ит транспорт через гематоэнцефа-лический барьер, локализованный в эндотелии мозговых капилляров, затем осуществляется транспорт из внеклеточной жид-

39

кости в клетки мозга, а далее — в субклеточные органеллы. Существуют системы активного транспорта аминокислот не только в мозг, но и из него, — обе они энергозависимы.

Исследование конкурентных отношений в транспорте аминокислот выявило наличие восьми классов транспортных систем (A.Lajtha, 1972), которые существуют для аминокислот с родственной структурой и зависят от ионного заряда и размеров их молекул. В ряде случаев одна аминокислота может транспортироваться с участием нескольких транспортных систем, вы-бор той или иной системы определяется составом аминокислотного пула. Для мембранного транспорта аминокислот характерен ряд особенностей: а) перенос аминокислот часто происходит против высоких концентрационных градиентов; б) этот процесс энергозависим; в) на него влияют температура и рН среды; г) он ингибируется анаэробиозом и ферментными ядами; д) перенос аминокислот связан с активным мембранным транспортом ионов, в частности, он Na-зависим; е) обнаружено конкурентное торможение мембранного транспорта одних аминокислот другими и др. Такие конкурентные взаимодействия играют важную роль в патологии, когда изменяется уровень индивидуальных аминокислот в крови. Ниже мы приведем примеры таких патологических состояний.

Уровень специфичности транспортных систем для разных аминокислот неодинаков. Особенно велика специфичность и мощность систем для аминокислот, выполняющих роль ней-ротрансмиттеров (глицин, ГАМК, таурин, глутаминовая кислота и т.д.). Эти системы не только обеспечивают пластические и энергетические нужды клетки, но служат такие для специфического процесса быстрого снижения концентрации нейротранс-миттера в зоне синаптинеской щели. Высокоизбирательное поглощение нейротрансмиттера осуществляется как пресинапти-ческой областью, так и клетками окружающей глии. Подробнее значение этого процесса будет рассматриваться в гл. 7 в связи с анализом механизмов синаптической передачи.

Еще один своеобразный механизм транспорта аминокислот связан с метаболизмом широко распространенного во всех тканях, в том числе и в нервной, трипептида глутатиона, цикл синтеза и деградации которого известен под названием у-глута-мильного цикла (рис.2.1). Наиболее интересным и ключевым ферментом этого цикла является у-глуталшлтранспептидаза (КФ 2.3.2.2), прочно связанная с клеточной мембраной. Этот энзим способен переносить у-глутамильную группу глутатиона, находящегося внутри клетки, на аминокислоту, локализованную с

40

наружной стороны мембраны, и переносить образующийся ди-пептид внутрь клетки. Следующий фермент этого цикла — у-глутамилциклотрансфераза (КФ 2.3.2.4) высвобождает аминокислоту. Таким образом, у-глутамил транспептид азная реакция является одним из механизмов транспорта аминокислот внутрь клетки.

Рис.2. L Цикл метаболизма глутатиона

При нормальных условиях скорость транспорта аминокислот не лимитирует непосредственно их метаболизм, так как скорости синтеза и деградации ниже скорости транспорта. Поэтому аминокислоты и аккумулируются мозгом, формируя пул свободных аминокислот. Без пополнения извне пул свободных аминокислот довольно быстро истощается. Так, количество аминокислот, которое используется для синтеза белков мозга, ней-ропептидов и нейромедиаторов в течение 30 мин, равно общему церебральному пулу большинства свободных аминокислот.

Активность систем транспорта аминокислот, так же как и состав их пула, изменяется в процессе развития мозга. Аминокислоты проникают в мозг молодых животных быстрее и достигают более высоких концентраций, чем у взрослых.

В литературе отсутствуют сообщения о болезнях, вызванных нарушением транспорта аминокислот в мозг, вероятно, потому, что они детальны. Даже дефекты транспорта аминокислот в другие ткани ведут к заболеваниям, имеющим неврологические

41

последствия.

Наряду с неопасным для жизни синдромом Хартнупа, вызванным дефектом транспорта триптофана в малый кишечник и почки и схожим клинически с пеллагрой, известен ряд недугов с тяжелыми неврологическими последствиями, также обусловленных дефицитом поступления аминокислот. Среди них — цистиноз — нарушение транспорта цистина в клетки, особенно почек; цисти-ноз сопровождается фотофобией и повреждением глаз. Тяжелым, нередко летальным заболеванием, связанным с транспортом аминокислот в кишечник, является окулоцеребральный синдром (синдром Лоува). Он сопровождается глаукомой, катарактой, слепотой. Перечень этих болезней, вызванных нарушением транспорта триптофана, метионина, нейтральных и других аминокислот в кишечнике и других органах, довольно велик, причем все они косвенно затрагивают уровень аминокислот в мозге и имеют поэтому неврологические проявления.

2.2. МЕТАБОЛИЗМ ДИКАРБОНОВЫХ АМИНОКИСЛОТ И ГЛУТАМИНА

Выше указывалось, что более 2/3 аминоазота аминокислот приходится на долю глутамата и его производных; эти аминокислоты доминируют в количественном отношении в мозге всех изученных видов животных. В спинном мозге наблюдается аналогичная картина, а периферическая нервная система содержит значительно меньше глутамата, глутамина, N-ацетиласпар-тата, чем головной мозг, а ГАМК почти отсутствует в периферических нервах позвоночных. При высоком уровне этих аминокислот в головном мозге метаболизм их также чрезвычайно быстрый.

2.2.1. Глутамат и аспартат

Особенностью метаболизма глутамата в нервной ткани является его тесная связь с интенсивно функционирующим в этом органе циклом трикарбоновьгх кислот (ЦТК), что и позволяет считать его промежуточным продуктом энергетического метаболизма. Так, уже через 30 мин после инъекции меченой глюкозы более 70% радиоактивности растворимой фракции приходится на долю глутамата и его производных. Этому способствует чрезвычайно быстрое взаимопревращение глутамата и а-кетоглута-рата в ЦНС. Высокий процент включения радиоактивности из глюкозы в аминокислоты мозга явился основанием для предположения, что утилизация глюкозы в этом органе в значительной степени происходит через биосинтез и окисление аминокислот.

Непосредственным предшественником для синтеза глутама-

42

та в мозге является а-кетоглутаровая кислота (схема 2.1), которая может превращаться в глутамат или путем прямого восстановительного аминирования с участием глутаматдегидрогеназы (КФ 1.4.1.2, 1.4.1.З.), или путем переаминирования.

Схема 2 /. Образование и окисление глутамата в головном мозге (1—глутаматдегидрогеназа; 2 — аспартатаминотрансфераза; 3 — аланинаминотрансфераза; 4 — тирозинаминотрансфераза; 5 — трансаминаза ГАМК)

ацетил-КоА

Xлимонная кислота UTK_J-, а-КЕТОГЛУТАРОВАЯ КИСЛОТА 1 У i-—-1-

янтарная ii arnanarM_

кислота

аспараги-

Кновая кислота

2

ГАМК

ЩУК аланин

пируват тирозин

кси мети л-•пируват

-NH-

г

^НАДН (НАДФ)

3

Д

(НАДФН2)

и т.д.

I

| ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА \

Глутаматдегидрогеназа катализирует реакцию:

а-Кетоглутарат + НАДН2(НАДФН2) + NH3 5 Глутамат + Н20 + НАД+(НАДФ+)

43

Энзим менее активен в мозге, чем в печени, присутствует в митохондриях, требует в качестве кофакторов пиридиннуклео-тидов и активируется АДФ. Км этого энзима для аммония близок к 8 мМ . Реакция обратима, однако равновесие сильно сдвинуто в сторону прямой реакции, т.е. синтеза глутаминовой кислоты.

¦ Таким образом, в головном мозге глутаматдегидрогеназ-ная реакция участвует не столько в окислении глутамата, сколько в синтезе его из а-кетоглутаровой кислоты, обеспечивая тем самым непрерывное превращение свободного аммиака в ами-ноазот аминокислот. Основной же путь окисления глутамата в мозге — через переаминирование.

В митохондриях мозга 90% глутамата подвергается переами-иированию с образованием аспартата. Фермент, катализирующий переаминирование глутамата с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), — аспартатаминотрансфераза (КФ 2.6.1.1) является наиболее мощной трансаминазой головного мозга. Выделены два изоэнзима аспартатаминотрансферазы, локализованных в митохондриях и цитоплазме. Функциональная роль их различна. Митохондриальный фермент связан в основном с функционированием ЦТК, цитоплазматический определяет интенсивность глюконеогенеза.

Как уже отмечалось, путь метаболизма глутамата через переаминирование намного активнее дегидрогеназного. В регуляции соотношения между этими двумя путями, конкурирующими за один субстрат, важная роль принадлежит макроэргическим соединениям. В интактных митохондриях энзим взаимодействует по преимуществу с НАДФ+ и интенсивность реакции пропорциональна отношению НАДФ+/НАЦФН2. Макроэргические соединения способствуют превращению НДЦФ+ в НАДФН2 и тем самым подавляют дезаминирование глутамата. Наоборот, трансаминазный путь требует расходования макроэргических соединений. Поэтому выбор между этими двумя реакциями определяется энергетическими возможностями митохондрий.

При нормальном функционировании ЦТК дегидрогеназный путь окисления глутамата подавлен, а трансаминазный активно протекает. В результате уменьшения количества макроэргических соединений, например при добавлении к митохондриям разобщителя окислительного фосфорилирования 2,4-динитро-фенола, подавляется трансаминазный путь при одновременном резком усилении дегидрогеназного пути окисления глутамата.

Взаимопревращение а-кетоглутарата и глутамата происходит чрезвычайно быстро. В мозге был идентифицирован мета-

44

болический путь такого взаимопревращения, получивший название аспартат-малатного шунта, служащего для транспорта восстановительных эквивалентов из цитозоля в митохондрии (схема 2.2).

Схема 2. 2. Метаболические компоненты аспартат-малатного шунта (1—малатдегидрогеназа; 2 — аспартатаминотрансфе-раза)

ЦИТОПЛАЗМА

МИТОХОНДРИЯ

НАД+

НАДН

глутамат

НАД+

АДН

глутамат

Уже упоминалось, что различные органеллы клеток мозга могут индивидуально контролировать уровни аминокислот, накапливая их против градиента концентрации. Примером этого могут служить изолированные из ЦНС митохондрии, которые быстро поглощают глутамат