Введение в нейробиологию

4. Липиды мозга

Нейробиолог Филипп Хайтович: «Человеком нас сделал жир в мозге»

Свойства липидов мозга 

  • Липиды имеют множество функций в мозге. 
  • Мембранные липиды являются амфифильными молекулами. 
  • Гидрофобные компоненты многих липидов состоят либо из изопреноидов, либо из жирных кислот и их производных. 
  • Изопреноиды представляют собой структуры с пятью углеродными атомами. 
  • Жирные кислоты представляют собой карбоновые кислоты с длинной цепью, которые могут содержать одну или несколько двойных связей

Липиды являются не только структурными компонентами ЦНС, но и важнейшими участниками функциональной активности. Головной мозг характеризуется высоким содержанием липидов (более 50% сухой массы).

Мозг содержит уникальные мембранные структуры — миелиновые оболочки, которые имеют самое высокое содержание липидов (до 80%) по сравнению с другими тканями или субклеточными структурами, за исключением адипозной ткани. Для ЦНС характерно и наибольшее структурное разнообразие липвдов по сравнению с мембранами других органов. Липидный состав нервной ткани практически постоянен и остается неизменным даже под влиянием внешних факторов (диета, гормоны, фармакологические вещества, стрессы), которые меняют липидный состав висцеральных органов и плазмы. Это — следствие защищенности ЦНС от различных внешних воздействий. Изменение липидного состава нервной ткани рассматривается обычно как патология, хотя при этом следует помнить, что существенные изменения в липидном составе нервной системы происходят в период развития.

Вся сложнейшая деятельность нервной ткани опосредуется через мембраны, в формировании и функционировании которых липиды принимают непосредственное участие.

В клетках нервной системы представлено несколько типов высокоспециализированных мембран: соматические мембраны мульти- и униполярных нейронов, мембраны дендритов, миелинизированных и немиелинизированных аксонов, аксонного холмика, где генерируется потенциал действия, мембраны рыхлого и компактного миелина, мембраны синаптических пузырьков, пре- и постсинаптические мембраны, мембраны макро- и микроглии. Возбудимость этих мембран колеблется в широких пределах от высоковозбудимых (синаптические, аксонного холмика) до относительно устойчивых мультимембранных структур миелина. В составе, строении и функционировании мембран нервной ткани еще очень много неясного. Для того чтобы раскрыть надмолекулярную организацию этих мембран, надо иметь достаточно полное представление об их липидном и белковом составе. Однако исследователи пока не владеют этими сведениями в полной мере , хотя ряд важных закономерностей уже намечен.
Липидный состав серого и белого вещества мозга человека представлен в табл. 4.1, а различных клеток мозга — в табл. 4.2. Видно, что липидный состав белого вещества ближе к миелину, а серое вещество содержит меньше типичных миелиновых липидов (цереброзидов, сульфатидов, фосфатидилэтаноламина), но относительно больше ганглиозидов.

Сравнивая молярное содержание основных классов липидов в специализированных клетках мозга, можно видеть, что олигодендроглия и миелин наиболее обогащены цереброзидами, а нейроны и астроглия имеют более высокое содержание фосфолипидов. Это лишний раз подтверждает, что плазматические мембраны совершенно отличны от миелина. Состав фосфолипидов обогащенных фракций нейронов и нейроглии коры мозга крысы представлен в табл. 4.3.

Чем более анатомически дифференцированно подходить к нервной ткани, тем больше различий обнаруживается в липидном составе, поскольку функционально различные нейрональные и глиальные клетки имеют своеобразный липидный состав. В состав большинства липидов входят жирные кислоты.

В мозге они гораздо разнообразнее, чем в других тканях. Это намного увеличивает число индивидуальных липидов мозга. Содержание жирных кислот в головном мозге гораздо выше, чем в других органах, и составляет примерно 20-25% в расчете на сухую массу ткани. Разнообразие жирных кислот в этом органе поразительно. Применение газожидкостной хроматографии позволило продемонстрировать наличие в головном мозге более 50 жирных кислот с длиной цепи от 12 до 26 углеродных атомов, среди которых найдены насыщенные, ненасыщенные, нормальные, гидроксизамещенные, нечетные и др. Ненасыщенные кислоты мозга могут содержать от 1 до 6 двойных связей. Особенностью, липидов мозга является относительно большое содержание длинноцепочечных полиеновых кислот 20:4, 22: 5, 22:6. Отдельные классы и фракции липидов мозга характеризуются своим набором жирных кислот. Имеет место также определенная специфичность жирнокислотного состава в липидах разных отделов мозга, разных типов его клеток, субклеточных структур.

Таблица 4.2. Состав липидов основных типов нервных клеток мозга крысы (мкмоль/мг сухой массы)

Липиды

Нейроны

Астроглия

Олигоден-дроглия

Миелин

Холестерин

6,610

14,100

10,800

54,900

Цереброзиды

0,513

0,689

2,610

22,000

Сульфатиды

0,090

0,142

0,472

2,890

Общие фосфолипиды

22,400

35,600

23,400

41,800

Ганглиозиды

0,223

0,582

0,239

0,0453

Молярное отношение: холестерин – цереброзиды-фосфолипиды

1:0,075:3,5

1:0,05:2,5

1:0,25:2,2

1:0,40:0,76

Иллюстрацией этого могут служить данные табл.4.4, где приведен жирнокислотный состав фосфолипидов синаптосом и миелина — двух разных типов мембранных структур ЦНС резко различающихся по своему происхождению и функциям.

Основные фосфотриглицериды мозга и точки гидролиза фосфолипазами показаны на рисунке

 

На рисунке структура фосфоглицеридов. В большинстве липидов Х представляет собой ацил, то есть R (C). В алкиловых эфирах, присутствующих главным образом в мозге этаноламинфосфоглицериды (2 - 3%), X является длинноцепочечным углеводородом (C16, C18). Для плазмогагенов, составляющих около 60% взрослого человеческого мозга PtdEtn, X представляет собой 1-алк-1-енил (то есть CH CH- R). Стрелки указывают места ферментативного гидролиза фосфоглицеридов. PLA1, фосфолипаза A1; PLA2, фосфолипаза A2; PLC, фосфолипаза C; PLD, фосфолипаза D. Обратите внимание, что мио-инозитол записывается в d-конфигурации, где 1-я позиция связана с частью PtdOH. Для полифосфоинозитидов в 3, 4 или 5 положениях присутствуют дополнительные фосфатные группы. Стереохимии инозита принято рассматривать с использованием представлений черепахи.


Таблица 4.3. Содержание индивидуальных фосфолипидов в коре мозга крысы

Фосфолипиды

Нейроны

Нейроглия

Лизофосфатидилхолин

3,9

1,9

Фосфатидилхолин

46,1

46,9

Сфингомиелин

6,7

9,5

Фосфатидилсерин

9,1

7,1

Фосфатидилинозит

7,7

5,9

Фосфатидилэтаноламин

25,1

24,9

Фосфатидная кислота

1,8

3,6

В синаптосомах велико содержание жирных кислот — С 22:6, а в миелине высок процент моноеновых кислот — 18:1. Возможно, что высокое содержание докозагексаеновой кислоты в синаптосомах необходимо для активного транспорта ионов, так как активность №+, К+-АТФазы в них зависит от присутствия полиеновых кислот в фосфолипидах. В мозге имеются регуляторные механизмы, поддерживающие степень ненасыщенности и специфичность жирнокислотного состава в липидах.

 

 

 

Таблица 4.4. Состав жирных кислот фосфолипидов синаптосомальных и миелиновых мембран коры мозга обезьяны (% от общего содержания кислот)

Шифр жирной кислоты

Фосфатидилхолин

этаноламин

серин+монофосфоинозитид

 

синаптосомы

миелин

синаптосомы

миелин

синаптосомы

миелин

18:0

12,4

17

25,5

15,9

44,3

43

18:1

27,2

42,3

12,1

33,2

11,4

38,5

20:1

0,7

0,9

1,6

'

9,3

2,5

20:4

3,8

3,2

10,1

11,6

8,3

6,3

 

Изменение жирнокислотного состава приводит к нарушению функциональной деятельности мозга.

 

 Таблица 4.5. Распределение жирных кислот в фрагментах диацилглицерина фосфоглицеридов мозга крыс

C-1

C-2

PtdIns (mol %)

PtdIns4,5P2 (mol %)

PtdCho (mol %)

PtdEtn (mol %)

PtdSer (mol %)

16:0

22:6

1.4

0.1

3.3

4.8

0.8

16:0

20:4

7.8

9.5

4.4

2.3

0.6

18:1

20:3

4.1

1.1

Tr

Tr

Tr

18:0

22:6

Tr

1.0

2.5

17.6

42.4

14:0

16:0

0.6

0.4

3.1

1.5

0.8

18:0

22:5

1.0

0.7

0.4

0.2

5.3

18:0

20:4

49.5

66.1

3.8

22.5

3.8

18:1

18:1

1.7

2.1

3.4

11.1

7.0

16:0

18:1

12.7

6.5

36.2

15.8

9.1

16:0

16:0

6.9

1.4

19.2

0.7

Tr

18:0

18:1

7.0

4.6

14.1

14.8

23.7

 

PtdIns, фосфотидилинозитол; PtdIns(4,5)P2, фосфотидилинозитол-4,5-дифосфат; PtdCho, фосфатидилхолин; PtdEtn, фосфатидилетаноламин; PtdSer, фосфатидилсерин.

Строение основных сфинголипидов мозга


Рис.Структура некоторых простых сфинголипидов. X может быть сложным полисахаридом, содержащим сиаловую кислоту (ганглиозиды) или нет (глобозиды). См. Также следующие рисунки 3-4 и 3-9 для понимания номенклатуры и структуры некоторых сложных сфинголипидов мозга.


(A) Структура основного ганглиозида головного мозга, который называется GD1a в соответствии с номенклатурой Svennerholm. G обозначает ганглиозид, D обозначает дисдиало, 1 относится к основному основанию тетрасахарида (Gal-GalNac-GalGlc-) и отличает позиционные изомеры в терминах расположения остатков сиаловой кислоты (см. Также фиг.3-9). В номенклатуре IUPAC-IUB этот ганглиозид называется IV3NeuAc, II3NeuAc-Gg4Cer, где римские цифры обозначают сахарный фрагмент (из церамида), к которому прикреплены сиаловые кислоты (NeuAC), а аравийский цифровой надстрочный символ обозначает положение в сахарном фрагменте где NeuAC прилагаются; Gg относится к сериям ганглио (Gal-GalNAc-Gal-Glc) и индексу 4 к четырехуглеводной магистрали для серии «ганглио». (B) Структура сиаловой кислоты, также называемая N-ацетилнеураминовой кислотой (NeuAc или NANA). Ганглиозиды мозга человека - все производные N-ацетила; однако некоторые другие млекопитающие, такие как коровы, в мозгу могут содержать N-гликолильные производные. Предшественником метаболического биосинтеза для сиалилирования гликоконъюгатов является CMP-сиаловая кислота, образующая фосфодиэфир 5'OH цитидина и 2-положение нейрамининовой кислоты.