Aktualności

Biochemia
16-05-2010

O paliwie dla mózgu.*

Szanowni Państwo,

Przeglądając marcowe wydanie Miesięcznika  OPTYMALNI (nr 127) zainteresował mnie artykuł Pani dr Izabeli Bolesławskiej zamieszczony na stronie str. 13, a szczególnie fragment - cytuję: „Przy prawidłowym metabolizmie wyłącznym paliwem dla mózgu jest…”
Dlatego dziś chciałbym Państwu napisać kila ciekawostek na temat źródeł energii dla mózgu.
Jedynym liczącym się źródłem energii dla mózgu jest



energia swobodna, którą organizm kumuluje w postaci ATP.
     Proces wytwarzania ATP związany jest z mitochondrialnym transportem elektronów składającym się z pięciu kompleksów i fosforylacją oksydacyjną. W wyniku tych procesów utleniany jest wodór, z którego powstaje woda i ATP. Stwierdzono, że tkanka nerwowa mózgu może zużywać od 9 do 25% tlenu  wykorzystywanego przez cały organizm.
    Utlenianie następuje dzięki przepływowi elektronów przez wszystkie pięć kompleksów transportu elektronów o następujących stwierdzonych parametrach:  napięcie (różnica potencjału) około 1.14V, natężenie około 64A, co odpowiada przepływowi około 3,86x1020 elektronów na sekundę.
Z prostego wyliczenia wynika więc, że:
 1.14V * 64A = 72,96W
72,96W * 60s * 60 min * 24h = 6.303.744J = 1506kcal/D – i tę wartość można przyjąć jako podstawę dla PPM – czyli podstawowej przemiany materii.

Wniosek:  przeciętny człowiek wytwarza w spoczynku wystarczającą ilość energii do zasilenia żarówki 70W.

Ciekawostka: sprzężenie łańcucha oddechowego, czyli sytuacja w której proton nie jest kierowany na rodnik tlenowy, a na początek łańcucha oddechowego (charakterystyczny dla brunatnej tkanki tłuszczowej) stymuluje produkcję ciał ketonowych i służy organizmowi do wytwarzania ciepła w spoczynku. W ten sposób mózg dziecka (do wieku około 4 lat)  wytwarza aż 40-50% energii niezbędnej do utrzymania ciepłoty ciała. Na tej zasadzie również się gorączkuje, dlatego w większości chorób powodujących podniesienie ciepłoty ciała, pojawiają się w moczu ciała ketonowe i jest to zjawisko fizjologiczne.
Wracając do tematu:
      Źródłem protonów i elektronów na łańcuch oddechowy i fosforylację oksydacyjną są  dwa „przenośniki” protonów:  NADH i FADH2, przy czym FADH2  - „marnuje energię”, bo elektrony wprowadzane przez  ten związek, omijają kompleks I (jeden) łańcucha oddechowego, dostarczając około 2 mole ATP, natomiast elektrony wprowadzane przez NADH dostarczają energii do syntezy około 3 moli ATP, ponieważ przechodzą przez cały łańcuch oddechowy.  
    Teraz kilka słów na temat źródeł redukcji (przyłączania wodoru) do NAD-u i FAD-u:
Podstawowym źródłem wodoru są przemiany biochemiczne zachodzące w mitochondrium, czyli: cykl kwasów trójkarboksylowych sprężony z betaoksydacją kwasów tłuszczowych, czyli źródłem acetylo-CoA i przemianą pirogronianu w jabłczan lub w szczawiooctan lub w razie potrzeby syntezy tłuszczu – w acetylo-CoA  oraz reakcje zachodzące w cytoplazmie czyli głównie: glikoliza i dezaminacja oksydacyjna aminokwasów.
     Wynika z tego, że i białka, i tłuszcze, i węglowodany wchodzą jako metabolity wyjściowe lub pośrednie do cyklu Krebsa, a zatem mogą być substratem energetycznym wykorzystywanym przez mózg do produkcji ATP, pod warunkiem, że pozyskany z nich wodór przejdzie przez łańcuch oddechowy i trafi na rodnik tlenowy.
Teraz kilka słów na temat składu chemicznego suchej masy mózgu.
     Białka stanowią około 40%, tłuszcze około 50%, składniki drobnocząsteczkowe około 9% z czego najwięcej jest: NAD, ATP, fosfokreatyny,  witaminy C i niacyny – łatwo zamienianej przez mózg na NAD. Składniki mineralne stanowią około 1% z czego w większości to kationy sodu i potasu, nieco wapnia, a z anionów – chlorki, fosforany i siarczany.
     Węglowodanów zaś jest śladowa ilość w formie estrów fosforanowych glukozy, mukopolisacharydów i  glikogenu związanego z białkiem.
     Co wynika ze składu chemicznego mózgu? Bardzo wiele.
Tkanka nerwowa bardzo intensywnie i szybko syntetyzuje, i rozkłada białka, dlatego stwierdza się obecność w mózgu  niepełnego cyklu mocznikowego, neutralizującego szkodliwy mocznik, dzięki czemu aminokwasy mogą zasilać cykl Krebsa przez zamianę w acetylo-CoA , alfa-ketoglutaran, sukcynylo-CoA, fumaran i szczawiooctan.  Są to procesy odwracalne. Przypominam, że brak nawet jednego aminokwasu wywołuje ujemny bilans azotu, wydłużenie drobin białka i skracanie telomerów, co w efekcie przyspiesza proces starzenia organizmu.
     Z przemian aminokwasowych zachodzących w mózgu na uwagę zasługują: tyrozyna z której powstaje neuroprzekaźnik DOPA (L-3,4-dihydroksyfenyloalanina) lub substrat do syntezy noradrenaliny i adrenaliny lub tyroksyny i neuroprzekaźnik - GABA to aminokwas o nazwie - kwas 4-aminobutanowy - pochodna endogennego glutaminianu. GABA z pirogronianem daje bursztynian i alaninę lub bursztynian i serynę. Wszystkie te metabolity mogą zasilać cykl Krebsa.
Ciekawostka:  w mózgu stwierdza się  wysoki poziom trójpeptydu - glutationu  (glutaminian, cysteina i glicyna). Odgrywa on kluczową rolę w ochronie białek przed utlenianiem  jako naturalny i wystarczający - antyoksydant oraz regulacji potencjału czynnościowego komórki. Do tego mózg bardzo chętnie wykorzystuje też glutaminian jako źródło acetylo-CoA (przy okazji syntetyzowany jest właśnie GABA) którego jest sporo do dyspozycji, bo różni autorzy podają, że od 40 do 80% aminokwasów mózgu to właśnie kwas glutaminowy. Ale te cyfry nie wydają się prawdopodobne, bo wg tabel wartości odżywczych np.:  w mózgu wieprzowym, kwasu glutaminowego jest około 1,2g – czyli około 1-1,2%.
     W mózgu nie stwierdza się obecności glukozy, dlatego błędnie i najprościej przyjęto, że jest utleniana.
     Ale tak nie jest!
Wprawdzie stwierdzono, że współczynnik oddechowy (RQ – stosunek objętościowy wytworzonego dwutlenku węgla do zużytego w tym samym czasie tlenu) dla tkanki nerwowej zbliża się do wartości 1, a przepływająca przez mózg  krew traci około 8% swej zawartości glukozy – nie znaczy to jednak, że glukoza jest źródłem energii dla mózgu. Co więc się dzieje z glukozą? O tym za chwilę.
     Teraz chciałbym wrócić do składu chemicznego mózgu.
48-53%  suchej masy mózgu, to tłuszcze, z czego około 50% przypada na lipidy budulcowe czyli głównie – fosfolipidy, cerebrozydy i sfingomieliny - mało ruchliwe metabolicznie, a kolejne 50% przypada na nasycone kwasy tłuszczowe: palmitynian (16:0) i stearynian (18:0), stanowiące podstawowe substraty beta-oksydacji tłuszczu. Czyli, wiadomo już skąd się bierze acetylo-CoA do zasilenia cyklu Krebsa w mózgu.
Jak to się dzieje? Skąd się tam wzięły te tłuszcze, skoro przyjęto, że istnieje bariera krew-mózg?
Aby nie komplikować zagadnienia – pomijam teorię „szeroko otwartych okien” – tłumaczącą pojawianie się w mózgu związków wysokocząsteczkowych w tym NNKT (niezbędnych, nienasyconych kwasów tłuszczowych)
     Odpowiedź na to pytanie zdaje się prosta: W  przeciętnej komórce o profilu cukrowym (BWT - 1:3:0,5 wyrażone w g)  przy zachowaniu homeostazy cyt: „w sekundzie powstaje około 10 cząsteczek kwasów nukleinowych, 1500 cząsteczek białka, 30 cząsteczek cukru i 12000 (słownie - dwanaście tys.) cząsteczek tłuszczu. Procesy te wymagają zużycia (hydrolizy) około 2,5*109 cząsteczek ATP." - cyt: Pilawski, "Podstawy biofizyki", PZWL W-wa 1985 s. 197
     Wróćmy teraz do glukozy. Co się dzieje z glukozą wchodzącą do cytozolu komórki?
Po pierwsze: ze względu na bardzo intensywną przemianę białkową w mózgu, a co za tym idzie, szybkimi przemianami kwasów nukleinowych,  konieczna jest synteza z glukozy – pentoz w szlaku pentozofosforanowym. W wyniku tego procesu uwalniany jest dwutlenek węgla.
Ciekawostka: ustalono, że proces zapamiętywania krótkotrwałego związany jest z syntezą RNA, natomiast proces zapamiętywania długotrwałego z tworzeniem nowych wypustek i synaps.
Po drugie:  ze względu na bardzo intensywną przemianę białkową w mózgu, a co za tym idzie ubytkom metabolitów pośrednich cyklu Krebsa w - szczawiooctan.
Po trzecie: ze względu na bardzo szybką przemianę tłuszczu mitochondrialnego, na acetylo-CoA, z uwolnieniem dwutlenku węgla, celem ciągłego odbudowania zapasów tłuszczu energetycznego. Może odbywać się to w dwojaki sposób, albo przez mitochondrialną elongację, albo przez cytozolową syntezę de novo.
Ciekawostka: przy bardzo intensywnym tuczu zwierząt (produkcji tłuszczu z węglowodanów) współczynnik RQ może przekroczyć wartość 1,3.
     Teraz kilka słów na temat ciał ketonowych, jako wygodnej formy przekazywania energii z wątroby do narządów uprzywilejowanych i mięśni, gdy istnieje taka potrzeba np.: po fizjologicznym wysiłku fizycznym.
Powstają one w wątrobie w wyniku kondensacji dwóch cząsteczek acetylo-CoA  w procesach normalnej przemiany materii i są uwalniane do krwi, ale nie nagromadzają się w organizmie, ponieważ chętnie są wychwytywane przez mięsień sercowy, mięśnie szkieletowe, nerki i tkankę mózgową, celem szybkiego przyswojenia energii.
     I tak: utlenienie mola acetooctanu prowadzi do powstania 23 moli ATP, a utlenienie mola beta-hydroksymaślanu prowadzi do powstania 26 moli ATP.
Zamiana zaś tych związków w aceton przez dekarboksylację, czyli wydzielenie dwutlenku węgla, zmusza organizm do jego wydalenia – głównie przez płuca i skórę, co wiąże się z ewidentną stratą energetyczną.
     Drugą wygodną formą przekazywania energii z wątroby do serca i mózgu jest ATP.
Na jakiej zasadzie się to odbywa?
Zacytuję fragment polskiej publikacji wydanej przez POLFA Trachomin, a zatytułowanej – „W sprawie stosowania ATP u niemowląt” – opublikowanej w 1962r. s. 8
Cyt:
(...)
Doświadczenia Lamprechta tłumaczą dalej dostarczanie powstałego w wątrobie ATP poprzez erytrocyty do mięśnia serca i mózgu. Nowsze prace Baldwina wykazały, że poważną rolę należy przypisać tu również przemianie fosfokreatyny w typowej reakcji Lehmana. (...)
Pojawia się pytanie: czy, ta najlepsza, możliwa forma przekazywania energii - jest znaczącą formą?
O tym za chwilę.
     Jak wspomniałem na wstępie - jedynym liczącym się źródłem energii dla mózgu jest energia swobodna, którą organizm kumuluje w postaci ATP.
Wytworzona w ten sposób energia jest zużytkowana przez mózg głównie w trojaki sposób.
Po pierwsze: do tak zwanej chemicznej pracy biosyntezy – około 30-40%
Po drugie: do aktywnego transportu jonów przez błonę komórkową – około 50-60%
Po trzecie: rozpraszana w formie ciepła – resztę.
Podane wartości są przybliżone, zmienne i ściśle powiązane ze stanem fizjologicznym mózgu – głównie faz: snu (przeważa anabolizm), czuwania (przeważa katabolizm) i podrażnienia (głównie katabolizm z uwalnianiem glukozy z rezerwy glikogenowej mózgu).
Ciekawostka: Jedną trzecią PPM (podstawowej przemiany materii) organizm traci na aktywne utrzymanie pompy sodowo-potasowej, głównego czynnika utrzymującego w równowadze potencjał spoczynkowy i czynnościowy błony komórkowej. Możliwe jest to tylko dzięki hydrolizie ATP. I tak - hydroliza jednej cząsteczki ATP umożliwia przemieszczenie trzech jonów sodowych  na zewnątrz i dwóch jonów potasu do wnętrza komórki, wbrew gradientowi stężeń. Czyli, jak widać, jest to proces bardzo energochłonny.
     I ostatnie dwa pytania, na które chciałbym dziś krótko odpowiedzieć.
Czy mózg gromadzi substraty energetyczne? Odpowiedź  – tak.
Wynika to ze składu chemicznego mózgu, który jest narządem stosunkowo bogatym i w białka i w tłuszcze, które może spożytkować do wytworzenia energii w formie ATP. Możliwe jest to jednak jedynie przy stałym dostępie tlenu, gdyż tkanka nerwowa w stosunku do innych tkanek wyjątkowo szybko zużywa ATP.
     W związku z tym brak możliwości wytwarzania ATP w mózgu spowodowany niedotlenieniem, powoduje szybko szereg nieodwracalnych zmian biochemicznych, dokładnie opisanych w literaturze medycznej,  dotyczących problematyki udarów mózgowych i zatorów mózgu. 
Drugie pytanie: dlaczego nie jest możliwe magazynowanie większej ilości energii swobodnej w formie ATP?
Odpowiedź – nie ma takiej możliwości, ponieważ masa jednego mola ATP wynosi 507g, natomiast ogólna ilość ATP w organizmie człowieka wynosi zaledwie około 50g, czyli jedną dziesiątą mola. Oznacza to, że obrót cząsteczką ATP jest bardzo krótki i wynosi od czasu wytworzenia do hydrolizy tylko około 100 sekund.
     Wynika z tego, że w ciągu doby organizm może wytworzyć około jeden kilogram ATP na jeden kilogram należnej masy ciała. Właśnie, dlatego przekazywanie sercu i mózgowi wytworzonego w wątrobie ATP przez krwinki czerwone,  pełni jedynie formę pomocniczą. 


                                                                                                  mgr inż. Tomasz Kwaśniewski

Tekst opracowano na podstawie następującej literatury:
  1. Z. Ewy - Zarys fizjologii zwierząt, PWN W-wa 1976
  2. W. Minakowski – Biochemia kręgowców, PWN W-wa 1981
  3. A. Szczygieł – Podstawy fizjologii żywienia, PZWL W-wa 1975
  4. W. Brühl – Vademecum lekarza ogólnego, PZWL W-wa 1992
  5. E. Biller – Kucharz & Gastronom, Rea s.j. W-wa 2001
  6. A. Pilawski – Podstawy Biofizyki, PZWL W-wa 1985
  7. R. Barański – Pediatria, PZWL W-wa 1971
  8. R. Murray – Biochemia Harpera, PZWL  W-wa 1995
  9. V. Davidson – Biochemia, Urban&Partner, Wrocław 2002
10. L. Stryer – Biochemia, PWN W-wa 1999 

* - tekst opublikowany w Miesięczniku OPTYMALNI nr 129 (maj 2010r.) s. 8

copyright by Tomasz Kwaśniewski

[Wstecz]


Aktualności
Zapowiedzi
Dr Kwaśniewski
Żywienie Optymalne
Dieta Optymalna
Artykuły do publikacji
Artykuły opublikowane
Prasa
Kuchnia Optymalna
Prezentacja żywności optymalnej
Książki
Uroczystość w Chełmie.
wicej » 
Copyright © 2004-2015 Jan Kwaśniewski & Tomasz Kwaśniewski