Особенности липидного и белкового состава нервной ткани

Липидный состав

Фосфолипиды, гликолипиды, стероиды. Липидный состав мозга является уникальным не только из-за высокий общей концентрации липидов, но также из-за специфики. Почти все липиды головного мозга представлены тремя основными группами:

1) фосфолипадами;

2) гликолипидами;

3) стероидами,

причем концентрации фосфолипидов особенно высока. Распространение и свойства фосфолипндов изучены наиболее детально.

Особенности липидного и белкового состава нервной ткани

Фосфолипиды подразделиют на две группы: глирерофосфолипиды (про-изводные фосфатидной кислоты - фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин,фосфатидилинозитол) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелины). Глицерофосфалипиды представляют собой производные фосфатидной кислоты, к гидроксиду фосфорной кислоты которой сложноэфирной связью присоединен радикал Х (рис. 1.5, табл. 1.1); R, и R2 - ацильные остатки жирных кислот, содержащие от 12 до 18 атомов углерода (как правило, четное количество).

Первая часть сложных атомов, используемых для обозначения фосфолипидов, потерявших одну из двух ацильных цепей, - «лизо>. Лизофосфолипиды обнаруживаются в мембранах в небольших количествах - появление этих веществ приводит к нарушению структуры бислоя и лизису клеток.

Характеристика липидного состава некоторых мембран животных представлена в таблице 1.2. Как видно из таблицы, основными липидами мембран животных клеток являются глицерофосфолидилы: фосфатицилхоли н фосфадилэтаноламин. Структура фосфадилхолина представлена па рисунке 1.6.

Наиболее часто встречающиеся фосфолипиды построены по единому плану, их молекулы стерически хорошо соответствуют друг другу. В то же время огромное разнообразие фосфолипидов обеспечивается различием жирных кислот, входящих в состав их молекул. Так, существует несколько десятков природных видов фосфатилхолина, причем диолеилфосфатидилхолин сильно отличается по своим свойствам от дипальмитоилфосфатидилхолина.

Существует несколько групп фосфолипидов, отличающихся строением от приведенных в таблице 1.2:

1) плазмалогены;

2) диольные фосфолипиды

З) дифосфатидилглицериды.

Плазмалогены отличаются от рассмотренных выше фосфоглицеридов тем, что одна из двух имеющихся у них углеводородных цепей представляет собой длинноцепочечную жирную кислоту, а другая - aльдегид жирной кислоты. Соединения этой группы особенно широко распространены в мембранах мыши и нервных клеток. Радикал Х в плазмалогенах мышц представлен холином, в плазмалогенах мозга - серином илы этаноламином.

Диольные фосфолипиды характеризуются тем, что вместо глицерина в составе их молекул содержатся двухатомные спирты: этиленгликоль или пропандиол; что одноцепочечные липиды. По физико-химическим свойствам, например растворимости. Диольные фосфолипыды напоминают лизоформы фосфопипидов. В отношении клеточных мембран они обладают более сильной разрушающей способностью. чем лизолецитин. В малых дозах диольные фосфолипиды не повреждают мембрану, а лишь изменяют ее свойства, например повышают проницаемость для небольших молекул и ионов. В больших дозах они снижают рецепцию ацетилхолина, модифицируют иммунные реакции клеток. По-видимому, некоторые клетки используют это свойство –

начинают интенсивно сиптезировать диольные липиды в период быстрого роста и прекращают их образование, когда клеточный рост замедляется. Возможно, это связано с тем, что в период роста клеток их мембраны должны быть более лабильными.

Дифосфатидилглицериды образуются в результате соединения двух молекул фосфатидилглицерида. Наиболее широко распространенным представителем этой группы фосфолипидов является кардиолипин - непременный компонент митохондриальных мембран, выделенный первоначально из сердечной мышцы.

Значительная часть фосфолипидов в мозге представлена фосфатидилэтаноламинами (на долю которых приходится 25-30°/о суммарного содержания) и фосфатидилхолинами (табл. 1.3). Состав фосфолипидов обогащенных фракций нейронов и нейроглии коры мозга крысы представлен в таблице 1.4.

Сфинголипиды. Как упоминалось выше, кроме глицерофосфолипидов в группу фосфолипидов входят и сфинголипиды, которые можно представить как производные церамида (жирнокислотного эфира ненасыщенного аминоспирта сфингозина) и монофосфорных эфиров спиртов. В случае наиболее распространенного сфинголипида - сфингмииелина - таким эфиром является фосфорилхолин; один из его углеводородных хвостов - длинная алифатическая цепь сфингозина, а другой -этерифицированная жирная кислота (рис. 1.7). Основным блоком всех сфинголипидов является сфингозин, который представлен длинно цепочечным аминодиолом с одной ненасыщенной связью.

Сфингомиелин может быть определен как церамидфосфорилхолин. Это - единственный фосфолипид мозга, который является также и сфинголипидом. Сфингомиелин содержится в больших количествах в белом веществе мозга, в миелиновых оболочках нерв-ных стволов. Несколько ниже его содержание в сером веществе (см. табл. 1.3). В развивающихся нейронах особенно интенсивно синтезируется сфингомиелин аксонального отростка.

Основным сфингозином мозга является С18-сфингозин,а количество С16-, С20- и С22-сфингозинов - значительно меньшее. Жирные кислоты, входящие в его состав, - длинно цепочечные и содержат мало двойных связей. Обычно это лигноцериновая С24:0 и нервоновая С24:1 кислоты. В сером веществе мозга до 70°/о жирных кислот сфингомиелина представлено стеариновой кислотой С18:0.

В мозге присутствует также небольшое количество сфингозинов в насыщенной форме, образуя дигидросфингозины.

Церамиды. Повышенный интерес к этим промежуточным соединениям в метаболизме сфинголипидов, являющимся предшественниками в синтезе сфингомиелина и гликосфинголипидов, связан с тем, что в настоящее время установлено непосредственное участие церамида в работе сигнальных систем клетки. Церамид играет регулирующую роль в апоптозе, дифференцировке и старении клеток, а также в торможении клеточного цикла. Высвобождение церамидов из мембранного бислоя происходит при стимуляции нейрональных и глиальных клеток различными трофическими факторами. Функции церамила и его метлболитов в нейроне различаются в зависимости от внутри клеточной локализации церамида и стадии развития нейрона. Рост и развитие нейронов связаны с изменением метаболизма церамида. Синтез гликозилцерамида из церамида требуется для роста аксонов в культуре нейронов гиппокампа, а образование церамида из сфингомиелина с помощью сфингомиелиназы стимулирует ранние стадии развития этих клеток, а именно - формирование минорных нейрональных отростков и образование аксонов.

Гликолипиды клеточных мембран. Это гликозильные производные церамида, к которым относятся цереброзиды, сульфатиды и ганглиозиды.В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом; гидрофильная группа - углеводный остаток, присоединенный гликозидной связью к гидроксильной группе у первого углеродного атома церамида (рис. 1.8 и 1.9).

Цереброзиды (от лат. сегеЬгит - мозг) впервые были обнаружены в составе мозга. Молекулы цереброзида образованы остатками аминоспирта сфингозина, жирной кислоты и углевода (галактоза, реже глюкоза с образованием галактоцереброзида или глюкоцереброзида). В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды, содержащие моно- или олигосахаридный остаток, и ганглиозиды, к ОН-группе которых присоединен сложный, разветвленный олигосахарид- N-ацетилнейраминовая кислота.

Все цереброзиды в мозге взрослого человека в норме являются галактоцереброзидамы. Глюкоцереброзилы обнаруживаются в мозге только в определенных патологических условиях и в небольших количествах. Обнаруженные в цереброзидах жирные кислоты содержат в основном 24 атома; чаше всего встречаются нервоновая, цереброновая и лигноцериновая кислоты. Цереброзиды могут быть отнесены как к гликолипидам, так и к сфинголипидам, поскольку эти соединении содержат и гексозу, и сфингозин.

Сульфатиды представляют собой галактоцереброзиды с дополнительной сульфатной группой, присоединенной к галактозе; при этом сульфатидом является церамидгалактоза-SO4.Гликолипиды (в первую очередь цереброзиды и сульфатиды) в большом количестве присутствуют в белом веществе мозга. Цереброзицы и сульфоцереброзиды рассматривают как специфические гликолипиды мембран глиальных (прежде всего олигодендроглиальных и шванновских) клеток, поэтому особенно высоко содержание этих липидов в миелине. Количество цереброзидов в астроцитах и особенно в мембранах нейроном заметно ниже, чем в олигодендроцитах. Нарушение обмена цереброзидов у человека приводит к психическим заболеваниям.

Ганглиозиды определяются как сфингогликолипиды, содержащие сиалоную кислоту. Сиаловой кислотой называют N -ацилнейраминовую кислоту (при этом сиаловая кислота в ганглиозидах мозга всегда ацилирована). Ганглиозиды обнаружены во всех типах клеток нервной системы, но наиболее богаты ими мембраны нейронов, прежде всего - мембраны синаптических окончаний.

Ганглиозиды не только являются структурным компонентом нейрональных мембран, но и обладают регулирующим влиянием на процессы пролиферации (см. гл. 1.7) и регенерации клеток, а также выраженным нейротрофическим и нейритогенным эффектами; они способны предотвращать дегенерацию культивируемых нейронов мозжечка, вызываемую глутаматом или каинатом. Кроме того установлено, что ганглиозиды ингибируют перекисное окисление липидов в изолированных синаптосомах мозга крысы.

Известно, что ключевым моментом в реализации нейротоксичсского (экзайтотоксического) действия возбуждающих аминокислот при взаимодействии их с глутаматными рецепторами является гиперактивация ионных каналов, сопровождающаяся избыточным поступлением Са2+ в клетки и активацией Са2+-зависимых протеиназ и фосфолипаз, что в итоге приводит к необратимому повреждению нейронов. Имеются данные, указывающие на наличие в этих процессах свободнорадикальных реакций. Установлено, что нейрональная дегенерация, вызванная каинатом, опосредуется супероксидными радикалами, генерируемыми ксантиноксидазой. Защитный эффект мембранных ганглиозидов, по-видимому, обусловлен образованием доменов, обогащенных этими липидами, которые оказываются способными стабилизировать нейрональные мембраны и в конечном итоге защищать нейроны от окисления.

Природной функцией ганглиозидов в нейрональных мембранах является участие в дифференцировке нейрональной ткани. Ганглиозиды лимфоцитов определяют видоспецифичность и регулируют межклеточные контакты.

Стероиды. Это спирты со стерановым скелетом,к которым относятся как немембранные липиды (из них наиболее важные стероидные гормоны),так и структурные компоненты мембран.В перечень мембранных компонентов етероидного ряда входят холестерин, ситостерин, тетрахименин. В тканях животных распространен холестерин. В растительных клетках холестерин не обнаружен, его заменяют фитостерины. У бактерий стероиды отсутствуют. Холестерин и его эфиры - непременные составляющие плазматических мембран клеток животных (рис. 1.10).

Молекула холестерина не содержит длинных жирнокислотных цепочек, она состоит из четырех плоских колец, к одному из которых (шести-членному) присоединена полярная гидроксильная группа (-ОН), а наиболее отдаленное от него пятичленное кольцо соединено с разветвленной углеводородной цепочкой из восьми атомов углерода. Таким образом, молекулы холестерина имеют полярную головку и вытянутую в длину неполярную часть. Поэтому они хорошо встраиваются в бислойные липидные структуры, особенно в области мембранных дефектов, образующихся в результате фазового перехода липидов (рис. 1.1 1).

Особенно много холестерина содержится в наружных мембранах. Например, в плазматической мембране клеток печени холестерин составляет около 30°/о всех мембранных липидов.

Холестерин является единственным стеролом, представленным в значительном количестве в мозге взрослого человека. У человека средняя концентрация холестерина в ЦНС выше, чем в любой другой ткани (свыше 20 мг/г). Несмотря на то что мозг составляет всего около 2°/о

веса тела, почти 25°/о общего количества холестерина, присутствующего в организме, локализовано в этом органе, причем большая его часть находится в миелине. Довольно высокое содержание холестерина характерно и для плазматических мембран других клеток нервной ткани. Например, в плотных миелиновых мембранах холестерин и фосфолипиды содержатся в соотношении 1: 0,76; в олигоденгдроглии -1: 2,2; в астроглии - 1: 2,5; в нейронах - 1: 3,5 (табл. 1.5).

Небольшие концентрации десмостерина и эфиров холестерина обнаружены в ЦНС человека и некоторых животных на ранних стадиях развития, а в ЦНС взрослых организмов все стероиды представлены преимущественно неэстерифицированным холестерином. В ЦНС холестерин находится в основном в олигодендроглии и в плазматической мембране астроцитов и нейронов.

Метаболизм холестерина в ЦНС существенно отличается от метаболизма в других органах и тканях. У всех животных организмов наибольший рост и дифференцировка ЦНС наблюдаются в ранний постнатальный период, и холестерин, расходуемый на формирование плазматических мембран и компактного миелина, образуется исключительно в ходе очень интенсивного синтеза de novo в мозге (главным образом в астроцитах).

В отличие от других тканей организма, где интенсивный синтез холестерина продолжается в течение всей жизни, в мозге человека и животных скорость обновления этого липида значительно снижается с возрастом. Так, в мозге взрослого человека скорость обновления холестерина составляет всего 0,03°/о в день (по сравнению с 0,7°/о в день для организма в целом).

В настоящее время нет доказательств поступления холестерина в головной или спинной мозг из крови. У взрослых организмов скорость его синтеза превышает потребность в нем, и экскреция холестерина из ЦНС происходит с образованием 24-(С)-гидроксихолестерина. Уровень холестерина в крови и интенсивность его обмена имеют большое значение для развития ряда нейродегенеративных болезней, в частности болезни Альцгеймера.

Сравнивая молярное содержание основных классов липидов в специализированных клетках мозга (см. табл. 1.5), можно увидеть, что олигоденцроглия и миелин обогащены цереброзидами, а в нейронах и астроглии более высоко содержание фосфолипидов. Это лишний раз подтверждает то, что плазматические мембраны нейронов и глиальных клеток отличны от миелина.

Жирные кислоты. В состав молекул как фосфо-, так и гликолипидов входят ацильные радикалы различных жирных кислот (табл. 1.6). Как правило, жирнокислотные радикалы имеют четное количество атомов углерода — от 14 до 24; чаще всего встречаются жирные кислоты с 16 или 18 атомами углерода. Жирные кислоты с нечетным числом атомов встречаются только в составе цереброзидов и ганглиозидов. Наиболее распространены кислоты С16, С18 и С20. Жирные кислоты различаются как длиной цепи, так и степень о ненасыщенности, которая может быть различной; чаще встречаются ненасыщенные жирные кислоты 18: 1, 18:2, 18:3 и 20:4. Первое число в соотношении обозначает длину ацильной цепи, а второе указывает на число содержащихся в ней двойных связей. Ненасыщенные кислоты мозга могут содержать от одной (моноеновые) до шести (полиеновые) двойных связей. Особенностью липидов мозга является относительно большое содержание длинноцепочечных полиеновых кислот — С20: 4, С20: 5,

С22: 6. Если ненасыщенной является лишь одна жирнокислотная цепь, то она присоединена ко второму углеродному атому глицерина. Почти все природные кислоты характеризуются цис-конфигурацией двойных связей. Цепь в такой конфигурации имеет излом, что нарушает упаковку липидных молекул в бислое (см. гл. 1.4). Отдельные классы липидов мозга характеризуются своим набором жирных кислот. Имеет место также определенная специфичность жирнокислотного состава липидов разных отделов мозга, разных типов клеток и субклеточных структур (табл. 1.7). Например, в синаптических мембранах велико содержание жирных кислот С22:6, а в миелине - моноеновых кислот С18:1.

В липидах мозга набор жирных кислот гораздо шире, чем в липидах других тканей; это существенно увеличивает спектр индивидуальных липидов мозга. Разнообразие жирных кислот в этом органе поражает. Применение различных физических методов исследования, включая газожидкостную хроматографию, ЯМР-спектроскопию, масс-спектрометрию, позволило обнаружить наличие в головном мозге более 50 жирных кислот, длина цепи которых колеблется от 12 до 38 углеродных атомов, что было показано, например, для мозга крысы. Длинно цепочечные (более 24 атомов углерода) полиненасыщенные с четырьмя, пятью и шестью двойными связями жирнокислотные цепи локализованы преимущественно во фракции фосфатидилхолина. В мозге и сетчатке глаза человека во фракции фосфатидилхолина также были обнаружены относительно высокие концентрации полиеновых жирных кислот с длиной цепи 34, 36 и 38 углеродных атомов, которые присоединены к первому атому углерода молекулы глицерола (см. рис. 1.5), а к атому углерода во второй позиции присоединены насыщенные, моноеновые и полиеновые жирные кислоты с длиной углеродной цепи менее 24 атомов. Такие необычные молекулярные формы фосфатидилхолина позволяют предположить его физиологическую значимость для функционирования мозга.

Мозг млекопитающих содержит высокий уровень докозогексаеновой кислоты (ДГК); она является главным компонентом жирнокислотного состава фосфолипидов серого вещества мозга человека. В таблице 1.8 приведено содержание ДГК в фосфолипидах мозга человека и млекопитающих.

Из таблицы видно, что значительное количество ДГК содержится в клетках внутренних органов и мышц, а также в палочках сетчатки глаз. Однако в нервной ткани содержание ДГК наиболее высоко. Возможно, что высокий уровень докозогексаеновой кислоты в синаптических мембранах необходим для активного транспорта ионов, так как активность Nа/К-АТФазы в них зависит от присутствия в составе фосфолипидов полиеновых кислот. Изменения концентрации ДГК в мозге сопровождаются нарушения-. ми познавательной и поведенческой активности животных (табл. 1.9). Установлено, что при уменьшении содержания ДГК в мозге крыс наблюдается ухудшение зрительных и обонятельных функций при выполнении ими обучающих тестов. Дополнительно к ухудшению выполнения задач ассоциативного обучения у таких крыс обнаруживаются потеря пространственной памяти и ослабление обоняния. Таким образом, можно заключить, что уменьшение содержания ДГК в мозге затрагивает существенные функции высшей нервной деятельности. В мозге имеются реryляторные механизмы, поддерживающие степень ненасыщенности и специфический жирнокислотный состав липидов.

Поиск по сайту: