Почему мозг зависит от глюкозы?

Я хочу представить другой (возможно, более практичный) подход к этому явлению. Давайте начнем с аминокислот в качестве альтернативы.

1. Аминокислоты , помимо того, что они являются источником токсичного аммиака, еще и вредны для мозга. Два типа аминокислот, ароматические и кислые, представляют собой гораздо больше, чем просто источники энергии для мозга. Ароматические аминокислоты: тирозин, фенилаланин и триптофан, являются предшественниками для биосинтеза нейротрансмиттеров, таких как серотонин, мелатонин, норадреналин, дофамин и др. Чем больше количество предшественников, тем больше образуется продукта. Говоря о кислых аминокислотах, глутамат и аспартат сами по себе являются нейротрансмиттерами. Таким образом, тот же случай может относиться и к ним. Так что, возможно, нейроны в ходе эволюции решили просто избавиться от таких чувствительных и мощных источников энергии, которые могут нарушить их основную функцию. Вы можете увидеть исследование Fernstrom, 1994 по этому вопросу.

2. Жирные кислоты , безусловно, хороший кандидат. Но у них есть и некоторые побочные эффекты. Долгое время считалось, что, поскольку жирные кислоты (или вообще липиды) присоединяются к альбумину, находясь в крови, они не могут преодолевать гематоэнцефалический барьер (см ., например , Stryer ). Но, это не так, как сейчас доказано. Тогда почему жирные кислоты не являются предпочтительным источником энергии для мозга? На это может быть довольно много причин.

   • Первый,$\beta$- окисление жирных кислот требует больше кислорода по сравнению с глюкозой, что делает нейроны более уязвимыми к гипоксии. Например, реакция полного окисления глюкозы (из молекулярной клеточной биологии ):

   $\ce{C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 + 36 ADP^{3-} + 36 P_i^{2-} + 36 H^+ \rightarrow 6 CO_2 + 36 ATP^{4-} + 42 H_2O}$

   С другой стороны, реакция на$\beta$-окисление пальмитиновой кислоты (от pharmaxchange ):

   $\ce{C_{37}H_{66}N_7O_{17}P_3S (Palmitoyl-coA) + 23 O_2 + 108 P_i^{2-} + 108 ADP^{3-} \rightarrow C_{21}H_{36}N_7O_{16}P_3S (coenzyme-A) + 108 ATP^{4-} + 16 CO_2 + 23 H_2O}$

   где пальмитиновая кислота$\ce{C_{16}H_{32}O_2}$. Это ясно показывает, что для окисления глюкозы требуется меньше кислорода (1 молекула на углерод) по сравнению с жирными кислотами (почти 3 молекулы на 2 углерода).

   • Во-вторых, неэтерифицированные жирные кислоты (НЭЖК) снижают мембранный потенциал на внутренней митохондриальной мембране, вызывая коллапс электрохимического протонного градиента.

   • НЭЖК также вмешиваются в цепь переноса электронов, стимулируя образование активных форм кислорода, таких как ионы супероксида (например, см. Zhang et al . , 2006 ).

   • Кроме того, скорость образования АТФ из жирных кислот ниже, чем из глюкозы, что делает глюкозу лучшим вариантом для нейронов (см. Stryer ).

   

   Все эти факторы могли сыграть роль в том, что нейроны стали более избирательны в отношении глюкозы. Это также подтверждается тем фактом, что один из ферментов$\beta$-окисление, 3-кетоацилкоэнзим-А тиолаза, имеет значительно более низкую активность в нейронах по сравнению с другими тканями ( Yang et al , 1987 ). Вы можете увидеть Reiser et al , 2013 для изучения этого.

PS: Было показано, что мозг также может использовать лактат вместе с кетоновыми телами в качестве источника энергии. См. Wyss et al , 2011, чтобы узнать больше об этом.

Глюкоза — единственное топливо, обычно используемое клетками мозга. Поскольку нейроны не могут хранить глюкозу, они зависят от кровотока, который обеспечивает постоянную поставку этого топлива. Жирные кислоты не служат топливом для мозга, потому что они связаны с альбумином в плазме и поэтому не проникают через гематоэнцефалический барьер. При голодании кетоновые тела, вырабатываемые печенью, частично заменяют глюкозу в качестве топлива для мозга. (Биохимия. 5-е издание. Берг Ю.М., Тимочко Ю.Л., Страйер Л.)

Кроме того, катаболизм аминокислот — это процесс использования аминокислот в качестве источника энергии. Превращение аминокислот в молекулы, которые можно использовать в цикле Кребса, требует энергии, а это означает, что сжигание белка в качестве топлива не так эффективно, как сжигание углеводов. Кроме того, ваше тело нуждается в аминокислотах для производства новых белков. Когда аминокислоты используются в качестве источника энергии, это уменьшает запасы аминокислот, которые доступны для синтеза белка.

Это то, что я исследовал время от времени в течение многих лет. Я изучал питание еще в начале 1980-х, и наш лектор всегда говорил, что «жиры горят в пламени СНО». Он сказал, что цикл лимонной кислоты зависит от щавелевоуксусной кислоты - преобладающим источником была глюкоза (пировиноградная кислота). https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/оксалоуксусная кислота

Что касается питания, то пациентам с эпилепсией назначают кетогенную диету, поскольку известно, что она подавляет сигналы мозга. Очевидно, что при недостатке глюкозы мозг функционирует неоптимально. Одно из моих опасений в связи с ростом деменции — это предлагаемая диета с высоким содержанием белка и низким содержанием углеводов, а также заявления о том, что тело (и мозг) могут обходиться без УГ.

Другое исследование было проведено профессором Робертом Хорном (на пенсии, Осло) в его работе для студентов. Он составил прекрасный PDF-файл по метаболизму глюкозы, и здесь я цитирую: «Гематоэнцефалический барьер состоит из клеток глии, в первую очередь астроцитов. Небольшая часть глюкозы, высвобождаемой из капилляров, попадает прямо в нервы и синапсы. "захвачен" в астроцитах и ​​окисляется этими клетками до лактата. Лактат проникает дальше в головной мозг и питает нейроны головного мозга. Это, по-видимому, особенно важно для глутаматергических нейронов, составляющих большую часть мозга. к глутамину и отправить продукт обратно в глутаматергические нейроны, где он продолжает цикл в качестве нейротрансмиттера Аксоны не содержат гликогена и, следовательно, полностью зависит от лактата, посылаемого астроцитами для поддержания уровня АТФ. Астроциты и другие клетки глии, по-видимому, содержат некоторое количество гликогена, который может служить краткосрочным источником лактата. Таким образом, ответ на предыдущий вопрос заключается в том, что большая часть мозга зависит от лактата из клеток глии, чтобы обеспечить субстрат для производства аэробной энергии. ; кетоновые тела не могут покрыть свои потребности в субстрате. Во время голодания можно уменьшить потребление глюкозы и использовать кетоновые тела. Однако некоторые нейроны должны иметь лактат, а мозг должен продолжать использовать сахар крови». Таким образом, ответ на предыдущий вопрос заключается в том, что большая часть мозга зависит от лактата из клеток глии, чтобы обеспечить субстрат для аэробного производства энергии; кетоновые тела не могут покрыть свои потребности в субстрате. Во время голодания можно уменьшить потребление глюкозы и использовать кетоновые тела. Однако некоторые нейроны должны иметь лактат, а мозг должен продолжать использовать сахар крови». Таким образом, ответ на предыдущий вопрос заключается в том, что большая часть мозга зависит от лактата из клеток глии, чтобы обеспечить субстрат для аэробного производства энергии; кетоновые тела не могут покрыть свои потребности в субстрате. Во время голодания можно уменьшить потребление глюкозы и использовать кетоновые тела. Однако некоторые нейроны должны иметь лактат, а мозг должен продолжать использовать сахар крови».

Организм использует 2 выделенные группы топливных молекул (жиры и сахара) и может расщеплять свои собственные структурные молекулы в случае чрезвычайной ситуации (белки). Мозг использует сахара, в основном глюкозу, и кетоновые тела, растворимую форму ацетила, полученную при расщеплении жира. Мне нравится этот вопрос, Роланд, так как вы, вероятно, столкнулись с открытым, плохо изученным вопросом, который касается основ того, почему нейроны эволюционировали и стали такими специализированными. Так почему же нейрон гораздо меньше зависит от жиров и белков, чем от более гибких клеток, таких как клетки печени?

Переваривание белков действительно может быть опасным для нейронов, поскольку оно производит аммоний (NH4+). Ни жиры, ни сахара не содержат значительного количества азота. Конечные продукты их распада, H2O и CO2, безвредны. Аммоний, с другой стороны, очень похож на калий (К+), ион, играющий центральную роль в потенциале нейронной мембраны и, следовательно, в его функции. Он имеет аналогичный размер и заряд (см. изображение ниже) и, как предполагается, мешает передаче сигналов калия в мозге. Он может сделать это, вмешиваясь в транспортеры K+ (см. эту схему от Eid ).

Это оставляет нас с жирами . У меня тут 2 гипотезы. Заключительные этапы распада жира в митохондриях включают перенос электронов на кислород с образованием воды. Неизбежной побочной реакцией здесь является создание небольшого количества активных форм кислорода, которые потенциально могут повредить близлежащие молекулы посредством радикальных реакций. Поскольку нейроны так долго живут, это очень опасно для них, так как они постепенно накапливают повреждения. Не так обстоит дело с клетками печени, которые легко заменяются, если повреждены без возможности восстановления. Во-вторых, расщепление жира происходит гораздо медленнее .путь к энергии/АТФ, чем расщепление глюкозы, поскольку он включает в себя последовательное укорочение цепи жирных кислот (бета-окисление), образование восстановленных промежуточных соединений (в основном НАДН в цитратном цикле) и, наконец, окислительное фосфорилирование - всего несколько десятков стадий. Метаболизм глюкозы быстро дает АТФ всего за несколько стадий ( гликолиз ). Кетоновые тела также подходят, так как они уже очень короткие и, следовательно, гораздо быстрее метаболизируются, чем жирные кислоты с длинной цепью. Комбинация этих двух причин может быть причиной того, что нейроны предпочитают глюкозу жирам, но я считаю, что это плохо изученный вопрос, который заслуживает дополнительных исследований. кандидат наук кто-нибудь?