Свободные аминокислоты нервной системы (стр. 3 из 6)

Введение глутамата в различные районы мозга приводит либо к судорожной активности, либо к распространяющейся депрессии, даже если количество его мало по сравнению с нормальной концентрацией глутамата в мозге. Глутамин не вызывает такого эффекта. При внутривенном введении глутамат может вызвать гибель клеток в определенных районах ЦНС, особенно вокруг желудочков мозга, где менее развит гематоэнцефалический барьер. Нейроны незрелых животных, у которых еще отсутствует высокоразвитый гематоэнцефалический барьер, также очень чувствительны к глутамату. Оральное введение больших количеств глутамата не действует на ЦНС большинства людей, а соли глутамата широко используются в качестве пищевой приправы. Однако у некоторых лиц обнаруживается повышенная чувствительность к глутамату натрия, он вызывает сенсорные и моторные нарушения, включая ощущение жжения, напряжение лица, боль в грудной клетке и головную боль. Эти симптомы известны как "синдром китайских ресторанов", так как глутамат натрия широко используется в китайской кухне. Многие аналоги глутамата токсичны.

Остановимся на некоторых сторонах нейротрансмиттерной функции глутамата. Для того чтобы глутамат эффективно функционировал в качестве нейротрансмиттера, его модальная внеклеточная концентрация должна быть ниже той, которая вызывает деполяризацию мембран. В действительности она колеблется от 1 до 10 мкМ; такая низкая внеклеточная концентрация глутамата поддерживается активным транспортом в нейроны и особенно в глиальные клетки.

В процессе выхода глутамата в синаптическую щель концентрация его там значительно повышается - до 1 мМ.

Последующий обратный захват глутамата нейронами и астроцитами осуществляется с участием Na-зависимых высокоаффинных переносчиков, из синаптической щели глутамат удаляется в основном путем захвата астроцитами. Для функционирования глутамата в качестве нейротрансмиттера необходимо постоянное пополнение его пула в нервных окончаниях.

Предшественниками трансмиттерного пула глутамата могут быть глюкоза и а-кетоглутарат.

Глутамат может также образовываться из орнитина и аргинина. Но основным источником нейротрансмиттерного глутаматного пула, по данным изотопных исследований, оказался глутамин, который синтезируется в основном в астроцитах, где локализована глутаминсинтетаза.

Далее он легко транспортируется через мембрану астроцитов и с помощью активных переносчиков достигает нервных окончаний.

4. N-Ацетиласпарагиновая кислота

Одним из доминирующих компонентов пула свободных аминокислот мозга является N-ацетиласпарагиновая кислота

Ее концентрация у большинства видов животных в два раза превышает таковую аспарагиновой кислоты. В ненейрональной ткани обнаружены только следы АцА. Она находится в более высокой концентрации в сером веществе по сравнению с белим, представлена также в периферической нервной системе, в сетчатке. Ее концентрация низка при рождении и повышается в процессе развития животного.

АцА образуется с участием ацетил-КоА. Энзим, катализирующий эту реакцию, очищен и изучен. Точная функция АцА в мозге еще не ясна, хотя имеются предположения, что она является частью внутриклеточного фиксированного пула анионов или резервуаром ацетильных групп, а также источником N-ацетилированных конечных групп для синтеза определенных бел-

ков и пептидов мозга. Показано, что ацетильные группы экзогенной АцА кислоты служат предпочтительным источником углерода для синтеза жирных кислот в развивающемся мозге. В головном мозге оказалось два пространственно разобщенных фонда АцА: малый, высокоактивный, локализованный в глии, и большой, медленно обменивающийся, - в нейронах.

5. Гамма-аминомасляная кислота

Одним из главных компонентов пула свободных аминокислот головного мозга различных животных является у-аминомасляная кислота, продукт а-декарбоксилирования глута-миновой кислоты. Цикл превращений ГАМК в мозге включает три сопряженных энзиматические реакции, получившие название ГАМК-шунта.

Он является ответвлением ЦТК на участке от а-кетоглутарата до сукцината. При участии фермента i лугам атдекарбокс ил азы отщепляется первый карбоксил L-глутаминовой кислоты с образованием ГАМК.

Этот энзим присутствует только в ЦНС и главным образом в сером веществе. ГДК синтезируется в нейрональной соме, а затем очень быстро транспортируется вдоль аксона. ГДК нуждается в пиридоксальфосфате в качестве кофактора, как большинство других декарбоксилаз аминокислот. Кофактор прочно связан с энзимом. Молекулярная масса энзима 85 кД, Kw для глутамата около 0,7 мМ, а К_м для пиридоксальфосфата 0,05 М. ГДК специфичен для глутамата, слабо взаимодействует с аспарагиновой кислотой. Скорость ГДК-реакции - лимитирующая ступень синтеза ГАМК. Уровень ГАМК в различных областях нервной системы регулируется действием ГДК и при нормальных условиях мало зависит от действия энзимов деградации ГАМК. ГДК является маркером ГАМК-ергических синапсов.

Энзимы катаболизма ГАМК локализованы отдельно от ГДК. ГАМК-трансаминаза находится в сером веществе мозга, но встречается также и в других тканях. Она также требует пиридоксальфосфат в качестве кофактора и связана с ним прочно. ГАМК-Т обнаружена в митохондриях, в то время как ГДК и ГАМК локализованы в синаптосомах. К_м ГАМК-Т для всех субстратов очень высока.

Конечный энзим шунта - дегидрогеназа янтарного полуальдегида - превращает янтарный полуальдегид в янтарную кислоту. Он распространен в ЦНС там же, где и ГАМК-Т. Это митохондриальный энзим, который специфичен для янтарного полуальдегида и НАД"", активируется сульфгидрнлъными реагентами и подавляется субстратом при концентрации последнего выше 10~М.

ГАМК является наиболее широко распространенным медиатором торможения в нервной системе. У млекопитающих она локализована в нервных окончаниях тормозных нейронов ЦНС. ГАМК тормозит биоэлектрическую активность не только головного мозга позвоночных, но и нервных цепочек и ганглиев беспозвоночных животных. Соответственно ГАМК и ферменты ее обмена также локализованы в нервных структурах беспозвоночных, совпадающих с расположением тормозных синапсов. Физиологическое действие ГАМК обусловлено взаимодействием со специальными рецепторами.

6. Компартментализация метаболизма аминокислот

Компартментализация метаболизма является ключевым фактором взаимоотношений между глутаматом, глутамином и ГАМК, Впервые это явление было открыто в лаборатории Вэлша в конце 50-х - начале 60-х годов и известно под названием эффекта Вэлша. При определенных условиях в опытах с использованием меченых предшественников специфическая радиоактивность продукта, образованного в короткий промежуток времени, превышает специфическую активность предшественника иногда в несколько раз. Эти наблюдения позволяют сделать заключение, что метаболизм имеет место в малом, высокоактивном пуле, а меченый предшественник разбавляется при выделении большим количеством немеченого предшественника из другого, малоактивного пула.

Инъекция меченого глутамата, аммония, бикарбоната, ацетата, бутирата, цитрата и других, как правило, приводила к тому, что специфическая радиоактивность глутамина была выше предшественника, изолированного вскоре после инъекции. Этот эффект не был обнаружен после инъекции меченой глюкозы, пирувата, лактата, глицерина. Данные позволили заключить, что глюкогенные субстраты метаболируют до аминокислот в компартментах, отличных от тех, в которых обмениваются кетогенные субстраты.

Эффект Вэлша - специфическое свойство нервной системы и демонстрируется в опытах как invitro, так и invivo. В дальнейшем кинетическими исследованиями с различными метаболическими предшественниками было показано наличие в головном мозге различных метаболических компартментов цикла трикарбоновых кислот и аминокислот, связанных с этим циклом. Некоторые исследователи ограничивают число компартментов двумя - большим и малым, другие описывают до шести метаболических компартментов. Очевидным является факт, что каждый компартмент является суммой большого числа микрокомпартментов с более или менее сходными метаболическими свойствами.

"Большой" компартмент включает в себя относительно большие пулы промежуточных соединений, которые быстро обменивается с большим пулом глутамата и малым пулом глутамина. Глюкоза используется во всех компартментах, но в большой компартмент включается до 90% гликолитического потока и большая часть общего потока через ЦТК. Глюкогенные предшественники метаболируют преимущественно в этом ком-партменте, и глюкоза может рассматриваться как предпочтительный метаболит большого компартмента. Этот же компартмент содержит основную часть общего глутамата и аспартата. Однако скорость синтеза глутамина в нем относительно низка.

Полагают, что "большой" компартмент расположен главным образом в нейронах и участвует преимущественно в энергетических процессах. Предположение о нейрональной локализации "большого" метаболического компартмента подтверждается, например, исследованиями на животных с различным ти-реоидным статусом. Так, удаление щитовидной железы при рождении животного выливается в недоразвитие нейрональных систем. Одновременно наблюдается недоразвитие "большого" метаболического компартмента. Напротив, обработка тиреоид-ными гормонами ускоряет созревание мозга и развитие метаболической компартментации.