Unidad II, Metabolismo Energético Cerebral

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD PROGRAMA DE MEDICINA SECCIÓN BIOQUÍMICA

Unidad II METABOLISMO ENERGÉTICO DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL

Profesor Luis Labrador

Características estructurales y funcionales del metabolismo intermediario del Sistema Nervioso Central

El sistema nervioso humano, es sin ninguna duda, el dispositivo más complejo ideado por la naturaleza.

No solo controla todos los procesos que ocurren en nuestro cuerpo recibiendo información de las diferentes partes del mismo y enviando instrucciones para que la maquinaria funcione correctamente, sino que también nos permite interaccionar con el medio ambiente, recibiendo, procesando y almacenando los estímulos recibidos por los órganos de los sentidos.

“Finalmente, el sistema nervioso, y en particular el cerebro, constituye una central de inteligencia responsable de que podamos aprender, recordar, razonar, imaginar, crear y gozar de sentimientos”.

La barrera hematoencefálica Es una barrera entre los vasos sanguíneos y el sistema nervioso central.

La barrera impide que muchas sustancias tóxicas la atraviesen, al tiempo que permite el pasaje de nutrientes y oxígeno.

De no existir esta barrera muchas sustancias nocivas llegarían al cerebro afectando su funcionamiento y tornando inviable al organismo. Las células de la barrera poseen proteínas específicas que transportan de forma activa sustancias como la glucosa a través de la barrera.

La uniones ajustadas son necesarias para que pueda actuar como una barrera y esta mediada por proteínas como Claudinas y Ocludinas‌

Principalmente los astrocitos se encuentran en contacto con la BHE

Mecanismo de transporte Endotelial

Es permeable a ciertas sustancias necesarias para el metabolismo cerebral, tales como oxigeno, glucosa y aminoácidos esenciales.

Un determinante básico para que una molécula pueda atravesar la BHE es su solubilidad en lípidos (etanol, cafeína, nicotina, heroína oxigeno, bióxido de carbono).

Pericito Bombas de exflujo de la BHE

Vías de paso de la BHE Vía Intercelular

Vía Transcelular Vía de Proteínas Vía Lipofílica de transporte

Agentes solubles Agentes solubles en agua en lípidos

Glucosa Aminoácidos Nucleosidos

Trancitosis Mediada por receptor

Trancitosis Absortiva

Insulina Tranferrina Albumina Proteínas del plasma

Mecanismos de Transporte al SNC  La glucosa presenta sistema de transporte.

 Existen cuatro sistemas transportadores para AA, en los capilares del SNC. Los aminoácidos neutros como PHE, LEU, TYR, ILE, VAL, TRP, MET e HIS, penetran la BHE tan rápido como la glucosa.  Los AA esenciales no se sintetizan en el tejido nervioso, y deben ser suministrados por las proteínas en la dieta, ya que un solo transportador media el movimiento transcapilar de estos, ellos compiten entre si para entrar en el SN, de manera que elevadas concentraciones de uno inhibe el paso de los otros. (ejemplo: Fenilcetonuria, concentraciones elevadas de fenilalanina).  Los pequeños AA neutros como la ALA, GLY, PRO y GABA, son movilizados por otro transportador, que solo funciona para llevarlos del cerebro a la sangre.

Mecanismos de Transporte al SNC  Adicionalmente existe sistemas de transportadores para AA básicos LYS y ARG, que también son esenciales para AA ácidos como ASP y GLU, que son importantes intermediarios metabólicos y neurotransmisores. Los ácidos monocarboxílicos, lactato, acetato, piruvato y cuerpos cetónicos, son transportados por sistemas estereoespecíficos separados.

 Existen transportadores específicos presentes en el endotelio del SN para la gran mayoría de vitaminas.  Estos sistemas de transporte tienen baja capacidad debido a que varios de los compuestos se requieren en pequeñas cantidades y existen mecanismos homeostáticos que preservan su contenido sin necesidad de grandes flujos de sangre. (Las células endoteliales tienen bombas ATPasa sodio/potasio).

Mecanismos de Transporte al SNC  La gran mayoría de proteínas plasmáticas son incapaces de cruzar endotelio capilar cerebral. En consecuencia su concentración en el SN es muy baja. Sin embargo, algunas de ellas como la insulina, tranferrina, vasopresina y factores de crecimiento, por su peso y liposolubilidad no deberían cruzar la barrera, pueden hacerlo lentamente por un sistema saturable mediado por receptores que se denomina transcitosis.  La BHE tiene sistemas enzimáticos en el retículo endoplásmatico liso de las células endoteliales y procesos metabólicos que evitan que ciertos medicamentos penetren el cerebro.

Transporte de glucosa en SNC Transportadores GLUT

Glicoproteínas de 45 a 55 kDa, con 12 dominios transmembranales. Los dominios C y N terminal, al igual que una gran asa central, se localizan en el citoplasma, presentan un sitio de glicosilación en la región externa de la membrana.

Los segmentos transmembranales 3, 5, 7 y 11, son hidrofílicos en una cara del cilindro α-hélice, he hidrofóbicos en la otra, por lo que forman un poro, de esta manera, permiten el paso del monosacárido a favor de un gradiente de concentración.

Transporte de glucosa en SNC Transportadores GLUT

La glucosa ingresa a la célula en cuatro etapas: 1) se une al transportador en la cara externa de la membrana; 2) el transportador cambia de conformación y la glucosa y su sitio de unión quedan expuestos a la cara interna de la membrana; 3) el transportador libera la glucosa al citoplasma; y 4) el transportador libre cambia nuevamente de conformación, expone el sitio de unión a la glucosa a la cara externa de la membrana y retorna a su estado inicial.

ISOFORMAS DE GLUT:

GLUT 1: Barrera hematoencefálica, astrocitos. Glucosa, galactosa. Transporte saturable, estereoespecífico y no dependiente de energía o insulina.

GLUT 3: Cerebro (neuronas). Glucosa, galactosa. En tejido cerebral funciona en secuencia con el GLUT 1 (ubicado en la barrera hematoencefálica), lo que permite un transporte de glucosa en forma vectorial desde la sangre hasta la neurona.

GLUT 6 y 13: Cerebro. Glucosa.

Glicoproteína P La Glicoproteína de permeabilidad (Pgp) o también conocida como la proteína de resistencia a múltiples drogas (MDR1) es una glicoproteína que en humanos esta codificada en el gen ABCB1

La unión de un sustrato y la molécula de ATP se producen simultáneamente. Después de la unión de cada uno, la hidrólisis de ATP se desplaza el sustrato en una posición para ser excretada de la célula. La liberación del fosfato (a partir de la molécula original ATP) se produce simultáneamente con la excreción de sustrato.

Rutas metabólicas para la oxidación de Glucosa y producción de energía Circunstancias:  Un coeficiente respiratorio igual a la unidad

 Ausencia de otros compuestos o sustratos ricos en energía con diferencias arterio-venosas positivas.

Permiten afirmar que el tejido cerebral obtiene energía para la realización de sus funciones y el mantenimiento de su estructura en condiciones normales a partir de la oxidación de la glucosa

Oxidaciﾃｳn de la Glucosa en el cerebro:

1) Glicﾃｳlisis 2) Ciclo de ﾃ…idos Tricarboxilicos

3) Fosforilaciﾃｳn Oxidativa

Hexoquinasa cerebral Y Glucoquinasa hepรกtica

Rendimiento Energético por oxidación completa de la glucosa

Proceso

Citosol

Glucólisis

2 ATP 2NADH

Matriz Mitocondrial

Piruvato a acetil CoA

2 x (1 NADH)

Ciclo de Krebs

2 x (1 ATP) 2 x (3 NADH) 2 x (1 FADH2)

Respiración

Transporte electrónico

6 ATP

2 ATP 6 ATP

2 x (3 ATP)

6 ATP

2 x (9 ATP) 2 x (2 ATP) TOTAL

2 ATP 18 ATP 4 ATP 38 ATP

Importancia del flujo sanguíneo Cerebral Para el funcionamiento del cerebro, este depende exclusivamente del aporte de nutrientes por medio del FLUJO SANGUÍNEO. El tejido cerebral no posee reservas endógenas de glucosa, oxígeno y ATP Luego de 10 segundos de bloqueo del flujo sanguíneo ocurre perdida de conciencia. Únicas reservas de compuestos de alta energía Reservas mínimas, funcionamiento máximo de 2 minutos

Fosfocreatínina y glicógeno Fosfocreatina

Creatina

ADP ATP CREATINQUINASA

Disminución del aporte de nutrientes al cerebro % de O2 en el aire inspirado

Función afectada

20

NORMAL

17

Adaptabilidad a la oscuridad disminuida

13

Memoria a corto plazo, disminuida

8

Perdida de la conciencia

Hipoglicemia:

≥ 50% de disminución de la glicemia se origina letargo y coma.

Disminución mayor: convulsiones y muerte

¿Hasta donde puede disminuir el flujo sanguíneo sin comprometer o deteriorar la función cerebral?

Aceptemos que la sangre arterial que llega al cerebro presenta los siguientes valores: [Glucosa]SA = 250moles/100g/minuto Y se usan 31moles (12%)

[O2] SA = 500 moles/100g/minuto Y se usan 156 moles (31%) Mecanismo de captación de estos nutrientes:

O2 = Difusión simple Glucosa = Difusión facilitada

Cumple con una cinética hiperbólica por lo que se puede calcular la CANTIDAD MAXIMA TEORICA de glucosa que puede ser tomada por 100g de tejido en unidad de tiempo: CMT glucosa = 126moles/100g/minuto Entonces: - Llegan 250moles/100g/minuto - Teóricamente se podrían extraer 126moles/100g/minuto (50%) - En realidad sólo se extraen 31moles/100g/minuto (12%)

Por lo tanto la cantidad de glucosa en la sangre no es un factor limitante para el metabolismo cerebral. Se podría disminuir considerablemente el flujo sanguíneo sin que las cantidades de glucosas extraídas para mantener el metabolismo cerebral dentro condiciones normales se modifique Glucosa = 31moles/100g/minuto O2 = 156moles/100g/minuto

Glucosa = 250moles/100g/minuto O2 = 500moles/100g/minuto

Lo que sugiere que el flujo sanguíneo puede disminuir en un 50% y todavía se suministra la cantidad adecuada para mantener normal el metabolismo celular En casos de hipoxia o hipoglicemia severa se activan mecanismos complementarios: Aumento del flujo sanguíneo (puede contrarrestar hasta una caída del 50% de O2 y de 50-60% de glucosa Isquemia total: se agotan el O2 y Glucosa en sangre arterial en pocos segundos. Cesa metabolismo oxidativo. Glucólisis anaerobia a partir del poco glucógeno.

La Piruvato Deshidrogenasa es una enzima interconvertible por modificaci贸n covalente, inactiva por fosforilaci贸n y activa por desfoforilaci贸n

Piruvato NAD+

Acetil CoA CO2 + NADH + H+

OH ATP

Mg+2 Acetil CoA NADH ADP Piruvato PPT

ADP

PDH Activa

Pi Mg+2, Ca+2, Insulina (tejido adiposo)

O

P

NADH

PDH Inactiva

H2O

Exceso de Energía (ATP/ADP) Exceso de Poder Redox (NADH/NAD+) Exceso de Acetil CoA (Producto de oxidación de ácidos grasos)

Inhiben la Producción de PIRUVATO derivado de las diferentes rutas Canalizando hacia la producción de OXALOACETATO para Gluconeogénesis

Ciclo de los ﾃ｡cidos tricarboxilicos ATP, Acetil CoA, NADH, ﾃ…idos Grasos AMP, CoA, NAD+, Ca+2 NADH, Succinil CoA, Citrato y ATP ADP

ATP ADP, Ca+2 NADH, Succinil CoA Ca+ 2

Tres factores gobiernan el flujo a través del ciclo

1. Disponibilidad de sustrato

1. Inhibición por acumulación de producto 1. Inhibición alostérica por acción de otras enzimas que catalizan los pasos iniciales del ciclo

Cualquiera de los pasos más exergónico pueden resultar en reacciones limitantes de flujo bajo algunas circunstancias

Producci贸n de energ铆a en el tejido cerebral

1. Hexoquinasa (HK): Inhibida alostericamente por glucosa6-fosfato

1. Fosfofructoquinasa (PFK): Fructosa 2,6 bifosfato ATP AMPc Mg+2 ADP Creatinina fosfato Pi Citrato 1. Piruvatoquinasa: Fructosa 1,6-difosfato

ATP Acetil CoA

Ruta de las Pentosas Fosfato En el tejido nervioso presenta su máxima actividad en el cerebro en desarrollo, donde su principal contribución seria aportar NADPH + H+, necesario para la síntesis de lípidos

Fase Oxidativa

Otra función muy importante de la ruta es la necesidad del NADPH + H+ para eliminar los radicales libres (especies reactivas de oxigeno) Fase No-Oxidativa

¿Cómo usa el tejido cerebral la energía?

Para garantizar y preservar sus funciones: • • • •

Recepción Procesamiento Transmisión Almacenamiento

Estas funciones dependen de una propiedad neuronal

EXCITABILIDAD

El mayor porcentaje de energía producida en el tejido cerebral se utiliza en la FORMACIÓN Y MANTENIMIENTO DE ESTOS GRADIENTES. 3Na+

2K+ ATPasa ATP

ADP+ Pi

Formaci贸n y mantenimiento de gradientes

Na+

K+ 3Na+

2K+ ATPasa

Na+ ATP

K+

ADP + Pi

Funciones de Actividad ATPasa Sodio/potasio:

Funciones de Actividad ATPasa Sodio/potasio: 

Los gradientes de diferentes iones (Na+) son necesarios para la remoción de Neurotransmisores del espacio sináptico por transporte en neuronas y tejido glial



Gradientes de calcio, (ATPasas dependientes de Na+ y Ca2+)



Adecuado funcionamiento de Neurotransmisores, hormonas y mediadores químicos (Procesos de Fosforilación).



Síntesis de biomoléculas: Neurotransmisores

¿Cómo usa el tejido cerebral la energía?

80% de la totalidad de consumo de energía ATPasas que mantienen el gradiente iónico.

45-47% del consumo de ATP es utilizado en el restablecimiento de los gradientes iónicos y el potencial de reposo de la membrana que son modificados durante la fase de excitabilidad (PRODUCCIÓN DE LOS POTENCIALES DE ACCIÓN).

Del resto 25-33% es utilizado en restablecer gradientes iónicos modificados como consecuencia de la activación de los diferentes receptores para neurotransmisores.

El 20% restante: 3-5% de ATP es utilizado en almacenamiento y liberación del neurotransmisor (restablecimiento de gradientes de Ca2+) Un 10-15% en el mantenimiento de potenciales de reposo de la membrana neuronal.

Sustratos alternativos a la glucosa en el metabolismo cerebral En condiciones de CONCENTRACIÓN DISMINUIDA DE GLUCOSA, o en algunos estados fisiológicos o patológicos el sustrato puede emplear sustratos alternativos.

A) Compuestos generales: • En condiciones de hipoglicemia Proteínas Fosfolípidos

Aminoácidos Ácidos Grasos

• Sustancias que podrían aportar energía al tejido cerebral entrando a las rutas de oxidación de la glucosas en diversos estadios (muy pequeñas cantidades y/o no atraviesan la barrera hematoencefalica).

• Lactato y piruvato: escasamente atraviesan la barrera hematoencefalica.

B) Cuerpos Cetónicos: Son los sustitutos más importantes de la glucosa como fuente de energía.

Para que el Acetil-CoA ingrese al ciclo de Krebs tiene que haber una concentración adecuada de OXALOACETATO para generar citrato.

Reacciones anapleróticas: • Formación de OXALOACETATO a partir de PIRUVATO (Piruvato carboxilasa) • Formación de malato a partir de piruvato (enzima málica) • Formación de -Cetoglutarato y oxaloacetato a partir de glutámico y aspártico (transaminaciones).

Cetogénesis Los cuerpos cetónicos son compuestos químicos producidos por cetogénesis en las mitocondrias de las células del hígado. Su función es suministrar energía al corazón y al cerebro en ciertas situaciones excepcionales.

Los compuestos químicos son el ácido cetoacético (cetoacetato) y el ácido betahidroxibutírico (β-hidroxibutirato); una parte del acetoacetato sufre descarboxilación no enzimática a acetona (una cantidad insignificante en condiciones normales); los dos primeros son ácidos y el tercero, una cetona D- -Hidroxibutirato

Acetoácetato

1) D-β-hidroxibutirato deshidrogenasa 2) Β-acetil-CoA transferasa (ausente en Hígado) 3) Acetil-CoA tiolasa

Utilización de cuerpos cetónicos por los tejidos

1 D--Hidroxibutirato NAD+

3 Acetoacetato

NADH + H+

Acetoacetil-CoA

2

2 Acetil-CoA

Eventos que favorecen la Cetogénesis

Los cuerpos cetónicos se forman en situaciones en las que el metabolismo de la glucosa está comprometido: • Descompensación diabética: con cifras elevadas de glucosa en sangre • Ayuno prolongado • Infante Lactante La acetona se forma por la descarboxilación del ácido acetoacético. Así pues, los niveles de acetona son mucho menores que los de los otros dos tipos de cuerpos cetónicos. Dado que no puede volver a transformarse en acetil CoA, se expulsa a través de la orina o bien mediante exhalación. La exhalación de la acetona es la responsable de un olor afrutado característico en el aliento.

Tanto el acetoacetato como el betahidroxibutirato son ácidos, y si hay altos niveles de alguno de estos cuerpos cetónicos, se produce una disminución en el pH de la sangre

. Esto se da en la cetoacidosis diabética y en la cetoacidosis alcohólica. La causa de la cetoacidosis es en ambos casos la misma: la célula no tiene suficiente glucosa; en el caso de la diabetes la falta de insulina evita que la célula reciba glucosa, mientras que en el caso de la cetoacidosis alcohólica, la inanición provoca que haya menos glucosa disponible en general.

El ingreso de los cuerpos cetónicos al cerebro se lleva a cabo mediante un sistema de transporte estereoespecífico: TRANSPOORTADOR DE ÁCIDOS MONOCARBOXILICOS (MTCs).

驴Papel de los astrocitos en intercambio de intermediarios metab贸licos ?

Lactato Piruvato Glucogen贸lisis

LDH-1 MCT-2

LDH-5 MCT-1

Radicales libres

Radicales libres Los Radicales libres son especies químicas que tienen un electrón no apareado, Se forma en el intermedio de reacciones químicas, a partir de la ruptura homolítica de una molécula los cuales pueden considerarse como fragmentos de moléculas muy reactivos.

Los reactantes más importantes de la célula están constituidos por el OXIGENO y sus radicales derivados (Anión superoxido, radical hidroxilo…).

Estos radicales libres son capaces de oxidar biomoléculas (lípidos, carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos) y provocar daño tisular y muerte celular.

Formación de Radicales libres En 1946, Michaelis describió la reducción univalente secuencial del oxígeno como mecanismo molecular de cuatro pasos de transferencia de un electrón, con formación de radical superóxido (O2-), peróxido de hidrógeno (H2O2), y radical hidroxilo (HO·) como los intermediarios de la reducción parcial del oxígeno y con formación de agua como producto final de la reducción

Origen de los radicales libres

Factores que predisponen la formación de Radicales Libres Radiación ionizante. Excesiva disponibilidad de metales de transición. Efectos adversos de fármacos y compuestos químicos tóxicos. Exceso de Oxígeno, o aumento de su concentración (isquemiareperfusión). Estrés oxidativo (estados patológicos o deficiencia de antioxidantes). Excesiva Leucocitosis o incremento de la fagocitosis en el sitio de daño.

Factores que predisponen la formación de Radicales Libres

Interrupción de la cadena mitocondrial de transporte de electrones, o inhibición de la misma. Activación del metabolismo de Ácido Araquidónico. Hemólisis (liberación del grupo Hemo con hierro). Disminución de la capacidad antioxidante enzimática (desnutrición).

Reacción de Fenton:

Fe2+

Fe3+ + O2 ˙ + H 2 O2

Fe2+ + Fe3+ + ˙OH

O2 + OH

Lesi贸n en la membrana plasm谩tica por radicales libres o agentes productores de los mismos

Peroxidación lípidica

Productos de la peroxidación: aldehídos (malondialdehídoMDA), cetonas, ésteres, alcoholes…

Involucrados en la fisiopatología de la Arteroesclerosis, Artritis reumatoidea, Enfisema pulmonar, Cáncer, envejecimiento celular, accidente cerebrovascular…

Oxidación de Proteínas

Todas las cadenas laterales de los Aminoácidos son sensibles a ataque de los oxidantes y radicales libres.

Los radicales proteínicos pueden ser transferidos dentro de la misma proteína, o incluso pueden transmitirse entre 2 proteínas.

Las proteínas son especialmente sensibles al ataque de productos de la lipoperoxidación.

“PRIONES”

Oxidaci贸n de Carbohidratos

Formaci贸n de mol茅culas capaces de reaccionar con grupos carbonilos de las prote铆nas.

DIABETES

Daño de Ácidos Nucléicos

El radical hidroxilo puede atacar bases púricas y pirimidínicas.

8-Hidroxiguanina (Lesión mutagénica) Transversión G-T

Oxidación

Guanina + OH˙

[Guanina -OH˙] Radical 8-Hidroxiguanina Apertura del anillo de guanina Reducción

(Detiene la replicación, introducción de errores por enzimas reparadoras del ADN)

Participación en procesos patológicos (Oxido Nítrico) Enzimática No enzimática

NOS

O 2 ˙-

˙NO

L-arginina

O2

+ No enzimática Citokinas  Lipopolisacaridos (independiente de Ca+2-Calmodulina)

ONOO Homólisis

NO3 Heterólisis

˙NO2

NO2

˙OH

Nitrataciones

Peroxidaciones hidroxilaciones Alteraciones de las proteínas y del ADN

¿Inhibición de las tirosinkinasas?

Peroxinitrito ONOO -

Defensa antioxidante

De acuerdo a su mecanismo de acción:  Preventivos: actúan al inicio de una cadena de oxidación para reducir o impedir el comienzo de una cadena de oxidoreducción.

Ej: Glutatión peroxidasa, catalasa y peroxidasa.  Secundarios: bloquean alguna etapa de la cadena de oxidación ya iniciada.

Ej: Vitamina E y C, enzima superóxido dimutasa

Defensa antioxidante

De acuerdo a su estructura química y su función biológica: Enzimáticos: SUPEROXIDO DISMUTASA: cataliza la dismutación del ión superóxido O2˙- + O2˙- + 2H+

H 2 O2 + O 2

Formación de ˙OH en presencia de metales de transición Isoenzima citosólica: dependiente de Cu+2/Zn+2 Isoenzima mitocondrial: dependiente de Mn+2 Defecto genético: ESCLEROSIS LATERAL AMIOTRÓFICA

Defensa antioxidante

De acuerdo a su estructura química y su función biológica:  Enzimáticos: CATALASA: presentes en peroxisomas.

H 2 O2 + H 2 O 2

2H2O + O2

Peroxidasas: • Mieloperoxidasa • Glutatión peroxidasa: depende de selenio, actúa principalmente en las membranas .

2Glutatión-SH + H2O2

2H2O + GSSG

Defensa antioxidante

De acuerdo a su estructura química y su función biológica: No enzimáticos: VITAMINA E: principal antioxidante liposoluble.

•Plasma: lipoproteínas •Membranas Bloquea la peroxidación lipídica al depurar radicales peroxilos ROO˙ + TocOH+ peroxilo

tocoferol

ROOH + TocO ˙ tocoperoxilo

Defensa antioxidante

VITAMINA E -tocoferol-OH

VITAMINA C

H+

Estabiliza el lípido (bloquea la peroxidación lipídica)

Radical Tocoferil -tocoferil-O H+ -tocoferol-OH

Dehidrioascorbato (ERO débil, se libera en la orina)

Defensa antioxidante

De acuerdo a su estructura química y su función biológica: No enzimáticos: VITAMINA C: regenera la variante reducida de la VITAMINA E al interactuar con el radical Tocoperoxilo y originar α-Tocopeferol. -CAROTENO: no la VITAMINA A. ÁCIDO URICO Otros antioxidantes: •COMPARTAMENTALIZACIÓN: peroxisomas •“SECUESTRO” DE METALES DE TRANSICIÓN POR PROTEÍNAS: ferritina, lactoferrina, albúmina, ceruloplasmina…