Энергетический обмен головного мозга

Введение

Изучение энергетического обмена в головном мозге привлекает особое внимание нейрохимиков и нейрофизиологов – При углубленном изучении деятельности мозга выяснено, что процессы, лежащие в основе таких специфических лишь для нервной ткани явлений, как проведение нервных импульсов, возбудимость, способность к хранению и переработке поступающей информации, а также многочисленные биох

имические и биофизические процессы, связанные с поддержанием своеобразной пространственно-функциональной архитектоники мозга, с непрерывным образованием функциональных ансамблей нейронов, с обновлением и образованием синаптических структур и других, протекают с очень значительными энергетическими затратами.

Эти наблюдения, а также наличие теснейшей связи между окислительными процессами и функциональной активностью нервной ткани позволили сформулировать принципиально важное положение о том, что интенсивность энергетического обмена является одним из ведущих факторов, лимитирующих деятельность мозга. Большой вклад в обоснование данного положения внесен основоположниками функциональной нейрохимии – Е.С. Лондоном, А.В. Палладиным, Г.Е. Владимировым, МИ. Прохоровой, Г. Мак-Ильвейном, Г. Кребсом, Л. Соколовым, Б. Съёшио и др.

1. ПОТРЕБЛЕНИЕ ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ КИСЛОРОДА

Одним из важнейших показателей, характеризующих интенсивность энергетического обмена, служит скорость дыхания. При определении артериовенозной разницы по кислороду, выполненном на интактных животных или людях, было установлено, что потребление кислорода мозгом человека составляет в среднем 1,5–1,7 мкмоль-г/мин», а мозгом крыс – 4,6–4,9 мкмоль-г/мин.

С помощью различных методических приемов показано, что по интенсивности дыхания головной мозг занимает ведущее место среди крупных органов и тканей. В качестве примера можно привести данные о среднем потреблении кислорода тканями взрослых крыс:

Головной мозг 5,43

Сердце: интенсивная работа 4,20 покой 3,06

Почки – 2,40

Печень 1,80

Головной мозг, составляющий не более 2% от массы тела, потребляет до 20–25% от всего поступающего в организм количества кислорода; более того, у новорожденных животных или человека на дыхание головного мозга может расходоваться до 50% от общего количества кислорода, потребляемого организмом.

Сопоставление дыхания разных отделов мозга животных показывает общую закономерность: снижение интенсивности дыхания по мере перехода от филогенетически более молодых передних отделов мозга к более старым задним отделам. Максимальная интенсивность дыхания установлена в коре больших полушарий; далее по скорости поглощения кислорода отделы мозга можно расположить в такой убывающей последовательности: мозжечок и промежуточный мозг > средний и продолговатый мозг > спинной мозг. Различия в интенсивности дыхания отдельных зон коры больших полушарий выражены слабо.

Высокая интенсивность окислительных реакций характерна не для всей нервной ткани; установлено, что периферические нервы используют лишь около 3% того кислорода, который потребляется эквивалентным по массе количеством ткани из центральных отделов нервной системы. В литературе имеются противоречивые данные о сравнительной интенсивности дыхания двух важнейших типов клеток нервной системы: нейрональных и нейроглиальных. Большинство исследователей указывают на значительно более интенсивные окислительные процессы в нейронах по сравнению с нейроглиальными клетками. Следует, однако, отметить, что сравнение интенсивности дыхания нейрональных и нейроглиальных клеток сопряжено с определенными методическими трудностями, поскольку практически отсутствуют надежные и быстрые методы получения интактных клеток мозга, не загрязненных миелином и другими примесями.

Учитывая парциальные объемы отдельных типов клеток и структур мозга, а также данные об интенсивности их дыхания, можно приблизительно оценить вклад нейронов и глии в общее потребление О. Для коры больших полушарий крыс установлено, что около/0% от общего поглощения кислорода приходится на нейроны, а примерно 30% – на глиальные клетки, причем перикарион нейронов, занимающий около 5% объема в коре больших полушарий, потребляет до 25% кислорода; синаптические окончания, занимающие около 15% объема, – примерно 10% кислорода.

2. ПОТРЕБЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ

Наряду с высокой скоростью дыхания для мозга характерно интенсивное потребление глюкозы крови. Ни один орган не поглощает глюкозу крови с такой скоростью и в таких количествах, как мозг, и ни для одной ткани организма не отмечено такой острой потребности в этом субстрате окисления для поддержания нормального функционального состояния. Головным мозгом потребляется до 70% глюкозы, образующейся в печени и выделяющейся из нее в кровь. Потребление глюкозы мозгом взрослого человека, рассчитанное по артериовенозной разнице, составляет в среднем 0,25–0,30 мкмоль-г/мин. У мелких лабораторных животных этот показатель выше и в среднем равен 0,60–0,80 мкмоль-г/мин.

Эти данные позволяют считать, что глюкоза является основным субстратом окисления в головном мозге. Определение дыхательного коэффициента полностью подтверждает такое предположение. Действительно, по данным Г. Мак-Ильвейна, для головного мозга взрослого человека артериовенозная разница по кислороду равна 6,7±0,8 мл О2/100 мл протекающей крови, а по диоксиду углерода – 6,6±0,8 мл СО2/100 мл крови. Другими словами, количество потребляемого мозгом 02 практически эквивалентно количеству выделяемого им С02; дыхательный коэффициент близок к единице: по расчетам Г. Мак-Ильвейна, он составляет 0,99±0,03. Это говорит о том, что преимущественным путем метаболизма глюкозы в головном мозге является ее окисление в реакциях аэробного гликолиза, сопряженных с реакциями цикла трикарбоновых кислот.

Расчеты, проведенные на основании многочисленных экспериментов с глюкозой, содержащей С в различных положениях углеродной цепи, показывают, что около 85–90% глюкозы, потребляемой мозгом взрослого животного, полностью окисляется до С02 и Н20; около 5% расходуется в реакциях гликолиза с образованием молочной кислоты и лишь 5–7% используется в других реакциях. В некоторых случаях, например в экспериментах на мелких лабораторных животных с использованием введенной интрацистернально глюкозы С, показана возможность полного 100% окисления этого субстрата до С02 и Н20.

Необычайная зависимость функционирования головного мозга от постоянного притока глюкозы из крови объясняется прежде всего тем, что собственные запасы данного углевода в мозговой ткани чрезвычайно малы по сравнению с высокой интенсивностью его окисления. По данным многих исследователей, содержание глюкозы в мозге животных и человека составляет в среднем 1,5–4,5 мкмоль-г. Даже при условии использования глюкозы только для окисления ее запасы в мозге могут быть полностью исчерпаны за 3–6 мин.

При уменьшении уровня глюкозы в крови печень, почки, скелетные и сердечная мышцы для – поддержания энергетического баланса и сохранения функциональной активности способны окислять целый ряд других субстратов. Головной же мозг в этих условиях продолжает потреблять по-прежнему высокие количества глюкозы и кислорода. И лишь при снижении концентрации глюкозы крови ниже критических величин значительно падает потребление мозговой тканью, как глюкозы, так и кислорода и развивается коматозное состояние с потерей сознания.

 Скачать реферат