Биологический каталог




Нейрохимия: Учебник для биологических и медицинских вузов

Автор И.П.Ашмарин, А.Е.Антипенко, В.В.Ашапкин, Г.Г.Вольский, С.А.Дамбинова и

(фосфотриозы и др.) в нервной ткани не имеет существенного значения. Все это позволяет рассматривать гексокиназную реакцию как первый пункт контроля над скоростью энергетического обмена в головном мозге. Лишь в экстремальных ситуациях — при резкой гипогликемии или в условиях чрезвычайно интенсивного гликолиза при кислородной недостаточности — лимитирующим этапом может стать транспорт глюкозы через ГЭБ.

Активность гексокиназы мозга относительно невелика, особенно по сравнению с активностью других ферментов гликолиза; в среднем она составляет 350-450 мкмоль субстрата-г_1-ч~1. Эта величина в 5-10 раз превышает среднюю скорость поступления глюкозы в мозг. Более того, при сопоставлении активности фермента в различных тканях максимальные величины получены рядом авторов именно в экспериментах с головным мозгом.

Распределение фермента в нервных клетках неравномерно; с помощью гистохимических, иммунохимических методов, а также при исследовании обогащенных препаратов установлена более высокая активность гексокиназы в нейронах, особенно в си-наптических окончаниях, по сравнению с олигодендроглией.

Интересная особенность отмечена при изучении распределения фермента между компартментами клетки: в отличие от ряда других тканей в мозге основная часть (до 80%) гексокиназы сосредоточена не в цитоплазме, а в митохондриях. В связывании фермента с внешней митохондриальной мембраной участвует специфический белок, детальные исследования свойств которого указывают на идентичность его с белком, формирующим поры. На прочность взаимодействия гексокиназы с мембранным белком оказывает влияние фосфолипидный компонент мембраны (наиболее активным оказался дифосфоинози-тид). Причины такого своеобразного внутриклеточного распределения гексокиназы в мозге пока не совсем ясны, но имеются предположения, что такая локализация обеспечивает более быстрое и эффективное фосфорилирование глюкозы за счет АТФ, синтезированного в митохондриях.

Необходимо отметить, что из четырех известных изофермен-

тов гексокиназы — ГКГ, ГКП) ГКШ> ГК1У (глюкокиназа) в мозге встречается лишь первые два, причем на долю ГКТ приходится около 90% суммарной активности. Именно для этих двух изоферментов наиболее выражена способность связываться с внешней митохондриальной мембраной.

Связывание гексокиназы — обратимый процесс; на соотношение между связанной и солюбилизированной формами фермента влияет рад факторов, в первую очередь — отношение АТФ/АДФ, концентрация неорганического фосфата и глюко-зо-6-фосфата, а также уровень свободных жирных кислот. Действие указанных факторов проявляется в пределах их физиологических концентраций; это дало Вильсону основание предположить, что изменение субклеточного распределения гексокиназы служит важным механизмом регуляции активности фермента in vivo.

Такое предположение очень интересно, ^поскольку мем-бранно-связанная гексокиназа более активна, чем цитоплазма-тическая форма: значение Км для АТФ митохондриального фермента в 3 раза ниже, чем у солюбилизированного. Кроме того, связанная форма гексокиназы в меньшей степени ингибирует-ся глюкозо-6-фосфатом. Установлено, что значение Kj солиби-лизированной формы гексокиназы равна в среднем (3,0-4,0)Т0~6М, а митохондриальной — (8,0-9,5)10~*М; для сравнения можно привести средние значения концентрации глю-козо-6-фосфата в цитоплазме, где в основном сосредоточен этот метаболит — (6,0-6,5)Т0~5М.

Накопление в клетках аденозинтрифосфата и возрастание отношения АТФ/АДФ приводит к усилению солюбилизации гексокиназы, что вызывает замедление скорости фосфорилирования глюкозы и, следовательно, торможение гликолиза. Напротив, при уменьшении уровня АТФ в клетке происходит новое связывание фермента с ионами магния в митохондриальной мембране, которое вследствие указанной разницы значений К^ ведет к освобождению фермента от ингибирования глюкозо-6-фосфатом и повышению скорости реакции фосфорилирования субстрата.

В мозге интактных животных гексокиназа находится преимущественно в ингибированном состоянии. Исследования, выполненные in vivo, показали резкое повышение количества связанного фермента при усилении гликолиза и, напротив, возрастание доли солюбилизированной гексокиназы при снижении скорости гликолиза в условиях анестезии.

¦ Таким образом, быстрые взаимопереходы солюбилизированной и связанной с митохондриями гексокиназы обеспечи-

155

вают значительный "запас мощности" фермента, позволяя быстро менять скорость фосфорилирования глюкозы при сдвигах в энергетическом балансе мозга без изменения скорости синтеза фермента. Этот механизм контроля активности гексокиназы, чутко реагирующий на сдвиги таких балансовых показателей энергетического обмена, как отношение АТФ/АДФ, уровень неорганического фосфата, несомненно играет большую роль в регуляции энергетического метаболизма мозга.

Соотношение путей метаболизма глюкозо-б-фосфата в мозге. Как известно, глюкозо-6-фосфат, образующийся в гексокиназ-ной реакции, может быть использован в качестве исходного субстрата в нескольких метаболических путях (схема 5.2): гликолиз, пентозофосфатный путь (ПФП), синтез гликогена и др. Интенсивность использования его в той или иной последовательности реакций определяется соотношением активностей ферментов, конкурирующих за глюкозо-6-фосфат.

Схема 5.2. Основные пути метаболизма глюкозо-6-фосфата (жирными стрелками обозначены доминирующие пути образования и утилизации глюкозо-6-фосфата в мозге; ферменты: 1 — гексокиназа; 2 — глюкозо-6-фосфатаза; 3 — фосфогексоизо-мераза, 4 — фосфофруктокиназа; 5 — глюкозо-6-фосфатдегидро-геназа; 6 — фосфоглюкомутаза)

синтез гликогена

глюкозо-1-фосфат

глюкоза + АТФ 1

ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТ

6-фосфоглюконат

\

ПФП

ч

глюкоза + Ф

фру ктозо-б-фосфат

фруктозо-1,6-ди фосфат Реакции гликолиза

В табл.5.2 приведены данные об интенсивности основных путей метаболизма глюкозо-6-фосфата в мозге и печени крыс, рассчитанные на основании экспериментов с 14С-глюкозой и

156

анализа активностей ферментов. Несмотря на то что эти расчеты весьма приблизительны, они все же дают наглядное представление о значительных отличиях в метаболизме глюкозо-6-фосфата в головном мозге и печени. Исследования альтернативных путей метаболизма глюкозо-б-гфосфата//! vivo с помощью препаратов меченой глюкозы, содержащей 14С в разных положениях, а также результаты математического моделирования подтвердили, что вовлечение глюкозо-6-фосфата в реакции гликолиза с последующим окислением в ЦТК доминирует над другими путями использования этого субстрата в мозге взрослых животных.

Таблица 5.2.

Интенсивность отдельных путей метаболизма глюкозо-6-фосфата в головном мозге и печени крыс (по С.И.Раппопорт, 1965)

Метаболический путь Доля глюкозо-6-фосфата, вовлекаемого в реакции, % мозг печень

1. Окисление до С(Х и Н20 в ходе аэробного гликолиза и ЦТк 80-90 Около 20

2. Синтез гликогена 5-7 20-25

3. Расщепление в глюкозо-6-фосфатазной реакции до свободной глюкозы Следы До 50

4. Пентозофосфатный путь 5-15

5. Другие реакции Менее 5 5-10

¦ Преимущественное использование глюкозо-6-фосфата в реакциях гликолиза является характерной чертой энергетического метаболизма; оно обусловлено значительным превышением активности фосфогексоизомеразы и фосфофруктокиназы над активностью других ферментов, конкурирующих за общий субстрат. Относительная роль минорных путей метаболизма глюкозо-6-фосфата заметно меняется в мозге х возрастом животного, прежде всего это относится к пентозофосфатному пути (ПФП).

Как известно, интенсивность использованиятлюкозо-6-фос-фата в реакциях пентозофосфатного пути в-значительной степени определяется активностями ферментов, катализирующих

157

начальные, наиболее медленные стадии: глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназы (D-глюкозо-б-фосфат: НАДФ-оксидоредуктаза, 1.1.1.49) и 6-фосфоглюконатдегадрогеназы (б-фосфо-О-глюко-нат: НАДФ-оксидоредуктаза декарбоксилирующая, 1.1.1.44).

Установлено, что активности этих ферментов в головном мозге молодых животных в 1,5-2 раза выше, чем у взрослых. Максимальные значения активностей отмечаются исследователями в период наиболее интенсивной миелинизации; у крыс этот период соответствует 20-30 дням постнатального развития. Более высокая активность найдена в головном мозге растущих животных и для ферментов неокислительной части пентозо-фосфатного пути: трап сальдо лазы, тракскетолазы, фосфопентои-зомеразы и др. Все эти данные свидетельствуют о том, что такой путь метаболизма глюкозо-6-фосфата играет в развивающейся нервной ткани большую роль, чем в окончательно сформировавшемся мозге взрослых животных.

Определение скорости ПФП в экспериментах с глюкозой, содержащей 14С в положении "1" или "6", позволило рассчитать, что в мозге растущих животных в ПФП используется до 10-15% поступающей в мозг глюкозы, в то время как в мозге взрослых животных — лишь 2-3%.

В ходе окончательной дифференцировки и созревания структур головного мозга у новорожденных и молодых животных особенно интенсивно протекают процессы синтеза специфических липидов, в частности липидов миелиновых оболочек. Заканчивается деление и пролиферация различных типов нервных клеток. Такие морфологические изменения в ходе созревания мозга требуют повышенного образования восстановительных эквивалентов (в первую очередь НАДФН2) для реакций биосинтеза липидов, а также фосфопентоз как предшественников нуклеиновых кислот. Именно эти потребности покрываются за счет реакций ПФП. После окончания процессов миелинизации и пролиферации нервной ткани интенсивность этого пути метаболизма глюкозо-6-фосфата в головном мозге заметно снижается. Напротив, в ряде других тканей, где у взрослых животных идут интенсивные процессы липогенеза (печень, жировая ткань, кора надпочечников и др.), относительная доля ПФП среди реакций метаболизма глюкозо-6-фосфата постепенно возрастает.

Сопоставление активности ферментов пентозофосфатного пути в различных типах клеток взрослого мозга позволило сделать вывод о разной его интенсивности в нейронах и нейрог-лии. Гистохимическими методами, а та

страница 31
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95

Скачать книгу "Нейрохимия: Учебник для биологических и медицинских вузов" (21.4Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.11.2019)