а служит преимущественным субстратом окисления в нервной ткани и не может быть заменена другими субстратами окисления. Собственные углеводные резервы мозга весьма незначительны и этим объясняется чрезвычайная чувствительность нервной ткани, прежде всего, коры больших полушарий, к гипогликемии и гипоксии. Высокая интенсивность энергетического обмена является основным фактором, обеспечивающим протекание таких специфических процессов, как передача нервных импульсов, хранение и переработка поступающей информации, интефативная деятельность мозга и др.

8. Метаболизм аминокислот имеет в нервной ткани ряд специфических черт. Особую роль играют дикарбоновые аминокислоты, содержание и интенсивность метаболизма которых в мозге заметно выше, чем в других тканях. Наряду с участием в биосинтезе пептидов и белков, с возможностью служить дополнительными энергетическими субстратами ряд аминокислот выполняет и особые функции, выступая в роли нейромедиаторов или их непосредственных предшественников.

9. Важное значение в нервной ткани имеют специфические альтернативные пути превращений ряда "ключевых" метаболитов, например а-кетоглутарата, пирувата и др. Так, ГАМК-шунт является характерной только для нервных клеток разновидностью цикла трикарбоновых кислот. Физиологическая роль этого альтернативного пути заключается в образовании нейроме-диатора — у-аминомасляной кислоты.

10. Для нервной ткани характерна отчетливо выраженная

7

компартментализация метаболизма, т.е. пространственная разобщенность отдельных метаболических процессов — как в разных отделах мозга, так и в различных субклеточных структурах нейрона или в элементах системы нейрон-нейроглия. Особенно ярко это продемонстрировано на примере метаболизма аминокислот и на примере реакций энергетического метаболизма — существование "большого" и "малого" энергетических ком-партментов, отличающихся по скорости, по субстратам окисления и по направлению протекания отдельных реакций.

Важным примером компартментализации метаболических процессов служат специфические биохимические реакции, которые протекают в синаптических окончаниях и лежат в основе функциональной деятельности синапсов.

П. Мозг содержит чрезвычайно большое число регулятор-ных пептидов (нейропептидов); в настоящее время идентифицированы уже сотни пептидов-регуляторов. Они являются участниками синаптической передачи'сигналов и дистантными регуляторами, обеспечивающими широкий круг функций ЦНС и психосоматические взаимодействия.

12. Для метаболизма мозга характерна высокая степень автономии по отношению к другим областям организма. Существует гематоэнцефалический барьер, который играет очень большую роль в обеспечении постоянства внутренней среды мозга, в частности в поддержании ионного и осмотического баланса, в избирательном активном транспорте ряда питательных и регу-ляторных веществ и т.д.

Перечисленные особенности биохимии нервной системы являются важнейшими, но не исчерпывающими. В последующих разделах будет представлено детальное их описание.

8

Часть I

Состав и метаболизм головного мозга и периферической нервной системы

Глава 1

Особенности нуклеиновых кислот и хроматина нервной ткани

В. В. Лшапкин

Геном клетки является средоточием наследственных потенций и определяет ее функциональную специфичность. Однако в целом генетические и регуляторные последовательности ядерной и митохондриальной ДНК нервных клеток идентичны или очень близки к таковым клеток большинства других тканей. Кажется, на первый взгляд, кощунственным утверждение, что ДНК нейрона качественно не отличается от ДНК клеток кожи, желудка и т.п. Однако это так. Отличие состоит не в ДНК, а в том, что значительная часть функционирующих, "включенных" генов нервных клеток — это не те гены, которые функционируют в других тканях. Кроме того, набор генов, которые действуют в нервных клетках, гораздо многообразнее, чем в клетках других тканей. Это соответствует представлению о нервных клетках как высшем создании эволюционного процесса, но требует раскрытия механизмов, которые определяют избирательное и многообразное раскрытие функций их генома.

1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДНК В НЕРВНЫХ КЛЕТКАХ. ПРОБЛЕМА "ИЗБЫТОЧНОЙ" ДНК

В большинстве областей головного мозга клетки являются диплоидными. У человека, в частности, на обеих парах хромосом каждой клетки содержится около 6 пг ДНК, т.е. около 4-Ю12 Д или 6 109 пар нуклеотидов (н.п.). Общая длина молекул ДНК диплоидного набора хромосом клетки человека близка к 1,5 м. В целой клетке ДНК больше, но ненамного, — за счет мито-хондриальной ДНК. Это превышение достигает нескольких де-

9

сятков процентов — для средних и больших по размеру нейронов.

В конце 1960-х — начале 1970-х годов в результате многочисленных исследований методом цитофотометрии ДНК по Фельгену получило широкое распространение представление о существовании избыточной по сравнению с диплоидным набором ДНК в клетках мозга млекопитающих и птиц. Особенно популярной была точка зрения о тетраплоидности (в ряде случаев — и полиплоидности более высокого порядка) крупных нейронов — таких, как клетки Пуркинье мозжечка и пирамидные нейроны гиппокампа.

Применение более совершенных методов в последующие годы показало, что большинство "подозреваемых" нейронов в действительности содержит диплоидное количество ДНК, хотя в ограниченных популяциях нейронов определенных типов содержание ДНК может быть более высоким. Наиболее достоверно гипердиплоидизация обнаружена в клетках Пуркинье мозжечка, в небольшой части которых выявлено избирательное умножение (амплификация) генов рибосомальной РНК (В.Я.Бродский и др., 1985). Общепринятое почти до недавнего времени представление о накоплении избыточной ДНК в ядрах нейронов неокортекса млекопитающих в первые недели постнаталь-ного онтогенеза не подтвердились при исследовании более совершенными методами ( R. Hobietal., 1984) .

В нейронах некоторых беспозвоночных явление полиплои-дизации распространено очень широко: в ЦНС брюхоногих моллюсков, например, полиплоидными являются практически все крупные нейроны.

Выше мы обращали внимание на отсутствие качественных отличий ДНК клеток мозга от ДНК других клеток организма, имея в виду одинаковый набор генов, но в то же время глубокие различия в наборе работающих и неработающих генов. В течение последних четырех лет появились данные об особой роли в функциях мозга ряда монотонно повторяющихся тринуклеотидных последовательностей в ДНК. Например, тринуклеотид CAG содержится в различных частях генома группами по 8-33 копий. Увеличение числа копий в 3-10 раз ассоциируется с рядом тяжелых нервных болезней (болезни Хантингтона, спинальной и бульбар-ной мышечной атрофией, спиноцеребеллярной атаксией и др.). Аналогичная ситуация установлена для последовательностей CGG, GCC и CTG. Это служит яркой иллюстрацией того, как велико значение точной организации всех элементов ДНК нейронов, даже относительно простых и монотонных.

10

1.2. РЕПЛИКАТИВНЫЙ СИНТЕЗ ДНК И ПРОЛИФЕРАЦИЯ НЕРВНЫХ КЛЕТОК

Формирование нейронольных популяций в головном мозге крыс и мышей в основном завершается к моменту рождения. Исключение составляют популяции зернистых нейронов обонятельных луковиц, зубчатой фасции гиппокампа и коры мозжечка, формирование которых наиболее активно протекает в первые три недели после рождения, а в небольших масштабах, по-видимому, происходит и у взрослых животных. Попытки доказать возможность митотического деления полностью дифференцированных нейронов большинством цитологов признаны неубедительными. Лишь при создании определенных весьма специфических условий in vitro (длительная деполяризация) возникает репликация ДНК и митозы в мотонейронах из спинного мозга цыплят.

Источником образования нейронов в период активного нейрогенеза служат камбиальные клетки специальных герминативных зон (вентрикулярной и субвентрикулярной) . При этом миграция нейробластов в соответствующие зоны созревающего мозга весьма упорядочена. Так, для неокортекса млекопитающих, имеющего хорошо выраженную микроколончатую организацию, топография микроколонок определяется топографией пролиферативных единиц вентрикулярного слоя (P.Rakic, 1988). Последние представляют собой морфологически обособленные группы камбиальных клеток (3-12 шт. ), которые, претерпевая ряд клеточных делений, дают начало соответствующей обособленной группе нейронов в определенной зоне неокортекса, т.е. микроколонке.

В мозге взрослых теплокровных животных нейрогенез чрезвычайно ограничен. У приматов нейрогенез, по-видимому, полностью заканчивается в первые месяцы после рождения, т.е. задолго до полного функционального созревания мозга.

У беспозвоночных животных формирование нейрональных популяций ЦНС может продолжаться, по-видимому, на протяжении всей жизни. Так, у апли-зии нейрональные популяции всех центральных ганглиев многократно умножаются в первые месяцы постметаморфного онтогенеза, причем выделяется ограниченная во времени стадия позднего ювенильного развития, на которой происходит бурное увеличение численности нейронов одновременно во всех ганглиях. Еще более стремительно при этом возрастает объем нейропиля. Одновременно с этим у агошзии появляется способность к наиболее сложной для нее форме обучения — сенситизации.

Формирование популяций клеток глии в головном мозге млекопитающих наиболее активно протекает в первые недели постнаталъного онтогенеза и в ограниченных масштабах продолжается в течение всей жизни. Основным источником глиальных клеток, как и нейронов, служат плюрипотентные клетки герминативных зон. Однако в отличие от нейронов, которые утрачивают способность к митотическому делению до миграции из герминативной зоны, гли-альные клетки сохраняют ее и в местах своей будущей конечной дифференци-ровки.

11

1.3. РЕПАРАЦИЯ ДНК В МОЗГЕ ЖИВОТНЫХ

Действие систем "ремонта", репарации ДНК в любой клетке является необходимым условием нормального функционирования ее генетического аппарата. Этот процесс особенно важен для клеток долгоживущих, медленно обновляющихся популяций, классическим примером которых являю