Использование кетоновых тел в качестве источника ацетилКоА, но уже не для биосинтетических реакций, а для окисления в ЦТК, т.е. в виде энергетических субстратов, возможно и в мозге взрослых животных при ряде экстремальных состояний; в частности, это имеет место при длительном голодании, когда на фоне исчерпания углеводных ресурсов организма резко возрастает концентрация кетоновых тел в крови за счет распада и окисления липидов из жировых депо. Аналогичные ситуации наблюдаются также при тяжелых формах диабета или гипертиреоза. Но даже в этих условиях за счет окисления свободных жирных кислот и кетоновых тел покрывается не более 20% энергетических потребностей мозга.
Аминокислоты как источники ацетилКоА. Реакции превращения свободных аминокислот, ведущие к образованию ацетилКоА, у взрослых животных наиболее интенсивно протекают в печени и почках, где они могут эффективно пополнять пул этого метаболита. В головном мозге роль такого пути образования ацетилКоА весьма незначительна.
Превращения этих аминокислот, а также кетоновых тел в мозге взрослых животных сосредоточены главным образом в «малом» компартменте, где особенно ярко проявляется анаболическая функция ЦТК. Морфологически этот компартмент приурочен к глиальным клеткам. Напротив, катаболическая, энергетическая функция ЦТК наиболее четко проявляется в «большом» компартменте мозга, где интенсивно протекают реакции аэробного окисления глюкозы.
Скорости метаболических потоков для мозга мышей составляют: 1,25 мкмоль субстрата или 0,30 мкмоль субстрата за 1 мин в расчете на 1 г сырой массы ткани для «большого» и «малого» компартментов соответственно. Обмен метаболитов между компартментами осуществляется относительно медленно; скорость потока в данном случае составляет в среднем 0,14 мкмоль субстрата/ мин в расчете на 1 г ткани.
Использование аминокислот в качестве предшественников компонентов ЦТК Свободные аминокислоты, а также аминокислоты, образующиеся при расщеплении белков, могут претерпевать окисление и превращения их в различные компоненты ЦТК Как известно, существует несколько путей вхождения аминокислот в ЦТК, причем относительная роль их в пополнении пула метаболитов UTK различна в разных тканях.
Наиболее интенсивно метаболизм аминокислот протекает в печени, где эти соединения играют значительную роль в энергетическом обмене. В мозге взрослых животных свободные аминокислоты, плохо проникающие через ГЭБ, не могут рассматриваться как важные энергетические источники. Исключение в этом отношении составляют аминокислоты глутаминовой группы. Для головного мозга характерны высокое содержание аминокислот этой группы и значительная активность ферментов их обмена в митохондриях.
Активность аспартатаминотрансферазы в митохондриях мозга взрослых крыс составляет в среднем 30–35 мкмоль субстра-тамин- в расчете на 1 г ткани, что в 7–10 раз превышает активность фермента в мозге новорожденных животных и значительно выше, чем в митохондриях печени. Высокая активность трансамисназ и глутаматдегидрогеназы в митохондриях головного мозга, а также результаты опытов с С-аминокислотами указывают на возможность использования аминокислот этой группы в качестве дополнительного энергетического источника, что особенно важно при различных экстремальных состояниях, когда повышаются энергетические потребности мозга или замедляется поступление в мозг глюкозы.
Таблица 4. Средние данные о содержании аминокислот глутаминовой группы в головном мозге и печени крыс
| Аминокислоты | Содержание в целой ткани» мкмоль/г | Содержание в обогащенных фракциях коры больших полушарий мозга, нмоль/г белка | ||
| мозг | печень | нейроны | нейроглия | |
| Глутаминовая кислота | 7,3–9,5 | 1,5–1,7 | 14,2±2Д | 23,0±2,9 |
| Глутамин | 3,8–4,7 | 1,8–2,3 | 6,9±1,4 | 4,8±0,6 |
| Аспарагиновая кислота + аспарагин | 4,8–5,8 | 0,4–0,7 | 6,0±1,5 | 6,3±0,8 |
| ГАМ К | 1,9–2,4 | Следы | 3,1 + 1,1 | 4,1±0,4 |
Из других путей метаболизма аминокислот, которые играют относительно небольшую роль в энергетическом метаболизме головного мозга, можно упомянуть превращение аспартата и аспарагина в оксалоацетат, а также аланина и серина – в пируват. Очень невелико и значение аминокислот как предшественников компонентов ЦТК – суклинил-KoA и фумарата.
Итак, основным путем ввода окисляемых субстратов в ЦТК в головном мозге служит образование ацетилКоА в пируватдегидрогеназной реакции. Дополнительным источником для пополнения пула метаболитов ЦТК могут быть аминокислоты глутаминовой группы, в то время как кетоновые тела и свободные жирные кислоты интенсивно окисляются лишь в мозге растущих животных.
Промежуточные компоненты ЦТК для разнообразных синтетических реакций в мозге в отличие от других тканей используются в незначительных количествах. Именно этим объясняется, что интенсивность потока метаболитов через ЦТК в головном мозге прямо пропорциональна потреблению кислорода тканью.
При рассмотрении особенностей регуляции ЦТК в головном мозге прежде всего следует остановить внимание на тех его неравновесных стадиях, которые являются лимитирующими. В табл. 5,5 приведены значения активностей ферментов ЦТК
Таблица 5. Содержание основных компонентов и активность ферментов ЦТК в головном мозге и печени крыс
| Компоненты ЦТК | Содержание, мкмоль/г ткани | Ферменты ЦТК | Активность ферментов в митохондриях, мкмоль субстрата • мг белка за 1 мин | ||
| мозг | печень | мозг | печень | ||
| Ацетил-КоА* | 11,0±0,9 | 4,0–5,0 | Цитратсинтаза | 8,210,3 | 6,410,3 |
| Оксалоацетат | 7,4910,35 | 9,01±0,40 | |||
| Цитрат | 320±12 | 228±9 | Аконитаза** | 46,013,1 | – |
| Изоцитрат | 27,313,5 | 24,013,0 | НАД- изоцитратдегидрогеназа | 28,312,2 | 5,610,4 |
| НАДФ-изоцитратдегидрогеназа | 19,611,5 | 32,012,4 | |||
| а – Кетоглутарат | 125±10 | 114±9 | а –Кетоглутаратдегидрогенеза | 58,913,7 | 64,514,9 |
| Сукцинат | 791±26 | 804±24 | Сукцинатдегидрогеназа | 106,0115,7 | 145,2120,1 |
| Фумарат | – | – | Фумараза | – | – |
| Малат | 356121 | 420128 | НАД-малатдегидрогеназа | 407,0135,5 | 385,0140,2 |
содержание основных компонентов ЦТК в головном мозге печени крыс. Видно, что к наиболее медленным этапам, которые могут лимитировать скорость потока субстратов через цикл в мозге, как и в других тканях, относятся реакции синтеза и окисления цитрата.
5.2 Цитратсинтазная реакция и регуляция ее скорости в мозге
Скорость необратимой в физиологических условиях реакции биосинтеза лимонной кислоты находится под контролем нескольких одновременно действующих факторов. В опытах с очищенными ферментативными препаратами найдено, что АТФ является отрицательным аллостерическим модулятором цитратсин-тазы. Эффект нуклеотида обусловлен повышением константы Миха-элиса фермента для ацетилКоА.
Субстраты реакции – ацетилКоА и оксалоацетат также участвуют в регуляции активности цитратсинтазы. На основании сопоставления значений констант Михаэлиса, установленных в опытах на очищенных препаратах ферментов и реально существующих в тканях животных концентраций этих метаболитов, Кребс пришел к выводу, что invivoосновным из этих двух регуляторных факторов является концентрация щавелевоуксусной кислоты.
Таким образом, invivoскорость цитратсинтазной реакции контролируется главным образом двумя факторами: концентрацией отрицательного аллостерического фактора фермента – АТФ и концентрацией щавелевоуксусной кислоты.
Цитратсинтазная реакция является не только важнейшим этапом ЦТК, но и компонентом системы образования ацетилхолина в холинергических нейронах. Вместе с ПДГ и цитратлиазой она обеспечивает поставку ацетил-КоА для биосинтеза нейротранс-миттера. О большом значении этой функции цитратсинтазы в мозге говорят наблюдения о том, что даже незначительные изменения активности фермента, еще не вызывающие сдвигов в энергетическом обмене, приводят к существенным нарушениям в синтезе ацетилхолина и блокируют холинергическую передачу.
5.3 Изоцитратдегидрогеназные реакции и их регуляция в мозге
Основным путем метаболизма лимонной кислоты является окисление ее в изоцитратдегидрогеназных реакциях после превращения ее под действием аконитазы в изолимонную кислоту. Активность аконитазы значительно превышает активность как цитратсинтазы, так и изоцитратдегидрогеназ и не лимитирует скорость взаимопревращения трикарбоновых кислот. В головном мозге взрослых животных до 98% нитрата подвергается дальнейшему окислению и лишь около 2% расщепляется в цитратлиазной реакции до ацетилКоА и щавелевоуксусной кислоты. В других тканях доля лимонной кислоты, подвергающаяся расшеплению цитратлиазой, может быть в несколько раз выше.
Окисление изолимонной кислоты осуществляется двумя типами изоцитратдегидрогеназ:
1. НАД-зависимым ферментом, который катализирует необратимую реакцию, протекающую исключительно в митохондриях;
2. НАДФ-специфичным ферментом, катализирующим обратимую реакцию как в митохондриях, так и в цитоплазме.
Роль НАД- и НАДФ-зависимых изоцитратдегидрогеназ в окислении изолимонной кислоты далеко не одинаково. В головном мозге основная часть субстрата окисляется по НАД-зависимому пути, поставляющему НАДН непосредственно в дыхательную цепь митохондрий и таким образом тесно связанному с поддержанием энергетического баланса клеток. Напротив, в печени, сердце и других тканях с помощью НАД-зависимой ИЦЦГ окисляется менее 10% изоцитрата, а основная масса субстрата используется в НАДФ-ИЦЦГ реакциях, особенно интенсивно протекающих в цитоплазме, где образующийся НАДФН может быть использован для разнообразных восстановительных биосинтезов.