість синтезу і розпаду білків у білій речовині мозку і в аксонах.

Нервова тканина багата на вільні амінокислоти. Загальний вміст їх у тканині мозку людини у 8 разів перевищує концентрацію у крові. Особливо багата нервова тканина на вільну глутамінову кислоту. Концентрація її в мозку вища, ніж у будь-якому іншому органі ссавців (10 мкмоль/г). Пул вільних амінокислот мозку використовується, по-перше, для синтезу білків, подруге, для утворення біогенних амінів, по-третє, дикарбонові амінокислоти зв’язують аміак, що вивільняється при збудженні нервових клітин. Глутамінова кислота відіграє особливу роль у зв’язуванні аміаку — дуже отруйної речовини, особливо для нервової системи. Вона здатна зв’я- зувати аміак з утворенням глутаміну — нешкідливої для нервової тканини речовини. Безпосереднім джерелом глутамінової кислоти в мозку є відновне амінування α -кетоглутарової кислоти. Крім того, глутамінова кислота утворюється в процесі переамінування. Активність АСТ у мозку значно вища, ніж у печінці й особливо в нирках. Дезамінуючись, глутамінова кислота перетворюється на α -кетоглутарову кислоту, що може окиснюватися в циклі Кребса. Крім того, глутамінова кислота в нервовій тканині може декарбоксилюватися під дією ферменту глутаматдекарбоксилази з утворенням γ -аміномасляної кислоти (ГАМК, γ -амінобутират). Найбільша кількість ГАМК міститься в сірій речовині головного мозку і значно менше — в спинному мозку і периферичних нервах:

Медіатори нервової системи (нейромедіатори)

Передача імпульсів від нейрона до нейрона, а також від них іншим органам відбувається за допомогою нейромедіаторів (від лат. mediator — посередник). Хімічна речовина вважається нейромедіатором, якщо задовольняє таким критеріям.

У нервових клітинах повинні міститися ферменти, необхідні для синтезу і нагромадження цієї речовини в достатній кількості в пресинаптичному нервовому закінченні.

Ця речовина буде вивільнятися з пресинаптичного нерва в потрібний час і в кількості, достатній для впливу на постсинаптичний нерв. Всім цим критеріям задовольняють такі речовини, як ацетилхолін і норадреналін. Нерви, що їх містять, називають відповідно холінергічними і адренергічними, а еферентні системи — холінреактивними й адренореактивними. Відповідні реактивні системи містять холінорецептори й адренорецептори. Деякі інші хімічні речовини задовольняють багатьом, але не всім вищезгаданим критеріям. До таких нейромедіаторів належать адреналін, дофамін, серотонін, гістамін, ГАМК та ін.

Ацетилхолін. Ацетилхолін (АХ) синтезується в синапсах парасимпатичної, симпатичної та центральної нервової систем (переважно в сірій речовині головного мозку) з холіну й ацетилКоА за допомогою ферменту холінацетилтрансферази:

Ацетилхолін

При збудженні пресинаптичного нерва відбувається деполяризація мембрани синаптичних закінчень, що приводить до швидкого потоку іонів Са2+ у клітину. Збільшення внутрішньоклітинної концентрації іонів Кальцію запускає процес вивільнення ацетилхоліну зі спеціальних пухирців закінчення. Для викиду вмісту одного пухирця необхідно приблизно чотири іони Кальцію. Виділений у синаптичну щілину ацетилхолін вступає у взаємодію з холінорецепторним

білком, що входить до складу постсинаптичної мембрани. Це приводить до конформаційних змін білка-рецептора і зміни проникності постсинаптичної мембрани — різко збільшується її пропускна здатність для іонів Натрію. Через це відбувається збудження постсинаптичного нейрона або ж виконання ефекторною клітиною своєї специфічної функції. Після виділення АХ із синаптичних пухирців повинна настати фаза його швидкої інактивації, щоб підготувати синапс до сприйняття нового імпульсу. У холінергічних синапсах це відбувається двома шляхами:

—ацетилхолін піддається гідролізу на холін

іоцтову кислоту під дією ферменту ацетилхолінестерази;

—енергозалежний транспорт ацетилхоліну в нейрон, де він нагромаджується для наступного повторного використання.

Існують 2 види ацетилхолінергічних рецепторів: м- (мускаринові), що активуються мускарином, та н- (нікотинові), що активуються нікотином. Інгібітором м-холінорецепторів є атропін, інгібітором н-холінорецепторів — курареподібні речовини, які широко використовуються у медичній практиці.

Катехоламіни

До нейромедіаторів катехоламінів належать адреналін, норадреналін і дофамін. Їх називають гормонами-медіаторами, оскільки їм властиві обидві регуляторні функції: адреналіну — переважно гормональна, норадреналіну — нейромедіаторна. Катехоламіни синтезуються з амінокислоти тирозину в закінченнях симпатичних нервів, гіпоталамусі й надниркових залозах. Катехоламіни реагують з адренорецепторними білками (адренергічними рецепторами) в адренореактивній системі. Існує два види цих рецепторів: α - і β -адренергічні. Перші взаємодіють з аміногрупою катехоламінів, другі — з гідроксильною. Встановлено, що як тільки β -адренер- гічний рецептор, розташований на зовнішній поверхні мембрани ефекторної клітини, почне взаємодіяти з норадреналіном, на внутрішній поверхні клітинної мембрани активується аденілатциклаза. Під дією цього ферменту АТФ перетворюється на цАМФ, який, у свою чергу, здатний впливати на метаболізм клітини.

Серотонін синтезується з амінокислоти триптофану в основному в ядрах мозкового стовбура, а також у гладких клітинах шкіри, шлунковому тракті, селезінці та тромбоцитах крові. Нейромедіаторна роль серотоніну пов’язана з взаємодією його зі специфічними серотонінергічними рецепторами. Серотонін гальмує функції нервової системи, впливає на процеси сну.

HO —CH2–CH2–NH2

NH

Серотонін

Вивчення механізмів пам’яті — важлива проблема медицини. Це стосується розробки систем навчання, реабілітації після ушкоджень нервової системи, вікових змін. Відомо, що процес запам’я- товування супроводжується зміною хімізму нейронів, зокрема нуклеїнових кислот і ядерного хроматину. При запам’ятовуванні збільшується вміст уридину в РНК, ступінь метилювання ДНК та фосфорилування ядерних білків. Розрізняють генетичну, імунологічну та нейрологічну па- м’ять. Явище спадковості є відображенням генетичної пам’яті, коли нуклеотидна послідовність ДНК зберігає і передає певні ознаки нащадкам. Імунологічна пам’ять базується на антигенному складі органів і тканин особи, що дозволяє ідентифікувати і знищувати чужорідні антигени. До імунологічної пам’яті належить явище набутого імунітету, коли імунна система, одноразово виробивши антитіла проти антигену певного збудника, продовжує продукувати специфічні антитіла протягом значного часу або навіть усього життя. У цьому випадку, поряд із генетичним апаратом, залучаються механізми синтезу білків. Нейрологічна пам’ять поділяється на короткочасну і довгострокову. Короткочасна пам’ять базується на передачі імпульсів по нейронних ланцюгах, що супроводжується продукуванням медіаторів, їх впливом на клітини (через іонотропні та метаботропні рецептори) з подальшою модифікацією метаболізму в них. Довгострокова пам’ять базується на залученні синтезу нуклеїнових кислот і білків, що спричинює утворення нових синаптичних зв’язків і появу в нервових клітин здатності синтезувати молекули, які зберігають отриману інформацію. Стає зрозумілим, що нейромедіатори збуджувального та гальмівного спрямування впливають на формування пам’яті. Узагальнюючи відомості про вплив окремих медіаторів на цей процес, можна дійти висновку, що збуджувальні медіатори збільшують можливості нейрологічної пам’яті, тоді як гальмівні медіатори зменшують такі можливості. Вважають, що фрагменти деяких гормонів гіпофіза (зокрема, кортикотропіну і вазопресину) є активаторами пам’яті й ці властивості не пов’язані з гормональною активністю. Імовірно, після виконання гормональної функції вказані гормони підлягають гідролізу з вивільненням олігопептидів, що впливають на пам’ять. З тканини мозку виділено близько 50 нейропептидів, що впливають на поведінкові реакції організму: сон, відчуття болю, страху, гніву. Оскільки велика кількість нейропептидів утворюється з одного попередника (проопіомеланокортину) шляхом обмеженого протеолізу під дією специфічних протеаз, то можна припустити, що в майбутньому,

регулюючи активність протеаз, з’явиться можливість впливати на психо-емоційні та поведінкові порушення у людини.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Біохімічні функції печінки: вуглеводна, білоксинтезувальна, сечовиноутворювальна, жовчоутворювальна, регуляція ліпідного складу крові.

2.Детоксикаційна функція печінки; типи реакцій біотрансформації ксенобіотиків та ендогенних токсинів.

3.Реакції мікросомального окиснення. Цитохром Р-450; електроно-транспортні ланцюги в мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів.

4.Реакції кон’югації в гепатоцитах: біохімічні механізми, функціональне значення.

5.Роль печінки в обміні жовчних пігментів. Патобіохімія жовтяниць; типи жовтяниць; спадкові (ферментні) жовтяниці.

6.Водно-сольовий обмін в організмі. Внутрішньоклітинна і позаклітинна вода; обмін води, натрію, калію.

7.Роль нирок у регуляції об’єму, електролітного складу та рН рідин організму. Біохімічні механізми сечоутворювальної функції нирок.

8.Ренін-ангіотензинова система нирок. Гіпотензивні лікарські засоби — інгібітори ангіотензинперетворювального ферменту.

9.Біохімічний склад сечі людини в нормі та за умов розвитку патологічних процесів. Клінікодіагностичне значення аналізу складу сечі.

10.Біохімічний склад м’язів. Білки міофібрил: міозин, актин, тропоміозин, тропонін.

11.Молекулярні механізми м’язового скорочення. Роль іонів Са2+ у регуляції скорочення та розслаблення м’язів.

12.Біоенергетика м’язової тканини; джерела АТФ; роль креатинфосфату в забезпеченні енергії м’язового скорочення.

13.Біохімія нервової системи: особливості біохімічного складу та метаболізму головного мозку.

14.Енергетичний обмін у головному мозку людини. Значення аеробного окиснення глюкози; зміни в умовах фізіологічного сну та наркозу.

15.Біохімія нейромедіаторів; рецептори нейромедіаторів і фізіологічно активних сполук.

16.Пептидергічна система головного мозку: опіоїдні пептиди, рецептори опіоїдних пептидів.

17.Порушення обміну медіаторів і модуляторів головного мозку при психічних розладах. Нейрохімічні механізми дії психотропних засобів.