Энергетическое обеспечение мозга и организма в целом осуществляется благодаря расщеплению высокомолекулярных веществ. Процесс распада сложных соединений на более простые носит название катаболизма. При катаболизме углеводов, жиров и белков высвобождается энергия, которая частично накапливается в виде макроэргических соединений – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), креатинфосфата – и частично расходуется в виде тепла. Под макроэргическими понимают соединения, имеющие химические связи, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. Эти соединения называют «энергетической валютой клетки» [Р. Марри с соавт., 1993]. Их энергия в дальнейшем используется для обеспечения различных видов жизнедеятельности (биосинтетических процессов, создания и поддержания электрических потенциалов клеточных мембран, мышечного сокращения и т. д.). Важнейшие метаболические пути катаболизма – для углеводов это цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), гликолиз и гликогенолиз, для жирных кислот это бета-окисление, для аминокислот существует их собственный путь распада.

Синтез энергии, связанный с образованием основного макроэргического соединения – аденозинтрифосфата (АТФ), происходит как путем аэробного (в присутствии кислорода) окисления с помощью ферментов митохондриальной редокс-цепи, так и анаэробным путем в реакциях гликолиза, ферменты которого локализованы в цитоплазме клетки. Система аэробного образования АТФ является высокоэкономичной. В результате аэробного окисления в реакциях митохондриальной дыхательной цепи образуется 36 молей АТФ, а в реакциях гликолиза – только 2 моля АТФ. При этом аэробное окисление является и более экологически чистым процессом, так как в его реакциях происходит полное сгорание субстрата с образованием лишь воды и углекислого газа. В процессе же гликолиза в организме накапливается молочная кислота, которая способствует развитию внутриклеточного ацидоза, отрицательно влияющего на активность многих ферментов.

Главным поставщиком энергии в большинстве клеток млекопитающих является именно аэробный синтез энергии. Считается, что гликолиз выполняет роль компенсаторного механизма образования энергии, активируясь при недостаточности или нарушениях функции аэробного окисления [5] .

Как анаэробный, так и аэробный процессы превращения глюкозы имеют одинаковые механизмы вплоть до образования пировиноградной кислоты. В дальнейшем пируват транспортируется в митохондрии, где происходит его декарбоксилирование до ацетил-СоА. В митохондриях через цикл Кребса последний окисляется до углекислого газа и воды.

Катаболизм липидов включает их гидролиз, в результате которого образуются глицерол и жирные кислоты. Свободные жирные кислоты транспортируются в митохондрии, где они расщепляются в процессе бета-окисления. Ацетил-СоА, образующийся при бета-окислении, также катаболизируется в цикле Кребса.

Белки подвергаются гидролитическому окислению, главным образом в лизосомах, с образованием аминокислот. Дальнейший катаболизм многих аминокислот начинается с отщепления аминогруппы, которая в конечном итоге выводится в виде мочевины. Углеродные фрагменты аминокислот метаболизируются в цикле Кребса через ацетил-СоА.

Если в результате полного окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, то в результате окисления одной молекулы жирной кислоты, например, пальмитата, образуется до 129 молекул АТФ, а выход АТФ при окислении аминокислот примерно соответствует выходу АТФ при окислении глюкозы [Фокин В.Ф., Пономарева Н.В., 2003].

Митохондрии, в которых осуществляется аэробный синтез АТФ, – это субклеточные сложно организованные образования, выполняющие роль генераторов и преобразователей энергии. Они имеют двойную мембрану (наружную и внутреннюю) и внутри мембранное пространство – матрикс. В матриксе находятся преимущественно ферменты, участвующие в предварительной деградации энергетических субстратов и подготовке их к последующим окислительным превращениям в дыхательной цепи, в том числе и ферменты цикла трикарбоновых кислот. Внутренняя мембрана образует кристы, разделяющие внутримембранное пространство на сообщающиеся отсеки. Основные ферментные системы, участвующие в процессах окислительного фосфорилирования и образования АТФ, локализованы во внутренней мембране митохондрий и кристах и получили название митохондриальной дыхательной цепи.

Современные представления о механизме работы дыхательной цепи основываются на хемиосмотической гипотезе Митчелла, согласно которой в процессе дыхания (восстановления кислорода) окисление дыхательных субстратов катализируется дыхательными ферментами, локализованными на одной из сторон внутренней мембраны митохондрий. В результате этой реакции электрон присоединяется к ферменту, а образовавшийся протон высвобождается из мембраны и уходит в воду. Электрон же переносится ферментом на другую сторону мембраны, восстанавливая фермент, проявляющий к нему акцепторные свойства, или кислород. При восстановлении фермента или кислорода происходит связывание протонов по другую сторону мембраны. Таким образом, осуществляется направленный перенос протонов из одного компартмента митохондрии в другой, а разделительная мембрана препятствует восстановлению равновесия между ними. Концентрирование протонов по одну сторону мембраны в процессе дыхания представляет собой осмотическую работу по переносу ионов против градиента их концентрации. В процессе окисления субстрата и восстановления кислорода совершается также химическая работа. Осмотическая энергия, накопленная в виде разности концентраций протонов между компартментами, разделенными мембраной, расходуется на химическую работу – синтез АТФ. Иными словами, энергетические ресурсы вначале используются для образования протонного потенциала, который затем расходуется на синтез АТФ. Таким образом, отличительной особенностью мембранных окислительных процессов является выполнение одновременно двух видов работ – химической и осмотической.

Считается, что митохондриальная дыхательная цепь состоит из четырех ферментных комплексов, находящихся в термодинамическом равновесии. Связующими звеньями переноса восстановительных эквивалентов между митохондриальными ферментными комплексами (МФК) являются специальные посредники – высокомолекулярные переносчики, способные участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Один из них – убихинон (СоQ)  – обеспечивает связь между комплексами I и II, с одной стороны, и комплексом III – с другой. Второй посредник – низкомолекулярный белок цитохром с, который осуществляет связь между комплексами III и IV. Подробнее познакомиться с функционированием этих комплексов можно в следующей публикации: (Лукьянова Л.Д., 2002).

Дыхательная цепь может быть ингибирована в нескольких местах барбитуратами и антибиотиками. Повреждающее действие на дыхательную цепь оказывает также внутриклеточное закисление, возникающее, например, при усилении гликолиза. В этих случаях электроны ускользают из дыхательной цепи на уровне убихинона и прямо взаимодействуют с кислородом, генерируя свободные радикалы кислорода (Н. Nohl, V. Koltover, 1994), Последние, обладая повышенной реакционной способностью, могут вызывать так называемый окислительный стресс, оказывающий повреждающее действие на различные клеточные структуры. Грубые нарушения окислительного фосфорилирования, как правило, несовместимы с жизнью, что наблюдается, например, при действии цианида.

Неадекватное снабжение тканей и органов кислородом, возникающее как в условиях экзогенной гипоксии, так и при любой патологии, сопровождающейся нарушениями дыхательной, сердечно-сосудистой систем и транспортной функции крови, а также на фоне повышенных энерготрат, приводит к фазному ингибированию активности митохондриальных ферментных комплексов, подавлению аэробного синтеза энергии и дизрегуляции энергозависимых функций и метаболизма клетки (Фокин В.Ф., Пономарева Н.В., 2003).

В отличие от других органов, энергетические потребности мозга удовлетворяются в основном за счет аэробного катаболизма глюкозы.

При повышении энергетических потребностей (например, при стрессе) в нервной ткани увеличивается гликолиз. Анаэробное окисление усиливается также при некоторых видах патологии, в частности при гипоксии и ишемии, что сопровождается накоплением лактата. Это может происходить и после тяжелой черепно-мозговой травмы, при болезни Альцгеймера и др. (А. Zauner et al., 1997).

Если поступление глюкозы в мозг снижается, то в качестве энергетического источника могут быть использованы также продукты окисления жирных кислот – кетоновые тела [6] . При использовании кетоновых тел в качестве энергетического источника происходит закисление нервной ткани (ацидоз). Такой тип метаболизма у взрослого наблюдается при стрессе и некоторых видах патологии, например при сахарном диабете, гипертиреозе. Но даже в этих случаях за счет окисления свободных жирных кислот и кетоновых тел покрывается не более 20 % энергетических потребностей мозга.

В качестве энергетического источника мозг может также использовать аминокислоты. В этом случае распад осуществляется по метаболическому пути, получившему название шунта гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Использование шунта ГАМК при дефиците глюкозы может приводить к повышению уровня ГАМК в случае увеличения расхода энергии. Так как ГАМК является тормозным медиатором, то повышение ее уровня снижает функциональную активность определенных отделов мозга. Этот процесс может рассматриваться как регуляция по механизму отрицательной обратной связи: высокая церебральная активность вызывает дефицит глюкозы, он запускает шунт ГАМК, в результате чего накапливается аминокислота, тормозящая мозговую активность. В норме использование шунта ГАМК ограничено.

Высокая скорость энергетического обмена мозга связана с интенсивным образованием макроэргических соединений – АТФ и креатинфосфата. Система креатинфосфат – креатин играет роль в стабилизации уровня макроэргических соединений мозга (Н.Д. Ещенко, 1999).

При гликолизе конечным продуктом обмена является лактат (молочная кислота), в цикле Кребса – углекислый газ и вода. СО2 частично вступает в реакцию с водой с образованием ионов Н+ и НСО3 -. Поэтому в целом при катаболическом превращении глюкозы и других веществ кислотно-щелочное равновесие (КЩР) смещается в кислую сторону (Фокин В.Ф., Пономарева Н.В., 2003).