Биохимия нервной ткани: особенности метаболизма мозга

1.

Приволжский медицинский исследовательский
университет
Кафедра биохимии им. Г.Я.Городисской
Биохимия нервной ткани - 1

2.

CОДЕРЖАНИЕ
1. Особенности строения, функционирования
и метаболизма нервной ткани
2. Липиды нервной ткани
3. Углеводы нервной ткани и особенности
энергетического обмена
4. Минеральные вещества в нервной ткани.

3.

Доктор медицинских наук,
профессор Городисская Г.Я.
История развития нейрохимии
Российская школа –
А.В. Палладин, Г.Е. Владимиров,
Г.Я. Городисская, Е.М. Хватова
Зарубежные школы – Чехия,
Германия, США, Франция,
Япония
С 1953г. – всесоюзные
конференции по нейрохимии
С 1966г. – Международное
нейрохимическое общество

4.

ОСОБЕННОСТИ МОЗГА
• Гетерогенность –химического состава и
различие метаболизма в разных отделах.
• Значительное разнообразие функций.
• Функциональная пластичность
• Интенсивность обмена, поэтому сложно
определить химический состав ткани.
• Высокая степень автономии метаболизма

5.

НЕЙРОГЕНЕЗ – процесс возникновения новых
нейронов, этапной трансформации нейрональных
предшественников.
Продолжается в течение всей жизни индивидуума.

6.

ЗНАЧЕНИЕ НЕЙРОГЕНЕЗА
•образование новых нейронов
• обеспечение пластической функции мозга
•экспрессивное образование новых нейрональных структур при увеличенной физической активности, гипоксии, стрессе, обучении
• стимуляция образования новых клеток при
ишемии мозга, травме, начальных стадиях
нейродегенеративной патологи.
•формирование клеток определенной
медиаторной специфичности

7.

ФУНКЦИИ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
1. Интегративная – управление работой всех
органов и систем
2. Сенсорная – получение информации о состоянии
внешней и внутренней среды
3. Функция памяти – переработка, оценка,
хранение, воспроизведение и забывание
информации
4. Программирование поведения – построение
алгоритма взаимодействия с окружающей средой

8.

НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТЬ
Это динамический механизм, позволяющий мозгу
адаптироваться к
различному опыту
и обучаться.
Он является важнейшим фактором
регенерации мозга после повреждения,
поскольку реабилитация направлена на
восстановление и установление новых связей
между нейронами

9.

ВИДЫ НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТИ
• ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
• ВОЗРАСТНОЕ СТАРЕНИЕ
• БОЛЕВОЙ ОТВЕТ
• ФОРМИРОВАНИЕ ОТВЕТА ПРИ
НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ
• ФОРМИРОВАНИЕ НАРУШЕНИЙ ПРИ
ИШЕМИЧЕСКОМ ИНСУЛЬТЕ

10.

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА
• Наличие гемато-энцефалического барьера
• Высокая скорость обменных процессов, особенно
окислительных реакций
• Потребление кислорода достигает 25% от общего
потребления всем организмом, у детей до 4-х лет – до 50%
• Активный синтез митохондрий (на 1нейрон – 776
митохондрий при рождении, к 20 годам – 1400)
• Субстратная специфичность окислительных процессов (до
120 г глюкозы в сутки, 85% - в аэробных процессах, 15% –
анаэробный гликолиз, синтез аминокислот, липидов)
• Отсутствие значительных энергоресурсов при огромной
скорости их расходования. Число оборотов 1 молекулы АТФ
– 2500 в минуту.

11.

ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ БАРЬЕР (ГЭБ)

12.

НЕРВНАЯ ТКАНЬ

13.

НЕРВНАЯ ТКАНЬ

14.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СЕРОГО
И БЕЛОГО ВЕЩЕСТВА МОЗГА
Состав
Вода
Серое
вещество
84
Белое
вещество
70
Плотный остаток
16
30
Белки
8
9
Липиды
5
17
Минеральные
вещества
1
2

15.

СОСТАВ ЛИПИДОВ ОТДЕЛОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА
(% сухой массы ткани)
Фракция
Серое в-во
Белое в-во
Общие липиды 33
55
Холестерин
7
15
Фосфолипиды
23
25
Цереброзиды
2
11
Сульфатиды
0,6
3
Ганглиозиды
1,7
0,2

16.

ЛИПИДЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ
• Глицерофосфолипиды
• Сфинголипиды – цереброзиды и гангиозиды
• Наличие миелиновых оболочек, содержащих
протеолипиды
• В головном мозге практически отсутствуют
триглицериды и свободные жирные кислоты
• Плазмолаген – специфический липид
нервной ткани
• Холестерин – только в свободном состоянии,

17.

определяют изолирующие свойства
миелиновой оболочки нервных аксонов,
межклеточное узнавание,
иммунологические реакции.
Являются рецепторными молекулами для
вирусов, токсинов, лекарственных
препаратов.
Обеспечивают стабильность и прочность
миелиновых образований
Участвуют в регуляции ионов и поляризации
мембран.
участвуют в процессах активации
мембранных ферментов и транспорта
ионов через мембраны
Способны обратно связывать ионы Са+2.
Регулируют активность Na-K-AT-азы
Участвуют в образовании ансамблей
нейронов, устойчиво связанных друг с
другом.
Кодируют эмпирический опыт в головном
мозге.

18.

МИЕЛИНОВЫЕ ОБОЛОЧКИ
В значительных количествах присутствуют цереброзиды,
сульфатиды, холестерин, галактолипиды и плазмалогены. В
их состав входит большое количество оксипроизводных
жирных кислот.
Высокая концентрация ХС
Наличие специфических белков - протеолипидов.
Структура миелина различается в центральной и
периферической нервной системе.

19.

ЛИПИДЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Основные ЖК – стеариновая, лигноцериновая, нервоновая. Относительно
большое содержание длинноцепочечных полиеновых кислот 20:4, 22:5, 22:6.
• Важной особенностью является присутствие большого количества
гидроксипроизводных жирных кислот
• Отличается жирнокислотный состав фосфолипидов серого и белого веществ
мозга, что объясняется принадлежностью этих липидов к различным типам
нейрональных мембран.
ПЛАЗМАЛОГЕН - Это глицерофосфолипид, в состав которого вместо одного
остатка высшей жирной кислоты входит остаток спирта.
Функции плазмалогенов окончательно еще не выявлены, но полностью выяснено,
что они могут защищать клетки млекопитающих от повреждающего воздействия
активных форм кислорода . Кроме того, они вовлечены как сигнальные молекулы и
модуляторы мембранной динамики в процесс передачи нервного импульса.

20.

ЛИПИДЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ
• На долю холестерола приходится около 25% от суммарного
содержания липидов.
• Он находится здесь в свободном
виде.
• Благодаря своему строению легко включается в билипидный
слой мембран, особенно в области мембранных дефектов.
• стабилизирует мембраны
• интенсивно синтезируется в ранних периодах онтогенеза и
значительно замедляется обновление с возрастом.
• Входит в состав устойчивые структур мембран – рафты. Это
своеобразные «движущиеся платформы» для специфических
белков. При этом ХС служит как бы «наполнителем».

21.

Особенности обмена липидов
в тканях головного мозга
низкая скорость обновления обуславливает постоянство состава
липидов в зрелом мозге
скорость липогенеза в головном мозге неодинакова в различные
сроки постнатального периода;
фосфатидилхолин и фосфатидилинозит обновляются в ткани
мозга быстро;
метаболизм холестерина, цереброзидов, сфингомиелина,
фосфатидилэтаноламина протекает в мозге медленно;
скорость синтеза холестерина в мозге высока в период его
формирования. С возрастом активность этого процесса
уменьшается.
синтез цереброзидов и сульфатидов протекает наиболее активно
в период миелинизации.
мозг обладает высокой способностью синтезировать жирные
кислоты;
в мозге, практически, не происходит β-окисление жирных кислот

22.

ФАКТОРЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ НЕЙРОНОВ
• активация свободно радикальных
процессов под действием АФК
• непосредственное влияние на клетки
церамидов и липофусцина,
• избыток жирных кислот в организме,
• аномальное накопление липидов в клетках
микроглии и астроцитах.

23.

ПАТОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СВЯЗАННЫЕ С
НАРУШЕНИЕМ МЕТАБОЛИЗМА ЛИПИДОВ
Атеросклероз сосудов головного мозга
Нейродегенеративные заболевания
Демиелинизирующие заболевания
Эпилепсия
Липидозы и лейкодистрофии.
ганглиозидозы,
нейрональные цероид-липофусцинозы,
сфингомиелинозы,
глюкоцереброзидозы, болезнь Фабри.

24.

УГЛЕВОДЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ
• концентрация глюкозы в 4 раза ниже, чем в
крови;
• содержание гликогена в 20 раз ниже, чем в
скелетных мышцах;
• имеются также промежуточные продукты
обмена углеводов: гексозо- и триозофосфаты, молочная, пировиноградная и другие
кислоты.

25.

УГЛЕВОДЫ НЕРВНОЙ ТКАНИ

26.

Особенности углеводного обмена
• Значительное количеств энергии, от которого
зависит функциональная активность мозга
получается в результате использования углеводов
• Энергетическое обеспечение клеток головного
мозга сопряжено с аэробными процессами распада
глюкозы
• Основным субстратом окисления головного мозга
является глюкоза.
• 70% всей образующейся в нервных клетках АТФ
необходимо для функционирования транспортных
АТФаз на нейрональных мембранах

27.

Транспорт глюкозы

28.

ТРАНСПОРТ ГЛЮКОЗЫ
через мембрану клетки

29.

Энергозависимые процессы мозга
• формирование и поддержание концентрационных градиентов ионов Na+ и K+;
• активный транспорт ионов Ca2+;
• синтез основных органических молекул;
• синтез нейротрансмиттеров;
• аксональный транспорт веществ
(сокращение актомиозиноподобных белков
микротрубочек и микровезикул);
• активный транспорт веществ через ГЭБ.

30.

Энергетические источники для мозга

31.

Особенности энергетического
обмена в тканях головного мозга.
• Выраженная интенсивность из-за высокого
потребления кислорода и глюкозы из крови резкое преобладание аэробных процессов
• По скорости потребления кислорода отделы
мозга можно расположить в следующей
убывающей последовательности:
кора больших полушарий >
мозжечок и промежуточный мозг >
средний и продолговатый мозг >
спинной мозг.

32.

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Na+, R+, Ca2+, Fe2+, Cu2+,Mg2+,Mn2+
распределены в нервной ткани
относительно равномерно между серым
и белым веществом
Содержание фосфора в белом веществе
выше, чем в сером
Существует дефицит анионов, который
покрывается за счет белков и липидов (у
липидов нервной ткани важная роли в
поддержании анионного баланса)