Биохимия мозга. Строение центральной нервной системы

Природа наделила человека удивительным органом — мозгом. Это он регулирует сложнейшие процессы, про­текающие в нашем теле, обеспечивает постоянство темпе­ратуры, единство организма и внешней среды.

На протяжении многих веков ученые настойчиво пы­тались познать строение мозга, его химический состав, особенности обмена веществ. Благодаря бурному разви­тию науки и техники, которые позволили значительно усовершенствовать экспериментальные исследования, уда­лось разгадать многие тайны мозга. Сейчас уже известно, как он устроен, из каких веществ состоит. Доста­точно хорошо изучены и химические процессы, протекаю­щие в головном и спинном мозгу. Существует даже спе­циальная отрасль науки — биохимия мозга, изучающая химические процессы, происходящие в нервной ткани.

Как известно, обмен веществ, без которого немыслимо существование любой живой материи, — это бесчисленный ряд очень сложных химических превращений. Процессы обмена веществ в нервных клетках имеют ряд специфи­ческих особенностей.

Одна из особенностей состоит в том, что химические реакции в нервной ткани происходят очень интенсивно. Если весь организм человека в состоянии покоя потреб­ляет около 300 кубических сантиметров кислорода в ми­нуту, то оказывается, что мозг поглощает шестую часть этого количества, то есть 50 кубических сантиметров. Столько же кислорода нужно и сердцу, но оно ведь не­устанно выполняет значительную механическую работу.

Такая активная биохимическая деятельность тканей мозга происходит непрерывно.

[stextbox id=»info» shadow=»true»]Исследования показали, что мозг поглощает одинаковое количество кислорода независимо от того, бодрствует человек или спит.[/stextbox]

Интересно отметить, что все ткани живого организма обладают одним замечательным свойством: они в течение некоторого времени могут существовать и без кислорода, за счет так называемых анаэробных процессов, то есть процессов, протекающих без поглощения кислорода. Правда, эти процессы в со­стоянии поддержать в течение долгого времени жизнь лишь таких тканей, в ко­торых обмен веществ не отличается боль­шой интенсивностью. Нервная ткань, в которой химические превращения про­текают очень быстро и отличаются чрез­вычайной сложностью, может в таких ус­ловиях нормально функционировать две—четыре минуты. Отсюда становит­ся ясно, как чувствителен мозг к недо­статку кислорода.

Кислородное голодание

Кислородное голодание может насту­пить от различных причин. Одной из них является подъем на высоту в верхние слои атмосферы, где воздух разрежен.

[stextbox id=»info» shadow=»true» bgcolor=»ffffff»]В 1875 году трое французских уче­ных — Тиссандье, Кроче-Спинелли и Сивель — поднялись на воздушном шаре на высоту около восьми километров. Вне­запно один за другим из-за недостатка кислорода они потеряли сознание. Когда спустя два часа воздушный шар призем­лился, в чувство пришел только лишь Тиссандье.[/stextbox]

При некоторых хирургических операциях может про­изойти остановка сердца, а иногда по характеру опера­ции, производимой на крупных сосудах или на сердце, приходится выключать из кровообращения мозг. Это опасно для нервной ткани. Спустя 4—5 минут в ней на­чинаются необратимые изменения. Знание биохимических процессов, протекающих в мозгу, позволило ученым раз­работать методику оказания помощи человеку, находя­щемуся в состоянии клинической смерти. Таким образом было спасено немало жизней.

Жизнь настойчиво требует от науки решения новых, все более сложных задач. Человек страдает врожденным пороком сердца. Его может спасти только операция. Но  несколько лет назад продолжительные операции на сердце и крупных кровеносных сосудах не могли производиться из-за того, что остановка кровообращения лишала мозговые клетки кислорода. Как же уменьшить интенсивность обмена веществ в ткани мозга, ее чувствительность к кислородному голоданию? И ученые нашли ответ на этот вопрос. Они предложили снижать температуру тела.

У некоторых млекопитающих животных — медведей, сурков, сусликов, летучих мышей и других — резкое понижение температуры тела происходит зимой как естественное физиологическое явление. Они надолго впадают спячку. В результате длительных поисков найдены средства, выключающие теплорегуляционные центры у высших животных и у человека. При этом охлаждение тела не вызывает повышения обмена веществ и теплообразования в организме. Температура тела снижается, и организм впадает в состояние, сходное с зимней спячкой животных.

В этих случаях интенсивность обмена веществ в мозгу резко падает, и он становится менее чувствительным к недостатку кислорода. В зависимости от того, насколько снижена температура тела, мозг без заметного ущерба может перенести отсутствие кислорода в течение 20—30 минут и даже дольше.

Снижение температуры тела при операциях на сердце и сосудах далеко не единственный пример практического применения достижений медицины, основанных на химии мозга. Знание химических процессов, протекающих в нервных тканях, необходимо для ряда важнейших проблем медицины. Среди них — изыскание наилучших способов наркоза, поиски эффективных жаропонижающих средств.

Другая особенность обмена веществ мозга состоит в том, что основным питательным веществом, поддерживающим химический состав и обеспечивающим жизнедея­тельность мозга, являются углеводы. Они — главный источник энергии. Из 500 граммов углеводов, потребляе­мых человеком за сутки, около 90 — поглощает мозг.

Основной углевод, необходимый нервной ткани, это сахар-глюкоза.

Вначале сахар распадается без участия кислорода, то есть анаэробно. В дальнейшем образовавшиеся вещества окисляются до конечных продуктов — воды и углекислого газа. В процессе таких химических превращений освобождается энергия. Она используется организмом для образования специальных энергетических веществ содержащих фосфор, а частично переходит в тепло.

Запасы глюкозы в ткани мозга незначительны: в 100 граммах мозгового вещества содержится около 0,04 грамма глюкозы. При обычной жизнедеятельности клеток такого количества глюкозы хватило бы только на 10 минут. Вот почему для поддержания нормального со­стояния мозга необходимо постоянное снабжение его клетoк не только кислородом, но и глюкозой.

Когда человек продолжительное время не ест или выполняет тяжелую мышечную работу, содержание глюко­зы в крови значительно снижается. В результате мозг получает недостаточное количество сахара, работоспособ­ность его ухудшается. Если в этот период человек съест несколько кусков сахара, то он почувствует себя значи­тельно бодрее.

Сильно снижает уровень сахара в крови гормон под­желудочной железы — инсулин. В прошлом были случаи, когда больные, страдающие сахарным диабетом, пренебре­гая советами врача, вводили себе слишком большие дозы этого препарата. В результате содержание сахара в кро­ви резко падало и сахар переставал поступать в мозг. Если при этом человеку не оказывалась вовремя медицинская помощь, если ему не был введен в кровь раствор глюко­зы, наступали судороги (так называемый инсулиновый шок). Вот почему лечение инсулином необходимо прово­дить под контролем врача, выполнять его рекомендации.

Изучая сложнейшие — процессы обмена веществ в жи­вом организме, ученые давно мечтали о возможности каким-то образом «пометить» молекулы различных химиче­ских веществ и проследить за их судьбой в организме. Открытие радиоактивных изотопов дало исследователям всех отраслей знаний поистине незаменимое мощное сред­ство. В области биохимии мозга проводятся тончайшие эксперименты с помощью меченых атомов. Меченные ра­диоактивными изотопами молекулы по своим химическим свойствам не отличаются от молекул, входящих в состав тканей. Поэтому их превращения в организме идут теми же путями, что и естественных, немеченых молекул.

С помощью радиоактивного изотопа фосфора в ряде лабораторий изучался, например, обмен фосфорных соеданений в нервных тканях. По своим химическим свой­ствам радиоактивный фосфор ничем не отличается от природного фосфора, но его можно обнаружить и количе­ственно определить, используя специальные приборы — счетчики.

Вот как проводится исследование. Животному вводят незначительное количество натриевой соли фосфорной кислоты, содержащей радиоактивный фосфор. Спустя не­которое время можно точно установить его содержание в различных химических веществах мозга. Сравнительные данные позволяют судить о скорости образования этих веществ в нервных тканях.

В нормальных условиях жизни скорость образования составных частей мозга является такой же, как и скорость их распада, и количество химических веществ мозга остается постоянным. Это постоянство обусловливается тем, что все время идет процесс обновления молекул — вместо распавшихся молекул воссоздаются новые и в том же количестве.

Ученым удалось выяснить, что скорость обновления разных химических веществ мозга весьма различна. Одни из них обновляются за несколько минут, другие — в тече­ние часов, третьи — дней и, наконец, некоторые — в течение месяцев.

Метод радиоактивных изотопов пригоден для изучения обмена не только фосфорных соединений. Если жи­вотному ввести аминокислоты, меченные радиоактивным углеродом или радиоактивной серой, то можно установить, сколько времени необходимо для того, чтобы все старые молекулы белка были заменены вновь синтезированными. Исследования показали, что белки обновляются в течение примерно 12 суток. Таким образом, долгая жизнь нервных клеток, равная жизни организма, сочетается с очень большим числом обновлений белкового состава этих клеток.

Перестройка всех химических веществ нервных тка­ней — белков, жиров, углеводов и т. д. — лежит в осно­ве тех изменений мозга, которые происходят в процессе роста и развития организма, равно как в результате при­способления его к постоянно меняющимся условиям окру­жающей среды.

Процессы возбуждения и торможения нервных кле­ток связаны не только с физическими явлениями — воз­никновением электрических импульсов, но в первую оче­редь с изменениями обмена веществ в нервных клетках и нервах. Так, в лаборатории удалось обнаружить, что любое раздражение, вызывающее возбуждение животно­го, влечет за собой повышение содержания аммиака в тка­ни мозга. Это наблюдалось и тогда, когда раздражали лапу собаки электрическим током и когда давали ей пищу. Если перед тем, как давать собаке еду, включать звонок, то через некоторое время только один его звук способен повысить содержание аммиака в мозгу. Следовательно, условный раздражитель — звонок — по нашей воле может изменить процессы обмена в нервной ткани. Наоборот, когда у животного вызывали состояние торможения, уровень аммиака в мозгу резко снижался.

Подобные исследования позволяют еще глубже познать явления обмена веществ и энергии мозга, раскрыть при­чины заболевания центральной нервной системы, найти методы их лечения и профилактики.