构成脑的分子基础

脑的结构非常复杂，各分区功能亦各具特色。脑的结构以及不同分区的一切神经活动，都有其物质基础，即各种各样的化学分子。
脑的化学组成有水、无机分子和有机分子，其中以有机分子最为复杂。
水分子占脑组织成分的70～80%。在发生过程中较高级的部位所含水分子的量也多。在个体发育过程中，水分子的含量随年龄增加逐渐减少。如人胎儿大脑含水分91.1%，出生后1.5个月含水量为87.7%。6岁为80.0%,20岁则为77.5%。
脑组织中的无机分子以电解质为主，含有少量的硫、无机磷、卤素以及重金属等。
脑组织中电解质的含量差异极大，如在灰质中含钠、钾、氯较多，白质中含钙、镁较多。电解质的分布在细胞内、外也不均衡。钾离子主要存在于细胞内部，钠、氯离子主要存在于细胞外部。脑中的磷在白质中含量比灰质中高。磷化物的绝大部分是以有机磷化物形式存在，以大白鼠脑为例，磷蛋白含磷量占总含磷量的6.8%。磷脂含磷量最多，占67.6%。水溶性的磷化物占25.6%。幼小大鼠脑中水溶性磷含量最多，达53.5%，磷蛋白的含量为成年大鼠的2倍。脑中的硫则多与脂类结合成为硫脂，白质中含量约为0.09～0.15%，灰质含0.06～0.08%。脑中的卤素主要是氯，以氯化物形式存在，脑脊液含量最高，以猫为例，约含4.6g/L，脑皮质含量为0.00016%。脑中碘的含量平均为80～150×10-6%(即100g脑组织中含碘80～150μg)。此外还含有少量的溴，多以溴化物形式存在，灰质中较多，间脑也有一定含量。脑中的重金属含量少，但种类很多。100g干组织中重金属含量为：铁20～30μg，铜0.36～0.6mg，锌1.62mg，锰0.13mg，铅0.086 mg。此外还含有痕迹量的砷、锂、铝、硅、银、镍、铬、钡、镉、钴、钼、钛、镓等金属。
构成脑的有机分子约占全部固体物质的85%。其中脂类占40～75%，蛋白质约占26～45%，糖类含量很少，总量不超过0.04～0.06%。脑中脂类绝大部分以脂蛋白的形式存在。它是细胞膜、亚细胞结构的膜和髓鞘的结构成分。随着年龄变化，脑的不同部位脂的含量和组成都不同。例如磷脂和胆固醇在白质中的含量都高于灰质(表1)。在鼠脑中，出生后15天的大鼠磷脂和胆固醇的含量分别为21.34%和4.71%，出生后70天其含量分别为27.19%和7.07%。神经鞘磷脂是髓鞘的独特成分。

表1 脑中主要脂类的含量(每100g干重所含克数)

成 分	灰质	白质
磷脂类总量 1.磷脂酰甘油类：	22.9	30.7
磷脂酰胆碱（卵磷脂） 磷脂酰乙醇胺（脑磷脂） 磷脂酰丝氨酸 缩醛磷脂 2.磷脂酰肌醇 3.神经鞘磷脂 糖脂类总量 脑苷脂类 硫脂类 神经节苷脂类 甾醇类	6.3 8.1 3.1 0.6 1.2 3.6 7.1 6.5 1.2 0.4	4.6 9.4 7.0 1.6 1.3 6.8 20.8 16.3 4.0 0.5
游离胆固醇 中性脂肪	5.6 0.3	14 0.3

脑的蛋白质含量与机能活动有密切关系。机能活动最强的灰质，蛋白质含量最高，约含37%，白质只含27%。脑不同部位的蛋白质组成和结构都有差异。组成脑内蛋白质的氨基酸和机体其他器官大致相同，也有20种，这20种氨基酸构成的蛋白质具有极高的信息容量。研究较多的脑蛋白质可举出如下几种。
1. 髓鞘蛋白： 主要含有两种蛋白质：蛋白脂占髓鞘蛋白总量的50%,A1蛋白占髓鞘蛋白总量的30%，两种蛋白质共占髓鞘蛋白的80%。A1蛋白也称P1蛋白，不只存在于中枢神经，也存在于外周神经。在外周神经的髓鞘中还含有另外一种碱性蛋白，称为P2蛋白。A₁蛋白的分子量为18,400,P2蛋白的分子量为12,000。在外周神经中主要的蛋白质称为P₀蛋白，其分子量为30,000，占外周神经蛋白质总量的55%。P0蛋白不溶于水，亦不溶于氯仿-甲醇溶剂。

表2 A₁蛋白和P₂蛋白的氨基酸组成

氨基酸		赖	组	精	天冬	苏	丝	谷	脯	甘	丙	缬	甲硫	异亮	亮	酪	苯丙	色
	A1（牛）	7.65	5.88	10.69	6.47	4.12	11.18	5.88	7.06	14.71	8.24	1.77	1.20	1.77	5.88	2.35	4.71	0.59
	P2（兔）	10.8	1.9	5.9	8.3	8.8	6.9	10.3	3.8	10.8	6.7	5.9	1.6	4.2	7.3	1.9	4.3	0.8

数字表示该氨基酸在A₁或P2蛋白中所占的百分比
A₁蛋白约含有25%碱性氨基酸，丝氨酸和甘氨酸的百分比很高，含有一分子色氨酸、两分子甲硫氨酸，不含半胱氨酸。A1蛋白的构象为非折叠形。它的分子轴比为10:1 (在0.36mol/L NaCl中)，因此分子中无明显的二级结构。在90℃加热1小时，或用8mol/L尿素处理，A1蛋白的免疫活性仍不丧失。X线衍射和中子散射法证明，A1蛋白位于神经细胞膜双脂层外面，可和脂类的磷酸基团、硫酸基团以静电力互相吸引。分子中有五个部位含有8～10个不带正电荷的氨基酸残基，可以深入到非极性的脂肪区。
P2蛋白虽然也是碱性，但其碱性氨基酸种类之比和A₁蛋白有明显差异。两种蛋白中脯氨酸、丝氨酸、谷氨酸含量之比也有较大差异。P2蛋白是一条单链，链中有50%为β折叠结构。
A1蛋白是N-乙酰氨基半乳糖转移酶的受体。A1和P2蛋白的作用可能是固定髓鞘膜，防止流动。这种作用正和髓鞘作为轴突的绝缘外鞘功能相一致。
蛋白脂在中枢神经系统中含量丰富，也广泛存在于动物和植物组织，白质中含量特别丰富，构成髓鞘的主要成分。胎儿脑中或含少量，或无。蛋白脂的出现和积累与髓鞘化同时进行。中枢神经系统不同的解剖部位其蛋白脂含量不同，含量最高的部位为胼胝体和卵形中枢，含量高达湿重的2.5～2.8%，在灰质中的含量为白质中含量的1/5～1/10。在白质中蛋白脂几乎全部代表髓鞘蛋白。
蛋白脂的蛋白质部分（去脂蛋白）有两种形式，一种是溶于有机溶剂的亲脂形式，另一种是溶于水溶液的亲水形式。两种形式依一定条件可互相转化。去脂蛋白含有痕迹量磷(0.01～0.04%)和糖(<0.1%半乳糖)，但并不是糖蛋白，也不是磷蛋白或核蛋白。其磷可能是磷脂成分。糖可能是硫酯脑苷脂和脑苷脂的成分。去脂蛋白中含有2～3%的脂肪酸。但以脂的形式存在。去脂蛋白含有125个氨基酸残基，其分子量约为12,000。
2. 高酸性蛋白： 这是脑内第二大类蛋白质，而在中枢神经系统以外的其他器官很少见。又可分为两种： 一种称为S-100蛋白，因它溶于100%饱和度的硫酸铵溶液而得名；另一种为14-3-2蛋白。
S-100蛋白广泛存在于不同种动物脑中，白质中含量较多，皮质中含量较少，不存在于神经细胞体内，而存在于树突、轴突及突触。用免疫荧光抗体研究S-100蛋白，发现在小脑中浦肯野(Purkinje)细胞周围的胶质成分有强烈的荧光。S-100蛋白含有30%二羧基氨基酸，分子量为22,000～24,000，由分子量为6,000～7,000的几个亚基组成。S-100蛋白分子有6～8个具有不同亲和力的钙离子结合部位。钙离子与S-100蛋白结合后，可使其三级结构发生轻微变化，从而改变其构象。一价离子如K+，对钙离子有拮抗作用。S-100蛋白与钙离子在膜上的结合可能是导致钾离子穿过膜的因素。S-100蛋白和突触膜以及髓鞘膜的结合，只有当钙离子存在时才能实现。已发现S-100蛋白和学习过程有关。
14-3-2蛋白只存在于哺乳动物。鸟类、鱼类以及其他低等动物中都不存在。该蛋白在脑内分布普遍，既存在于细胞体，也存在于轴突、树突、突触构成的神经毡中。大脑灰质含量最多。在大鼠脑中，该蛋白约占全部可溶性蛋白质的0.14%。S-100蛋白在脑中比在其他组织中含量约高1,000倍，而14-3-2蛋白在脑中比在其他组织中至少高100倍。这两种蛋白都具有系统（神经系统）专一性，却不具有种属专一性。不同种来源的S-100和14-3-2蛋白都分别具有相同的电泳行为和免疫反应。14-3-2蛋白的电泳迁移度比S-100蛋白稍慢，且易于形成聚合体。S-100蛋白起源于神经胶质，而14-3-2蛋白属于细胞体蛋白。14-3-2蛋白分子量为78,000。单体分子量为39,000，该蛋白和某些神经活动有一定关系。
3. α₂糖蛋白：主要存在于脑白质的神经胶质细胞和脊髓以及视神经。该蛋白的末端有神经氨酸而呈酸性。在个体发育中α2糖蛋白的出现和组织学上髓鞘、胶质细胞、寡突细胞的出现密切相关。α2-糖蛋白由分子量为50,000和12,000的两个亚基组成。
4. 嗅叶蛋白： 为自嗅叶提取液中发现的一种蛋白，其最低分子量约20,000，等电点为4.7。
用免疫沉淀法表明，只有嗅叶提取液可与嗅叶蛋白抗体产生反应、发生沉淀的蛋白质相当于小鼠嗅叶提取液中可溶性蛋白质的0.5～1%。此种蛋白质在初生动物即含有相当量，以后随年龄增长而明显增加。用放射免疫及交叉反应法测得，该蛋白质只存在于啮齿类，分布于嗅叶、鼻嗅觉上皮、犁骨和鼻骨器官。
嗅叶蛋白合成于含该蛋白受体的组织，经轴索浆的流动到达嗅叶。该蛋白不存在于化学受体细胞和呼吸上皮组织，它存在的位置和感觉受体细胞的位置相一致。
5. 胶质原纤维酸性蛋白(GFAP):从多发性硬化脑的斑块中分离得到，亦存在于正常脑白质。含有大量天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸及亮氨酸，不含半胱氨酸。为球状蛋白。分子量在100,000以上。GFAP在新鲜溶液中最初以分子量为43,000的单体存在，若在冷条件下放置24小时，则聚合成分子量为120,000～160,000的大分子。
用兔GFAP形成的抗体血清与人脑提取液可产生交叉反应，其他组织器官包括外周神经都不产生交叉反应。说明该物质只存在于脑组织。GFAP无种属特异性，用抗人GFAP血清可与兔、豚鼠、大白鼠和狗等的脑提取液发生交叉反应。
6. 视觉系统蛋白（鸽）:将摘除一侧视网膜的鸽脑视叶和正常一侧相比较，发现当视网膜摘除3周后，在1.4～1.6mol/L蔗糖溶液中消失一条蛋白质沉降带。该沉降带在鸽的其他部位如终脑或脊髓都不存在，表明该蛋白质为（鸽）视神经专有蛋白。
7. 微管蛋白：构成神经原的微管结构的蛋白质。在脑提取液中，微管蛋白的含量占全部蛋白质的15～40%。随不同种属和年龄而异。分子量为110 000，沉降系数为6S。当用6mol/L盐酸胍或尿素将微管蛋白变性后，其分子量降为55,000，表明6S分子为二聚体。单体的分子量大小相同，但其氨基酸组成却不同。
微管蛋白为酸性蛋白，其等电点范围为5.2～5.4。在脑内可能存在有4种不同的微管蛋白亚基，其大小相当。在纤毛和鞭毛中的微管蛋白可能有5种亚基。微管蛋白的亚基转换率很迅速。该蛋白在神经功能中有重要作用，可能与细胞形状的保持，细胞的运动和细胞内物质的运输有关。
8. 神经微丝蛋白： 又称神经丝蛋白，是分子量小于45,000的酸性蛋白，其氨基酸序列与微管蛋白相似，其功能可能与细胞的运动，细胞质的川流运动，以及轴索的生长发育有关。
9. 核蛋白(NP): 为酸性蛋白，分子量25,000，用核糖核酸酶处理后，分子量变为19,000，含有分子量为6,000的多核苷酸短链。该蛋白和组蛋白以及钙离子有强的结合力，可能在胶质细胞中作为遗传信息表达的调控蛋白，具有与阳离子的结合能力，在脑活动中可能起着重要作用。
脑中还有其他多种蛋白质，含量少，但种类繁多。如垂体后叶的神经垂体蛋白、组蛋白、含铜蛋白、糖蛋白10B、脑特异膜蛋白等。这些蛋白都存在于特殊的细胞中，且都有重要作用。
除蛋白质外，脑内还有许多具有活性的肽类(参见“脑功能与生物活性物质”)。
神经组织中除蛋白质和肽类外，还含有丰富的游离氨基酸，其含量约为血浆中含量的6倍。
脑中谷氨酸、天冬氨酸及其衍生物是构成脑内游离氨基酸库的主要成分。谷氨酸、谷氨酰胺、γ-氨基丁酸、天冬氨酸以及N-乙酰天冬氨酸占游离氨基酸总量的2/3。脑中游离氨基酸的种类和其他组织中几乎都相同，只有N-乙酰天冬氨酸和γ-氨基丁酸(GABA)在其他组织中未曾发现。脑组织中游离氨基酸的含量见表3。

表3 脑组织中游离氨基酸的含量
（鲜脑重每千克含毫克数）

不同脑区的游离氨基酸含量不同。动物在不同年龄和不同发育阶段，脑中氨基酸含量也不同，但氨基酸的组份在某种程度上又是相对稳定的。不严重的饥饿和脱水对脑氨基酸代谢库没有显著的影响。氨基酸含量的个体差异可高达50%以上。脑中有些氨基酸含量有明显的生物活性(参见“脑功能与生物活性物质”)。
脑中的糖原含量不多(每100g含40～60毫克)。生理功能越复杂的部位含量越高，而且其中磷酸化酶的活性也越高，生理功能低的部位，糖原含量也低，磷酸化酶的活性也低。脑组织虽然主要依靠葡萄糖作为能量来源(参见“维持脑活动的能量来源”)，但脑中的葡萄糖含量(每100g含27～45mg) 远比其他组织为少。其含量随血糖含量而波动。脑中还存在着酵解过程的代谢中间物，如丙酮酸、乳酸以及三羧酸循环过程中的代谢中间产物。
脑中核酸的种类、构成，核酸的碱基组成和核酸的运转等与其他组织比较，都有差异。脑组织中皮质灰质的RNA含量远比白质高。大白鼠大脑皮质鲜组织每克含RNA 0.1～0.8mg。DNA和RNA的含量相当。DNA在灰质中含量较高，其98%以上集中在细胞核内，其余1～2%存在于线粒体中。与其他细胞一样，脑内的RNA主要为核糖体RNA(rRNA)，约占脑RNA总量的80%。rRNA的特性与其他组织中的相同，有三种不同的组份：18S、5S和28S，其碱基G+C/A+U比值为1.5～1.7。脑细胞核内有45S和32S的rRNA前体。在脑细胞核和细胞质内都发现有poly(A)RNA(多聚腺苷酸RNA)。成熟大鼠全脑的poly (A) RNA约占总RNA的5%，幼年大鼠则占6%以上。
脑线粒体RNA与其他组织线粒体不同，脑线粒体RNA含有poly(A)片段。除线粒体RNA外，还发现有突触RNA，其作用不明。脑内RNA受外界环境及化学物质等的影响很大。脑中mRNA的种类在成年脑比幼年或胚胎脑中多。在小鼠脑内mRNA的种类比非神经组织多。幼年动物和老年动物脑mRNA的种类不同，老年脑比幼年脑的mRNA分子量小，其所含的poly(A)也短。这可能反映它们之间脑功能的差异。
在个体发育过程中，两种核酸都在不断地增多，生长过程停止以后，DNA即不再增加，而RNA仍然随机体的发育长大而相应地增多。某些活动形式使胶质细胞和神经元在RNA含量和碱基组成方面都发生变化。在星状细胞内，tRNA的合成和甲基化都有特殊的分布区域。
除以上各类物质外，脑中还有许多其他化合物，如维生素、代谢中间产物、其他含氮物质、神经活性物质以及与各种物质代谢有关的酶类等等，所有这一切都是构成脑的分子基础。