脑的机能活动和代谢

脑中的代谢虽然与机体其他器官有许多共同性的规律，但脑机能活动的特异性，必然以脑代谢的特异性为基础。脑的正常机能活动都是由脑中各种代谢环节之间的相互联系实现的。当脑处于各种不同的机能状态时，也必然相应的代之以新的代谢平衡。某一代谢环节的异常，往往由某些酶的缺乏或损伤引起，都会导致脑功能的失常。
脑的正常机能活动，需要消耗大量葡萄糖作为能源。当葡萄糖供给不足时，肌肉、肝、肾等器官都可以氧化其他物质，而使其正常机能活动维持一较长时间，但脑的机能活动如葡萄糖供给不足，则即刻受到影响。例如低血糖昏迷的病人，心脏仍能继续跳动，而脑的正常机能活动却立即受到影响。自然睡眠时，脑的血流速度比觉醒时不是降低，而是有少许增加，但脑的呼吸强度却没有明显的变化。脑对氧的利用随着脑的机能活动有较大的变化。体力劳动不仅使机体增加对氧的消耗，也使脑对氧的消耗增加。焦虑和复杂的脑活动，都引起脑呼吸和代谢的明显加强。
脑中磷酸肌酸、ATP、无机磷的代谢变化是非常迅速的。ATP的不稳定磷酸基团的全部更新不超过1分钟。磷酸肌酸的磷酸基团更新更快。大脑处于睡眠或麻醉时，脑中的高能磷酸化合物即行积累。而当大脑处于高度活动的机能状态时，这些高能磷酸化合物即进行分解，同时糖酵解过程也加速，表现为脑中乳酸含量的增加。
脑中ATP酶的活性比其他组织都高。ATP酶和钠离子的跨膜转移有密切关系，即所谓“钠泵”。其转运反应如下：

P代表磷酸基团，Pi代表无机磷酸。
神经细胞的膜由于离子在膜内外两侧的不均衡分布，因此是以极化形式存在的。与极化现象有关的离子，在细胞内主要是钾离子和带负电荷的蛋白质大分子，在细胞外侧的离子主要是钠离子。当细胞处于相对静止状态时，细胞膜对钾离子、氯离子的通透性比对钠离子的通透性大得多，而对蛋白质大分子则完全没有通透性。因此根据浓度差，钾离子可扩散到膜外，而蛋白质大分子则只能停留在膜内。结果造成膜内为负，膜外为正的极化状态。在静止的细胞中，离子浓度和由此形成的一定的膜电位保持不变。这种状态的维持，需要消耗能量。当受到刺激时，细胞膜（轴突膜） 由于膜上脂蛋白分子的构象发生了变化而使膜的半透性发生变化，对钠离子的透性突然增加，而使钠离子从膜外顺着浓度梯度流向膜内。于是膜内正离子增多，发生膜的去极化现象。这种由分子活动而产生的去极化现象是形成动作电位的基础。对离子透性的进一步调整，使神经产生几毫秒的非兴奋状态，即不应期，这是由于膜暂时不透过钠离子，但却能透过钾离子的缘故。细胞膜去极化后，又发生对钠离子透性的回降。而对钾离子的通透性又增加。钾离子又顺着浓度梯度从细胞内向外流。出现膜的再极化现象，于是膜电位又恢复到静息水平。
神经纤维在活动时，发生了钠离子流向膜内和钾离子流向膜外的离子运转。这种运转都是顺着浓度梯度进行的，不需要消耗能量。但是当膜再极化时，亦即当神经细胞处于恢复期时，钠离子从细胞内向外流出，钾离子亦从细胞外流向膜内。这时钠离子和钾离子的运转都是逆着各自的浓度梯度进行的，是需要消耗能量的主动过程。这一过程有与膜结合的ATP酶参加反应。此酶可用去1/3脑代谢所产生的以ATP形式贮存的能量。
中枢神经系统的脂类也处于不断更新过程。当大脑兴奋时，例如用电流刺激时，脑中磷脂类的更新速度即有明显的增加，可高达原水平的1.5倍。而当大脑处于抑制状态时，例如药物睡眠，磷脂的更新速度即有明显的下降。当动物处于低温条件下，磷脂代谢率随着低温时间的延长而降低。例如当处于25℃连续80、100至120分钟，磷脂代谢率可降低4～6倍。
鞘脂类包括鞘磷脂和糖鞘脂类，是神经结构和细胞膜的重要成分。脑苷脂类、鞘磷脂、硫酸脂作为髓鞘的结构成分，可能在蛋白质与脂类的亲水及疏水基团的排布中起重要作用。神经节苷脂位于神经末梢，具有阴离子特性，可与乙酰胆碱、5-羟色胺、多巴胺、去甲肾上腺素、组胺等发生作用，可能在神经冲动经突触的传递中起重要作用。
神经节苷脂类和中性糖鞘脂类都具有抗原性，而中性糖鞘脂类更易引起抗体反应。
在脑的氨基酸代谢中，谷氨酸和天冬氨酸代谢占居重要地位。脑中的谷氨酸含量不仅超过机体的任何其他器官，而且其代谢也非常迅速。给机体注射标记的葡萄糖30分钟后，脑组织的游离氨基酸中有原放射性的70%以上。其中放射性最高的是谷氨酸及其衍生物，表明由葡萄糖转变为谷氨酸的速度远远超过其他器官。脑中形成谷氨酸的谷氨酸脱氢酶活性，明显地随脑中氨含量的增加而升高。
由谷氨酸形成谷氨酰胺的酶——谷氨酰胺合成酶，在脑中的含量比任何其他器官都高。在羊脑中占全部蛋白质含量的0.2%。抑制谷氨酰胺合成酶，使脑中氨不能除去，即引起痉挛。因脑对氨的毒性十分敏感。
谷-草转氨酶是脑中活性最高的酶类。它是谷氨酸代谢的重要酶，因脑中的谷-丙转氨酶活力较低，谷氨酸脱氢酶使谷氨酸脱去氨基的反应，从热力学看来是不易进行的。
甘氨酸可由葡萄糖形成，脑中存在有甘氨酸-α-酮戊二酸转氨酶。甘氨酸还可通过丝氨酸羟甲基酶互相转变。甘氨酸的正常含量对维持脑的正常活动是必需的。血浆和尿中甘氨酸含量高即发生脑功能的异常和病态。幼年发生高甘氨酸血症，可引起呕吐、抽搐、迟钝、脑电图失常，而且早亡。
当机体遗传缺乏苯丙氨酸单加氧酶，或缺乏色氨酸2,3-二加氧酶，或缺乏色氨酸代谢中的胱硫醚合成酶，或缺使缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸进一步代谢的α-酮己酸脱氢酶，或缺乏脯氨酸氧化酶等等，氨基酸进行分解代谢的中间酶，都影响到氨基酸的正常代谢，从而引起智力迟钝。这可能是由于神经束不能髓鞘化的缘故。
不同脑区的游离氨基酸含量不同，不同发育阶段，不同年龄脑中氨基酸含量的不同，说明具有不同功能的脑的部位其氨基酸的代谢不同。许多因素例如寒冷、兴奋、缺氧、针刺等，都可导致氨基酸代谢速度的变化。
GABA是脑中特有的氨基酸，是由谷氨酸脱羧酶I催化谷氨酸脱羧而来。还有一种分解GABA的酶。GAB-A的全部代谢途径称为GABA支路，因为它能阻止三羧酸循环中的α-酮戊二酸形成琥珀酸的途径。谷氨酸脱羧酶只存在于中枢神经系统，主要存在于灰质中。该酶有调节GABA含量的作用。在神经胶质细胞中，以及在肾及血管中还存在有另一种谷氨酸脱羧酶II。
GABA还可与其他氨基酸进行转氨。催化这一反应的酶为GABA转氨酶，该酶主要存在于大脑灰质细胞的线粒体中，而不像谷氨酸脱羧酶I和GABA存在于突触体中。
GABA作为介质作用的终止似乎并不是靠其分解代谢，而是由突触前末梢重新吸收。在突触体膜上的GA-BA结合部位，可能和GABA穿过膜并为突触前细胞重新吸收有关。重吸收的GABA或被重新利用或进行分解代谢。
牛磺酸在视网膜、松果体、脑下垂体的浓度都很高，主要是由半胱氨酸氧化，经半胱氨酸磺酸和亚牛磺酸而形成。牛磺酸可提供离子载体，使脊髓和皮质产生抑制效应。当有钙离子存在时，电刺激可引起皮质释放牛磺酸。牛磺酸也存在于突触体内。
组胺由组氨酸脱羧而来，可能是中枢神经系统组胺的唯一来源。组胺本身不能透过脑血屏障，而组氨酸却能迅速通过。使组氨酸脱羧的酶有两种，一种是专一性强的组氨酸脱羧酶，另一种是能使芳香族氨基酸脱羧的酶。脑中没有使组胺分解的酶，它的代谢主要是通过一特殊的酶，利用S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，在组胺第4位上甲基化。甲基组胺氧化为相应的醛，再进一步氧化为甲基咪唑乙酸而排除。
由酪氨酸转变为去甲肾上腺素，是酪氨酸在脑中、外周交感神经和肾上腺髓质中的主要代谢途径。这一代谢途径发生于中枢神经系统含有去甲肾上腺素的神经末梢。去甲肾上腺素作为一种神经介质贮存于突触囊中，当交感神经元发生去极化作用时，即释放出来。发生作用后，又能被神经元再吸收。酪氨酸羟化酶催化酪氨酸的羟基化作用，是催化合成去甲肾上腺素的第一个酶，因此也是生成去甲肾上腺素的限速步骤。该酶存在于神经末梢，需氧、Fe++和喋呤辅助因子。儿茶酚胺包括去甲肾上腺素都有反馈抑制酪氨酸羟化酶的作用。酪氨酸脱羧后形成多巴胺（三羟苯丙胺）。因此多巴胺是去甲肾上腺素合成中的一个中间产物。多巴胺由多巴（二羟苯丙氨酸）经多巴脱羧酶脱羧形成。该酶需要磷酸吡哆醛作为辅酶。多巴胺经侧链氧化作用形成去甲肾上腺素。催化该反应的酶为多巴胺β-羟化酶，为需氧（分子氧）酶，含有铜，还需要抗坏血酸。该酶是突触囊中检出的唯一羟化酶。
机体只有1%的色氨酸转变为5-羟色胺。但是在脑中，却是色氨酸代谢的主要途径。催化5-羟色胺生成的第一个酶是色氨酸-5-羟化酶。该酶与色氨酸作用的Km值很高，当机体处于正常状态时，该酶的作用达不到最高的饱和点。所以当血液中色氨酸含量升高时，组织中的5-羟色胺含量也随之升高。该酶为可溶性酶，在神经细胞集中于突触部位。催化5-羟色氨酸脱羧形成5-羟色胺的酶，是一个可以使芳香族氨基酸脱羧的酶，在多巴形成中也起脱羧作用，也是前述组氨酸脱羧的酶。该酶以磷酸吡哆醛为辅酶，需O2、Fe++、喋呤辅助因子。它是5-羟色胺形成的限速因子。
松果体激素——褪黑激素只存在于松果体，是5-羟色胺的代谢产物。它既是促黑激素的拮抗物，又可作用于脑等器官影响各种腺体。例如甲状腺、脑下垂体、性腺等的发育。松果体是机体内5-羟色胺含量最高的部位。松果体既含有色氨酸羟化酶，也含有5-羟色氨酸脱羧酶。5-羟色胺形成褪黑激素的乙酰基是由乙酰CoA提供的；其甲基是由S-腺苷蛋氨酸提供的。褪黑激素的释放与机体节律性发育和激素发生的调节有重要关系。
单胺类递质代谢失调可引起某些精神症状。单胺代谢缺陷可引起精神分裂症。某些药物如二乙麦角酰胺(L-SD)和蕈毒碱能引起幻觉。这些药物在化学上与生物胺类物质很相似。胺类和抑郁症也有关。抗抑郁药有强烈抑制单胺氧化酶的作用。用药物改变下丘脑单胺类的浓度，可看到单胺类在许多方面和情绪、行为有关。
当神经受刺激时，即产生动作电位。动作电位传达到神经末梢时，即引起神经末梢突触处小囊中神经递质的释放。递质释放后，即进入到突触间隙，然后又扩散到突触后膜。突触后膜上有特殊的受体，递质与受体结合后，即使突触后膜的离子通透性发生变化，从而产生膜内外带电离子的重新分布，随即发生去极化及超极化作用。
改变阳离子通透性的反应可能是通过改变脂蛋白的构象来实现的。蛋白质构象的改变可能是由于与简单的小分子发生特殊的相互作用而引起的。
受体分子是具有特殊功能的大分子。它们的功能只有当它们位于膜上，并保持与膜在结构上的完整性时，才能充分发挥作用。
在神经肌肉接点处，乙酰胆碱随刺激而释放出来，发挥其类似神经传递的作用，随后又通过乙酰胆碱酯酶而被破坏。作为神经递质，一般都有这些特点。但是，去甲肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺、甘氨酸、GABA、谷氨酸、天冬氨酸等，虽然它们没有相应的高活性的水解酶，但这些物质都容易透过膜，而且在突触间扩散速度很快，足以停止它们的活性。
在兴奋性突触内，递质能增加突触后膜对钠离子的通透性，使之产生去极化作用。在抑制性突触内，递质的作用是增加突触后膜对氯离子或同时对钾离子的通透性，使产生超极化作用。一种神经末梢只能贮存或释放一种神经递质。有些神经元如脊髓的伦肖细胞(Renshaw cell)，其突触可分为两种类型，一种为兴奋性突触，兴奋性突触又有胆碱能突触和胺能突触两种；另一种为抑制性突触。这些突触都分别接受上述的不同化学递质的作用。
环腺苷酸(cAMP)已在很多系统中证明有活化蛋白激酶的作用，结果引起糖原磷酸化酶的活化，从而导致葡萄糖含量的升高。cAMP是由腺苷酸环化酶形成的。肾上腺素有促进腺苷酸环化酶形成cAMP的作用。在神经组织中，肾上腺能纤维的传递作用与cAMP及其代谢也有密切关系。已证明，在小脑浦肯野细胞中，去甲肾上腺素有活化腺苷酸环化酶的作用。在交感神经节中cAMP对神经传递过程起调节作用，包括节前胆碱能神经末梢和突触后肾上腺能神经元。对多巴胺能神经元也有调节作用。多巴胺能神经元可能接受从胆碱能神经末梢传来的信号。它的神经末梢又与节后神经元一起构成触突。从中间神经元释放的多巴胺有活化突触后膜上腺苷酸环化酶的作用，结果造成cAMP的局部积累，cAMP通过对膜蛋白的磷酸化作用，改变突触后膜的通透性，产生超极化从而降低节后神经元对兴奋的反应。
脑中的蛋白质也不断在更新。神经细胞处于不同的机能状态下，其蛋白质的代谢也发生明显的变化。用同一动物的脑细胞做实验表明，再生神经细胞对¹⁴C赖氨酸的利用率高于同一动物脑对侧的正常神经细胞。由于细胞损伤的刺激，使其中核糖核酸和蛋白质的含量都有明显增高。在兴奋和抑制状态下，脑蛋白质代谢因刺激性质的不同，例如刺激强度和作用时间的不同，即可能得到完全不同的结果。
低温麻醉可使脑蛋白质代谢明显的降低。体温降至20℃，作为机体生命活动中心的作用已被解除，生物电也消失。这时放射性酪氨酸参入脑蛋白质的速度降低达15～20倍。
由于脑机能的复杂性，它和代谢之间的关系是极其复杂的。目前尚不可能得出一个完整的、概括的描述。