O paliwie dla mĂłzgu.*

Szanowni Państwo,

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

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

Ciekawostka: sprzężenie łańcucha oddechowego, czyli sytuacja w ktĂłrej proton nie jest kierowany na rodnik tlenowy, a na początek łańcucha oddechowego (charakterystyczny dla brunatnej tkanki tłuszczowej) stymuluje produkcję ciał ketonowych i słuĹźy organizmowi do wytwarzania ciepła w spoczynku. W ten sposĂłb mĂłzg dziecka (do wieku około 4 lat)  wytwarza aĹź 40-50% energii niezbędnej do utrzymania ciepłoty ciała. Na tej zasadzie rĂłwnieĹź się gorączkuje, dlatego w większości chorĂłb powodujących podniesienie ciepłoty ciała, pojawiają się w moczu ciała ketonowe i jest to zjawisko fizjologiczne.
Wracając do tematu:
      ĹšrĂłdłem protonĂłw i elektronĂłw na łańcuch oddechowy i fosforylację oksydacyjną są  dwa „przenośniki” protonĂłw:  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, poniewaĹź przechodzą przez cały łańcuch oddechowy.  
    Teraz kilka słów na temat ĹşrĂłdeł redukcji (przyłączania wodoru) do NAD-u i FAD-u:
Podstawowym ĹşrĂłdłem wodoru są przemiany biochemiczne zachodzące w mitochondrium, czyli: cykl kwasĂłw trĂłjkarboksylowych sprężony z betaoksydacją kwasĂłw tłuszczowych, czyli ĹşrĂłdłem 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 aminokwasĂłw.
     Wynika z tego, Ĺźe i białka, i tłuszcze, i węglowodany wchodzą jako metabolity wyjściowe lub pośrednie do cyklu Krebsa, a zatem mogą być substratem energetycznym wykorzystywanym przez mĂłzg do produkcji ATP, pod warunkiem, Ĺźe pozyskany z nich wodĂłr 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 mĂłzg na NAD. Składniki mineralne stanowią około 1% z czego w większości to kationy sodu i potasu, nieco wapnia, a z anionĂłw – chlorki, fosforany i siarczany.
     WęglowodanĂłw zaś jest śladowa ilość w formie estrĂłw fosforanowych glukozy, mukopolisacharydĂłw i  glikogenu związanego z białkiem.
     Co wynika ze składu chemicznego mĂłzgu? Bardzo wiele.
Tkanka nerwowa bardzo intensywnie i szybko syntetyzuje, i rozkłada białka, dlatego stwierdza się obecność w mĂłzgu  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, Ĺźe brak nawet jednego aminokwasu wywołuje ujemny bilans azotu, wydłuĹźenie drobin białka i skracanie telomerĂłw, co w efekcie przyspiesza proces starzenia organizmu.
     Z przemian aminokwasowych zachodzących w mĂłzgu na uwagę zasługują: tyrozyna z ktĂłrej powstaje neuroprzekaĹşnik DOPA (L-3,4-dihydroksyfenyloalanina) lub substrat do syntezy noradrenaliny i adrenaliny lub tyroksyny i neuroprzekaĹşnik - 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 mĂłzgu stwierdza się  wysoki poziom trĂłjpeptydu - glutationu  (glutaminian, cysteina i glicyna). Odgrywa on kluczową rolę w ochronie białek przed utlenianiem  jako naturalny i wystarczający - antyoksydant oraz regulacji potencjału czynnościowego komĂłrki. Do tego mĂłzg bardzo chętnie wykorzystuje teĹź glutaminian jako ĹşrĂłdło acetylo-CoA (przy okazji syntetyzowany jest właśnie GABA) ktĂłrego jest sporo do dyspozycji, bo róşni autorzy podają, Ĺźe od 40 do 80% aminokwasĂłw mĂłzgu to właśnie kwas glutaminowy. Ale te cyfry nie wydają się prawdopodobne, bo wg tabel wartości odĹźywczych np.:  w mĂłzgu wieprzowym, kwasu glutaminowego jest około 1,2g – czyli około 1-1,2%.
     W mĂłzgu nie stwierdza się obecności glukozy, dlatego błędnie i najprościej przyjęto, Ĺźe jest utleniana.
     Ale tak nie jest!
Wprawdzie stwierdzono, Ĺźe współczynnik oddechowy (RQ – stosunek objętościowy wytworzonego dwutlenku węgla do zuĹźytego w tym samym czasie tlenu) dla tkanki nerwowej zbliĹźa się do wartości 1, a przepływająca przez mĂłzg  krew traci około 8% swej zawartości glukozy – nie znaczy to jednak, Ĺźe glukoza jest ĹşrĂłdłem energii dla mĂłzgu. Co więc się dzieje z glukozą? O tym za chwilę.
     Teraz chciałbym wrĂłcić do składu chemicznego mĂłzgu.
48-53%  suchej masy mĂłzgu, 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 juĹź skąd się bierze acetylo-CoA do zasilenia cyklu Krebsa w mĂłzgu.
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 mĂłzgu związkĂłw wysokocząsteczkowych w tym NNKT (niezbędnych, nienasyconych kwasĂłw tłuszczowych)
     OdpowiedĹş na to pytanie zdaje się prosta: W  przeciętnej komĂłrce o profilu cukrowym (BWT - 1:3:0,5 wyraĹźone w g)  przy zachowaniu homeostazy cyt: „w sekundzie powstaje około 10 cząsteczek kwasĂłw nukleinowych, 1500 cząsteczek białka, 30 cząsteczek cukru i 12000 (słownie - dwanaście tys.) cząsteczek tłuszczu. Procesy te wymagają zuĹźycia (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 komĂłrki?
Po pierwsze: ze względu na bardzo intensywną przemianę białkową w mĂłzgu, a co za tym idzie, szybkimi przemianami kwasĂłw 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 mĂłzgu, a co za tym idzie ubytkom metabolitĂłw 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 narządĂłw uprzywilejowanych i mięśni, gdy istnieje taka potrzeba np.: po fizjologicznym wysiłku fizycznym.
Powstają one w wątrobie w wyniku kondensacji dwĂłch cząsteczek acetylo-CoA  w procesach normalnej przemiany materii i są uwalniane do krwi, ale nie nagromadzają się w organizmie, poniewaĹź chętnie są wychwytywane przez mięsień sercowy, mięśnie szkieletowe, nerki i tkankę mĂłzgową, 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 związkĂłw w aceton przez dekarboksylację, czyli wydzielenie dwutlenku węgla, zmusza organizm do jego wydalenia – głównie przez płuca i skĂłrę, co wiąże się z ewidentną stratą energetyczną.
     Drugą wygodną formą przekazywania energii z wątroby do serca i mĂłzgu 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 ĹşrĂłdłem energii dla mĂłzgu jest energia swobodna, ktĂłrą 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 jonĂłw przez błonę komĂłrkową – około 50-60%
Po trzecie: rozpraszana w formie ciepła – resztę.
Podane wartości są przybliĹźone, zmienne i ściśle powiązane ze stanem fizjologicznym mĂłzgu – głównie faz: snu (przewaĹźa anabolizm), czuwania (przewaĹźa katabolizm) i podraĹźnienia (głównie katabolizm z uwalnianiem glukozy z rezerwy glikogenowej mĂłzgu).
Ciekawostka: Jedną trzecią PPM (podstawowej przemiany materii) organizm traci na aktywne utrzymanie pompy sodowo-potasowej, głównego czynnika utrzymującego w rĂłwnowadze potencjał spoczynkowy i czynnościowy błony komĂłrkowej. MoĹźliwe jest to tylko dzięki hydrolizie ATP. I tak - hydroliza jednej cząsteczki ATP umoĹźliwia przemieszczenie trzech jonĂłw sodowych  na zewnątrz i dwĂłch jonĂłw potasu do wnętrza komĂłrki, wbrew gradientowi stężeń. Czyli, jak widać, jest to proces bardzo energochłonny.
     I ostatnie dwa pytania, na ktĂłre chciałbym dziś krĂłtko odpowiedzieć.
Czy mĂłzg gromadzi substraty energetyczne? OdpowiedĹş  – 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 moĹźliwości wytwarzania ATP w mĂłzgu spowodowany niedotlenieniem, powoduje szybko szereg nieodwracalnych zmian biochemicznych, dokładnie opisanych w literaturze medycznej,  dotyczących problematyki udarĂłw mĂłzgowych i zatorĂłw mĂłzgu. 
Drugie pytanie: dlaczego nie jest możliwe magazynowanie większej ilości energii swobodnej w formie ATP?
OdpowiedĹş – nie ma takiej moĹźliwości, poniewaĹź masa jednego mola ATP wynosi 507g, natomiast ogĂłlna ilość ATP w organizmie człowieka wynosi zaledwie około 50g, czyli jedną dziesiątą mola. Oznacza to, Ĺźe obrĂłt cząsteczką ATP jest bardzo krĂłtki i wynosi od czasu wytworzenia do hydrolizy tylko około 100 sekund.
     Wynika z tego, Ĺźe w ciągu doby organizm moĹźe wytworzyć około jeden kilogram ATP na jeden kilogram naleĹźnej masy ciała. Właśnie, dlatego przekazywanie sercu i mĂłzgowi wytworzonego w wątrobie ATP przez krwinki czerwone,  pełni jedynie formę pomocniczą. 


                                                                                                  mgr inĹź. Tomasz Kwaśniewski

Tekst opracowano na podstawie następującej literatury:
  1. Z. Ewy - Zarys fizjologii zwierząt, PWN W-wa 1976
  2. W. Minakowski – Biochemia kręgowcĂłw, PWN W-wa 1981
  3. A. Szczygieł – Podstawy fizjologii Ĺźywienia, PZWL W-wa 1975
  4. W. BrĂźhl – Vademecum lekarza ogĂłlnego, 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