Глутаминовая кислота и болезни мозга

При сбоях в организме возможна ситуация, когда в головном мозге нарушается баланс глутаминовой кислоты. Ничего хорошего при этом не происходит.

Гибель клеток мозга – эксайтотоксичность

В нормальных условиях глутаминовая кислота находится в особых пузырьках на отростках нейронов (аксонах) и выходит из них в момент подачи сигнала на клетку. Свободный глутамат поступает в межклеточное вещество, где взаимодействует с рецепторами принимающей сигнал клетки. Избыток глутамата захватывается специальными транспортными белками и поглощается вспомогательными нервными клетками – астроцитами. При сбоях возможна ситуация, когда избыточный глутамат остается  в просвете синапса — соединения двух нервных клеток. В этом случае возникает затяжной возбуждающий импульс.

В нейрон потоком идут ионы Кальция и Натрия, а из него выходит Калий. Нарушается баланс электролитов. Кальций активирует множество зависимых от него реакций, которые приводят к возрастанию концентрации свободных радикалов, в первую очередь супероксид-аниона и гидроксид-радикала, а радикалы, да еще свободные – это как террористы, выпущенные из тюрьмы, и ведут они себя точно так же: громят и крушат все на своем пути, разрушая клеточные мембраны, на которых идет синтез белка и выработка энергии, а там и до гибели не далеко.

На работу клеточных насосов, перекачивающих ионы Калия из клетки, а Натрий внутрь, уходит очень много энергии. Ресурсы  истощаются, а тут еще свободные радикалы громят энергетические станции. Нет энергии – нет жизни, нейрон погибает.

Механизм клеточной гибели, вызванной избытком глутаминовой кислоты, называют феноменом эксайтотоксичности.

Избыток глутамата может возникать по двум причинам:

1. Клетка, отдающая приказ, высвобождает его слишком много, и он не весь захватывается рецепторами клетки, принимающей сигнал.
2. Плохо работают белки-транспортеры, которые не успевают убрать глутамат из зоны синапса.

Разницы для организма никакой: и в том, и в другом случае – смерть.

Гибель нейронов, которую вызывает избыток глутаминовой кислоты, лежит в основе многих заболеваний, таких как биполярное расстройство, шизофрения, аутизм, а также депрессия, эпилепсия, нейродегенеративные заболевания, среди которых болезнь Альцгеймера, хорея Хантингтона, паркинсонизм, рассеянный склероз, боковой амиотрофический склероз.

Часть этих заболеваний имеют наследственную природу, и болезнетворные механизмы запускают неправильно работающие гены, которые производят дефектные белки, как при развитии хореи Хантингтона, но другие вызываются внешними причинами.

1. Острое кислородное голодание, вызванное нарушением кровообращения, что бывает при инсульте
2. Инфекции, при которых вырабатываются особые вещества, вызывающие воспаление: фактор некроза опухоли 2, интерлейкины и др.
3. Стресс острый и хронический

Глутаминовая кислота и инсульт

Для нормального функционирования головного мозга  на 100 грамм вещества мозга должно прокачиваться 50-55 мл. крови в минуту. При этом нейроны извлекают 50% содержащегося в ней кислорода и 10% глюкозы. Все это богатство в первую очередь идет на обеспечение нейронов энергией, а также на выработку нейромедиаторов и поддержание функционирования клеточных структур. При падении кровотока менее 50 мл\на 100 г. мозгового вещества в минуту снижается синтез белка. При кровотоке около 30 мл\на 100 г. ткани мозга\мин. нейрон переходит на выработку энергии путем гликолиза – неполного сгорания глюкозы с нарастанием промежуточного вещества – молочной кислоты (лактата) и закислением внутриклеточной среды (лактат-ацидоз), а в кислой среде все биохимические процессы идут через пень-колоду. В клетку поступает вода, нарастает внутриклеточный отек, при этом митохондрии – энергетические станции перестают работать.

  При снижении кровотока менее 20 мл\на 100 г. ткани мозга \мин нарушается поступление в нейрон кислорода и глюкозы. Это приводит к деполяризации клеточных мембран, т.е. мембрана не держит тот электрический заряд, который  должен быть на ней. Глутаминовая кислота истекает из хранилищ (синаптических пузырьков) в межклеточное пространство и замыкает NMDA-рецепторы.

Глутамат через NMDA-рецепторы регулируют поток ионов, образуя глутамат-ионный функциональный комплекс. Активированные глутаматом NMDA-рецепторы открывают широченные ворота для вхождения в клетку ионов Кальция, одновременно из клетки выходят ионы Калия. В норме ионный баланс должен вернуться к первоначальному, но при низком кровотоке этого не происходит. Глутамат плещется в межклеточном веществе, блокируя работу ионных ворот. Кальций нагнетается внутрь нейрона, и запускает зависимые от него биохимические процессы: активизирует ферменты, расщепляющие белки и жиры (протеазы и липазы). Процессы синтеза белка, в том числе считывание информации  с ДНК, парализуются. Вместо поддержания порядка идет распад структурных элементов клетки.

Процесс разрушения нервной клетки, запускаемый избытком внутриклеточного кальция в условиях недостатка кровообращения, называют ишемическим каскадом. Запускает ишемический каскад глутаминовая кислота через активизацию NMDA-рецепторов.

Процессы распада структурных элементов клетки ведут к возникновению оксидантного стресса: состоянию, при котором в клетке образуется огромное количество свободных радикалов, разрушающих внутриклеточные мембраны, состоящие из ненасыщенных жиров (липидов). Оксидантный стресс усиливает разрушительное действие ишемического каскада, оба процесса взаимообусловлены, образуя «порочный круг», в котором каждая последующая реакция ведет к дальнейшему усугублению процесса.

Свободные радикалы – это молекулы с непарным электроном, среди  которых ведущее место отводится активным формам кислорода. Кислород в норме – источник энергии для клетки, которую клетка получает при переносе электронов кислорода в сложном каскаде реакций на мембранах митохондрий. Какое-то количество свободных радикалов образуется постоянно, но в организме имеется антиоксидантная система, ликвидирующая активные соединения: каталаза, разлагающая перекиси и супероксидисмутаза, инактивирующая супероксидный радикал. Однако в условиях всеобщего раздрая происходит поломка дыхательной цепи, начинают образовываться сначала первичные свободные радикалы – супероксид-анионы и гидроксид-радикалы. Они инициируют образование реактивных молекул: перекиси водорода и гипохлорита,  а те,  вступая в реакцию с клеточными жирами (липидами) образуют гидроперекиси липидов. Эти соединения образуются в неферментативных реакциях, разрушая структуры клетки.

Внутри клетки проложены тоннели из трубочек, стенки которых состоят из жироподобного вещества – фосфолипидов. На этих структурах идет синтез белков, которые обеспечивают работу клетки. Свободные радикалы соединяются с молекулами фосфолипидов, изменяя их структуру, стенки мембран становятся вязкими, их барьерные функции нарушаются, происходит поломка клеточного каркаса, одновременно нарушается синтез белка. В клетке накапливаются «клеточный мусор»: обрывки мембран в соединении с активными формами кислорода. Антиоксидантные системы не справляются, свободных радикалов слишком много, а энергии для противодействия – слишком мало, средства производства (биологические мембраны) разрушены, чертежи и схемы (ДНК и РНК) уничтожены. Происходит истощение антиоксидантной системы и накопление продуктов перекисного окисления липидов, иначе говоря, медиаторов смерти нейронов.

Среди хаоса и разрушения бродят свободные радикалы, громя остатки клеточных структур. Апокалипсис в отдельно-взятой клетке.

Описанный механизм смерти клеток головного мозга запускается не только при инсульте, но и при других заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз, рассеянный склероз и другие.