итоплазматический комиартмент осуществляется транслоказой дикарбоновых кислот в обмен на малат. Окисление малата в митохондриях НАД-малатдегидрогеназой повышает интрамитохондриальный уровень оксалоацетата, что приводит к активации наиболее медленного этапа ЦТК — цитратсинтазной реакции.

Специфичным для нервной ткани является участие а-кетоглутаровой кислоты в так называемом ГАМК^шунте, реакции которого приводят к образованию у—аминомасляной кислоты. Наиболее интенсивно эти реакции протекают в синаптических окончаниях ГАМК-ергических нейронов (см.;раздел 2.2.3).

Активность ферментов, катализирующих (Конечные этапы ЦТК: сукцинатдегидрогеназы [сукцинат (акцептор) — оксидо-редуктаза, 1.3.99.1], фумаразы (L-малатгидролиаза, 4.2.1.2), ма-

177

латдегидрогеназы ( L-малат: НАД-оксидоредуктаза, 1.1.1.37) в мозге, как и в других тканях, превышает активность ферментов начальных стадий цикла и, следовательно, не ограничивает общую скорость цикла. Расчеты, выполненные на аналоговых вычислительных машинах, показывают, например, что на поддержание средней скорости потока метаболитов через ЦТК расходуется лишь 2-5% максимальной активности малатдегидроге-назы и около 15-20% активности сукцинатдегидрогеназы. Напротив, скорость потока метаболитов через ЦТК требует почти максимальной активности цитратсинтазы и НАД-изоцитратде-гидрогеназы.

Заканчивая рассмотрение реакций ЦТК и особенностей их регуляции в головном мозге, следует кратко остановиться на значении сукцинатдегидрогеназной реакции. В отличие от других дегидрогеназ ЦТК сукцинатдегидрогеназа относится к флавин-зависимым ферментам. Она играет особую роль в энергетическом метаболизме при экстремальных состояниях, прежде всего таких, которые сопровождаются нарушениями на пиридин-нуклеотидном участке дыхательной цепи, например при облучении. При гипоксии, когда нарушается отношение между окисленными и восстановленными формами пиридиннуклеотидов, и в силу накопления НАДН возможно обращение конечных этапов ЦТК (от щавелевоуксусной кислоты до сукцината), окисление янтарной кислоты под действием сукцинатдегидрогеназы также приобретает большое значение для поддержания энергетического баланса ткани.

¦ Из приведенных в настоящем разделе данных можно сделать вывод о следующих характерных для головного мозга особенностях в функционировании и регуляции ЦТК:

1) активность ферментов, катализирующих наиболее медленные этапы ЦТК —- цитратсинтазы и НАД-изоцитратдегидроге-назы, в мозге значительно выше, чем во многих других тканях;

2) в головном мозге доминирующим механизмом регуляции скорости окисления изоцитрата является адениннуклеотидный контроль, что связано с преобладанием в митохондриях мозга НАД-зависимого пути окисления этого субстрата;

3) в головном мозге существует единый функциональный комплекс из двух ферментов — цитратсинтазы и НАД-изоцит-ратдегидрогеназы, обеспечивающий однонаправленное и синхронное изменение скорости наиболее медленных реакций ЦТК в зависимости от энергетических потребностей ткани, в первую очередь — от соотношения компонентов адениннуклеотидной системы;

178

4) на участке а-кетоглутарат—сукцинат наряду с универсальной для всех тканей последовательностью реакций в мозге возможно шунтирование (ГАМК-шунт) с образованием в качестве промежуточного продукта биологически активной у-аминомас-ляной кислоты.

5.6 КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МИТОХОНДРИЙ И ИХ СООТНОШЕНИЕ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ

Созревание и окончательная дифференцировка головного мозга животных сопровождается значительной интенсификацией окислительных реакций, при этом происходят интенсивные процессы образования митохондрий. Число митохондрий в расчете на клетку у взрослых крыс вдвое больше, чем у новорожденных. Подсчитано, что нейроны мозга взрослых крыс могут воспроизводить до 2000 митохондрий в день в расчете на клетку, что свидетельствует о быстром обновлении этих важных субклеточных структур.

С возрастом меняется не только общее количество митохондрий, но и локализация их в нервных клетках; больше митохондрий сосредоточивается в областях синоптических окончаний. Анализ ультраструктуры митохондрий с помощью электронного микроскопа показывает, что в зрелом мозге присутствует большее число относительно небольших по диаметру, но удлиненных митохондрий, чем в мозге новорожденных животных. Появление таких митохондрий приурочено к развитию дендритных сплетений.

Наряду с увеличением количества митохондрий в головном мозге с возрастом примерно вдвое повышается содержание основных компонентов дыхательной цепи митохондрий: щггохро-мов и флавопротеидов (табл. 5.6).

Накопление компонентов дыхательной цепи митохондрий мозга идет неравномерно: показано медленное нарастание уровня цитохромов в первые 15 дней постнатального развития и более интенсивное в интервале между 15-м и 30-м днями; к концу последнего периода содержание основных переносчиков дыхательной цепи митохондрий близко к уровню, характерному для взрослых животных. Именно период 2-й — 4-й недели развития для крыс связан с интенсивной миелинизацией, завершением развития нейронов, появлением электрической активности коры больших полушарий и двигательных реакций при электростимуляции мозга.

Одним из наиболее важных этапов в функционировании ды-

179

хательной цепи митохондрий является передача электронов от цитохрома а3 на кислород. Как известно, это наиболее медленная реакция среди окислительно-восстановительных реакций цитохромов. Активность цитохромоксидазы, как и количество компонентов дыхательной цепи, в головном мозге с возрастом увеличивается примерно вдвое. Активность цитохромоксидазы несколько-большая в нейроглиальных клетках, чем в нейронах.

Таблица 5.6.

Содержание основных компонентов дыхательной цепи митохондрий в головном мозге взрослых и растущих кроликов (моль 10 10 мг белка; З.Д.Пигарева, 1972)

Возраст животных, дни Митохондрии коры больших полушарий Митохондрии ствола мозга флаво-про-теиды цитохромы флаво-про-теиды цитохромы C+Cj b а а3 с+с1 b а

1 0,60 0,20 0,21 0,24 0,07 1,23 0,42 0,41 0,49 одз

15 0,76 0,20 0,22 0,4:1 0,06 0,85 0,48 0,31 0,54 0,09

30 1,47 0,45 0,45 0,51 0,15 2,64 0,72 0,67 0,99 0,27

Половозрелые 1,81 0,67 0,64 0,78 0,20 2,48 0,90 0,90 1,23 0,27

Последовательность компонентов дыхательной цепи митохондрий и характер их взаимодействия в митохондриях мозга не отличаются от такового в митохондриях любой другой ткани. Как известно, скорость окислительно-восстановительных превращений компонентов дыхательной цепи значительно превышает скорость реакций дегидрирования субстратов, поэтому именно дегидрогеназные реакции (в мозге это, в первую очередь, дегидрогеназные реакции ЦТК) определяют в конечном счете интенсивность окисления энергетических субстратов тканью. Этим же объясняется и значение для интенсивности окислительных процессов в ткани отношения активности дегидроге-наз к содержанию основных компонентов дыхательной цепи. Установлено, что в тканях с высокой скоростью окисления (головной мозг, сердце, летательная мышца насекомых) соотношение активности ферментов, лимитирующих ЦТК (цитратсинтазы и НАД-изоцитратдегидрогеназы), к содержанию цитохромов а+а3 или цитохрома с обычно превышает такое соотношение для тканей с более низкой интенсивностью окислитель-

180

ных процессов (печень и др.).

Следовательно, существование подобного соотношения в митохондриях головного мозга можно рассматривать как структурную основу, обеспечивающую высокую интенсивность окислительного и энергетического обмена.

5.7. ФОНД МАКРОЭРГИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В МОЗГЕ; ИНТЕНСИВНОСТЬ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Высокая скорость потребления головным мозгом глюкозы и кислорода сопряжена с интенсивным образованием макроэрги-ческих соединений. Среди богатых энергией соединений в мозге основная доля принадлежит компонентам адениннуклеотидной системы и креатинфосфату, в то время как трифосфаты гуанина, цитозина, уридина и других составляют менее 10% от суммы макроэргов. Средние данные по содержанию в головном мозге компонентов адениннуклеотидного пула, а также системы креатин-креатинфосфат представлены в табл.5.7.

В целом соотношение адениновых нуклеотидов в тканях мозга и печени примерно одинаково; основной составляющей адениннуклеотидного пула является в обоих тканях АТФ. Однако уровень АДФ и особенно АМФ в мозге значительно ниже, чем в печени. Распределение основных макроэргических соединений примерно одинаково во всех отделах мозга.

Особого внимания заслуживают накопленные в последние десятилетия данные о минорном компоненте адениннуклеотидной системы — циклическом 3\5'-АМФ. Установлено, что содержание этого биологически важного соединения (а также циклического 3',5'-ГМФ) в головном мозге значительно выше, чем во многих других тканях, уровень цАМФ в мозге составляет в среднем 1-2 нмоль/г, а цГМФ — до 0,2 нмоль/г. Для мозга характерна также и высокая активность ферментов метаболизма циклических нуклеотидов. Очень высокая активность аденилат-циклазы и гуанилатциклазы в синаптосомальных мембранах указывает на специфическую роль циклических нуклеотидов в мозге — они участвуют в синаптической передаче (см. гл.7 и 8).

Важную роль в энергетическом метаболизме мозга играет система креатин-креатинфосфат. Высокое содержание креатина и его фосфорилированного производного, более чем в 2 раза превышающее сумму адениновых нуклеотидов, а также значительная активность креатинкнназы позволяют рассматривать креатин-креатинфосфат как мощную систему стабилизации уров-

181

ня макроэргичеасих компонентов адениннуклеотидного пула.

В головном мозге до 25-30% активности креатинкиназы связано с митохондриями. Фермент локализован на внешней ми-тохондриальной мембране. Равновесие катализируемой им реакции сдвинуто в сторону образования креатинфосфата в отличие от цитоПлазматической реакции. Вместе с АТФ-АДФ-транс-локазой, находящейся на внутренней мембране .митохондрий, креатинкиназа принимает у