о, что нервная система исключительно чувствительна к нарушению метаболизP?а лизина в других тканях. Последнее приводит к тяжелым деструктивным и демиелини-зационным процессам в ЦНС, сопровождающимся умственной отсталостью.

Аргинин в целом организме ассоциируется прежде всего с процессом синтеза мочевины. Однако в головном мозге не существует полного цикла образования мочевины, хотя некото-

66

рые энзимы этого метаболического пути, такие как аргинино-сукцинатсинтетаза (КФ 6 3.4.5 ), арпшиносукциназа (КФ 4.3.2.1) и аргиназа (КФ 3.5.3.1), найдены в этом органе. Центральный фермент цикла — орнитинкарбамоилтрансфераза (КФ 2.1.3.3 ) — не обнаружена в мозге.

Недавно выявлена еще одна важная функция аргинина. Он является источником образования окиси азота — мощного сосудорасширяющего фактора и нейромедиатора. Синтез N0 осуществляется с помощью фермента аргинат-синтазы. Образующийся при этом цитруллин включается в известный цикл образования мочевины. Функции N0 рассматриваются в гл. 7.

Генетические дефекты, связанные с метаболизмом аргинина и образованием мочевины вне нервной ткани, сопровождаются неврологическими последствиями. Все эти генетические заболевания, такие как цитруллинемия, аргининосукцинатацидурия, аргининемия, сопровождаются накоплением в плазме крови и в тканях отдельных метаболитов аргинина. Но, вероятно, наиболее серьезным последствием таких метаболических блоков является сопутствующее им повышение концентрации ионов аммония — гипераммониемия, особенно опасная для растущего мозга и часто ведущая к коме. При аргининосукцинатацидурии умственная отсталость может быть очень тяжелой. Это заболевание сопровождается дегенеративными изменениями в белом веществе мозга, дефектами миелинизации и недоразвитием кортикальных слоев.

Метаболизм орнитина — диаминокислоты, являющейся ближайшим родственником аргинина, в нервной ткани открывает еще одну важную функцию аминокислот — они являются предшественниками полиаминов, соединений, которые выполняют пока мало изученный комплекс регуляторных функций.

Выводы

1. Аминокислоты широко используются для синтеза многих белков, пептидов, нейромедиаторов и других биологически важных соединений. Некоторые аминокислоты сами служат ней-ромедиаторами.

2. Состав пула свободных аминокислот в нормальных физиологических условиях отличается постоянством, отдельные районы мозга имеют свои характерные метаболические пулы.

3. Разнообразные активные транспортные процессы служат для поддержания уровней и распределения метаболитов как в целом органе, так и в отдельных его районах. Многообразие

67

систем транспорта аминокислот ЦНС (низко- и высокоаффинные, Na-зависимые и независимые и т.д.) отражает полифункциональность этих соединений.

4. Пространственная разобщенность отдельных ступеней метаболизма аминокислот (так называемая метаболическая ком-партментализация) создает условия ддя пространственного разобщения энергетического метаболизма и не связанных с энергетикой функций и превращений аминокислот.

5. Головной мозг характеризуется высокой концентрацией аминокислот глутаминовой группы. Глутаминовая кислота, глутамин, ГАМК, аспарагиновая и N-ацетиласпарагиновая кислоты составляют в сумме 75% пула свободных аминокислот мозга.

6. Метаболизм аминокислот глутаминовой группы также чрезвычайно интенсивен. Эти аминокислоты выполняют ряд важных функций в ЦНС: энергетическую, служат для образования и устранения аммиака, выполняют роль нейромедиаторов и нейромодуляторов.

7. Ароматические аминокислоты имеют особое значение как предшественники катехоламинов и серотонина.

8. Нарушения, особенно генетические, в энзиматической системе метаболизма аминокислот часто имеют тяжелые неврологические последствия. Нарушение транспорта аминокислот в других органах часто также сопровождается неврологическими расстройствами.

68

Глава 3. Белки нервной системы Г.Г.Вольский, Н.Д.Ещенко, Е.ПЖаразеева

Значительная часть белков нервной системы идентична белкам других органов и тканей в силу общности ряда базовых процессов жизнедеятельности. Однако существует обширная категория нейроспецифических белков (НСБ), связанных с особым устройством и функциями нервной системы. Поскольку эта система функционирует как единое целое, невозможно в ряде случаев рассматривать только нейроспецифические белки, отвлекаясь от других белков. Можно лишь, стремясь акцентировать биохимические особенности нервной системы, уделить особое внимание нейроспецифическим белкам, не исключая из описания и некоторые другие белки в той мере, в которой это необходимо для полной характеристики белковых комплексов. Это и является задачей настоящей главы.

Специфичность белков для нервной ткани определяется критериями: а) наличием их преимущественно в нервной ткани, причем их количество должно существенно превышать таковое в остальных тканях животного организма, — условный, но общепринятый критерий; б) участием этих белков в реализации специфических функций нервной системы, например процессах генерации и проведения нервного импульса, установлении межклеточных контактов в нервной ткани, регуляции проницаемости ионных каналов, в механизмах обучения и формировании памяти; в) тесной взаимосвязью между биоактивностью нейроспецифических белков и функциональным состоянием нервной системы.

Изучение физико-химических свойств, локализации в отделах мозга, клетках и субклеточных структурах нервной ткани, особенностей метаболизма нейроспецифических белков или сроков появления их в процессе онтогенеза позволяет приблизиться к пониманию фундаментальных механизмов функционирования мозга. Установлена связь нейроспецифических белков с некоторыми патологическими состояниями организма, главным образом с развитием нервно-психических заболеваний. Обнаружение некоторых нейроспецифических белков в спинномозговой жидкости или сыворотке крови может рассматриваться в качестве индикатора повреждения нервной ткани.

Идентификация нейроспецифических белков может быть осуществлена различными способами:

69

1) сравнением белкового спектра мозга с белковыми спектрами других органов, в том числе путем наложения электро-фореграмм (пептидных карт) после двумерного электрофореза; при этом могут быть выявлены как новые белки, характерные только (или преимущественно) для нервной ткани, так и их изоэлектрические точки, молекулярные массы, субъединичный состав и даже примерное количество;

2) с использованием иммунохимических методов, позволяющих определить нейроспецифические антигенные детерминанты, в том числе методом моноклональных антител и с помощью истощенных антисывороток (т.е. с использованием антисывороток к белковым экстрактам мозга, предварительно абсорбированных экстрактами других органов с целью удаления антител к детерминантам, общим для мозга и других органов); обработанные таким образом антисыворотки содержат антитела только к нейроспецифическим антигенным детерминантам;

3) с помощью направленного.поиска нейроспецифических белков в различных участках и отделах мозга, в клеточных популяциях (нейронах и глие) и в субклеточных структурах;

4) с помощью направленного поиска нейроспецифических изоферментов путем выявления ферментативной активности уже известных ферментов у вновь выделенных нейроспецифических белков;

5) с использованием методов генной инженерии, когда в качестве исходного материала применяется м-РНК мозга, с которой транскрибируется характерный нейроспецифический белок;

6) посредствам "дедуктивного" определения аминокислотных последовательностей белков нервной ткани — по нуклео-тидным последовательностям генетической ДНК и м-РНК.

К настоящему времени различными методами идентифицировано более двух сотен нейроспецифических белков, однако информация о большинстве из них сводится в основном к сообщению об их выявлении и описанию ряда физико-химических и антигенных свойств. Описание всех известных нейроспецифических белков не является задачей данной главы. Представлены примеры наиболее изученных их них, классифицированных по функциональным и химическим характеристикам. В особых случаях, когда это полезно для восприятия путей познания биохимии мозга, приведены сведения об истории их открытия и изучения. В частности, описание белков, модулирующих состояние мембран и эффекты ионов Са2+, неслучайно представлено первым, так как к ним относится первый из от-

70

крытых и обстоятельно изученных нейроспецифических белков - S-100.

3.1. НЕФЕРМЕНТНЫЕ НЕЙРОСПЕЦИФНЧЕСКИЕ Са2+-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ

Очень многие белки ЦНС так или иначе взаимодействуют с ионами Са. Однако особо выделяют группу белков с очень высоким сродством к Са2+, которые регулируют перемещения и концентрации Са2+ и, благодаря способности менять конфор-мацию при связывании Са2+, участвуют в разнообразных специфических процессах. Многие из белков этой группы называют калбиндинами. По особенностям структуры различают ан-нексины, содержащие длинные консервативные последовательности аминокислот, преимущественно дикарбоновых, и белки, обладающих так называемой "EF-pyKoff\ — петлей из 12-14-и аминокислот, образующих как бы гнездо для Са2+, фланкированные а-цепями (число таких "EF-рук" — от 2 до 6).

К аннексинам относится первый открытый нейроспецифи-ческий белок — S-100. Белок S-100, точнее, как было установлено позже, — группа белков S-100, был открыт в 1965 г. Б.Муром и Мак-Грегором при сравнении белковых карт водорастворимых белков мозга и печени. После хроматографии и электрофореза был выявлен первый специфический белок нервной ткани, названный белком Мура или белком S-100, поскольку он остается в растворе при 100%-ном насыщении (NH4)2S04 при рН 7,2 (а высаливается при рН 4,2). В дальнейшем белокБ-100 был выделен в препаративных количествах из головного мозга человека, обезьяны, собаки, кролика, свиньи, крысы, мыши. В других тканях животных этих же видов — печени, почках, мышцах, в эритроцитах и сыворотке крови — он практически отсутствовал. Установлено, что S-100 может содержаться в других органах и тканях, но в количествах, в 103-104 раз меньших, чем в нервной