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Metabolismo Energético en el
Cerebro
Silvia Suárez Cunza
Maestría en Neurociencias
2009
Contenido
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Metabolismo energético cerebral:
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Glucosa: transportadores, glicólisis, ciclo de
los ácidos tricarboxilicos, metabolismo del
piruvato, metabolismo del lactato.
Lanzaderas de carbonos.
Metabolismo del glutamato.
Vías anapleróticas.
Comunicación Nerviosa

Compartimentación celular: colaboración
metabólica a través de sustratos entre dos
compartimentos.



Intracelular: citosol-mitocondria
Intercelular: astrocito-neurona
Señalización celular
Barrera Hematoencefálica
En condiciones normales tiene 4 funciones
principales:
 Separar y proteger al cerebro de
compuestos circulantes en el resto del
organismo,
 Transportar en forma selectiva compuestos
necesarios para el cerebro,
 Detectar cambios en la sangre y comunicar
estos cambios al cerebro y
 Metabolizar sustancias presentes en el
cerebro y en la sangre
Consumo de oxígeno en hombre de 70 kg
mL O2/min
Estado basal
250
Cerebro
49
* Significa que una masa de 1,4 kg (2% del peso corporal)
consume el 20% del oxígeno. En los niños este valor es
de 50% durante los primeros 5 años de vida.
Flujo Sanguíneo y Velocidad Metabólica en un
Hombre Adulto Joven Normala
Por 100 g de tejido
cerebral
Por cerebro (1,4 kg)
Flujo sanguíneo cerebral
(mL/min)
57
798
Consumo de O2 del cerebro
(mL/min)
3.5
49
Utilización de glucosa por el
cerebro (mg/min)
5.5
77
Función
a
Basado en datos derivados de la literatura, en Sokoloff.
Lanzaderas:
sistemas
proteicos que
permiten el
intercambio de
metabolitos
entre el citosol y
mitocondrias.
En las neuronas, la enzima málica no ha sido localizada y la piruvato carboxilasa tiene baja
actividad: la lanzadera es citrato/malato funciona en vez de citrato/piruvato.
La entrada directa de malato en la mitocondria privaría de la sintesis de NADPH, imprescindible
para la conversión de acetil-CoA en lípidos. Sin embargo, se ha detectado la presencia de
isocitrato deshidrogenasa-NADP (EC 1.1.1.42) en el citosol de la neurona, lo que podría estar
destinado al suministro de NADPH; parte de citrato exportado al citosol se convierte en acetoglutarato aportando el NADPH.
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
Neurotransmisor: el grupo de sustancias químicas
cuya descarga, a partir de vesículas existentes en
la neurona pre-sináptica, hacia la brecha sináptica,
produce un cambio en el potencial de acción de la
neurona post-sináptica.
Neuromoduladores son sustancias peptídicas que
se originan fuera de la sinapsis y que modifican la
excitabilidad neuronal y difunde por el fluido
extracelular.(neuropéptidos)
Neuromediadores son transmisores químicos que
aumentan las respuestas post sinápticas y se los
ha denominado segundos mensajeros.
Metabolismo del glutamato
Sinapsis glutamatérgica: homeostasis sináptica del amonio. Gln,
glutamina; Glu, glutamato; GS, glutamine sintetasa; PAG, glutaminasa
activada por fosfato; TCA, acido tricarboxilico.
Traslocación de aa ramificados de las neuronas a los astrocitos. Esta lanzadera fue desarrollada
en base a la distribución de las isoformas de la aminotransferasa de los aa ramificados (BCAT)
del citosol neuronal y la mitocondrial en los astrocitos. (Bixel et al. 1997;Bixel et al. 2001).
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
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Los astrocitos sustentan el metabolismo del Glu: El glutamato liberado
durante la neurotransmisión es tomado principalmente por los astrocitos
vecinos a través de transportadores de aminoácidos excitatorios (EAAT). Una
fracción del Glut del astrocito es convertido enzimaticamente a Gln mediante
la glutamina sintetasa que esta ausente en neuronas.
La Gln es liberado de los astrocitos vía transportadores del sistema N (SN1)
y es tomado por las neuronas a través de transportadores de aminoácidos
acoplados al sodio (SAT). La Gln es desaminada a Glu por la glutaminasa
mitocondrial en las neuronas. El Glu neuronal también es formado a partir del
a-cetoglutarato, que es derivado en parte a través de un segundo sistema de
lanzadera astrocito-neurona.
Los astrocitos captan leucina y otros aminoácidos de cadena ramificada
través de un transportador de aminoácidos neutros independiente de sodio.
El grupo amino de la Leu es transferido al a-cetoglurato por la transaminasa
(BCAA) para producir Glu y a-cetoisocaproato (KIC). El KIC puede entonces
ser transferido a las neuronas para la formación de a-cetoglurato por la
reacción reversa.
Lanzadera de alanina: es translocado en dirección opuesta a la glutamina, es
decir de las neuronas a los astrocitos. (Waagepetersen et al.
2000;Zwingmann et al. 2000)
Metabolismo en Astrocitos

Sus funciones consisten en interacciones con
la vasculatura, las neuronas y otros astrocitos
vía señalización, procesos biosintéticos y de
transporte que regulan el flujo sanguíneo,
modulan la transmisión del impulso y la síntesis
y degradación de neurotransmisores derivados
de la glucosa, por ejemplo glutamato y ácido gaminobutírico (GABA).
Metabolismo energético en astrocitos y neuronas
Astrocytes and Brain Injury
Yongmei Chen and Raymond A Swanson


Los astrocitos aportan sustratos para el metabolismo
energético neuronal. La transferencia de glucosa a
través de las células endoteliales ocurre a través del
GLUT1. Glucosa puede entonces ser directamente
captada por las neuronas a través del GLUT3 o por los
astrocitos a través del GLUT1.
El glucógeno es la principal reserva de energía del
cerebro y está localizado predominantemente en los
astrocitos. El lactato derivado de la glucosa del astrocito
o del glucógeno puede ser lanzado a las neuronas vía
transportadores de monocarboxilatos (MCTs). Los
astrocitos también pueden liberar metabolitos como Ala,
a-cetoglutarato para la captación neuronal.

GLUT1(SLC2A1): altamente hidrofóbica, proteína de
transmembrana. Alta afinidad por la glucosa (Km=1-2 mM), la
transporta prácticamente a cualquier concentración intracelular
estable.

GLUT3 (SLC2A3): es el GLUT de más alta afinidad por la glucosa
(Km= 1-2 mM), tiene funciones de mantenimiento del nivel basal de
la glucosa en las neuronas.

GLUT10 (SLC2A10): comparte el 35% de homología con GLUT1 y
8. Se encuentra en cerebro adulto y fetal.

GLUT13 (SLC2A13): o transportador de H+/Inositol y comparte un
35% de homología con el GLUT6, se expresa fuertemente en las
glías y en algunas neuronas con la capacidad de transportar
mioinositol y glucosa cuando se encuentra a una alta
concentración.
Captación y liberación de Glu en los astrocitos
VSOAC: canales de
aniones orgánicos
sensible a volumen
EEAT: transportadores
excitatorios de
aminoácidos.
Astrocytes and Brain Injury
Yongmei Chen and Raymond A Swanson
Anaplerosis (Reacciones anapleróticas)

Reacciones que
conducen a la
síntesis neta de
intermediarios
del ciclo de
Krebs.
Acoplamiento Redox entre astrocitos y neuronas
Astrocytes and Brain Injury
Yongmei Chen and Raymond A Swanson
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Acoplamiento redox entre astrocitos y neuronas. El tripéptido g-glutamilcisteinil-glicina (GSH) es sintetizado en dos pasos. La glutamilcisteina
sintetasa forma el dipéptido Glu-Cis, que es inhibida irreversiblemente por
la butionina sulfoximina (BSO). La glicina es añadida por la GSH sintetasa.

Los astrocitos mantienen el GSH neuronal aportando los tres aminoácidos.
El GSH es liberado de los astrocitos hidrolizándolo con la glutamil
transpeptidasa (GT) para formar el dipéptido Cis-Gli y luego esta es
hidrolizada por una dipeptidasa para producir gli y cis que son captadas de
manera independiente para la utilización neuronal. La disponibilidad de la
cis es normalmente el paso limitante en la síntesis de GSH, los astrocitos
captan cistina a través de un transportador X-c independiente de Na+.

El GSH y el ascorbato (AA) son oxidados a GSSG y dehidroascorbato
(DHAA) durante la reducción de radicales libres. La GSSG es reducida a
GSH por la GR (glutation reductasa) acoplada al NADPH. El estado redox
GSH/GSSG también está acoplado al estado redox AA/DHAA por
procesos enzimáticos y no enzimáticos. Los astrocitos captan DHAA del
espacio extracelular y lo convierten en AA usando GSH o NADPH como
agentes reductores. El AA es liberado de los astrocitos y captados por las
neuronas via un transportador de ascorbato dependiente de Na+ (SVCT2).
Compartimentación intracelular del acetato entre neuronas,
astrocitos y oligodendrocitos


En términos energéticos, el cerebro de mamíferos es un
órgano caro, puesto que representando un 2% de la
masa corporal del humano adulto, utiliza el 20% del
total de energía que se consume (en reposo) (McKenna
et al. 2006).
El costo metabólico de la actividad del cerebro es alto
puede ser un factor limitante tanto para el número de
neuronas que pueden estar activas a un determinado
tiempo como también para la máxima frecuencia de
actividad de las neuronas individuales como lo
mencionan Lennie (2003) y Attwell and Gibb (2005),
respectivamente.