люкозы могут нормализовать энергетический метаболизм мозга и вывести животное из коматозного состояния. Эти наблюдения указывают на весьма ограниченную способность головного мозга компенсировать уменьшенное поступление глюкозы за счет окисления других энергетических субстратов. Основной причиной этого является низкая проницаемость гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) в мозге взрослых животных для других субстратов окисления.

Транспорт глюкозы в мозг осуществляется преимущественно с помощью специальной системы переносчиков, активно функционирующей в широких пределах концентраций глюкозы в крови —от 2,75 до 16,50 мкмольмл"1. На долю пассивной диф-

148

фузии приходится не более 5% от общего потока глюкозы.

Исследования активного переноса глюкозы через ГЭБ, выполненные in vitro на препаратах капилляров мозга, которые рассматривают как анатомический локус ГЭБ, работы на культуре клеток мозга, а также эксперименты in vivo с 14С-глюкозой или ее дериватами, позволили установить основные характеристики этого процесса. В табл.5.1 приведены некоторые кинетические параметры транспорта глюкозы и ряда других соединений через ГЭБ. Сравнение значений Км и позволяет убедиться, насколько активнее переносится черезТЭБ глюкоза по сравнению с другими веществами.

Если сопоставить приведенные в табл.5.1 Км и со средними значениями потребления этого субстрата мозгом крыс (0,6-0,9 мкмольмин^г""1), то становится очевидно, что в нормальных физиологических условиях поступление глюкозы через ГЭБ не лимитирует ее метаболизм. Однако при гипогликемии или усиленном использовании глюкозы, например нри интенсификации гликолиза в условиях дефицита кислорода или при судорогах, скорость переноса глюкозы через ГЭБ может ограничивать начальные этапы ее метаболизма.

Таблица 5.1.

Характеристика транспортных систем гематоэнцефалического барьера (по W.Pardridge, G.Oldendorf, 1977)

Транспортируемые соединения Преимущественный субстрат мМ V МКМОЛЬ'МИН т

Гексозы Глюкоза 9 1600

Монокарбоновые кислоты Лактат 1,9 120

Нейтральные аминокислоты Фенилаланин 0,12 30

Основные аминокислоты Лизин 0,1 6

Амины Холин 0,22 6

Пурины Аденин 0,027 1

Нуклеозиды Аденозин 0,018 0,7

Потребность мозга в кислороде и глюкозе заметно изменяется в ходе онтогенеза, значительно повышаясь с его ростом и диф-

149

ференцировкой, а также формированием отдельных структурно-функциональных ансамблей нейронов. По мере развития головного мозга скорость окисления глюкозы в нем возрастает и одновременно увеличивается зависимость функциональной активности нейронов от интенсивности окислительных процессов как источника энергии.

5.3. ГЛИКОГЕН КАК ВОЗМОЖНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ

Сопоставление данных содержания глюкозы в мозге разных животных и скорости ее потребления мозговой тканью показывает, сколь незначительны собственные ресурсы этого метаболита в мозге, и объясняет отмеченную зависимость функциональной активности головного мозга от поступления углеводов с кровью. Возникает вопрос, в какой мере уровень глюкозы в мозге может поддерживаться за счет гликогена.

Уровень этого полисахарида в мозговой ткани разных животных составляет в среднем 2,5-4,5 мкмольг-1 (в расчете на глюкозу). Общее содержание гликогена в мозге эмбрионов и новорожденных животных значительно выше, чем в мозге взрослых. Например, в мозге у новорожденных мышей гликогена в 3 раза больше, чем в мозге взрослых животных. По мере роста и дифференцировки мозга, а также возрастания зависимости функционального состояния мозга от скорости дыхания концентрация гликогена быстро снижается и далее в мозге взрослого животного поддерживается относительно постоянной. Эти изменения связывают с быстрой активацией фосфорилазной системы в первые дни постнатального развития и с повышением ее чувствительности к различным регуляторным воздействиям, в частности к гормональной регуляции.

Гликоген в качестве субстрата участвует в энергетическом обмене. В экспериментах, выполненных на кошках, к перфузи-онной жидкости добавляли глюкозу 1-614С. Анализ С02 в оттекающей от мозга крови показал разбавление 14С02, образующегося из меченой глюкозы, нерадиоактивной углекислотой, источником которой служил окисляющийся гликоген мозга. Расчеты показывают, что лишь до 7-10% энергетических потребностей головного мозга могут покрываться за счет расщепления гликогена.

В качестве энергетического источника используется свободная фракция гликогена, на долю которой приходится около 20-25% от общего содержания углевода в мозге. Остальная часть

150

гликогена находится в связанном состоянии (главным образом с белками) — это наиболее интенсивно обновляющаяся фракция гликогена. Именно за счет связанного гликогена происходит пополнение фонда расщепляющейся (с последующим окислением глюкозы) свободной фракции. Особенно важное значение этот субстрат имеет в головном мозге при экстремальных состояниях, когда уменьшается поступление в мозг глюкозы крови. Однако из-за небольших размеров пула гликогена в мозге полное расщепление его до глюкозы с последующим окислением может произойти в течение 5-7 мин.

¦ Таким образом, собственные углеводные запасы в нервной ткани относительно невелики и не могут обеспечить энергетические потребности нормально функционирующего головного мозга в течение длительного времени. Это обстоятельство наряду с отмеченной ограниченной способностью мозга использовать другие субстраты окисления лежит в основе характерной для нервной ткани зависимости от постоянного поступления глюкозы из крови-

Для того чтобы понять, каким образом в головном мозге обеспечивается высокий уровень энергетического обмена, за счет чего глюкоза используется почти полностью именно в реакциях окисления и для обеспечения энергетических потребностей ткани, а не в других метаболических процессах, необходимо более детально рассмотреть вопросы регуляции скоростей основных путей окисления — гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

5.4. АЭРОБНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ И МЕХАНИЗМЫ ЕГО РЕГУЛЯЦИИ

В последние годы в литературе появились сведения о специфичности регуляторных механизмов, контролирующих метаболизм глюкозы в функционально различных органах и тканях в условиях интактного организма. Особое внимание исследователей сосредоточено на изучении соотношения активностей и механизмов контроля над теми ферментами, которые конкурируют за использование субстратов, стоящих в точках перекреста нескольких метаболических путей. Имеются лишь единичные публикации, посвященные исследованию механизмов, обеспечивающих высокую интенсивность энергетического обмена мозга in vivo, а также регуляции метаболизма мозга. Это объясняется сложной и гетерогенной структурой, наличием ГЭБ и рядом других причин, затрудняющих интерпретацию экспери-

151

ментальных данных и экстраполяцию результатов, полученных in vitro, на мозг интактного животного. Многие аспекты этой важной и сложной проблемы требуют дальнейших углубленных нейрохимических исследований.

5,4.1. Пути утилизации глюкозы в мозге; гликолиз и механизмы, контролирующие его скорость

Последовательность реакций аэробного гликолиза, а также средние значения активностей ферментов, катализирующих отдельные стадии, приведены на схеме 5.1.

Из сопоставления активностей ферментов видно, что наиболее медленными реакциями, которые могут лимитировать скорость потока метаболитов по гликолитической цепи, являются гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции.

Представление о количественном соотношении промежуточных компонентов гликолиза дают следующие средние результаты определения уровня метаболитов (мкмоль • г""1 сырой массы) в головном мозге крыс ( B.Siesjo, 1978):

Гликоген 1,9 - 3,8

УДФ-глюкоза 0,08 - 0,17

Глюкоза 1,52 - 3,70

Глюкозо-6-фосфат 0,039- 0,049

Фруктозо-б-фосфат 0,017- 0,023

Фруктозо-1,6-дифосфат 0,010- 0,017

Дигидроацетонфосфат 0,024

2-Глицероальдегидфосфат 0,021- 0,046

З-Фосфоглицерат 0,100- 0,085

2-Фосфоглицерат 0,010- 0,016

Фосфоенол п ируват 0,035- 0,097

Пируват 0,120- 0,190

Лактат 1,26 - 1,70

Гексокиназная реакция. Первым этапом на пути вовлечения свободной D-глюкозы, поступающей в мозг из крови, в разнообразные метаболические превращения служит реакция фосфо-рилирования, катализируемая гексокиназой (АТФ: D-глюкоза-б-фосфотрансфераза, 2.7.1.1). Для регуляции энергетического метаболизма в головном мозге гексокиназная реакция имеет особое значение, так как она является основным поставщиком (до 90-95%) глюкозо-6-фосфата, необходимого для дальнейших превращений. В других тканях, таких как печень, сердечная и скелетная мышцы и др., источником большей части глюкозо-6-

152

Схема 5J. Последовательность реакций гликолиза (по В.К. Siesjo, 1978; F.LeongSai et ai, 1981); в скобках на схеме приведены средние значения активности ферментов в головном мозге белых крыс (мкмольг~]-ч~})

гликоген

^фифорилаза (660) глмжоэо-1 -фосфат

Глюкоза » глюкоэо-6-фосфат

гексокиказа

(390) I фосфогексоизомерт (10300)

фосфоглюкомутвза - (1200)

фруктозо-6-фосфат

^ фосфофрукгокин&за 1510) фру ктозо-1,6-дифосфат

J&7wJo/MJ4 (720)

ГЗ-фосфоглицериновый альдегид и фософодиоксиацетон

изошраз» фосфотриоз

3-фосфоглицеринооый альдегид

I дегидрогсназа фосфоглицеринового \альдегида (1000)

1,3-дифосфоглицериновая кислота

^д 1000)

З-фосфоглицериновая кислота

J фосфогпицеромутаэа (> 1000) 2-фосфоглицериновая кислота ^емолазд (1600) фосфоемолпируват

^ фосфоенолпируваткиназэ (1400) лируват

J лактатдегидрогеназз : (1500) лактат

153

фосфата служит реакция расщепления гликогена или реакции глюконеогенеза.

Гексокиназная реакция является доминирующим путем пополнения пула метаболитов гликолиза в мозге, поскольку, как уже упоминалось, глюкоза представляет собой основной энергетический субстрат в этой ткани. Окисление иных энергетических субстратов и ввод компонентов в гликолитическую цепь через другие реакции