Comunicación Nerviosa

julio 17, 2007 at 11:23 pm 2 comentarios

JairoAlfonso Tovar Franco, M.Sc., Ph.D.
Profesor Titular
Departamento de Nutrición y Bioquímica
Pontificia Universidad Javeriana

4. Comunicación nerviosa
La comunicación en el sistema nervioso se hace a través de dos mecanismos celulares, a saber, la compartimentación celular y señalización celular.

4.1. Compartimentación intra e intercelular
La compartimentación esta definida como la colaboración metabólica (a través de sustratos) entre dos compartimentos. Un compartimento esta limitado por una barrera que generalmente es una membrana. Se habla de compartimentación intracelular cuando se hace dentro de compartimentos dentro de la célula, por ejemplo citosol y mitocondria. La compartimentación intercelular cuando se hace entre células diferentes, por ejemplo neuronas y astrocitos.

Los primeros estudios de la compartimentación de la glucosa y de sustratos relacionados con la misma en el cerebro, fueron análisis computadorizados que hacian participar a modelos construidos a partir de los datos obtenidos con respecto a las concentraciones de intermediarios en el tejido, partiendo de constantes de reacciones enzimáticas relacionadas con estos intermediarios y de velocidades de recambio basadas en el empleo de sustratos radiactivos. Los patrones cuantitativos del metabolismo que aparecian con el tiempo se comparaban con los que existian con respecto a un sustrato dado; las grandes anomalías eran tratadas alterando los supuestos sobre el volumen de los depósitos o la actividad enzimática hasta que se obtenía el modelo más aceptable .
Con respecto al metabolismo de glucosa y aminoácidos en el cerebro, la correlación más próxima que existe entre los datos de un modelo computadorizado y los datos experimentales tiene lugar cuando el modelo posibilita la existencia de, al menos, dos depósitos separados de intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos; uno de ellos contiene un gran depósito de glutamato con relativamente poca conversión a glutamina y otro contiene un depósito mucho más pequeño de glutamato que se convierte rápidamente en glutamina. El compartimento de gran tamaño forma GABA, que es transaminado primariamente en el compartimento pequeño. La entrada de 14C a partir de [U-14C] glucosa parece que tiene lugar, en principio, en el compartimento de mayor tamaño con una migración posterior relativamente lenta de 14C al compartimento más pequeño. El compartimento pequeño utiliza más sustratos entre los que se encuentra los aminoácidos y los ácidos grasos de cadena corta.
Aunque los compartimentos metabólicos no corresponden necesariamente a células anatómicamente separadas, en este caso los datos indican que es en las neuronas donde se sitúa el compartimento grande, y en las células glíales el pequeño. Este patrón de compartimentación se desarrolla en la ontogenia paralelamente con la aparición de células glíales. Los depositos neuronales y glíales pueden subdividirse en subdepósitos que representan a los tipos de células glíales o a las regiones celulares, tales como terminales nerviosos y dendritas. Además de las neuronas y células glíales, las células de los vasos sanguíneos suponen un tercer compartimento celular dentro del sistema nervioso central. Las células capilares de los endotelios suponen solamente un porcentaje pequeño dentro del volumen celular del cerebro, pero contienen de cinco a siete veces más mitocondrias que en los endotelios sistémicos. Desde el punto de vista metabólico parecen ser muy activas y responden probablemente a una gran proporción de la oxidación de ácidos grasos y aminoácidos.

4.1.1.Sustratos neuronales y glíales en la compartimentación

Un gran número de datos experimentales obtenidos, tanto in vitro como in vivo, sugieren que existe cierta especialización en el uso de sustratos entre las neuronas y la glía. Glucosa, glutamina, citrato, malato, a-cetoglutarato y alanina parecen ser utilizados preferentemente por la neuronas, mientras que una serie de otras sustancias, que se incluyen directamente en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, como por ejemplo: acetato, piruvato, succinato, aspartato, glutamato, g-aminobutirato (GABA), fenilalanina y leucina que son captadas y metabolizadas fundamentalmente por las células glíales. Este concepto de compartimentación viene apoyado también por los estudios funcionales en los que ha llevado a cabo la estimulación neuronal in vivo.
Las células glíales suponen aproximadamente la mitad del volumen celular del cerebro. Los astrocitos constituyen una elevada proporción de células glíales y contienen concentraciones de mitocondrias en sus prolongaciones relativamente escasas. Este hecho está de acuerdo con los coeficientes respiratorios altos de los astrocitos que equivalen aproximadamente a los de las neuronas. La oligodendroglía contiene grandes cantidades de mitocondrias, pero menos gránulos de deposito de glucógeno que los astrocitos, y gran parte de su metabolismo está dirigido a la síntesis y recambio de mielina en el sistema nervioso central. Generalmente se consideran como las células glíales más activas desde el punto de vista metabólico y en el cultivo de tejidos muestran diferencias con respecto a las neuronas, tanto en sus propiedades metabólicas como en su capacidad de responder a diversos agentes inductores con formación de AMP cíclico y de enzimas glucolíticas. Así pues, las células glíales están probablemente especializadas en su metabolismo y su actividad es complementaria de las neuronas, que parece estar orientada de forma especial hacia el empleo de glucosa como sustrato. Se ha demostrado que los astrocitos suplen intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos a las neuronas y que estos intermediarios evitan la disminución de estos metabolitos, que podria ocurrir debido a la liberación de glutamato como neurotransmisor a partir de los terminales nerviosos glutamatérgicos.
La modificación de la concentración de algunos neurotransmisores requiere que los astrocitos posean mecanismos de transporte o bombas para el transporte específico de neurotransmisores o compuestos moduladores tales como el g-aminobutirato (GABA), L-glutamato, L-aspartato, glicina, serotonina, noradrenalina, dopamina y adrenalina. Tanto la glía normal como la transformada pueden acumular estas sustancias debido a la presencia de un transporte de alta afinidad dependiente de la energía y del ión sodio. Los valores de KM están en el rango µM y las células glíales contienen varios de estos sistemas de alta afinidad repartidos por su membrana plasmática. Los astrocitos acumulan tanto GABA como catecolaminas en el interior de la célula, y estos productos son degradados debido a sus altos niveles de GABA-a-cetoglutarato transaminasa (EC 2.6.1.19) y monoamino oxidasa (EC 1.4.3.4). Posteriormente a la acumulación y tras los mecanismos de metabolización, los astrocitos liberarán estos productos acumulados de una forma modificada. La enzima glutamato descarboxilasa (EC 4.1.1.15), que sintetiza el GABA a partir de L-glutamato se halla en las neuronas en mayor proporción que en los astrocitos. El enriquesimiento de glutamato descarboxilasa en los terminales nerviosos implica que el GABA sintetizado en las neuronas sea liberado sinapticamente y después se transporta a las células glíales, donde es metabolizado entrando en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, no obstante, las neuronas tienen un mecanismo de reabsorción del GABA. En el caso del L-glutamato, es liberado por las neuronas y captado por los astrocitos que tienen glutamina sintetasa (EC 6.3.1.2), producen L-glutamina, la cual se exportara hasta las neuronas donde se convierte posteriormente en L-glutamato y GABA. El esqueleto carbonado del L-glutamato se puede formar en el sistema nervioso central a partir de glucosa, pero siempre que exista la presencia de astrocitos, ya que requiere la piruvato carboxilasa y esta enzima se encuentra ausente en neuronas. La tasa de transporte de L-glutamato es mayor en los astrocitos que en las neuronas; las neuronas perderan L-glutamato en el momento de la exitación y esta pérdida ira acompañada de una captación de este sustrato por los astrocitos. Por otra parte, el flujo de L-glutamina en los dos tipos de células es menor que el del L-glutamato y en las neuronas no corresponde cuantitativamente a la pérdida de L-glutamato. La cinética del transporte de L-glutamato y L-glutamina entre astrocitos y neuronas soporta la hipótesis de que los astrocitos y su compartimentación con las neuronas, controlarán la síntesis y por tanto, la concentración de estos neurotransmisores.
El que el GABA sea producido solamente por neuronas y la glutamina sólo en las células glíales demuestra directamente la compartimentación a nivel de biosíntesis. Mientras que estas diferencias de localización enzimática son absolutas, es probable que, a nivel de la utilización de sustrato energético, la compartimentación no sea absoluta, sino que refleje intensidades diferenciales de captación y utilización.
Con la técnica de resonancia magnetica nuclear (NMR), usando glutamato y GABA marcados, se ha encontrado que estos metabolitos son sintetizados principalmente en un compartimento en el cual la glucosa es metabolizada a piruvato, seguido por la descarboxilación a acetil-CoA que entra al ciclo de los ácidos tricarboxílicos. La utilización de glutamina y aspartato indica que una apreciable cantidad de estos aminoácidos son metabolizados en un compartimento en el cual la glucosa es metabolizada a piruvato, seguida de una descarboxilación a oxalacetato. Estos resultados son consistentes con el concepto de que la piruvato carboxilasa y la glutamina sintetasa son enzimas glíales específicas y que son inusualmente acumuladas para su utilización en la compartimentación metabólica en los tejidos del sistema nervioso central (Shank, 1993).
Durante el desarrollo las enzimas del ciclo del GABA son más activas que las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, por esto las neuronas necesitan intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxilicos para llenar las necesidades energéticas y para la síntesis de neurotransmisores, lo que las obliga a establecer una compartimentación temprana con los astrocitos. Durante el estado adulto la relación ciclo del GABA/ciclo de los ácidos tricarboxílicos se invierte.
El glutamato en el cerebro sirve como reserva de esqueletos de carbono que pueden ser reincorporados o removidos del ciclo de los ácidos tricarboxílicos para regular el flujo de reservas de intermediarios en respuesta a la demanda de energía del tejido. Esta reserva es más grande en neuronas que en astrocitos. El flujo de glutamato desde las neuronas a los astrocitos está relacionado cercanamente con el flujo de glutamina en el sentido contrario. Una de las principales fuentes de nitrógeno para la síntesis de glutamina es la leucina, por una reacción de transaminación. Los astrocitos sintetisan glutamina vía glutamina sintetasa (GS) que sería exportada a las neuronas donde se utilizaría como principal precursor para la síntesis del GABA, además, la otra función de la GS es la detoxificación del NH+4 en el cerebro. Sin embargo, los astrocitos son incapaces de resuplementar glutamina a una velocidad tal, que ayude a las neuronas a mantener las reservas de glutamato y GABA a niveles homeostáticos, por lo tanto, donan intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos para ayudar a satisfacer estas necesidades de síntesis de neurotransmisores.
Se ha reportado que las concentraciones de la glutamato deshidrogenasa (GDH) son más bajas en neuronas que en astrocitos, mientras que, la glutaminasa (PAG) es más activa en neuronas (Duce, 1983; Patel, 1982). Por otro lado, las concentraciones de monoamino oxidasa (MAO), GABA-a-cetoglutarato transaminasa (GABA-T) y la semialdehido succínico deshidrogenasa (SSDH) estan más concentradas en los astrocitos. GABA-T y SSDH son mitocondriales. En las neuronas predomina la glutamato descarboxilasa (GAD) y la aspartato aminotransferasa (ASAT). Estas observaciones unidas a la producción y liberación de neurotrasmisores por parte de las neuronas y a la síntesis y liberación de glutamina por los astrocitos, soportan cada vez más la principal hipótesis de compartimentación llamada ciclo de la glutamina.
Recientemente, se han encontrado dos mRNA GABA-T que puede implicar la existencia de más de una forma de GABA-T. El cerebro contiene dos formas de glutamato descarboxilasa (GAD), denominadas GAD65 y GAD67, son el producto de dos genes y diferente secuencia, ambas son piridoxal fosfato dependientes. GAD65 aparece localizada en los terminales nerviosos y GAD67 está mas uniformemente distribuida por toda la neurona. Un aumento de la concentración de GABA intercelular en neuronas de cerebro de rata, causó una disminución de los niveles de GAD67, mientras que los niveles de GAD65 no eran afectados, lo que demuestra que, GAD67 es fuertemente controlada un mecanismo regulador intraneuronal que tiene importantes funciones fisiológicas en las células GABAérgicas del cerebro de los mamiferos.
Los astrocitos poseen piruvato carboxilasa (PC), esta enzima anaplerótica mitocondrial convierte el piruvato en oxalacetato, favoreciendo la formación y salida de citrato. En experimentos con resonancia magnetica nuclear (NMR), utilizando [1-13C]-glucosa, sólo se ha detectado altas concentraciones de citrato en el medio en cultivos de astrocitos. Estos resultados convertirian al citrato como el más importante constituyente del ciclo de los ácidos tricarboxilicos liberado por los astrocitos para subsecuentemente, ser utilizado por las neuronas (Duce, 1983; Sonnewald, 1991; Sonnewald, 1993a). Sin embargo, se ha demostrado usando [1,5-14C]-citrato, que la velocidad de la liberación de citrato desde las neuronas de ratón en cultivo primario es solamente 5% más baja que los astrocitos. Sólo la presencia de glutamina, glutamato, bicarbonato y K+, estimula la liberación de citrato en los astrocitos, que es independiente de las concentraciones de citrato exógeno. Además, el [1,5-14C]-citrato se metaboliza a 14CO2 a una velocidad ligeramente superior en los astrocitos con respecto a las neuronas, lo que demuestra un contenido intracelular de este compuesto muy similar en los dos tipos de células. La falta de un sistema de absorción saturable para citrato en las neuronas y en los astrocitos, no soportan la idea de compartimentación con respecto a este sustrato. Se ha propuesto que el papel del citrato extracelular controlado por los astrocitos, es el de quelatante de Ca+2 y Mg+2. La concentración extracelular de Mg+2, gobierna la actividad funcional de los receptores NMDA, por lo tanto, el citrato puede influenciar los estados exitables de las neuronas vía regulación de la exitación del glutamato a través de estos receptores (Westergaard, 1994). A pesar de todo, con estos resultados no se puede descartar que el citrato pueda tener un papel importante durante el desarrollo, no sólo como regulador de iones calcio y potasio en el espacio extracelular, sino como un precursor de neurotrasmisores.
Probablemente existe una clara transferencia de a-cetoglutarato y malato desde los astrocitos hasta las neuronas, haciendo participar al transporte de cetoácidos en los terminales nerviosos por un proceso de captación de alta afinidad dependiente de Na+. Estos sistemas de transporte se han demostrado en las preparaciones enriquecidas en terminales nerviosos. La presencia de transportadores para malato y ?-cetoglutarato a nivel de membrana plasmatica, convierte a estos dos intermediarios en candidatos para establecer una compartimentación. Estas observaciones estarían soportadas por el hecho que durante el desarrollo, la lanzadera malato/aspartato es más activa en neuronas que astrocitos, por lo que necesitarian un suplemento de malato y a-cetoglutarato extra para ayudar a mantener la síntesis de glutamato y aspartato en las neuronas. Además, esta lanzadera en neuronas, representa la ruta de síntesis de glutamato más importante que la ruta vía glutamato deshidrogenasa o la vía de la GABA-a-cetoglutarato transaminasa. El glutamato en los astrocitos se degrada más por acción de la glutamato deshidrogenasa que por acción de la aspartato aminotransferasa. Por otro lado, en astrocitos relacionados a células fotoreceptorasla, la glutamato deshidrogenasa se encuentra al doble de concentrada en el citoplasma que en la mitocondria. Esto favorece una degradación del glutamato en los astrocitos. Por otro lado, la producción vía L-aspartato N-acetiltransferasa de N-acetil-L-aspartato es esclusivamente neuronal y está regulada por las concentraciones de aspartato. La formación de a-cetoglutarato en los astrocitos ocurre más por la ruta de deaminación oxidativa que por una transaminación, lo que sugiere que la formación de a-cetoglutarato desde glutamato representa una degradación neta y no un intercambio isotópico.
El acetato producto de la reacción catalizada por la N-acetil-L-aspartato amidotransferasa, es metabolizado muy lentamente por las neuronas lo que produce una acumulación y liberación al medio de este sustrato. Esto lo convierte el un posible metabolito de intercambio desde las neuronas, favoreciendo posiblemente la lipogénesis en los astrocitos. El acetato puede entrar al ciclo de los ácidos tricarboxílicos vía acetatotioquinasa (EC 6.2.1.1) cerebral, que utiliza como sustratos acetato y CoA para convertirlos en acetil-CoA. Se ha demostrado claramente que utilizando acetato marcado se obtiene preferencialmente glutamina marcada más que glutamato marcado, mientras que, si el precursor es glucosa marcada ocurre lo contrario. Además, el citrato ha sido mucho más marcado cuando el precursor es acetato marcado que cuando es glucosa marcada. Estos resultados indican que el acetato posiblemente es un precursor preferencial para la síntesis de glutamina y citrato que la glucosa, además, refleja un mayor intercambio de intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos en los astrocitos que en las neuronas. Después de la infusión de [1,2-13C]-acetato, resultados utilizando NMR indican: que en el cerebro de rata hay dos compartimentos diferentes para glutamato, caracterizados por la ausencia (neuronas) o presencia (astrocitos) de glutamina sintetasa; dos ciclos tricarboxílicos, uno que metaboliza preferencialmente [1,2-13C]-acetato (mitocondrial) y otro que utiliza acetil-CoA sin marcar (citosol); un sistema de reciclaje de piruvato, hasta ahora desconocido, asociado al ciclo de los ácidos tricarboxílicos, que metaboliza preferentemente acetil-CoA sin marcar (citosol); una predominante producción de GABA en el compartimento del glutamato donde no esta presente la glutamina sintetasa (neuronas). Estos resultados evidencian que tanto las neuronas como los astrocitos presentan la misma capacidad de absorber acetato.
La enzima anaplerótica, piruvato carboxilasa, se expresa selectivamente en las mitocondrias de astrocitos, con lo que ofrece una fuente de carbonos. Igualmente, se ha detectado la enzima málica en el citosol y mitocondria de los astrocitos. Bajo este panorama la lanzadera aspartato/malato, sólo puede funcionar en los astrocitos y las lanzaderas citrato/malato y aspartato/malato en las neuronas.
Por otro lado, la alanina procedente del piruvato por acción de la alanina aminotransferasa (ALAT) (EC 2.6.1.2), ha sido localizada en altas concentraciones en el medio ácido de cultivos de astrocitos, y se ha propuesto como un sustrato candidato a ser compartimentizado. Recientemente se han reportado dos sistemas de absorción de alanina, uno de baja y otro de alta afinidad dependientes de ión sodio en sinaptosomas. La rápida acumulación del complejo Na+-alanina en los sinaptosomas estimula la actividad de la bomba Na+/K+ e incrementa la utilización de energía, esto es, activa la producción de ATP, glicólisis y fosforilación oxidativa. La acumulación de Na+ también causa una pequeña despolarización de la membrana plasmática, elevando las concentraciones de Ca+2 interno y favoreciendo la liberación de glutamato. Estos resultados indican que los astrocitos liberan alanina que es reabsorbida por las neuronas para utilizarla como precursor gluconeogénico durante el desarrollo y como fuente de nitrógeno. Esta observación esta soportada por experimentos con [15N]-glutamato utilizando cromatografía de gases acoplada a un espectrofotometro de masas. Se encontró que en cultivos primarios de astrocitos se liberó al medio [2-15N]-glutamina, [5-15N]-glutamina y [15C]-alanina. Estos resultados poden en evidencia que, la síntesis de glutamina es solamente una de las rutas importantes en el metabolismo de glutamato en los astrocitos y que el cambio del nitrógeno del glutamato a la alanina puede considerarse como un mecanismo de desintoxicación. Por otra parte, la alanina es una importante fuente de nitrógeno para la síntesis de glutamato en las neuronas, además, todos los aminoácidos no esenciales pueden formarse a partir de alanina, que tendría un papel relevante en el período perinatal, donde se activan los procesos de síntesis de proteinas. Se ha indicado, que la síntesis de glutamato en neuronas GABAérgicas se deriva no sólo vía glutaminasa, sino que también juegan un papel importante las reacciones de transaminación en los cuales la alanina, vía alanina aminotransferasa (ALAT), que está más concentrada en el citosol que en la mitocondria y la serina, han mostrado ser fuentes eficientes de nitrógeno. La velocidad de generación de alanina desde glutamina es casi del mismo orden de magnitud que la generación de glutamato desde alanina. La velocidad de la ALAT es entre 7-8 veces más rápida en dirección a formación de alanina que en dirección al cetoácido, por lo tanto no se le puede considerar un reacción bidireccional. Por otro lado, la formación de piruvato desde alanina, es considerablemente más lenta que la formación de aspartato desde glutamina. La formación de alanina desde glutamato indica que la ALAT esta presente en terminales glutamatérgicos. Sin embargo, cuando los niveles de glutamato caen en el cerebro, la ALAT es una de las principales candidatas para resuplementar glutamato perdido.
Se ha detectado en cerebro la presencia de dos enzimas que pueden convertir la glutamina en amonio, la glutamino transaminasa K (Gln-TK) mitocondrial y la w-amidasa. Esta ruta se conoce como la vía de la glutaminasa II y es capaz de generar relativamente altas concentraciones de amonio desde glutamina. Es probable que esta vía este limitada por la disponibilidad de a-cetoácidos. La actividad de la Gln-TK está correlacionada con la maduración de los astrocitos. Una combinación de Gln-TK, a-amidasa, GDH con GS resulta en un reciclaje de glutamina y glutamato. El efecto neto es la aminación reductiva de un apropiado a-cetoácido. La Gln-TK transamina todos los aminoácidos aromáticos, incluyendo 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA) y se sugiere que la enzima puede modular la síntesis de neurotrasmisores.
Las neuronas transmiten señales a las células glíales por liberación de potasio al espacio extracelular durante la actividad neuronal, causando la despolarización simultanea de sus potenciales de membrana. Las células glíales pueden responder metabólicamente a la liberación de potasio, tomando el exceso de potasio, para proteger a las neuronas contra perturbaciones en la concentración extracelular de estos iones. La activación neuronal a causado un incremento de K+, incrementando la absorción de 3H-2-deoxiglucosa y la síntesis de glucógeno en células glíales. La estimulación eléctrica como el incremento extracelular de K+ incrementa las cantidades de 3H-glucosa incorporada a glucógeno, proteínas y lípidos. El metabolismo del glucógeno en el sistema nervioso central debe ser controlado localmente, ya que las hormonas circulantes no pueden pasar la barrera hematoencefálica. Las células glíales, son selectivamente permeables a los iones potasio y la síntesis de glucógeno mediada por la promoción de iones potasio en el cerebro puede ser un mecanismo para ayudar a mantener el suplemento de energía, como consecuencia de una intensa actividad neuronal, si los niveles locales de glucosa en la sangre caen o son inadecuados.

4.1.2. Metabolismo energético cerebral.4.1.2.1. Desarrollo de la glucolisis en cerebro.
En la rata y el ratón, cuyo desarrollo nervioso es postnatal, las enzimas glucolíticas tienen la misma actividad en cerebro fetal y neonatal temprano. El aumento de actividades de las enzimas comienza el día 5 postnatal. Las enzimas de la glucolisis hexoquinasa, fosfofructoquinasa, aldolasa y piruvato quinasa, alcanzan sus actividades máximas en el día 20 y permanecen constantes en el adulto. Este hecho demuestra que la inducción de las enzimas de la glucolisis es coordinada. Sin embargo, sucede en momentos distintos en las diversas regiones del cerebro, reflejo de la heterogeneidad y compartimentación funcional del tejido. Paralelamente a las enzimas glucolíticas, aumenta la actividad citocromo oxidasa y succinato deshidrogenasa, lo que indica que la capacidad oxidativa está, asimismo, incrementada.
En el hombre, el aumento de la actividad de las enzimas de la glucolisis sucede en el período prenatal, desde la semana décima de gestación hasta las 40 semanas de vida postnatal. Se ha demostrado que en cerebro fetal humano, la glucolisis es la principal vía de metabolización de la glucosa. Sin embargo, la medida de la incorporación de lactato radiactivo en glucosa durante el desarrollo, indica que durante los primeros días de vida, la incorporación del lactato a glucosa es superior a la del adulto, convirtiendose el lactato, en este período, en el principal sustrato gluconeogénico.

El control del metabolismo oxidativo se lleva a cabo gracias a hormonas específicas que actuan sobre la síntesis de las enzimas, así como por una regulación por metabolitos. Entre las enzimas de la glucolisis, la fosfofructoquinasa (EC 2.7.1.11) y la hexoquinasa (EC 2.7.1.1) son reguladoras, y en cerebro de rata, están controladas por la concentración de ATP que decrece conforme aumenta el flujo glucolítico. Se ha encontrado en cultivos de astrocitos, que un 80% de la actividad de la hexoquinasa es citosólica, esto es compatible con el alto contenido en glucógeno y con la baja dependencia de estas células a la glucosa externa. La fosfofructoquinasa se inhibe por citrato, que en el neonato tiene concentraciones de 2 a 4 veces superiores a las del cerebro adulto. Por otro lado, la diferenciación de los neuroblastos coincide con el desarrollo de las isoenzimas de fosfofructoquinasa, piruvato quinasa y enolasa.
El glicerol-3-fosfato generado a partir de intermediarios glucolíticos, se sintetiza mediante la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa y transporta equivalentes reducidos desde NADH citoplasmático, generado en la glucolísis, hasta la mitocondria. La glicerol-3-fosfato deshidrogenasa es característica en la diferenciación de oligodendrocitos, aumentando durante el desarrollo in vitro. Dicho incremento se previene por la presencia de suero en el medio de cultivo.
Los astrocitos contienen la mayoria del glucógeno almacenado en el cerebro. La glucogenólisis tiene lugar in vitro activada por la noradrenalina, K+ y peptido intestinal vasoactivo (VIP). Sin embargo, el destino de la glucosa procedente del glucógeno no esta aún claro. Se ha encontrado actividad de glucosa-6-fosfatasa (G6Pasa) (EC 3.1.3.9) en el cerebro y se ha demostrado que es exclusivamente astrocítica, aunque no todos los astrocitos expresan la enzima. Recientemente se ha descrito la expresión de esta proteína in vivo en astrocitos humanos. Asimismo, se ha observado la disminución de 2-deoxi-D-glucosa marcada, un homólogo de la glucosa no metabolizable, debida, posiblemente, a la presencia de la glucosa-6-fosfatasa en el cerebro.
El cerebro utiliza aproximadamente el 20% de la glucosa total metabolizada, principalmente a través de la glucolisis acoplada al ciclo de los ácidos tricarboxílicos y al ciclo de las pentosas fosfato. Una gran proporción de la glucosa consumida por el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es para la producción de energía. La vía de las pentosas fosfato, por otro lado, suministra sustratos esenciales, dependiendo del estado de desarrollo o de la región del cerebro. Así, el ciclo de las pentosas fosfato tiene dos productos principales, la ribosa-5-fosfato que puede ser usada para la biosíntesis de nucleóticos y ácidos nucleicos, y el NADPH que es usado en la síntesis de ácidos grasos y colesterol, reacciones de hidroxilación de neurotransmisores, detoxificación de peróxidos de hidrógeno, así como en el mantenimiento del glutation en su forma reducida. El desarrollo de la actividad de las enzimas del ciclo de las pentosas fosfato difiere notablemente del desarrollo de las enzimas de la glucolisis y del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Tanto en cerebro de rata como en el de ratón, la actividad de las enzimas glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (EC 1.1.1.49), 6-fosfo-D-gluconato deshidrogenasa (EC 1.1.1.43), D-ribosa-5-fosfato isomerasa (EC 5.3.1.6) y D-ribulosa-5-fosfato isomerasa (EC 5.1.3.1) se induce momentos antes del nacimiento, permaneciendo constantes durante la lactancia y disminuyendo posteriormente. Se piensa que, en el cerebro adulto, la utilización de glucosa a través del ciclo de las pentosas fosfato es muy bajo, tanto en humanos (1%) como en la rata (1-3%).
Por mucho tiempo se ha creído que la glucosa es el sustrato energético obligatorio para el cerebro, que se oxida completamente a CO2 y H2O, y que el metabolismo energético del cerebro a menudo se considera que refleja predominantemente o casi exclusivamente el metabolismo energético neuronal. Sin embargo, en la actualidad está claro que otro tipo de células, las que conforman la denominada neuroglia y las células que recubren los vasos sanguíneos (células endoteliales), no sólo consumen energía, sino que además pueden jugar un rol activo en el flujo de los sustratos energéticos hacia las neuronas.
Los astrocitos son células con aspecto estrellado que forman parte de la neuroglia, y entre otras importantes funciones, mantienen la homeostasis del K+ extracelular, y aseguran la recaptación de los neurotransmisores para que el impulso nervioso cese.
Observaciones in vitro indican que la utilización de glucosa ocurre cerca de los sitios sinápticos (donde termina el axón y el pie neuronal), no en el cuerpo de la neurona, y los astrocitos son las células más probables donde ocurre la captación de glucosa.
Estudios in vitro indican que el lactato es cuantitativamente el principal intermediario metabólico liberado por los astrocitos, a una velocidad de 15-30 nmol/mg de prot x min. Esta velocidad se correlaciona bien con la velocidad de captura de glucosa por la materia gris o por astrocitos en cultivo, la cual es de entre 5 y 15 nmol/mg prot x min. No liberan glucosa en cultivo, aún cuando la glucosa está ausente del medio.
En el cerebro el glucógeno se almacena principalmente en los astrocitos y aunque los niveles son bajos, comparados con el hígado y el músculo, la tasa de recambio (turnover) es muy rápida, y sus niveles están estrechamente acoplados a la actividad sináptica. Por ejemplo, durante la anestesia, los niveles de glucógeno aumentan abruptamente y los astrocitos que se hallan en áreas donde la actividad neuronal está disminuida o ausente, como consecuencia de alguna injuria, también contienen altas cantidades de glucógeno. Esto ocurre porque disminuye la actividad neuronal, entonces el glucógeno permanece almacenado, no se utiliza.
El péptido intestinal vasoactivo (VIP) y la norepinefrina (NE) promueven la glucogenólisis en los astrocitos, en una forma dependiente del tiempo y de la concentración. Parece que el glucógeno astrocitario representa un “buffer metabólico”, bajo el control dinámico de la actividad neuronal.
En el cerebro coexisten muchos tipos de células que permiten un funcionamiento adecuado de un tejido tan complejo, pero básicamente podemos decir que un 20% del total de células son neuronas y el 80% restante corresponde a células denominadas gliales, de las que existen varios tipos diferentes.
A pesar de que el cerebro humano constituye el 2% del peso corporal, los procesos que consumen energía para asegurar su funcionamiento, dan cuenta del 25% del total de la glucosa utilizada en el cuerpo y casi del 20% del consumo de O2 de todo el organismo, es decir cerca de 160Umol/100 g de peso de tejido cerebral. Con un flujo global de 57 ml/100 g/min, el cerebro extrae aproximadamente el 50% del oxígeno y 10% de glucosa de la sangre arterial. Por lo tanto, la utilización de glucosa por parte del cerebro, estimada por mediciones de la diferencia entre sangre arterial y venosa, es de 31 mmol/100 g/min. Como el consumo de oxígeno es prácticamente igual a la producción de CO2, el cociente respiratorio (RQ) es cercano a 1, indicando que los carbohidratos son los sustratos utilizados para el metabolismo oxidativo. Dada una estequiometría teórica de 6 mmol de oxígeno consumidos por cada mmol de glucosa, la utilización de glucosa por parte del cerebro sería en teoría de 26.6 mmol/100g/min. Sin embargo, como se indicó anteriormente, la utilización de glucosa medida es de 31 mmol/100 g/min, lo que indica que un exceso de 4.4 mmol/100 g/min de glucosa sigue otros destinos metabólicos.
El cerebro puede tanto oxidar carbohidratos (CHO) en forma de glucosa o lípidos en la forma de cuerpos cetónicos.

El glucógeno se almacena en los astrocitos
El glucógeno es la reserva única y más importante de energía en el cerebro, y se localiza en los astrocitos.
En comparación con el contenido en el hígado y el músculo, la cantidad de glucógeno en el cerebro es muy pequeña (100 y 10 veces inferior respectivamente). Por lo tanto difícilmente el cerebro pueda ser considerado un órgano de reserva de glucógeno, y entonces debe ser visto como proveedor de un buffer metabólico durante la actividad fisiológica.

El metabolismo del glucógeno está acoplado a la actividad neuronal
El recambio (turnover) de glucógeno en el cerebro es extremadamente rápido, y los niveles de glucógeno son finamente coordinados por la actividad sináptica. Por ejemplo, durante una anestesia general, una condición en la cual la actividad neuronal sináptica se encuentra marcadamente atenuada, los niveles de glucógeno se elevan abruptamente. Interesantemente, sin embargo, el contenido de glucógeno de astrocitos en cultivo no se incrementa por anestesia general; esta observación indica que la acción general de los anestésicos sobre el glucógeno de los astrocitos in vivo es debida a la inhibición de la actividad neuronal, poniendo de relieve la existencia de un estrecho acoplamiento entre la actividad sináptica y el glucógeno astrocitario.
Entonces cuando hay daño cerebral por heridas o injurias, la actividad sináptica disminuye o se encuentra ausente, por lo tanto los astrocitos de esa zona contienen altas cantidades de glucógeno.
Por ejemplo, en la enfermedad de Alzheimer (EA), investigaciones realizadas en la década de los años ochenta, han demostrado que el turnover de glucosa se halla dramáticamente disminuido en esos pacientes.
Esta reducción del metabolismo de la glucosa cerebral es progresivo con la edad, se acentúa al inicio de los síntomas de la enfermedad y se agrava en fases avanzadas del proceso neurodegenerativo. La reducción oscila entre un 19% en casos leves y un 40% en casos severos, reflejando un paralelismo entre el grado de deterioro cognitivo y el déficit metabólico de glucosa. Esta alteración metabólica contribuye de forma considerable al fracaso en la síntesis de diversos neurotransmisores, como acetilcolina, serotonina y noradrenalina. De hecho la síntesis de acetilcolina se afecta de modo particular debido a que requiere acetil-CoA, un factor derivado enteramente de la glucólisis cerebral. Como los niveles de glucosa periférica en la EA tienden a ser normales, se supone la existencia de un deterioro parcial del transporte de glucosa a nivel de la barrera hematoencefálica (BHE). Se han planteado varias razones por las cuales puede producirse un fracaso del metabolismo de la glucosa en esta enfermedad: 1- las alteraciones de los capilares sanguíneos pueden contribuir a disfunciones hemodinámicas que remueven la glucosa de la capa libre de células o evitan la entrada de glucosa en esta lámina fluida esencial para su ulterior transporte al tejido cerebral; 2- una alteración en el transportador de glucosa GLUT-1 en las células endoteliales de la barrera hematoencefálica y un deterioro parcial del transportador de glucosa GLUT-3, que introduce la glucosa en las neuronas, podrían contribuir definitivamente a disminuir el metabolismo glucídico cerebral; 3- una reducción de la enzima hexokinasa, que cataliza la reacción de fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato durante la glucólisis, ha sido detectada en la EA. Después de la conversión a glucosa-6-fosfato, la glucólisis continúa produciendo piruvato, que entra en las mitocondrias y es convertido en acetil-CoA por el complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, generando por último compuestos de fosfato ricos en energía que producen ATP. Sin embargo, la producción de acetilcolina y acetil-CoA pueden verse afectados porque la actividad piruvato deshidrogenasa se halla reducida en la EA; 4- una amenaza adicional al metabolismo de la glucosa cerebral en la EA proviene del daño presente en el ADN mitocondrial que contribuye a la formación de radicales libres, con la consecuente pérdida energética derivada de la fosforilación oxidativa; 5- un obstáculo final para el metabolismo de la glucosa cerebral en la EA podría proceder de la desensibilización de los receptores neuronales de insulina, con una reducción en la actividad de enzimas críticas en la glucólisis cerebral y la consiguiente disminución de energía producida. Todas las evidencias parecen sugerir que en la EA se produce un deterioro metabólico cerebral por disminución del metabolismo energético.

Algunos neurotransmisores regulan el metabolismo del glucógeno en los astrocitos
Los niveles de glucógeno en los astrocitos se encuentran estrechamente regulados por varios neurotransmisores.
Algunos neurotransmisores monoamina como la noradrenalina, serotonina e histamina, son glucogenolíticos en el cerebro, además de ciertos péptidos, como el péptido intestinal vasoactivo (VIP), la adenosina y el ATP.
Los efectos de todos estos neurotransmisores están mediados por receptores específicos acoplados a vías de señalización intracelular.
No está claro si las unidades glucosil movilizadas a través de la glucogenólisis son utilizadas por los astrocitos para satisfacer sus propias demandas o si son metabolizadas a otra sustancia como lactato el cual es luego liberado para ser usado por las neuronas. Al parecer, la glucosa no es liberada por los astrocitos luego de la glucogenólisis, y evidencia in vitro sugiere que el lactato podría ser el intermediario metabólico producido a través de la glucogenólisis y exportado desde los astrocitos hacia las neuronas.
Observaciones experimentales muestran que señales neuronales (por ejemplo ciertos neurotransmisores), pueden ejercer sobre los astrocitos efectos metabólicos mediados por receptores, de una manera similar a como lo hacen las hormonas periféricas con sus células target o blanco. Sin embargo, la acción de este tipo de neurotransmisores está especificado temporalmente y restringida espacialmente a áreas activadas.
Estos estudios indican que la activación fisiológica de circuitos neuronales específicos, resultan en la movilización de reservas de glucógeno glial.
En conclusión, los astrocitos cumplen un rol crítico en la utilización de la glucosa acoplada a la transmisión sináptica excitatoria, ya que cuando se producen este tipo de sinapsis, se libera el neurotransmisor glutamato, el cual es rápidamente removido del espacio extracelular por un sistema de captura mediado por transportadores, para que la transmisión del impulso nervioso pueda finalizar. Son los astrocitos los que captan el glutamato junto con iones Na+ (proporción 1:3), pero al mismo tiempo entra al astrocito 1 molécula de glucosa, que se utiliza para realizar glucólisis, obteniendo 2 ATP y liberándose 2 moléculas de lactato que son captadas y consumidas por las neuronas para producir 18 ATP por fosforilación oxidativa.
Estudios in vitro e in vivo indican que la estimulación fisiológica de una región dada del cerebro, gatilla una activación rápida de la glucogenólisis (exclusivamente astrocitaria), y de la glucólisis, lo cual a su vez resulta en la liberación de lactato.

Indudablemente muchas preguntas permanecen a la espera de respuestas que vendrán de la mano de futuras investigaciones. Por ejemplo: ¿cuáles son los mecanismos moleculares de acoplamiento entre la activación neuronal y la glucólisis astrocitaria? ¿Cuál es el rol de otros sustratos metabólicos, como citrato, a-cetoglutarato o malato, que se ha demostrado que son liberados desde los astrocitos hacia las neuronas? La glucólisis y la fosforilación oxidativa no están estrictamente compartimentados entre los astrocitos y las neuronas, respectivamente. Claramente algo de oxidación de glucosa ocurre en los astrocitos, y una liberación moderada de lactato puede ser demostrada en neuronas en cultivo; los mecanismos que regulan la actividad relativa de estos dos caminos metabólicos en neuronas y astrocitos aún necesitan ser dilucidados.

4.1.2.2. Desarrollo del ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

La regulación del ciclo de los ácidos tricarboxílicos se lleva a cabo esencialmente en las reacciones que catalizan la citrato sintasa (EC 4.1.3.7), isocitrato deshidrogenasa-NAD (EC 1.1.1.41) y el complejo a-cetoglutarato deshidrogenasa (a-KGDHC): a-cetoglutarato deshidrogenasa (E1) (EC 1.2.4.2); lipoato succiniltransferasa (E2) (EC 2.3.1.61) y lipoamida deshidrogenasa (E3) (EC 1.6.4.3). Es probable la velocidad del ciclo se regule por el contenido en nucleótidos adenílicos y por la carga energética. Así, se ha descrito que la actividad de la succinato deshidrogenasa (SDH) (EC 1.3.99.1) depende de la concentración de ATP y del grado de reducción de coenzima Q.
Por otro lado, se sabe que durante el desarrollo aumenta el contenido de malonato libre (inhibidor específico de la succinato deshidrogenasa) en cerebro de rata, se desconoce el sentido de tal aumento. Del mismo modo, se ha puesto de manifiesto la existencia de una actividad del complejo a-cetoglutarato deshidrogenasa es modulada por la concentración de iones calcio in vitro.
El desarrollo de las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos varía según la especie animal o las regiones del sistema nervioso sometidas a estudio. Generalmente, siguen el mismo modelo de desarrollo temporal que la evolución histológica o de la mielinización. Así por ejemplo, de la actividad citrato sintasa en el cobaya experimenta un aumento marcado en los últimos 10-15 días antes del nacimiento, de tal manera, que en el parto su actividad es similar a la del adulto. No obstante, en la rata la citrato sintasa aumenta a los 10-15 días después del nacimiento y alcanza valores del adulto alrededor del día 20 postnatal. Por tanto, el modelo de desarrollo de la citrato sintasa se relaciona con el estado de relativa madurez neurológica en ambas especies. Sin embargo, en la rata, la isocitrato deshidrogenasa-NAD mantiene su actividad constante durante la primera mitad de la lactancia, desde donde empieza a disminuir hasta el destete.

4.1.2.3. Desarrollo del metabolismo del piruvato.

La glucosa es el principal precursor del piruvato mitocondrial. Sin embargo, bajo ciertas condiciones como durante el desarrollo temprano o en prolongados períodos de inanición del cerebro adulto, otros sustratos tales como lactato, cuerpos cetónicos y glutamina pueden ser utilizados como precursores del piruvato.
Durante el desarrollo postnatal de la rata el complejo piruvato deshidrogenasa (PDHC), cataliza la conversión del piruvato a acetil-CoA, este es un paso irreversible y es fuertemente aeróbico. El PDHC incrementa su actividad repentinamente después del nacimiento hasta llegar a alcanzar los niveles del adulto. El complejo piruvato deshidrogenasa consiste de seis componentes diferentes: piruvato deshidrogenasa (E1) (EC 1.2.4.1)(un tetrámero: a2b2), dihidrolipoamida acetiltransferasa (E2) (EC 2.3.1.12), dihidrolipoamida deshidrogenasa (E3) (EC 1.8.1.4) y proteína X. Este complejo se inactiva por la piruvato deshidrogenasa quinasa (EC 2.7.1.99), la cual defosforila la subunidad a de la piruvato deshidrogenasa (E1) y es reactivado por la piruvato deshidrogenasa fosfatasa (EC 3.1.3.43), la cual defosforila E1. Tanto la reacción de la quinasa como la de la fosfatasa estan reguladas por las razones acetil-CoA/CoA y NADH/NAD+.
Recientemente, ensayos de ELISA han mostrado que la actividad del complejo PDH aumenta a la vez que el número de sus moléculas por mitocondria entre los 10-15 días postpartum. Durante este período la citrato sintasa muestra un incremento que se correlaciona con el incremento de la actividad del complejo PDH.
Durante el período perinatal en la rata, entre el 18 día fetal y los 5 neonatal hay poco aumento de mRNAs de la E1, lo que indica que durante el desarrollo del cerebro de rata, la expresión de las subunidades a y b estan estrechamente coordinadas con los niveles de mRNA. En estudios de mitocondria cerebral aislada de rata de animales en desarrollo entre 1 y 30 días de edad, se encontró que la actividad del complejo PDH era a los 5 días, entre un 5-10% la de un adulto. La mayor actividad del complejo enzimático es durante el período de lactancia entre los 10 y 21 días. El patrón de desarrollo del complejo PDH es paralelo al de la hexoquinasa. El incremento durante el desarrollo de la actividad de la piruvato deshidrogenasa se debe a un aumento en la síntesis, consecuencia del número superior de mitocondrias. Sin embargo, en la rata su actividad aumenta entre los 10-15 días postparto debido al aumento específico de la cantidad de esta enzima en la mitocondria. Este hecho apoya la idea de que esta actividad está relacionada con la adquisición de la madurez neurológica de la especie. Se ha reportado que el número de mitocondrias por gramo de tejido y el tamaño de las mismas, permanece sin cambios en el cerebro neonatal y en el adulto. En cultivos primarios el complejo PDH en neuronas y astrocitos se desarrolla precozmente y aparentemente, más rápido en neuronas, lo cual facilita la respiración y la lipogénesis de las células.
Si bien algun piruvato puede ser metabolizado en las mitocondrias del cerebro vía piruvato carboxilasa (PC) (EC 6.4.1.1), otro sigue la vía piruvato deshidrogenasa y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. En mitocondrias aislas de cerebro, el malato exógeno parece ser el responsable de la oxidación del piruvato. Presublimemente, el aporte de malato permite los niveles óptimos de oxalacetato para la síntesis de citrato. La oxidación de piruvato/malato es comparable en mitocondrias sinápticas y no sinápticas. El metabolismo del piruvato en mitocondria de cerebro parece estar controlado por los niveles de traslocasa, piruvato deshidrogenasa y el algunos casos, por la disponibilidad de oxalacetato.
El hecho que el cerebro en ciertas circunstancias exporte lactato parece indicar que existe una limitación en la oxidación del piruvato. En efecto, como hemos visto antes, el desarrollo ontogénico de la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa en cerebro tiene lugar después que el de las otras actividades glucolíticas. Así, en el neonato, la limitación en la entrada de glucosa en el ciclo del ácido tricarboxílico, podría deberse a la actividad limitada de dicho complejo multienzimático.
La adición de a-ciano-4-hidroxicinnamato (0.5 mM) inhibe completamente la entrada de piruvato a la mitocondria. Aún, si el inhibidor es adicionado al mismo tiempo o antes que el piruvato. Sin embargo, no hay una fuerte acumulación de piruvato extramitocondrial, lo que sugiere que puede haber otra forma de metabolismo de este sustrato .

4.1.2.4. Desarrollo del metabolismo del lactato
Dado que la glucosa procedente del glucógeno hepático o cerebral no satisface los requerimientos energéticos del cerebro en el recien nacido de rata durante la prelactancia, otros sustratos alternativos pueden sustituir a la glucosa como sustrato energético. Las elevadas concentraciones de lactato plasmático (8 mM), así como su rápido consumo durante las dos primeras horas de vida extrauterina, sugieren que este sustrato puede satisfacer las necesidades energéticas del cerebro en este período. Resultados obtenidos en corte de cerebro, células cerebrales aisladas, así como en neuronas y astrocitos en cultivo primario que el lactato es un extraordinario sustrato cerebral durante el período perinatal.

Se ha sugerido que la utilización de lactato por el cerebro, incluso a altas concentraciones plasmáticas, está limitado por el transportador de monocarboxilatos a través de la barrera hematoencefálica (BHE), cuya KM es relativamente baja (3 mM). No obstante, la permeabilidad de la BHE al lactato durante las tres primeras semanas de vida es mucho mayor que en el adulto. Es más, hay evidencias de que el transporte de lactato a través de la BHE aumenta considerablemente cuando el pH sanguíneo disminuye, como ocurre en el recien nacido, por lo que, el cerebro puede dar cuenta de este metabolito rápidamente durante la prelactancia.
Estudios realizados in vitro en los que la concentración del lactato es aproximadamente la fisiológica durante el período de la prelactancia (8-12 mM), han demostrado que la principal vía de utilización de este sustrato es la vía oxidativa, tanto en cortes, en células aisladas de cerebro o en cultivos primarios de neuronas y astrocitos.
El lactato se transforma en piruvato a través de la reacción catalizada por la lactato deshidrogenasa (LDH) (EC 1.1.1.27). El piruvato atraviesa la membrana mitocondrial utilizando el transportador de monocarboxilatos y se convierte en acetil-CoA mediante el complejo piruvato deshidrogenasa, liberando CO2. El acetil-CoA se incorpora en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, por lo que los carbonos procedentes del lactato pueden también incorporarse en CO2 en las reacciones catalizadas por la isocitrato deshidrogenasa-NAD, el complejo a-cetoglutarato deshidrogenasa y la glutamato descarboxilasa (GAD) (EC 4.1.1.15), ésta ultima en el ciclo del GABA. La actividad de estas enzimas en el cerebro de rata recien nacida son bajas con respecto al adulto, al igual que las enzimas glucolíticas.
Otra vía importante de utilización de lactato, aunque cuantitativamente menor que la oxidativa, es la síntesis de lípidos. Tanto en cortes como en células aisladas, el lactato se incorpora a lípidos, aunque a la mitad, aproximadamente, de la velocidad con que se incorpora a CO2. El lactato se incorpora a lípidos mediante su transformación en acetil-CoA, el cual sale de la mitocondria utilizando cualquiera de las vías de transferencia hacia el citosol supuestamente citrato y N-acetil-L-aspartato. Una vez en el citosol, se transforma en ácidos grasos o colesterol.
En cuanto a las isoenzimas de la lactato deshidrogenasa, en el cerebro fetal predomina la tipo M y en el maduro la tipo H. La actividad de la lactato deshidrogenasa es significativamente inferior en neuronas y astrocitos que en oligodendrocitos. En astrocitos en cultivo de 10 días la actividad era 0.6 veces la de un homogenado de cerebro de rata de la misma edad, esta relación disminuye hasta 0.2 en astrocitos de 120 días. La actividad de la lactato deshidrogenasa es de al menos, un orden de magnitud mayor en astrocitos que en oligodendrocitos en cultivo. En los oligodendrocitos, la actividad aumenta con el desarrollo in vitro, con independencia de la presencia de suero en el medio. También se ha encontrado actividad de la lactato deshidrogenasa en mielina aislada de ratas de distintas edades. Así, la lactato deshidrogenasa podría usarse como un marcador del citoplasma de oligodendrocitos en fracciones de mielina.
De hecho algunos estudios in vitro indican que el lactato y el piruvato son sustratos adecuados para ser utilizados por el tejidos cerebral; el lactato es cuantitativamente el principal intermediario metabólico liberado por los astrocitos en cultivo, a una velocidad de 15-30 nmol/mg prot/min. Otros intermediarios liberados cuantitativamente menos relevantes son el piruvato (10 veces menos que el lactato), el a-cetoglutarato, el citrato y el malato.
Se ha demostrado también que las neuronas son capaces de tomar lactato liberado por los astrocitos, y que la producción de lactato aumenta al estimular a los astrocitos en cultivo, con el neurotransmisor glutamato, el principal neurotransmisor excitatorio del sistema nervioso, que estimula la glucólisis en los astrocitos. Finalmente, existe evidencia acerca de que las neuronas en cultivo, poseen un sistema de transportadores específicos y saturables para lactato.
Por lo tanto se puede plantear un modelo metabólico en el cual existe una compartimentalización metabólica: la glucosa tomada de los capilares sanguíneos por los astrocitos se metaboliza glucolíticamente en los mismos, generando lactato, el cual es liberado al espacio extracelular para ser utilizado por las neuronas.
Estudios realizados en la retina de abejas y de cobayos, han corroborado la existencia de estos flujos metabólicos entre un tipo de células gliales propias de la retina (células de Müller), y las neuronas fotorreceptoras. Además se ha observado la liberación de productos de la glucólisis por parte de estas células gliales. En particular en la retina de abeja, liberan alanina, producida por transaminación del piruvato, la cual es capturada por las neuronas fotorreceptoras, y luego de una nueva reconversión a piruvato, puede entrar al ciclo de los ácidos tricarboxílicos para producir ATP por fosforilación oxidativa.
A pesar de que el lactato plasmático no puede sustituir completamente a la glucosa como sustrato metabólico para el cerebro por su limitada permeabilidad para atravesar la barrera hemato-encefálica, el lactato formado en el cerebro (a través de la glucólisis en astrocitos activada por glutamato), puede cubrir las necesidades energéticas de las neuronas.
El lactato, luego de la conversión en piruvato por la LDH (lactato deshidrogenasa), puede proveer 18 ATP a través de la fosforilación oxidativa.

4.1.2.5. Desarrollo del metabolismo de los cuerpos cetónicos.
Durante la última etapa de la gestación, el feto acumula glucógeno en el cerebro de una forma sustancial, este glucógeno puede dar cuenta del requerimiento urgente de energía que se produce durante el nacimiento. Sin embargo, el glucógeno cerebral se consume rápidamente en las dos primeras horas de vida extrauterina. En la primera hora de vida extrauterina no hay glucosa en la sangre de la rata y en el humano en la primera media hora. Dado que la gluconeogénesis no es plenamente activa hasta las 12 horas de vida la nomoglucemia no se alcanza sino entre el 3-4º día de vida. En estas circunstancias, los requerimientos energéticos del cerebro son suplidos por los cuerpos cetónicos sintetizados por el propio feto a partir de los lípidos lácteos. Por consiguiente, el recien nacido sufre un retraso en la llegada de nutrientes, que comprende desde el momento del parto hasta el establecimiento de la lactancia, período denominado, prelactancia.

Es conocida la contribución de los cuerpos cetónicos plasmáticos al metabolismo energético del cerebro de neonato, así como a su incorporación a los lípidos cerebrales y aminoácidos. Tanto en la rata como en el hombre, la concentración sanguínea de cuerpos cetónicos es muy baja en el momento del nacimiento (alrededor de 0.2 mM), pero experimenta un fuerte aumento a partir de las primeras horas de vida extrauterina, alcanzando valores de aproximadamente 1-2 mM, a lo largo de la lactancia. El desarrollo de la vía cetogénica en el hígado neonatal junto con el aumento de la disponibilidad de sustratos para la misma son responsables de la alta concentración plasmática de cuerpos cetónicos observados durante la lactancia. En estas circunstancias la concentración de 3-hidroxibutirato es superior a la del acetoacetato, aproximadamente 4 veces . Además, en condiciones de malnutrición neonatal prolongada, dichos valores aumentan en plasma y constituyen el soporte principal del metabolismo oxidativo cerebral.
El cerebro humano ya es capaz de metabolizar 3-hidroxibutirato entre las 12-21 semanas de gestación. Así, a las 22 semanas de gestación, ya estan presentes la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa (EC 1.1.1.30), la 3-cetoácido-CoA transferasa (EC 2.8.3.5) y la acetoacetil-CoA tiolasa (EC 2.3.1.9). Durante el desarrollo postnatal en cerebro humano, los cuerpos cetónicos cubren un 10% de las necesidades energéticas, aunque dicha contribución disminuye más adelante, a medida que se consolida la BHE. Se piensa que los ácidos grasos de cadena media son los principales precursores de los cuerpos cetónicos en estas circunstancias.
Aproximadamente, un 15% de estos ácidos grasos se utilizarian para la síntesis de cuerpos cetónicos en el hígado, mientras que el resto se oxidaria en los tejidos periféricos.
En la rata, la actividad de las enzimas encargadas de metabolizar los cuerpos cetónicos, aunque bajas, están ya presentes en el cerebro fetal. El acetoacetato se metaboliza más rapidamente que el 3-hidroxibutirato, indicando que la actividad de la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa sería limitante. Posteriormente, aumentan todas las enzimas de la vía, alcanzando un valor máximo de actividad en el día 20 de vida postnatal, para disminuir hasta los niveles del adulto. Dichos cambios son paralelos a la capacidad de los sistemas de transporte de dichas sustancias. Se ha demostrado, que las células aisladas de cerebro de neonato de rata oxidan 3-hidroxibutirato de forma dependiente a su concentración, aproximándose a la saturación a las máximas concentraciones de cuerpos cetónicos circulantes durante la lactancia (2 mM), con una KM similar a la del transportador de la membrana plasmática.
La regulación hormonal de las enzimas de utilización de cuerpos cetónicos parece estar a cargo, en parte, de las hormonas tiroideas. Por otro lado, parece ser que el aumento en las actividades tras el nacimiento se podría deber a la inducción por los propios sustratos, la cual no sucede, sin embargo, en el cerebro adulto. Por otra parte, la actividad de la enzima acetoacetil-CoA sintetasa, de localización citosólica, es más alta en el neonato de rata que en el adulto, hecho que sugiere que la síntesis de lípidos a partir de acetoacetato puede ocurrir directamente en el citosol.
Una vez dentro de la célula cerebral, los cuerpos cetónicos tienen dos destinos fundamentales: la oxidación y la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Secundariamente, pueden ser precursores de acetilcolina y de aminoácidos (Thurston, 1985). En condiciones normales, el 3-hidroxibutirato y la glucosa no son metabolizados en la misma proporción en todas las zonas del cerebro.
Las actividades de las enzimas implicadas en el metabolismo de los cuerpos cetónicos están presentes tanto en neuronas, como en astrocitos y en oligodendroglía. Sorprendentemente, los astrocitos muestran las actividades máximas de 3-oxoácido-CoA transferasa y la acetoacetil-CoA tiolasa durante el desarrollo. La utilización de cultivos primarios ha puesto de manifiesto que los cuerpos cetónicos pueden metabolizarse tanto en neuronas, como en astrocitos y en oligodendrocitos. En las tres poblaciones celulares los cuerpos cetónicos sirven de fuente de energía y esqueletos carbonados. De todas maneras, la síntesis de colesterol en oligodendrocitos es mayor que en astrocitos, siendo el acetoacetato mejor precursor que la glucosa, tanto para la síntesis de colesterol como para la de ácidos grasos. Asimismo, los oligodendrocitos y las neuronas oxidan más rápidamente cuerpos cetónicos que los astrocitos. Por último, la síntesis de lípidos a partir de acetoacetato es ligeramente mayor en neuronas que en astrocitos, prefiriéndose al acetoacetato sobre la glucosa. Parece, por lo tanto que la utilización de cuerpos cetónicos es menor en astrocitos que en neuronas u oligodendrocitos.
Las enzimas encargadas del metabolismo de los cuerpos cetónicos se hallan presentes en todas las poblaciones celulares estudiadas. No obstante, se ha descrito que la actividad de la acetoacetil-CoA sintetasa es mayor en oligodendrocitos, lo que indica un papel predominante de dichas células en la síntesis de lípidos y, especialmente, de colesterol. Sin embargo, los trabajos existentes no apoyan de modo concluyente una relación directa entre la síntesis de colesterol a partir de cuerpos cetónicos y mielinización. A pesar de ello, estos resultados no contradicen la hipótesis que sugiere que los cuerpos cetónicos se utilizan, fundamentalmente in vivo en las células de la glía.
Durante la última etapa de la gestación, el feto acumula glucógeno en el cerebro en forma considerable, el cual puede hacer frente al requerimiento urgente de energía que se produce durante el nacimiento. Sin embargo, el glucógeno cerebral se consume rápidamente en las dos primeras horas de vida extrauterina. En la primera hora de vida extrauterina (en ratas) y en la primera media hora (humanos) no hay glucosa en la sangre. Dado que la gluconeogénesis no es plenamente activa hasta las 12 horas de vida la normoglucemia no se alcanza sino entre el 3-4to día de vida. En estas circunstancias, los requerimientos energéticos del cerebro son suplidos por los cuerpos cetónicos sintetizados por el propio feto a partir de los lípidos provenientes de la leche.
Es conocida la contribución de los cuerpos cetónicos plasmáticos al metabolismo energético del cerebro del neonato, así como su incorporación a los lípidos cerebrales y aminoácidos. Tanto en la rata como en el hombre, la concentración sanguínea de cuerpos cetónicos es muy baja en el momento del nacimiento (alrededor de 0.2 mM), pero experimenta un fuerte aumento a partir de las primeras horas de vida, alcanzando valores de aproximadamente 1-2 mM, a lo largo de la lactancia. El desarrollo de la vía cetogénica en el hígado neonatal junto con el aumento de la disponibilidad de sustratos para la misma, son responsables de la alta concentración plasmática de cuerpos cetónicos observados durante la lactancia. En estas circunstancias la concentración de 3-hidroxibutirato es superior (en 4 veces) a la del acetoacetato. Además, en condiciones de malnutrición neonatal prolongada, dichos valores aumentan en plasma y constituyen el soporte principal del metabolismo oxidativo cerebral.
El cerebro humano ya es capaz de metabolizar 3-hidroxibutirato entre las 12-21 semanas de gestación. Así, a las 22 semanas de gestación, ya están presentes la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa, la 3-cetoácido-CoA transferasa y la acetoacetil-CoA tiolasa. Durante el desarrollo postnatal en cerebro humano, los cuerpos cetónicos cubren un 10% de las necesidades energéticas, aunque dicha contribución disminuye más adelante, a medida que se consolida la BHE. Se piensa que los ácidos grasos de cadena media son los principales precursores de los cuerpos cetónicos en estas circunstancias.
Aproximadamente, un 15% de estos ácidos grasos se utilizarían para la síntesis de cuerpos cetónicos en el hígado, mientras que el resto se oxidaría en los tejidos periféricos.
En la rata, la actividad de las enzimas encargadas de metabolizar los cuerpos cetónicos, aunque bajas, están ya presentes en el cerebro fetal. El acetoacetato se metaboliza más rápidamente que el 3-hidroxibutirato, indicando que la actividad de la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa sería limitante. Posteriormente, aumentan todas las enzimas de la vía, alcanzando un valor máximo de actividad en el día 20 de vida postnatal, para disminuir hasta los niveles del adulto. Dichos cambios son paralelos a la capacidad de los sistemas de transporte de dichas sustancias. Se ha demostrado, que las células aisladas de cerebro de neonato de rata oxidan 3-hidroxibutirato de forma dependiente a su concentración, aproximándose a la saturación a las máximas concentraciones de cuerpos cetónicos circulantes durante la lactancia (2 mM), con una constante de afinidad (Km) similar a la del transportador de la membrana plasmática.
La regulación hormonal de las enzimas de utilización de cuerpos cetónicos parece estar a cargo, en parte, de las hormonas tiroideas. Por otra parte, la actividad de la enzima acetoacetil-CoA sintetasa, de localización citosólica, es más alta en el neonato de rata que en el adulto, hecho que sugiere que la síntesis de lípidos a partir de acetoacetato puede ocurrir directamente en el citosol.
Una vez dentro de la célula cerebral, los cuerpos cetónicos tienen dos destinos fundamentales: la oxidación y la síntesis de ácidos grasos y colesterol, y secundariamente, pueden ser precursores de acetilcolina y de aminoácidos. En condiciones normales, el 3-hidroxibutirato y la glucosa no son metabolizados en la misma proporción en todas las zonas del cerebro.
Las actividades de las enzimas implicadas en el metabolismo de los cuerpos cetónicos están presentes tanto en neuronas, como en astrocitos y en oligodendroglia. Sorprendentemente, los astrocitos muestran las actividades máximas de 3-oxoácido-CoA transferasa y la acetoacetil-CoA tiolasa durante el desarrollo. La utilización de cultivos primarios ha puesto de manifiesto que los cuerpos cetónicos pueden metabolizarse tanto en neuronas, como en astrocitos y en oligodendrocitos, donde sirven de fuente de energía y esqueletos carbonados. De todas maneras, la síntesis de colesterol en oligodendrocitos es mayor que en astrocitos, siendo el acetoacetato mejor precursor que la glucosa, tanto para la síntesis de colesterol como para la de ácidos grasos. Asimismo, los oligodendrocitos y las neuronas oxidan más rápidamente cuerpos cetónicos que los astrocitos. Por último, la síntesis de lípidos a partir de acetoacetato es ligeramente mayor en neuronas que en astrocitos, prefiriéndose al acetoacetato sobre la glucosa. Parece, por lo tanto que la utilización de cuerpos cetónicos es menor en astrocitos que en neuronas u otras células gliales.
Las enzimas encargadas del metabolismo de los cuerpos cetónicos se hallan presentes en todas las poblaciones celulares estudiadas, no obstante, se ha descripto que la actividad de la acetoacetil-CoA sintetasa es mayor en oligodendrocitos, lo que indica un papel predominante de dichas células en la síntesis de lípidos y, especialmente, de colesterol.
La hipoglucemia se define como el descenso de los niveles sanguíneos de glucosa (azúcar simple) por debajo de dos desviaciones estándar en relación con los valores medios de una población sana. Niveles de glucemia de 40 mg/dl (=2,2 mmol/L) son el valor correspondiente a tres desviaciones estándar por debajo de la media poblacional. Los mecanismos de defensa ante una hipoglucemia se ponen en marcha con niveles de glucemia de 60 mg/dl.
Todos los tejidos del organismo utilizan la glucosa como fuente de energía. El sistema nervioso central del niño utiliza la glucosa como nutriente esencial. Las necesidades de glucosa en el niños son superiores que en otras edades, debido a la desproporción que existe entre el tamaño de su cerebro y el resto del cuerpo. Las reservas de glucosa del organismo del niño son también inferiores a las del adulto. Ambos factores (desproporción cabeza-cuerpo y menor reserva de glucosa) modifican las necesidades de glucosa del niño en relación con una persona adulta, siendo en el niño de 2 a 4 veces mayores que en el adulto. Ante situaciones de déficit de glucosa, el cerebro del niño puede utilizar fuentes alternativas de energía, como son los cuerpos cetónicos y los ácidos grasos libres. El niño produce cuerpos cetónicos con mayor velocidad que el adulto, ventaja para preservar su cerebro ante situaciones de hipoglucemia, ya que son un combustible alternativo para el cerebro.
La hipoglucemia se define como el descenso de los niveles sanguíneos de glucosa (azúcar simple) por debajo de dos desviaciones estándar en relación con los valores medios de una población sana. Niveles de glucemia de 40 mg/dl (=2,2 mmol/L) son el valor correspondiente a tres desviaciones estándar por debajo de la media poblacional. Los mecanismos de defensa ante una hipoglucemia se ponen en marcha con niveles de glucemia de 60 mg/dl.
Todos los tejidos del organismo utilizan la glucosa como fuente de energía. El sistema nervioso central del niño utiliza la glucosa como nutriente esencial. Las necesidades de glucosa en el niños son superiores que en otras edades, debido a la desproporción que existe entre el tamaño de su cerebro y el resto del cuerpo. Las reservas de glucosa del organismo del niño son también inferiores a las del adulto. Ambos factores (desproporción cabeza-cuerpo y menor reserva de glucosa) modifican las necesidades de glucosa del niño en relación con una persona adulta, siendo en el niño de 2 a 4 veces mayores que en el adulto. Ante situaciones de déficit de glucosa, el cerebro del niño puede utilizar fuentes alternativas de energía, como son los cuerpos cetónicos y los ácidos grasos libres. El niño produce cuerpos cetónicos con mayor velocidad que el adulto, ventaja para preservar su cerebro ante situaciones de hipoglucemia, ya que son un combustible alternativo para el cerebro.
La incidencia de hipoglucemia es del 16 de cada recién nacidos vivos en el conjunto de niños prematuros y recién nacidos de bajo peso para la edad gestacional y del 4 de cada 1000 lactantes y en niños durante la primera etapa de su infancia.
Existen cuatro circunstancias en las que se puede producir hipoglucemia:

  • Exceso de insulina (hormona principalmente hipoglucemiante)
  • Deficiencia de una o varias hormonas con acción hiperglucemiante (cortisol, glucagón, hormona hipofisaria estimulante del cortisol y hormona de crecimiento)
  • Deficiencia de enzimas que intervienen en los procesos metabólicos de obtención de glucosa (neoglucogénesis, glucogenolisis)
  • Falta de sustrato necesario para generar glucosa (glucógeno, aminoácidos, glicerol…).

Las causas que pueden producir hipoglucemia varían según la edad del niño. En el periodo neonatal la hipoglucemia suele ser en la mayor parte de los casos de origen transitorio y suele originarse por disminución de la producción de glucosa o por aumento de la utilización de la misma, como ocurre en prematuros, recién nacidos con bajo peso para la edad gestacional, hijos de madres diabéticas, y trastornos que producen sufrimiento fetal. Si la hipoglucemia es persistente durante el periodo neonatal y/o el periodo de lactancia puede ser debida a exceso de producción de insulina, déficit de hormonas hipofisarias o deficiencias genéticas de enzimas que intervienen en los procesos de producción de glucosa.
Las hormonas responsables del mantenimiento de los niveles sanguíneos de glucosa dentro de la normalidad son, la insulina, el glucagón, el cortisol, la adrenalina y noradrenalina y la hormona de crecimiento. Ante una hipoglucemia aguda el organismo responde disminuyendo la secreción de insulina y aumentando la secreción de glucagón, adrenalina y noradrenalina. Si la hipoglucemia persiste debe también de aumentar la secreción de hormona de crecimiento y de cortisol para mantener los niveles de glucosa en la sangre. La hipoglucemia puede constituir el único síntoma en un recién nacido que sea deficitario en hormona de crecimiento, ya que es una hormona que tiene otras muchas funciones además de la promoción del crecimiento, y de hecho el retraso de crecimiento no se manifiesta hasta el año y medio o dos años de vida del niño.
En niños de 2 a 5 años la causa más frecuente de hipoglucemia es la hipoglucemia cetósica simple. Estos niños presentan abundantes cuerpos cetónicos (“acetona”) en la orina en incluso aliento con olor a manzana producido por la presencia en el aire espirado de “acetona”. Generalmente la hipoglucemia sucede cuando el niño ayuna durante tiempo mas prolongado a lo habitual (en muchas ocasiones el retraso en la hora de su desayuno puede originarla). Su origen no está muy claro aunque se cree que puede ser por deficiencia de un aminoácido (alanina) que se utiliza en la producción de glucosa en el hígado (neoglucogénesis). Son niños generalmente delgados y con poca masa muscular, que es de dónde se obtiene este aminoácido (alanina) cuyos niveles sanguíneos son bajos en estos niños.
Cualquier situación de estrés puede causar hipoglucemia tanto en niños sanos como en niños afectos de enfermedades que predisponen a la hipoglucemia, en estos últimos con mayor intensidad. Constituyen situaciones de estrés: heridas por accidentes, infecciones, vómitos, alimentación no adecuada, actividad física extrema y estrés emocional.

4.1.2.6. Desarrollo del metabolismo del glutamato

El glutamato es el principal neurotransmisor excitatorio del sistema nervioso central y se sintetiza principalmente por transaminación a aspartato, vía aspartato aminotransferasa (ASAT). Otras posibles rutas sintéticas, a saber, la desaminación oxidativa, vía glutamato deshidrogenasa (GDH) y descarboxilación del GABA, vía GABA a-cetoglutarato transaminasa (GABA-T) son mucho menos activas. Esto se refleja en que el antiporte glutamato-aspartato es más rápido que el sistema glutamato-OH. También explica la cinética observada para la oxidación del glutamato en presencia de malato.
La actividad de las enzimas relacionadas con el metabolismo de glutamato, es decir, aspartato aminotransferasa (ASAT) (EC 2.6.1.1), la glutamato deshidrogenasa (GDH) (EC 1.4.1.3) y la glutamina sintetasa (GS) (EC 6.3.1.2), aumenta en el cerebro en desarrollo, no muestran una correlación directa con las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos.
La aspartato aminotransferasa (ASAT) ha sido propuesta como una enzima marcadora de neuronas que utilizan aminoácidos como neurotransmisores, especialmente las glutaminérgicas. La principal ruta del catabolismo de la glutamina incluye la ASAT, la cual genera a-cetoglutarato. Esta reacción aumenta con la omisión de glucosa del medio de incubación de sinaptosomas aislados de cerebro de rata. La presencia de b-metilen-DL-aspartato (b-MA), un inhibidor irreversible de la ASAT, inhibe el metabolismo energético de astrocitos y neuronas en cultivo primario. Estos resultados señalan que la ASAT esta presente en neuronas y astrocitos en cultivo primario, y que por lo tanto no puede ser utilizada como enzima marcadora de neuronas. Por otro lado, la inhibición de la ASAT en cultivos primarios de astrocitos de cerebro de ratón con aminooxiacetato (AOA) no afecta la formación de a-cetoglutarato, lo que indica que este sustrato no utiliza la vía de la transaminación sino que se forma por desaminación oxidativa a través de la GDH.
La glutamato deshidrogenasa (GDH), enzima reversible cataliza la conversión de a-cetoglutatato en glutamato se habia considerado una enzima marcadora de mitocondrias. Sin embargo, se ha demostrado su presencia en el núcleo de cerebro de rata. La enzima se desarrolla desde los 8 días antes del parto hasta los 21 días de vida postnatal, cuando se alcanza la actividad del adulto. Las mitocondrias no sinápticas sintetizan glutamato a través de la GDH, al doble de velocidad que las mitocondrias sinápticas siempre y cuando el precursor del a-cetoglutarato endógeno sea piruvato para pero con velocidades similares cuando el a-cetoglutarato es exógeno. Esto a pesar que la máxima actividad de la GDH (70%) en las mitocondrias sinápticas. GDH es una enzima altamente reguladora y su actividad in situ puede ser controlada por muchos factores. La actividad de la GDH es 2-5 veces más baja en neuronas que en astrocitos.
En contraste, la actividad de la glutaminasa (PAG) (EC 3.5.1.2), enzima que cataliza la conversión de la glutamina en glutamato y amonio, es 3-12 veces más alta en neuronas que en astrocitos, siendo propuesta como marcadora de neuronas. La glutaminasa (PAG) ha sido localizada en las mitocondrias, es inhibida por altas concentraciones de glutamato y ión amonio y activada por la presencia de fosfato. La actividad de la enzima incrementa ligeramente en función de la edad. La actividad de la PAG en astrocitos es similar en el neonato que en el cerebro adulto.
La glutamina sintetasa (GS) esta implicada en la destoxificación del amonio en el cerebro. Esta enzima se encuentra exclusivamente en los astrocitos y, en estos, específicamente en el citosol. La actividad de la enzima aumenta hasta las dos primeras semanas de vida postnatal. Los niveles de la actividad de la GS estan relacionados con la maduración de los astrocitos por lo que se ha propuesto que la GS puede ser utilizada como una enzima marcadora de la maduración de los astrocitos. Sin embargo, no hay un apreciable incremento de la actividad de esta enzima en cultivos primarios de astrocitos, indicando que la diferenciación de estas células está seriamente limitada en cultivo. No obstante, la magnitud de este efecto se disminuye en cocultivos con neuronas, que inducen la actividad de la GS en los astrocitos. Estos resultados sugieren que, durante el desarrollo, las neuronas juegan un papel importante en la diferenciación de los astrocitos. Por otro lado, experimentos de resonancia magnetica nuclear (NMR) con [1-13C]-glucosa, han puesto de manifiesto que los astrocitos en cultivo liberan glutamina al medio , lo que indica que in vitro existe actividad de la GS.
La GABA a-cetoglutarato transaminasa (GABA-T) (EC 2.6.1.19), es la única enzima que degrada el GABA para formar glutamato y semialdehído succínico. La enzima ha sido localizada en mitocondrias de neuronas y más concentrada en mitocondrias de astrocitos. La actividad de esta enzima, al igual que las enzimas relacionadas con el ciclo del GABA, es alta en el momento del nacimiento y disminuye progresivamente hasta la vida adulta.
La glutamato descarboxilasa (GAD) (EC 4.1.1.15), convierte el glutamato en GABA. La GAD sido localizada en el citosol y la presencia de Ca+2 hace que se una facilmente a las membranas. La enzima esta más concentrada en neuronas GABAérgicas, las más comunes en el cerebro y en cultivos primarios, por lo tanto, es utilizada como una enzima marcadora de neuronas.

4.1.2.7. Desarrollo del metabolismo de ácidos grasos.
La incapacidad del cerebro adulto para oxidar los ácidos grasos con fines energéticos se debe en parte a la ausencia de la maquinaria enzimática de traslocación, así como a sus bajos niveles mitocondriales de carnitina. Sin embargo, se ha demostrado que dichos sustratos son oxidados tanto por el cerebro fetal y neonatal de rata, como por el fetal humano y neonatal canino. En esta última especie incluso se ha evaluado la importancia cuantitativa de los ácidos grasos como suministro de energía al cerebro. Recientemente, se ha encontrado en varias regiones del cerebro de rata, la carnitina palmitoiltransferasa (CPT) (EC 2.3.1.21), enzima que tendría como función principal la regulación de la oxidación de los ácidos grasos en las neuronas.
La capacidad de los sistemas de activación de ácidos grasos de cadena corta en mitocondrias de cerebro de rata aumenta durante el desarrollo postnatal. Así, la acil-CoA sintetasa (EC 6.2.1.2) mitocondrial del cerebro presenta un máximo de actividad en el nacimiento, para disminuir paralelamente a la carnitina acetiltransferasa (EC 2.3.1.7) durante la mitad de la lactancia. En este sentido, el sistema de traslocación de carnitina, constituido por la acil-CoA carnitina aciltransferasa, alcanza un máximo de actividad a los 10 días de vida, mientras que antes del nacimiento la actividad es muy inferior. Estos cambios son paralelos a los de la oxidación de palmitato en cerebro. La vía de oxidación de los ácidos grasos parece estar inducida alrededor del nacimiento, a través de los propios sustratos o por inducción hormonal.
La a-fetoproteina es la principal glicoproteína del plasma embrionário y fetal, encontrandose en todos los vertebrados, lo cual sugiere un papel importante de esta proteína durante el desarrollo. Se ha demostrado que la a-fetoproteina, al igual que la albúmina, se unen a ácidos grasos de cadena larga poliinsaturados. Durante el desarrollo, la habilidad del feto para sintetizar ácidos grasos es bastante limitada, así que ellos deben ser incorporados procedentes de fuentes externas. Sólo así, puede explicarse la presencia de a-fetoproteina en el interior del cerebro.
La velocidad de síntesis de fosfolípidos y esteroles a partir de L-lactato ha sido estudiada utilizando cultivos primarios de neuronas y astrocitos. Ambos típos de células utilizan activamente el lactato como precursor de lípidos, aunque la velocidad de la lipogénesis es dos veces mayor en astrocitos que en neuronas. La incorporación de este sustrato es mayor en fosfofolípidos que en esteroles en los dos tipos de células, encontrandose que la fosfatidilcolina es el principal fosfolípido sintetizado en ambos cultivos, seguido por la fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y el fosfatidilinositol. En neuronas se encontró que el principal esterol sintetizado fue el lanosterol seguido del desmosterol. En astrocitos, sin embargo, se observó lo contrario, es decir, el esterol más sintetizado es el desmosterol seguido del lanosterol. Esto puede deberse a las diferencias en la funcionalidad de la membrana de ambos tipos de células. Por otro lado, la actividad total de la fosfocolina transferasa aumenta durante el desarrollo. Sin embargo, los cambios en la síntesis de glicerofosfolípidos durante el desarrollo pueden deberse a las actividades específicas parciales de sus enzimas como también a la cantidad de sustrato e inhibidores y a la afinidad por los sustratos.

4.1.2.8. Desarrollo de los transportadores de sustratos en cerebro

ue La existencia de uniones herméticas entre las membranas plasmáticas de las células endoteliales que rodean a los capilares sanguíneos del cerebro, determina que la entrada y salida de sustancias al cerebro requiera sistemas específicos de transporte, que constituirán la barrera hematoencefálica (BHE). El desarrollo de la BHE está ligada al cierre de las uniones intercelulares (tight junction) y a la inducción de sistemas de transporte específicos de las células del endotelio capilar. Ambos procesos son postnatales en la rata, mientras que en el cobaya suceden prenatalmente. En la rata, la membrana basal es a los 14 días de gestación, filamentosa y discontinua, formando una lámina densa y continua adaptada a las membranas plasmáticas perivasculares en el momento del nacimiento. La definición y terminación de la membrana sólo tendra lugar después del nacimiento.

t

4.8.1. Transporte de glucosa
v Dos transportadores de glucosa, los GLU1 y GLU3, han sido detectados en el cerebro. El GLU1 se concentra en las células endotelíales de la barrera hematoencefálica aunque está presente en neuronas y en glía. El GLU3 es, probablemente, el principal transportador de glucosa en neuronas. Los niveles de GLU1, en cerebro de neonato de rata de 14 días son bajos, duplicandose a los 21 días y de nuevo, duplicandose a los 30 días para alcanzar los niveles del adulto. Los niveles de GLU3 son bajos durante la primera semana de vida postnatal, incrementando sus niveles continuamente hasta los niveles del adulto, que se alcanzan entre los 21-30 días. Estos resultados demuestran que estos dos transportadores son regulados durante el desarrollo. Así, GLU1 parece estar relacionado con el suplemento de nutrientes y crecimiento del cerebro, mientras que el GLU3 esta más relacionado con la madurez y actividad funcional de las neuronas. El GLU1 se expresa en cultivos de neuronas y astrocitos, mientras GLU3 solo se expresa en cultivos primarios de neuronas.
El transporte de glucosa a través de la BHE es saturable y estereoespecífico, con una KM entre 6-9 mM. No se ha detectado diferencias con la edad en lo que a la KM se refiere, aunque sí variaciones de la VMAX, que es un 60% más baja en el neonato que en el adulto. Otras hexosas inhiben competitivamente el transporte de glucosa: 2-deoxiglucosa (Ki=6 mM), o-metilglucosa (Ki=10 mM), manosa (Ki=21 mM) y la galactosa (Ki=40 mM). Se ha propuesto que la disminución del transporte de glucosa a través de la barrera hematoencefálica durante el período neonatal, respecto al adulto, se debe a la baja glucemia del neonato (3-4 mM) en relación a la KM de 9 mM, así como a la baja velocidad de metabolización de la glucosa por el cerebro neonatal. La insulina no estimula la entrada de glucosa en el cerebro, pero sí influye en la velocidad con que se metaboliza. Así, se ha demostrado que la insulina aumenta los niveles de glucógeno en los astrocitos.

glut1
ct
4.8.2. Transporte de piruvato, lactato y cuerpos cetónicos
El sistema de transporte para el lactato, acetato y cuerpos cetónicos es mucho más activo en el cerebro en desarrollo, mientras que para la glucosa su actividad es mucho menor. Por otro lado el transporte de aminoácidos no sufre cambios marcados durante el desarrollo. El transporte de todos los sustratos mencionados a las células nerviosas exige la existencia de sistemas de transporte específicos que se desarrollen con independencia a la formación de la BHE. El transporte de ácidos monocarboxílicos incluye acetato, piruvato y butirato, cuerpos cetónicos y a-cetoácidos. Se ha demostrado la presencia de transportadores saturables para lactato y piruvato a través de la BHE.
A pH fisiológico, más del 99% de los ácidos monocarboxílicos estan ionizados, necesitando, por lo tanto, la mediación de un transportador para atravesar las membranas celulares. La KM del transportador de piruvato a través de la BHE es de 0.4 mM, mientras que la KM del transportador de L-lactato es 1.9 mM, ambas indican una afinidad relativamente alta. El transportador de lactato es pH-dependiente, de forma que el transporte aumenta 2.5 veces cuando el pH baja de 8.4 a 6.1.
Se ha detectado recientemente que las mitocondrias aisladas de cerebro de rata poseen una traslocasa específica para el transporte del piruvato. Además, el 3-hidroxibutirato y el acetoacetato parecen ser transportados por el mismo sistema que piruvato. Así, el ?-ciano-4-hidroxicinnamato inhibe el transportador y utilización de piruvato y cuerpos cetónicos en mitocondrias de cerebro de rata. Se ha sugerido que la habilidad de las mitocondrias para acumular piruvato contra un gradiente de concentración puede permitir que proceda la oxidación del piruvato a una velocidad suficiente para dar cuenta de la observada para la glucólisis en cerebro de rata. Asimismo, este sistema permitiría la oxidación de los cuerpos cetónicos cuando la concentración del piruvato sea limitante.
En el cerebro en desarrollo tanto los cuerpos cetónicos como el piruvato contribuyen a la provisión de energía. Se ha demostrado, sin embargo, que la utilización de piruvato puede inhibirse por la presencia de 3-hidroxibutirato, un fenomeno que puede ser mediado, en parte, por la competencia por la traslocasa. El fenilpiruvato y el a-cetoiscaproato (cetoácidos que se acumulan en la fenilcetonuria) son inhibidores esta la traslocasa, a concentraciones tan bajas que no tienen un efecto directo sobre la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa.
En experimentos con liposomas se ha demostrado que el piruvato se puede intercambiar con otros carboxilatos,lo que abre la posibilidad de que este sustrato se mueva a través de la bicapa de fosfolípidos de la membrana mitocondrial, contribuyendo significativamente al transporte de piruvato in vitro.
Los cuerpos cetónicos son los mejores sustratos capaces de ser oxidados en el cerebro del neonato. Durante la lactancia, aumenta siete veces la permeabilidad cerebral a dichos ácidos con respecto al nacimiento, siendo el lactato y el acetoacetato los más permeables. Además, se ha descrito que la salida neta de lactato desde el cerebro iba acompañada de una entrada neta de 3-hidroxibutirato y acetoacetato, sugiriendo un sistema de antiporte a través de la BHE. Dicho mecanismo sería más activo en neonato que en adulto.
El transporte de ácidos monocarboxílicos, piruvato y lactato, incluye también, como para la glucosa, una combinación de difusión pasiva y facilitada, estando determinada la dirección del flujo por las concentraciones respectivas en el fluido extracelular cerebral y en el plasma. Se ha visto que también sucede con el 3-hidroxibutirato, puesto que en el cerebro neonatal el transporte no es saturable en el rango de concentraciones plasmáticas normales; de este modo, se asegura la entrada del 3-hidroxibutirato dependiendo de sus concentraciones en plasma.
En adulto, el transporte de lactato y cuerpos cetónicos se induce con el ayuno y con una dieta rica en grasas. Por otro lado, el cerebro del neonato de rata en condiciones de hipoxia capta lactato de la sangre.
La concentración intracelular de lactato en células glíales es aproximadamente de 23 mM y los excesos de lactato son liberados al espacio extracelular a través de un cotransportador de H+-lactato. Este transportador puede ser importante en situaciones patológicas como isquemia y epilepsia.
La absorción de L-lactato ha sido investigada en neuronas en cultivo primario derivadas de cerebro de rata, se ha demostrado que la absorción es acelerada con una disminución del pH y que es inhibida considerablemente por el piruvato, lo que demuestra que las neuronas estan dotadas de un sistema de transporte es cual se parece en sus propieades al transportador de monocarboxilatos.

4.8.3. Transporte de aminoácidos
La velocidad de entrada de los aminoácidos en el cerebro no varía durante el desarrollo, aunque sí es muy distinta para cada aminoácido. Se han descrito tres sistemas de transporte de aminoácidos, a saber, A, ASC y L, segun sean estos de caracter ácido, básico o neutro. La mayoría de los aminoácidos utilizan el sistema de transporte de tipo L, el único independiente del ión sodio. Dicho sistema interviene en el movimiento bidireccional pasivo de los aminoácidos manteniendo el equilibrio a ambos lados de la membrana. La entrada neta de aminoácidos neutros, excepto para aminoácidos de cadena ramificada, es prácticamente nula. Así, la alanina, serina, glicina y prolina, entran muy lentamente y algunos presentan una leve inhibición cruzada. No se ha podido demostrar una competencia entre ellos por el transportador, como tampoco inhibición por sustrato, lo que sugiere la existencia de distintos sistemas de transporte. Recientemente, se ha reportado que los sistemas A y ASC de neuronas tienen alta afinidad en absorber alanina mientras que el sistema L tenga baja afinidad por ella. Los aminoácidos utilizan un sistema de transporte de baja actividad y alta afinidad, que está totalmente saturado a los niveles plasmáticos normales de aminoácidos. De esta manera se transportan aspártico y glutámico, a diferencia de los aminoácidos esenciales no neurotransmisores que no tienen limitada su entrada al cerebro. Sin embargo, la entrada de glutámico parece ser paralela al desarrollo de la actividad ATPasa de las membranas plasmáticas de las células nerviosas.
Se ha observado que la KM del transportador de glutamina es similar a la KM para la g-glutamil transpeptidasa sugiriendo que el ciclo de Meister puede estar implicado en el transporte de baja afinidad de la glutamina. Esta observación se apoya por el hecho de que la g-glutamil transpeptidasa (EC 2.3.2.1) tiene una alta actividad en astrocitos y en células de astrocitoma que en células de neuroblastoma.

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El N-acetil-L-aspartil-L-glutamato (NAAG), es el péptido más abundante en el sistema nervioso de los vertebrados y ha sido detectado exclusivamente en las neuronas, aunque, en cultivos de células glíales también se expresa. El NAAG que está codistribuido con una gran variedad de neurotrasmisores, es liberado por las neuronas como consecuencia de una despolarización de la membrana. El péptido, una vez liberado, es degradado por una peptidasa (NAALA dipeptidasa) que hidroliza el NAAG a N-acetil-L-aspartato y a glutamato. La peptidasa esta localizada en el exterior de la membrana plasmática. Sin embargo, el péptido puede ser reabsorbido por un sistema de transporte de alta afinidad e inactivado. La hidrólisis del NAAG da glutamato y N-acetil-L-aspartato. Sin embargo, no se puede considerar este péptido, como un sustrato intermediario en el metabolismo intercelular del glutamato sino que el NAAG puede ser un modulador de la exitabilidad o un autoregulador de la liberación sináptica.
GABA es captado y metabolizado en astrocitos, gracias a la presencia de eficientes transportadores de alta afinidad. En este sentido, se han descrito cuatro transportadores de alta afinidad para el GABA, a saber, GAT-1, GAT-3, GAT-B y XT1, todos Na+/Cl-dependientes, asociados con terminaciones nerviosas del SNC o asociados a células glíales. En condiciones normales la concentración intraglíal de GABA es aproximadamente 1 mM mientras que en el exterior es 1 µM. Esto quiere decir que estas células toman activamente el exceso de GABA. Parece ser que la afinidad del transportador del GABA es dependiente de la maduración cerebral, tanto en neuronas como en glía. Se ha observado que la KM del transportador de GABA es de 5.5 µM en neuronas y de 13 µM en astrocitos. Aunque se pensó que el transportador neuronal del GABA estaba localizado exclusivamente en las terminaciones axónicas, se ha demostrado que dicho transportador se encuentra también en el pericarion neural. Tanto en neuronas como en astrocitos el aumento de las concentraciones de potasio extracelular estimula la liberación de GABA al medio, lo que establece un modelo bidireccional para el transportador de GABA. Una absorción óptima de GABA requiere de concentraciones intra y extracelulares de sodio y potasio las cuales dependen del potencial de membrana.
Se han propuesto varios traslocadores mitocondriales de glutamato, de los cuales el glutamato-OH antiporte, el glutamato-aspartato antiporte y la glutamina-glutamato antiporte son los más importantes. Inicialmente se pensaba que en las mitocondrias solamente poseian el traslocador glutamato-aspartato. Estudios posteriores han demostrado la existencia del glutamato-OHantiporte en mitocondrias de cerebro aunque etse sitema tiene una velocidad mucho menor que el sistema del traslocador glutamato-aspartato. También se ha encontrado la existencia de malato-fosfato y succinato-fosfato traslocasas. No hay evidencia de la traslocasa glutamina-glutamato.

4.1.2.9. Lanzaderas de carbono.

Mientras que la membrana externa mitocondrial no presenta barrera de permeabilidad alguna, o muy poca, a los sustratos o moléculas de interés en el metabolismo energético, la membrana interna tiene unas limitaciones muy estricta sobre los tipos de sustratos e intermediarios que puedan ser transportados a través de la misma. En este sentido, se han descrito traslocasas mitocondriales de piruvato, cuerpos cetónicos y aminoácidos. No obstante, en cerebro son muy importantes las lanzaderas mitocondriales de carbonos que se encargan de la exportación de esqueletos carbonados al citosol o al exterior de la propia célula. Este último hecho, el de la exportación extracelular, es muy importante en cerebro en donde neuronas y glía colaboran en un metabolismo pero que integra los diferentes tipos de células en un sólo tejido.

4.1.2.9.1. Lanzadera del citrato/piruvato.
El acetil-CoA no atraviesa per se la membrana interna mitocondrial. Sin embargo, el cerebro en desarrollo presenta mecanismos de transferencia de este sustrato al citosol. Uno de los sistemas de transferencia de acetil-CoA y, posiblemente el mayoritario en el cerebro, es el transporte de citrato a través de la membrana mitocondrial y posterior regeneración del acetil-CoA en el citosol mediante la ATP-citrato liasa (EC 4.1.3.8). Esta enzima cataliza la siguiente reacción:

citrato + CoA + ATP ATP-citrato liasa > acetil-CoA + oxalacetato + ADP + Pi

Aunque la enzima ha generado acetil-CoA en el compartimento citosólico, el proceso de transferencia de acetil-CoA no termina hasta que el oxalacetato vuelve a entrar a la mitocondria. Debido a que el oxalacetato no se transporta directamente a través de la membrana mitocondrial, necesita otro mecanismo que le permita realizar este proceso. En este sentido, el oxalacetato puede convertirse en malato en el citosol mediante la acción de la NAD-malato deshidrogenasa (EC 1.1.1.37) citosólica:

oxalacetato + NADH + H+ NAD-malato deshidrogenasa > malato + NAD+

Posteriormente, el malato se oxida a piruvato gracias a la actividad de la enzima málica (EC 1.1.1.40):

malato + NADP+ enzima málica > piruvato + CO2 + NADPH

acetil El piruvato es transportado a la mitocondria y completa la recuperación del oxalacetato mediante la acción de la piruvato carboxilasa (EC 6.4.1.1). La secuencia completa no sólo sirve para el transporte de acetil-CoA al citosol, sino también para generar el NADPH requerido para la síntesis de lípidos. Sin embargo, se ha sugerido que este último paso no tiene lugar sino que el malato entra a la mitocondria directamente sin convertirse en piruvato. Esto es evidente en neuronas, donde la enzima málica no ha sido localizada y la piruvato carboxilasa tiene baja actividad. En neuronas, pues, la lanzadera es citrato/malato, en vez de citrato/piruvato. La entrada directa de malato en la mitocondria privaría de la sintesis de NADPH, impresindible 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. En efecto, parte de citrato exportado al citosol se convierte en ?-cetoglutarato aportando el NADPH.4.1.2.9.2. Lanzadera de N-acetil-L-aspartato
La L-aspartato N-acetiltransferasa (EC 2.3.1.17), enzima específica del sistema nervioso, sintetisa N-acetil-L-aspartato a partir de aspartato y acetil-CoA en la mitocondria. El N-acetil-L-aspartato se transporta a través de la membrana mitocondrial gracias al transportador de dicarboxilatos y, una vez en el citosol, se hidroliza mediante la N-acetil-L-aspartato amidohidrolasa (EC 3.5.1.15) para dar aspartato y acetato. Este último se convierte en acetil-CoA por la acción de la enzima acetil-CoA sintetasa (EC 6.2.1.1) citosólica. En este sentido, se ha demostrado que el N-acetil-L-aspartato (NAA) intramitocondrial es una fuente de grupos acetilo para la síntesis de lípidos en las neuronas. Por consiguiente el N-acetil-L-aspartato se considera como uno de los mecanismos importantes de transferencia de acetil-CoA de la mitocondria al citosol en el sistema nervioso central en desarrollo. El N-acetil-L-aspartato puede ser liberado a través de la membrana plasmática en condiciones normales, aunque, no puede atravezar la barrera hematoencefálica. Asimismo, puede ser reabsorbido gracias a un potente mecanismo de absorción celular. Por otro lado, se ha demostrado que el N-acetil-L-aspartato no actua como un neurotransmisor, ni está implicado en la liberación o reabsorción de neurotrasmisores. En este sentido, el incremento de N-acetil-L-aspartato en el fluido extracelular inmediatamente después de la estimulación con K+, puede ser el reflejo de un mecanismo de osmoregulación y/o homeostasis ácido-base.
Recientemente, se ha demostrado que los astrocitos tipo II (O-2A) crecidos in vitro, sintetizan también N-acetil-L-aspartato en concentraciones dos veces mayores que las neuronas. La concentración de NAA durante la maduración en el cerebro de rata incrementa rápidamente entre los 9 y 20 días después del nacimiento, un período activo de mielinización. El hecho que el NAA este en los O-2A sugiere que este compuesto es un donor de grupos acetilo para la síntesis de lípidos. Igualmente revela que existe una similitud entre los astrocitos tipo II y las neuronas, ya se ha reportado que expresan también algunas proteínas similares.

4.1.2.9.3. Lanzadera del acetoacetato
Otra posible vía de transferencia de acetil-CoA de la mitocondria al citosol en el cerebro de rata en desarrollo es el transporte de acetoacetato intramitocondrial al citosol. En efecto, la acetoacetil-CoA tiolasa (EC 2.3.1.9) mitocondrial puede desviar el acetil-CoA procedente del piruvato hacia la formación de acetoacetil-CoA. Este último se convierte en acetoacetato gracias a la actividad de la 3-cetoácido-CoA transferasa (EC 2.8.3.5) que atraviesa la membrana de la mitocondria utilizando el transportador de monocarboxilatos. Una vez en el citosol, el acetoacetato se convierte en acetoacetil-CoA mediante la acetoacetil-CoA sintetasa (EC 6.2.1.16) y éste en acetil-CoA por la acetoacetil-CoA tiolasa citosólica. En este sentido, se ha observado la presencia de cetogénesis a partir de ácidos grasos en astrocitos en cultivo, lo que implicaría el funcionamiento de la 3-cetoácido-CoA transferasa mitocondrial en el sentido de formación de acetoacetato. Sin embargo, esta vía parece poco probable en el cerebro en desarrollo, pues las concentraciones cerebrales de acetoacetato y 3-hidroxibutirato son muy bajas o indetectables y la reacción catalizada por la acetoacetil-CoA tiolasa está desplazada hacia la formación de acetil-CoA. Es más, la contribución de los cuerpos cetónicos a la síntesis de esteroles es mayor que a la síntesis de ácidos grasos, lo que sugiere que el acetoacetil-CoA citosólico evita parcialmente su conversión en acetil-CoA. Por tanto, la vía de acetoacetato como transferencia de acetil-CoA de la mitocondria al citosol no debe ser cuantitativamente importante en el cerebro en desarrollo.

4.1.2.9.4. Lanzadera de acilcarnitina
El acil-CoA se encuentra en equilibrio con la acetilcarnitina en una reacción catalizada por la carnitina acetiltranferasa I (EC 2.3.1.7):

acetilcarnitina + CoA carnitina acetiltranferasa > acil-CoA + carnitina

El complejo acilcarnitina puede atravesar la mitocondria mediante un transportador específico y liberar acil-CoA en el mitosol mediante la misma reacción. Aunque este mecanismo puede servir de transferencia de acil-CoA al citosol, no es un sistema cuantitativamente importante en el cerebro en desarrollo.4.1.2.9.5. Lanzadera malato/aspartato
Aunque la lanzadera malato/aspartato esta diseñada especialmente para la transferencia de equivalentes de reducción a través de la membrana mitocondrial, en cerebro puede servir, asimismo, a la transferencia de carbonos a través de la membrana mitocondrial.
asglu El funcionamiento de la lanzadera aspartato-malato depende del hecho de que tanto NADH, NAD+ como el oxalacetato no son permeables a través de la membrana interna mitocondrial. Este hecho obliga a que exista una distribución de la malato deshidrogenasa-NAD (EC 1.1.1.37) y aspartato aminotransferasa (EC 2.6.1.1) a ambos lados de la membrana mitocondrial. Asimismo, requiere la existencia de transportadores de membrana que permitan el intercambio del aspartato mitocondrial con el glutamato citosólico, así como el malato citosólico con el a-cetoglutarato intramitocondrial. La lanzadera aspartato-malato media, junto con la lanzadera del a-glicerolfosfato, la transferencia de equivalentes de reducción a través de la membrana interna mitocondrial. Probablemente, esta lanzadera regule el metabolismo energético en cerebro dado que se ha observado que el b-metilén-DL-aspartato (b-MA), un inhibidor específico de la enzima aspartato aminotransferasa, inhibe la oxidación de glucosa en cortes de cerebro y en sinaptosomas.
Las neuronas y los astrocitos parecen responder de distinta manera a los efectos del b-MA. Sin embargo, los resultados son contradictorios. Así, el metabolismo neuronal se afecta notablemente por la presencia de dicha sustancia y no así el de los astrocitos. Por otro lado, la oxidación de piruvato es más sensible a los niveles de aspartato en astrocitos que en neuronas. Estos resultados se pueden explicar, mediante la hipótesis de que la lanzadera aspartato/malato actua como principal mecanismo para la síntesis de aspartato y glutamato en las neuronas, mientras en los astrocitos actua en la degradación de estos dos sustratos.

4.10. Desarrollo de las vías anaplerótica

Una consecuencia importante de la síntesis de neurotransmisores, especialmente aminoácidos dicarboxílicos, es la necesidad de proveer intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, para sustituir aquellos que han resultado disminuidos. El mantenimiento de los niveles de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos en el cerebro se debe, en gran medida, a las elevadas proporciones de fijación de CO2. Estas reacciones son conocidas como reacciones anapleróticas, de hecho, siete vías anapleróticas han sido descritas en cerebro. De ellas la piruvato carboxilasa (EC 6.4.1.1), la acetil-CoA carboxilasa (EC 6.4.1.2), la propionil-CoA carboxilasa (EC 6.4.1.3) y la 3-metilcrotonil-CoA carboxilasa (EC 6.4.1.4) son biotino-dependientes. La fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (EC 4.1.1.32), la malato deshidrogenasa-NADP (enzima málica) (EC 1.1.1.40), la NADP-isocitrato deshidrogenasa (EC 1.1.1.42), no son biotino-dependientes y catalizan procesos reversibles que, al menos en en teoría, pueden conducir a la fijación de CO2 .

La acetil-CoA carboxilasa se encuentra en el citosol y cataliza la carboxilación de acetil-CoA a malonil-CoA y esta considerada como el paso limitante en la biosíntesis de ácidos grados de cadena larga. La actividad de la acetil-CoA carboxilasa es mayor en cerebro de rata durante los últimos días de gestación y los 10-15 días de vida postnatal, declinando lentamente en las siguientes dos semanas, llegando a alcanzar entre un 30-50% del valor observado en el neonato.

La propionil-CoA carboxilasa ha sido localizada exclusivamente en mitocondrias. Las deficiencias de biotina causan una marcada reducción de la actividad de esta enzima en cerebro comparado con otros tejidos de rata. Esta enzima está implicada en el metabolismo del propionato y los aminoácidos ramificados.

pc La piruvato carboxilasa, se encuentra principalmente en mitocondrias de astrocitos y cataliza la formación de oxalacetato a partir de piruvato. La actividad de la enzima en cerebro de neonato de rata es muy baja, incrementandose 15 veces en el primer mes de vida postnatal. Posiblemente, esta enzima es la principal responsable de la fijación del CO2 en el cerebro, puesto que la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa tiene una función descarboxilante y la enzima málica carece de suficiente actividad para fijar la cantidad observada de CO2. Parece que la incorporación de CO2 a través de la piruvato carboxilasa depende de la disponibilidad de piruvato. Se ha discutido que la fijación de CO2 en cultivos primarios de neuronas es muy baja y no se afecta por el incremento extracelular de potasio, como si ocurre en cultivos de astrocitos ó fibroblastos. Por lo tanto se ha concluye que, en cerebro, la piruvato carboxilasa es una enzima exclusivamente astrocítica. La actividad anaplerótica de la piruvato carboxilasa provee a-cetoglutarato y glutamina que sirven como precursores para el restablecimiento de la reserva de neurotransmisores en los terminales presinapticos.
La malato deshidrogenasa-NADP (enzíma málica) se han encontrado en citosol y en mitocondrias de astrocitos y oligodendrocitos y favorece la lipogénesis durante el desarrollo. En cultivos primarios de astrocitos ha sido localizada la enzima málica en el citosol y en la mitocondria, mientras no se ha detectado la presencia de la misma en el citosol de las neuronas. En cerebro de neonato de rata, la actividad citosólica y mitocondrial de esta enzima es muy baja alcanzando durante el destete los niveles del adulto.

La isocitrato deshidrogenasa-NADP se encuentra en citosol y mitocondria de neuronas y favorece, posiblemente, la lipogénesis. Esta enzima existe en tejidos de mamíferos como dos isoenzimas, una que se encuentra en el citosol y la otra en la mitocondria. En cerebro de rata, la actividad específica de la forma mitocondrial es tres veces superior que la forma citosólica. Durante el período postnatal, la actividad de la forma citosólica decrece, mientras la forma mitocondrial se mantiene. La participación de la forma citosólica de la isocitrato deshidrogenasa-NADP en una lanzadera con el a-cetoglutarato a sido demostrada, aunque su contribución en proveer grupos acetilo para la síntesis de ácidos grasos en el cerebro es relativamente pequeña.
Las enzimas catalizadoras de las cuatro principales reacciones anapleróticas, esto es la piruvato carboxilasa, la enzima málica, la isocitrato deshidrogenasa-NADP y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, podrían causar la oxidación completa de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, en el caso de que existiera una escasa producción de piruvato, o como mecanismo para la oxidación de aminoácidos. En cultivos primarios de astrocitos de cerebelo de ratón se ha detectado por inmunofluorecencia la presencia de piruvato carboxilasa. Asimismo, se ha establecido la existencia de un posible mecanismo de liberación de uno o más intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos por astrocitos, seguido por la captación de estos por las neuronas. Todos estos hechos apuntan hacia la existencia de una compartimentación intercelular. La presencia de transportadores de a-cetoglutarato y malato en los sinaptosomas soportan esta idea. Así, la piruvato carboxilasa podría mediar con su función anaplerótica a mantener las reservas entre astrocitos y neuronas.
Durante la acumulación de amonio en cerebro, circunstancia en que la formación de glutamina está muy acelerada, los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos se disminuirian drasticamente, en el curso de dos a tres minutos, sino fuera por la síntesis anaplerótica. De hecho, los volúmenes de los depósitos de estos intermediarios difícilmente cambian en estas condiciones. En la práctica parece que la piruvato carboxilasa es responsable de la mayor parte de la fijación de CO2 en el cerebro, dado que aproximadamente un 7-10% de todo el piruvato utilizado sirve para sustituir los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos durante el normal funcionamiento de este ciclo. La enzima málica y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa contribuyen de forma poco significativa, ya que sus estados de equilibrio favorecen mucho más la descarboxilación que la carboxilación. Además, las reacciones de transaminación pueden generar intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos en condiciones cinéticas favorables y, por tanto, servir como función anaplerótica.

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ANATOMIA Y FUNCION DE LA CORTEZA CEREBRAL HUMANA Señalización Celular

2 comentarios Add your own

  • 1. Jairo Alfonso Tovar franco  |  abril 30, 2008 a las 7:58 pm

    Apreciaria que la revision que tienen de Comunicación nerviosa que es de mi autoria me dieran credito en su pagina WEB(https://fundacionannavazquez.wordpress.com/2007/07/17/comunicacion-nerviosa/). Por otro lado me siento complacido por considerarlo importante para su fundación.

    Cordialmente,

    JairoAlfonso Tovar Franco, M.Sc., Ph.D.
    Profesor Titular
    Departamento de Nutrición y Bioquímica
    Pontificia Universidad Javeriana

    Responder
  • 2. raquel ore  |  enero 4, 2010 a las 3:10 am

    Is very goog for my profesion

    Responder

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