Файл: Шахнович, А. Р. Математические методы в исследовании биологических систем регулирования.pdf

ние пирувата в цикле Кребса. Освобождающаяся при этом энер­ гия преобразуется в энергию макроэргнческих фосфатных связей креотинфосфата и аденозинтрифосфата (АТФ). Наибольшее коли­ чество митохондрий сосредоточено в апикальных деидритах нервных клеток, где происходит иаиболее интенсивный окислительный обмен. В аксонах митохондрии сосредоточены вблизи синапсов, где потребление энергии усилено в связи с передачей импуль­ сов.

Таким образом, митохондрии сосредоточены в тех участках нервных клеток, функциональная активность которых особепно велика. Такое расположение митохондрий биологически оправда­ но в связи с ограниченными возможностями диффузии молекул АТФ. Скорость такой диффузии составляет приблизительно 100 Â за 0,001 сек. При небольших расстояниях — это достаточно эффективный способ транспорта энергии.

Однако большое расстояние, например-от наружной мембраны до центра нейрона, составляющее приблизительно 10 мк, моле­ кула АТФ пройдет в гомогенной сфере за 1 сек. В связи с нали­ чием в клетке мембран это время будет еще большим.

Особенно большие трудности для диффузии молекул АТФ воз­ никают при недостатке кислорода. В этих условиях синтез моле­ кул АТФ в митохондриях тормозится, а усиливается в гиалоплазме, где сосредоточены ферменты анаэробного гликолиза.

Однако отдаленность гиалоплазмы от функционально активных участков нейрона затрудняет использование энергии, аккумули­ рованной в молекулах АТФ, образовавшихся в условиях анаэроб­ ного гликолиза.

Вот почему при недостатке кислорода в мозгу может сохра­ няться нормальное количество макроэргов и вместе с тем возни­ кают симптомы кислородной недостаточности и даже наблюдается гибель нервных клеток.

Процессы метаболизма в нервной системе обнаруживают за­ висимость от различных химических веществ и эндокринных пре­ паратов. Так, например, цианиды нарушают окислительный об­ мен, инактивируя фермент цитохромоксидазу. В основе этого яв­ ления лежит образование комплексного соединения между груп­ пой циана и уже окисленным железом цитохромоксидазы.

Другие вещества, например азид, динитрофенол, препятствуют образованию макроэргнческих связей и поэтому называются ра­ зобщающими агентами.

При этом на другие стадии кислородного обмена эти вещества не оказывают влияния (Brink et al., 1952). Вместе с тем различ­ ные анестетики снижают скорость окислительного обмена в нерв­ ной ткани.

Определенную роль в таком ослаблении окислительного обме­ на играет депрессия окислительного фосфорилирования.

Несмотря на ослабление окислительного обмена в мозгу во время анестезии, увеличивается количество богатых энергией сое-

85

диненіій — аденозинтрифосфорной кислоты и креатиифосфата (Sokoloi'f, 1960).

Эти данные могут указывать на уменьшение потребления моз­ гом энергии при анестезии, которое обусловлено, по-видимому, блокадой сииаптических образований. Из гормональных препара­ тов особенно четкое влияние на процессы метаболизма в голов­ ном мозгу оказывает адреналин. Внутривенное введение этого пре­ парата значительно увеличивает скорость потребления кислорода мозгом. Выделением адреналина в кровь можно объяснить увели­ чение скорости потребления кислорода при эмоциональном воз­ буждении. Вместе с тем норадреналпн, а также кортизон, адреиокортикотрошшй гормон п тиреоидин не оказывают какоголибо заметного влияния на скорость потребления кислорода моз­ гом.

Энергия макроэргнческих связей аденозпнтрифосфорной кис­ лоты и креатинфосфата обеспечивает функциональную активность нервных клеток, которая в значительной степени определяется работой калий-натриевого насоса.

Концентрация ионов патрия внутри клетки ниже, чем в меж­ клеточной жидкости. Обратные соотношения характерны для ио­ нов калпя. Разница в концентрации ионов натрия и калия внутри клетки и вне ее достаточно велика.

Так, в мотонейронах концентрация ионов натрия составляет 15 мкмолей, а в межклеточной жидкости — 150 мкмолей. Обрат­ ные соотношения имеются между концентрациями ионов калия (150 и 5,5 мкмолей) (Экклс, 1959).

Такое асимметричное расположение ионов по отношению' к клеточной мембране определяет потенциал покоя и потенциал действия нервной клетки.

Процессы диффузии стремятся уравнять концентрацию ионов по обе стороны клеточной мембраны. Этим процессам активно противодействует калий-натриевый насос, работа которого свя­ зана с затратой большого количества энергии.

Это количество в значительной степени определяется актив­ ностью нейрона. В состоянии покоя нерв поглощает вдвое мень­ ше кислорода, чем в период активности (Gerard, 1932).

Вработе калий-натриевого насоса важную роль играют макроэргические фосфатные связи АТФ.

Вопытах на гигантском аксоне было доказано, что добавле­ ние к омывающей нерв жидкости метаболических ядов (цианидов, азида, 2,4-динитрофеиола) тормозит работу натриевого насоса (Hodgkin, Keynes, 1955).

Выхождение Na + из ' аксона при этом падает на протяжении

100 мин. По возвращении аксона в обычную среду выхождение Na + достигает прежнего уровня. Таким образом, имеются все ос­ нования считать, что энергия, освобождающаяся в процессе мета­ болизма и аккумулированная в виде макроэргнческих фосфатных связей, идет на работу калий-натриевого насоса.

86

Учитывая зависимость импульсной активности нервной клетки от энергетических ресурсов, необходимо принимать во внимание, что в период возникновения потенциала действия потребление кислорода резко увеличивается, а его напряжение, следователь­ но, должно упасть. Поэтому интервал времени между двумя им­ пульсами, возникающими в нервной клетке, не может быть меньше некоторой критической величины, которая определяется скоро­ стью диффузии кислорода, восстанавливающей его концентрацию после каждого импульса.

К сожалению, гипотеза о ритмическом дыхании нервной клет­ ки еще не доказана, так как измерение напряжения кислорода в

же уменьшением. количества аденозинтрифосфорной кислоты не­ посредственно в волокне (Caldwell, I960; Caldwell et al., 1960; Keynes 1960). Вместе с тем введение АТФ на несколько часов вос­ станавливает выхождение Na+ . Эти факты свидетельствуют о том, что АТФ имеет прямое отношение к работе натриевого насоса.

Освобождение энергии из АТФ, необходимое для работы нат­ риевого насоса, происходит под влиянием фермента АТФ-азы, ко­ торый гидролизует АТФ до АДФ, с выделением фосфата. Этот фермент активируется ионами Mg+ + (Abood, Gerard, 1954).

Имеется основание считать, что АТФ-аза является носителем Na + или по крайней мере связана с механизмами его переноса (Macllwaïn, 1963; Skou, 1961). Паралич «натриевого насоса» при торможении активности АТФ-азы триэтилоловом может привести к отеку мозга (Гурвич, 1969). Для отека мозга характерно прежде всего набухание клеток астроглии. Транспортные механизмы мем­

альных клеток развивается вследствие паралича механизма вы­

его восстановленная форма). Любое торможение этой реакции мо­

поксии и усилении анаэробного гликолиза в нейронах) сдвигает

87

вышеприведенную реакцию влево и тормозит анаэробный глико­ лиз в глиальных клетках. При этом нарушается транспорт ионов Na + из глиальных клеток во внеклеточное пространство, что со­ провождается задержкой в этих клетках воды и их набуханием.

По данным Лаборп, для того чтобы гипоксия могла привести к отеку мозга, возникающая при ней лактацидемия должна дос­ тигнуть определенного уровня — 80 мг/100 мл.

Вместе с тем гиперкапния приводит к возникновению отека мозга не в результате непосредственного влияния углекислоты на клеточные мембраны, а опосредованно в результате увеличения количества адреаналина в крови, который активизирует анаэроб­ ный гликолиз в нейронах. Накапливающийся при этом лактат пе­ реходит в глию и тормозит в ней глпколитические процессы.

Возникающее при этом затруднение транспорта ионов Na + из глиальных клеток приводит к их набуханию.

Вместе с тем вещества, которые устраняют лактацидемию или способствуют окислению Н А Д . Н 2 , предотвращают возиикповепие отека мозга (к ним относятся барбитураты, пируват, кортизон, резерпин, ГОМК).

Таким образом, в борьбе с отеком мозга могут быть использова­ ны не только дегидратирующие препараты, но также средства, оказывающие влияние па энергетические процессы в нервных и

Caldwell P. C. The phosphorus metabolism of squid axons and its relationschip

88

Глава II-3

КРОВОСНАБЖЕНИЕ МОЗГА

Энергетические запросы мозга и других тканей удовлетворя­ ются благодаря кровоснабжению, причем величина тканевого кровотока находится в соответствии с этими энергетическими за­ просами. Такое соответствие кровотока и метаболизма является результатом сложного взаимодействия различных регулирующих механизмов, причем особенно совершенными являются механизмы, регулирующие кровоток в головном мозгу.

Еще сравнительно недавно (вплоть до 20—30-х годов X X в.) общепризнанной была концепция Monro-Kellie, в соответствии с которой калибр мозговых сосудов не меняется и основным фак­ тором, определяющим скорость мозгового кровотока, являются из ­ менения системного артериального давления. Таким образом, в

89