Neurobioquímica

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 de¹⁴C 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.  

.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.

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.

Metabolismo cerebral

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.

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. 

 En la actualidad se sabe que las células de la neuroglia y las células endoteliales, no sólo consumen energía, sino que además pueden jugar un rol activo en el flujo de los sustratos energéticos hacia las neuronas. 

El control del metabolismo oxidativo se lleva a cabo gracias a hormonas específicas que actúan sobre la síntesis de las enzimas, así como por una regulación por metabolitos. Entre las enzimas de la glucólisis, la fosfofructoquinasa y la hexoquinasa son reguladoras. 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 glucolisis, hasta la mitocondria (figuras 3 y 4). 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.

 

Figura 3: Metabolismo oxidativo                            Figura 4: Respiración mitocondrial

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.

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. 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%).   El cerebro puede tanto oxidar carbohidratos (CHO) en forma de glucosa o lípidos en la forma de cuerpos cetónicos¹.

Algunos neurotransmisores regulan el metabolismo del glucógeno en los astrositos. Así, la noradrenalina, la serotonina y la histamina, son glucogenolíticos en el cerebro, además de ciertos péptidos, como el ya citado VIP, la adenosina y el ATP. Los efectos de todos estos neurotransmisores están mediados por receptores específicos acoplados a vías de señalización intracelular. 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 diana. Sin embargo, la acción de este tipo de neurotransmisores es temporal 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, provoca una activación rápida de la glucogenólisis (exclusivamente astrocitaria), y de la glucólisis, lo cual a su vez resulta en la liberación de lactato.

Se desconocen los mecanismos moleculares de acoplamiento entre la activación neuronal y la glucólisis astrocitaria o cuál es el papel de otros sustratos metabólicos, como citrato, a-cetoglutarato o malato, que se ha demostrado que son liberados desde los astrocitos hacia las neuronas; o si el lactato se puede considerar un indicador fiable de la hipoxia tisular cerebral en su estadio más precoz².