"Prozhigatel" energi

“Prozhigatel” energi

Evgeniya Samokhina,
Institut for teoretisk og eksperimentel biophysik RAS
"Science and Life" №4, 2017

Den menneskelige hjerne har en ret beskeden vægt – det tegner sig kun for to procent af kropsvægten. Men dette forhindrer ikke hjernen til at være den største forbruger af glukose i vores krop. Hvordan bruger hjernen neuroner denne mængde energi? Og kan hjernens sløvhed betragtes som evolutionært forældet?

For at hovedet skal være lyst og det rene sind at skinne, havde hjernecellerne at beherske forskellige erhverv, idet de opdelte funktionerne allerede på udnyttelsesstadiet af energikilder.

For den normale funktion af kroppens organer er energi nødvendigt. Størstedelen af ​​den energi, en person modtager fra mad – som følge af omdannelsen af ​​kulhydrater ind i kroppen til glukose og nedbrydning af sidstnævnte til kuldioxid og vand. Transformationen ledsages af oplagring af energi i form af adenosintrifosfater (ATP) eller andre makroenergiforbindelser. Disse energireserver er ujævnt fordelt mellem organerne. Hjernen bruger typisk 50% af glukosen fra leveren til blodet, dvs. ca. 100 gram glukose pr. Dag.Ikke så lidt, i betragtning af at vægten af ​​hjernen er ca. 2% af massen af ​​hele kroppen. En sådan "vældighed" var grundlaget for skabelsen af ​​teorien om "egoistisk hjerne" ("egoistisk hjerne" teori)*. Ifølge denne teori er intensivt forbrug af energi i hjernen forårsaget af to hovedprocesser: udgifterne til energien af ​​sine celler til generering af nerveimpulser og omkostningerne ved at opretholde "husstanden" – sikring af hjernecellernes integritet og normale funktion. Forholdet mellem disse to processer anslås til 2: 1.

Roller er forudbestemt

De mest aktive i de energiafhængige processer i hjernen er to grupper af celler: neuroner og astrocytter. Neuroner er celler, der er i stand til at generere og lede elektriske impulser. Disse er celle specialister, da hver neurons funktion er strengt defineret. I lang tid (for eksempel i mus op til to måneder) opstår processen med "læring" af en neuron. Den gennemsnitlige menneskelige hjerne indeholder omkring 100 mia. Uddannede neuroner, og hver af dem forbinder i gennemsnit tusind andre neuroner. Således dannes store og komplekse neurale netværk – grundlaget for behandling og overførsel af information til hjernen.På grund af komplekse integrerende interaktioner mellem neuroner er erstatning af disse celler i neurale netværk næsten altid ledsaget af en forringelse i kvaliteten af ​​neuronal transmission.

Funktionen af ​​astrocytter – hjernens gliaceller – består primært i at levere neuroner med energi (næringsstoffer) og i kampen mod aktive former for ilt og kvælstof. Samtidig er antallet af astrocytter flere gange større end antallet af neuroner i hjernen, således at hver neuron er "omgivet" af et helt ensemble af astrocytiske celler.

Glycolytiske reaktioner – glukosespaltningsreaktioner

Neuroner og astrocytter bruger deres energiressourcer på forskellige måder. Glucose-6-phosphat, der er dannet ud fra glucose, styres primært af neuroner i kæden af ​​metaboliske transformationer af pentosephosphatvejen, og i astrocytter er denne forbindelse involveret i kæden af ​​glycolytiske reaktioner. Dette er den grundlæggende forskel mellem neuroner og astrocytter. Faktum er, at i løbet af pentosephosphatvejen dannes progenitorstoffer (indledende forbindelser) til syntetisering af nukleotiderne i DNA- og RNA-kæderne såvel som reduktionsmidlerne (proton- og elektrondonorer), der er nødvendige for neuronen til at regenerere glutathion, antioxidantproteinet i hjernen.I løbet af glycolytiske reaktioner dannes en stor mængde energi, som anvendes i astrocytter som en "universel valuta" i forskellige biosyntetiske processer. Den tilsvarende bredde af mulige metaboliske reaktioner i astrocytter og den relative konservatisme af veje i neuroner er forbundet med forskellige cellefunktioner. Neuroner genererer actionpotentialer, udfører excitation, integrerer information opnået fra forskellige receptorer. Samtidig er neuroner, ligesom alle andre hjerneceller, modtagelige for forstyrrelser i DNA-kæden og oxidationsprocesserne. Men som vi har sagt, er hver neuron absolut uundværlig. Så disse nerveceller skal forlænge deres "ungdom" på enhver måde, det vil sige at holde sig i en funktionelt aktiv tilstand. Reaktioner af pentosephosphatvejen giver kun reparation af beskadigede DNA-steder og bekæmpelsen af ​​aktive former for oxygen.

glutathion – Tripeptid dannet af rester af tre aminosyrer: glutaminsyre, cystein og glycin. Det har en antioxidant effekt og bestemmer det intracellulære miljøs redox egenskaber.Forholdet mellem reducerede til oxiderede former af glutathion i cellen angiver niveauet af oxidativ stress. Syntetiseret i kroppen.

Astrocytes opgave er skabelsen af ​​betingelser for neuronernes normale aktivitet. For at gøre dette er astrocytter klar til at give dem en stor mængde energi og organisere beskyttelsen af ​​neuroner mod oxidativ stress. En enkelt vej til løsning af disse to opgaver er endnu ikke blevet udviklet evolutionært. Derfor skal astrocytter brænde hele glukosen i den glycolytiske "ovn", og kun derefter bruge den lagrede energi til at "betale" for forskellige metaboliske veje. Sådant netværk giver syntesereaktioner i astrocytter bred vifte af antioxidant beskyttelse enzymer, herunder oxidoreduktaser, glutamattsistein ligase, glutathionperoxidase, glutathion reduktase, glutathion transferase, og glutathion og vitamin E. Et andet vigtigt resultat nedsivning glykolyse i astrocytter – lactat (mælkesyre), som kunne flytte ind i det ekstracellulære rum. Hvad er så specielt med det? Faktum er, at lactat, der kommer fra det intercellulære rum til neuroner, er i stand til først at komme sig til pyruvat,og derefter – gennem kæden af ​​reaktioner af tricarboxylsyrecyklusen (TCA) ved hjælp af mitokondrialkæden – for at danne et fyrværkeri af ATP-molekyler. Takket være en så kompleks maskine af metaboliske transformationer dannes 38 ATP-molekyler i neuroner mod to ATP-molekyler, der dannes under astrocytter under glykolyse. (Husk at ATP er en universel energikilde til alle biokemiske processer.) Strengt taget behøver astrocytter ikke selv den mængde energi, der gives til neuroner, det vil sige, de viser en slags energi generøsitet. Men neuroner har brug for en sådan energiforsyning, fordi genereringen af ​​impulsaktivitet og fin regulering af receptorer og ionkanaler på cellemembranen er energisk "dyre" processer, det vil sige de kræver høje energikostnader.

Handlingspotentiale – en exciteringsbølge, der bevæger sig langs membranen af ​​en levende celle i en lille del af neuronen. Handlingspotentialet er det fysiologiske grundlag for nerveimpulsen.

Strenge kontrol

For at regulere graden af ​​glycolyse (højt i astrocytter og lavt neuron) i hjerneceller anvendes enzymet 6-phospho-fructo-2-kinase / fructose-2,6-bisphosphatase (PFKFB).Det er netop dets høje aktivitet i astrocytter, som sikrer en høj grad af glycolytiske reaktioner i dem. Men hvad sker der, hvis neuroner reducerer hastigheden af ​​den primære pentosephosphatvej og ligesom astrocytter justerer glykolyseprocesserne? Det har vist sig eksperimentelt, at dette vil føre til en katastrofe og død af neuroner. Faktum er, at en sådan acceleration af glycolyse i neuroner forårsager en reduktion i dannelsen af ​​glutathion, hvilket i sidste ende fører til apoptotisk celledød.

Som et resultat af adskillelsen af ​​energibaner (astrocytter forbereder glucose til fuldstændig splittelse og neuroner udfører allerede sin endelige katabolisme), dannes der noget som en transportør til opdeling af energisubstrater, og molekylerne er helt opdelt, og den resulterende energi udnyttes maksimalt af cellerne.

Diagram over metaboliske interaktioner mellem hjerneceller – neuroner og astrocytter. Glutamat (KLH) – neurotransmitter frigivet fra den synaptiske ende af neuronen. En del af det frigivne glutamat absorberes af astrocytter ved hjælp af bærere af excitatoriske aminosyrer (PVAK) sammen med tre natriumioner (Na+). Ionerne bliver så skubbet ud af Na's arbejde+/ K+-ATPase indtager energi i form af adenosintrifosfat (ATP). Det stimulerer absorptionen af ​​glucose ved astrocytter. Med hjælp fra luftfartsselskaber (GLUT1a) glucose fra blodkapillæret kommer ind i astrocyt, og i processen med glycolyse bliver til lactat (mælkesyre). Samtidig frigives to ATP-molekyler. Lactat gennem særlige vektorer (MKT) går ind i neuronen, og efter flere transformationer, herunder i mitokondrier, giver cellen 38 ATP-molekylerne. Neuronerne selv kan også absorbere glukose-gennem-receptorer GLUT3. Glucose-6-phosphatet dannet i neuronen fra glucose sendes til pentosephosphatcyklusen, som forsyner precursorstoffer til syntese af DNA og RNA-nukleotider. Regulerer glycolyse i neuroner og astrocytter enzym PFKFB. Forgængerne til neuronets antioxidant (glutathion) system (Gluth) indtaste den også fra astrocytter og deltage i neutraliseringen af ​​reaktive iltarter, der drejer sig fra en reduceret form (GlutRed) til oxideret (GlutOx). Figur: Bélanger, M., Allaman, I. og Magistretti, P.J. (2011a). Hjernenergimetabolisme: fokus på metabolisme i astrocyt-neuron // Cell Metab. 14, 724-738. doi: 10.1016 / j.cmet.2011.08.016 (ændret)

Farlig "sult" i hjernen

Ifølge det mest populære synspunkt,det er ændringen i energitilstanden i hjernen, der forårsager (i det mindste en af ​​hovedårsagerne) kramper i kroppen og celledød i hjernestrukturer. På grund af et fald i energiforsyningen af ​​hjerneceller på grund af skader, iskæmi eller en intracerebral tumor, er systemet for regulering af inhiberende processer i nervesystemet i første omgang under angreb. Mangel på energi fører til manglende evne til neuroner til at bremse excitationen og til den gradvise spredning af den spændende bølge til alle områder af hjernen. Ukontrolleret konstant celleaktivering forårsager en endnu større udtømning af deres energireserver og oxidativ stress. Ved at reducere aktiviteten af ​​antioxidantbeskyttelse under et kritisk niveau forekommer der irreversible ændringer i cellerne. En lukket kæde af ødelæggende hændelser udvikler sig, hvor konvulsiv aktivitet på grund af manglende energi i hjernestrukturen forårsager nye episoder af anfald. Konvulsioner begynder at generere nye kramper. Konvulsive anfald (epileptisk aktivitet) udvikler primært i arvelige sygdomme, der forstyrrer normal energi metabolisme i hjernen.Desuden forårsager et kraftigt fald i indholdet af den vigtigste energikilde – glukose i blodet – alvorlige krampeanfald. Denne effekt observeres for eksempel hos personer, der lider af epilepsi i perioden efter søvn, når koncentrationen af ​​glucose i blodet falder kraftigt på grund af manglen på fødeindtagelse i ca. otte timer.

Metabolske reaktioner – Disse er kemiske reaktioner, der forekommer fra det øjeblik næringsstoffer kommer ind i kroppen, indtil de endelige produkter af disse reaktioner frigives til det ydre miljø. Alle reaktioner, der forekommer i levende celler, er involveret i metabolismen, som et resultat af hvilken opførelsen af ​​celler og vævsstrukturer finder sted. Det vil sige, stofskifte kan betragtes som en proces af metabolisme og energi.

Den metaboliske proces er opdelt i anabolisme og katabolisme. Når anabolske reaktioner fra enkle molekyler ved biosyntese danner kompleks, som ledsages af udgifterne til fri energi. Anabolske transformationer er normalt genoprettende. I kataboliske reaktioner er de komplekse komponenter, der kommer fra fødevaren og udgør cellerne tværtimod opdelt i enkle molekyler. Disse reaktioner er overvejende oxidative ledsaget af frigivelse af fri energi.

Opdele og blomstre

Økonomer siden A. Smith og A. Weber bemærker, at arbejdsdeling er den vigtigste og uundværlige betingelse for udviklingen af ​​økonomien i enhver stat og samfund. Dette princip om opdeling af arbejdsopgaver kan helt tilskrives principperne for drift af komplekse biologiske systemer.

Det evolutionært etablerede princip for adskillelse af cellefunktioner har øget organismens evner. Den øgede kompleksitet og specialisering af hjerneceller resulterede i sidste ende på behovet for at koordinere deres arbejde og følgelig til en forøgelse af belastningen på hjernen. Som følge heraf reducerede neuroner energiudgifter til processer, der ikke var relateret til nerveimpulsoverførsel, og astrocytter tog konstant indsats for neurontilstand (opretholdelse af biosyntese af proteiner, nukleinsyrer, phospholipider, mitokondriale funktioner). Desuden forekom adskillelsen af ​​cellefunktioner på niveauet af energikilder. Manglen på konkurrence om fødekilder tillod astrocytter og neuroner at "koncentrere" på deres funktioner. Hjernens energireserver begyndte at være nok ikke kun for at koordinere kroppens funktioner, der sikrer overlevelse, men også at "hack-arbejde" i form af bevidst aktivitet, hvilket i høj grad fremmede dyrene i effektiviteten af ​​deres arbejde.

Artiklen er vinderen af ​​konkurrencen om populærvidenskabelige artikler "Bio / mol / text – 2016" i udnævnelsen "Own work".


* Peters A., Schweiger U., Pellerin L., Hubold C., Oltmanns K. M., Conrad M., Schultes B., Born J. og Fehm H. L. (2004) Den egoistiske hjerne: konkurrence om energiressourcer // J. Neurosci. Biobehav. Rev. 28, 143-180.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: