Capitolo 4:

Capitolo 4:

Modelli di funzionamento metabolico del cervello

e il ruolo del lattato

4.1 Il modello classico

Il modello classico di funzionamento metabolico del cervello, considerato fino a tempi recenti un capito chiuso della fisiologia, prevede l’utilizzo diretto del glucosio da parte dei neuroni attivati.

Il glucosio quindi, risulta essere il substrato energetico principale dei neuroni.

I neuroni attivati richiamano a sé il sangue dai capillari vicini, ricchi di ossigeno, e

metabolizzano ossidativamente il glucosio per ricavarne energia.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O (4.1)

Fig 4.1 modello classico di metabolismo neuronale

Università Degli Studi Di Pisa

Il rapporto tra consumo metabolico di ossigeno e quello di glucosio si chiama OGI ed è definito dalla formula:

(4.2)

Esso è pertanto dalla formula 4.1 in teoria uguale a 6.

Questo rapporto coincide quasi sperimentalmente con degli studi effettuati con l’indagine PET, che in condizioni basali hanno fornito il valore di circa 5.5.

In seguito ad una stimolazione somatosensoriale, è stato dimostrato uno spostamento dal valore basale di alcuni parametri caratteristici.

Il consumo metabolico del glucosio sale del 50%, come anche il flusso di sangue cerebrale, mentre l’aumento del consumo d’ossigeno risulta invece più modesto,

circa il 5%.

Fig. 4.2 variazione percentuale di alcuni parametri caratteristici durante stimolazione

Questa variazione di consumo produce un abbassamento dil OGI da 5.5 a circa 4 evidenziando ancora di più una discrepanza con il modello classico

Il modello classico, cioè il metabolismo ossidativo, se è abbastanza in grado di spiegare il funzionamento cerebrale durante le condizioni basali, risulta molto insufficiente durante

Università Degli Studi Di Pisa

le condizioni di stimolazione, suggerendo che il metabolismo ossidativo non può essere l’unica fonte di approvvigionamento di energia.

Prende così piede l’ipotesi che il consumo di O2 sia già ai massimi livelli nella condizione basale, e per fornire l’energia in più per rispondere agli stimoli, si utilizzi la glicolisi anaerobica, cioè la formazione di energia senza utilizzo di O2 .

4.2 Il lattato

Fig 4.3 molecola di lattato

Il lattato è il prodotto finale della glicolisi anaerobica, ed è normalmente presente nel tessuto cerebrale a basse concentrazioni, circa 0.4 mmol su Kg di peso.

La sua concentrazione aumenta notevolmente quando il cervello è sottoposto a ipossia, cioè la carenza di ossigeno cerebrale, che può essere anche causata da traumi, ictus, o da tumori.

È anche visibile all’interno del tessuto necrotico o nelle cisti fluide. e quando si trova in alta concentrazione, può essere indice di moltissime malattie, tra cui malattie mitocondriali, encefalopatie e sclerosi.

Il rivelamento della sua concentrazione ricopre quindi un ruolo importante nella diagnosi clinica.

Molte evidenze sperimentali mostrano che il lattato può anche essere utilizzato per il sostentamento delle funzioni cerebrali.

Per esempio in situazioni patologiche, in soggetti diabetici con forte ipoglicemia e durante periodi di scarsa nutrizione, è sicuramente il sostituto del glucosio.

Università Degli Studi Di Pisa

In vitro è stato dimostrato che prendendo colture cerebrali e sostituendo come substrato il lattato al posto del glucosio non si hanno modifiche funzionali dal punto di vista elettrico o fisiologico.

Il lattato può quindi essere utilizzato come fonte d’energia alternativa senza provocare danni ai neuroni.

Alcune indagini hanno però rilevato un cambiamento della sua concentrazione in seguito a stimolazione continuativa, dando risultati altalenanti, alcuni affermano di aver rilevato un suo incremento, altri una sua diminuzione.

Essendo il lattato un prodotto finale della glicolisi anaerobica, che produce energia senza l’utilizzo di ossigeno e verificato il fatto che la sua concentrazione cambia durante la stimolazione, nasce l’ipotesi di un suo coinvolgimento nel metabolismo cerebrale.

La glicolisi anaerobica potrebbe anche spiegare il risultato citato in 4.1 della diminuzione del OGI in seguito ad un minor consumo di ossigeno.

4.3 Gli astrociti

Nel modello classico il glucosio e l’ossigeno sono forniti dai capillari al sistema nervoso centrale per ricoprirne il fabbisogno energetico .

Del sistema nervoso centrale, però, fa parte anche la nevroglia, costituita da diverse cellule che si trovano interposte tra i neuroni e i capillari.

Mentre i neuroni sono impegnati tramite la secrezione di particolari neurotrasmettitori, nell’elaborazione e propagazione degli stimoli, le cellule che costituiscono la nevroglia, fino a tempi recenti sono state considerate svolgere ruoli trofomeccanici nei confronti di essi.

La nevroglia si suddivide in : macroglia, microglia, ependima, oligodendroglia, pituciti, cellule di Muller, i gliociti di Bergmann.

La macroglia è la parte più estesa e i suoi elementi costitutivi sono gli astrociti.

Università Degli Studi Di Pisa

Essi si presentano con un corpo cellulare irregolare e con numerosi prolungamenti di varie dimensioni, che si estendono dai neuroni alla pia madre ai vasi capillari, con i quali sono collegati con un’ estremità che prende il nome di piede astrocitario.

.

Fig 4.4 gli astrociti

Oltre a fornire una funzione meccanica di supporto dei neuroni, la loro disposizione a ponte tra i capillari e i neuroni, ne suggerisce una funzione nutritiva e di regolazione negli scambi metabolici neuronali.

Lo spessore delimitante che formano nei luoghi di confine dei neuroni, ricopre inoltre il ruolo di barriera emato-encefalica, atta a bloccare gli scambi tra i neuroni e i tessuti vicini e viceversa.

La barriera blocca anche il lattato, che non può raggiungere i neuroni attraverso i capillari.

Studi recenti hanno indicato che durante periodi di normale attività, il fabbisogno energetico delle cellule della nevroglia ricopre solo il 5%, mentre i neuroni il restante 95%.

4.4 A.N.L.S.

A.N.L.S. è l’acronimo di Astrocyte neuron lactate shuttle è il modello proposto da Magistretti e Pellerin

Università Degli Studi Di Pisa

Essi ipotizzano che sia il lattato il substrato principale per il funzionamento neuronale durante l’attivazione, dando luogo ad una glicolisi anaerobica che spieghi la diminuzione di OGI durante la stimolazione.

Il lattato non può però attraversare la barriera emato-encefalica, vedi 4.3, perciò dovrebbe già trovarvisi o esservi prodotto.

Pellerin e Magistretti hanno riscontrato il ruolo chiave degli astrociti e il loro coinvolgimento nel metabolismo cerebrale.

Il glucosio viene assorbito dagli astrociti, che si trovano a stretto contatto con i capillari, dentro di essi si verificano processi chimici che lo trasformano in piruvato.

All’interno degli astrociti e solo all’interno di essi nel sistema nervoso centrale, è presente un enzima (LDH5) che serve per la conversione di piruvato in lattato.

La presenza di questo enzima suggerisce che questa trasformazione avvenga.

Si trovano anche alcuni trasportatori (MTC1 MTC4), che permettono di attraversare la barriera lipidica astrocitaria, e fanno defluire nello spazio extracellulare il lattato.

Fig 4.5 attraverso la glicolisi non ossidativa si producono 2 ATP e il piruvato viene trasformato in lattato all’interno degli astrociti, che poi grazie alle molecole trasportatrici specifiche

escono nello spazio extracellulare

Università Degli Studi Di Pisa

Nei neuroni sono stati individuati i componenti complementari: il trasportatore monocarbossilico MTC2 che fa entrare il lattato dallo spazio extracellulare e l’enzima LDH1 che serve per la trasformazione di lattato in piruvato.

Fig 4.6 Il lattato entra nel neurone per mezzo della molecola trasportatrice MTC1 e viene trasformato in piruvato grazie all’enzima specifico LDH1, in seguito al ciclo di Krebs si formano 34 ATP

Si ha quindi un sistema adatto alla formazione del lattato negli astrociti e al consumo del lattato nei neuroni. corredato anche delle molecole trasportatrici adatte al passaggio nel verso indicato.

Attraverso la glicolisi non ossidativa si ha un minor aumento del consumo di ossigeno, e si ha un consumo di glucosio, rispettando l’abbassamento del OGI che si riscontra sperimentalmente e si ha anche un sistema efficiente di produzione di energia, infatti dei 36 ATP prodotti, 2 sono negli astrociti e 34 nei neuroni, l’efficienza del sistema è quindi del 95%

I neuroni si passano i segnali l’un l’altro in maniera chimica nella zona pre-sinaptica e post-pre-sinaptica.

I potenziali d’azione raggiungono la zona pre-sinaptica dove stimolano la migrazione di vescicolette contenenti glutammato, che a contatto con la

Università Degli Studi Di Pisa

membrana cellulare si fondono con essa e rilasciano il loro contenuto nello spazio extracellulare.

Il glutammato stimola i siti posti nella giunzione post-sinaptica di un altro neurone e da lì parte un nuovo potenziale d’azione

Il glutammato negli spazi extracellulari viene assorbito dagli astrociti attraverso i canali del sodio e lì stimola l’assorbimento di glucosio dal sangue nel loro interno, l’inizio della reazione di glicolisi e la formazione di prostaglandine, responsabili almeno in parte della risposta del sangue che si registra dopo la stimolazione.

Il glutammato subisce all’interno degli astrociti la trasformazione in glutammina e viene poi riassorbito dai neuroni.

Fig 4.6 il ciclo glutammato glutammica rifornisce i neuroni del neurotrasmettitore per i successivi potenziali d’azione, l’energia è fornita direttamente dalla glicolisi non ossidativa

Questo meccanismo provvede al recupero del neurotrasmettitore glutammato all’interno dei neuroni per poter far fronte all’arrivo di nuovi potenziali d’azione. Il ciclo glutammato-glutammina richiede 1 ATP di energia e un altro ATP è richiesto dall’attivazione delle pompe sodio-potassio sulla membrana astrocitaria per ristabilire l’equilibrio chimico della cellula.

Università Degli Studi Di Pisa

L’energia utilizzata è proprio quella fornita dalla glicolisi non ossidativa all’interno dell’astrocita.

Gli astrociti sono quindi sensibili ai potenziali d’azione attraverso il glutammato, secreto dalla maggior parte dei neuroni.

Anche altri ormoni ad esempio la noradrenalina e altri neurotrasmettitori influenzano il comportamento degli astrociti per quanto riguardo all’espressione degli MTCs, le molecole trasportatrici del lattato, evidenziando quindi la possibilità di modulare l’utilizzo del lattato, e quindi il processo metabolico secondo la stimolazione e il livello di attività richiesto.

Il Gaba, neurotrasmettitore dei processi inibitori, non interferisce molto con gli MTCs, e questo può essere spiegato con il fatto che questi processi richiedono un minor utilizzo di energia.

Sperimentalmente si vede che non c’è aumento di ATP.

4.5 Modello di Shulman

Shulman modifica il modello di Magistretti prendendo in considerazione la riserva di glicogeno immagazzinato all’interno degli astrociti, e propone un passaggio intermedio inefficiente, ma veloce, capace di fornire energia immediata agli astrociti per rispondere ai rapidissimi tempi di clearence del glutammato e per renderlo di nuovo disponibile a livello della giunzione pre-sinaptica.

1 molecola di glucosio attraverso la glicolisi non ossidativa produce 2 molecole di lattato e 2 ATP

Nel modello di Shulman, a fronte di un rapido firing neuronale in seguito ad una intensa stimolazione, il glucosio non si trasforma tutto in lattato con la reazione di glicolisi, che produrrebbe 2 moli di lattato, ma una parte, che chiamiamo

Università Degli Studi Di Pisa

mole, va a costituire la riserva di glicogeno, parimenti, una quantità x-mole di glicogeno, si trasforma in lattato attraverso la glicogenolisi.

Nella figura 4.7 indichiamo i passaggi e analizziamo quanto ATP si forma da questo processo.

Fig 4.7 modello di Shulman, la reazione all’interno l’astrocita, prevede un passaggio intermedio tra il glucosio e il glicogeno.

Questo nuovo modello risolve il problema del fabbisogno rapido di energia tramite la glicogenolisi, molto più rapida della glicolisi.

Si ha, come per Magistretti, una produzione di 2 molecole di lattato per ogni molecola di glucosio ma con (2-x)ATP prodotte invece di 2.

Shulman dimostra che il meccanismo per ottenere energia risulta meno efficiente ma più rapido.

La formula dell’ossidazione del lattato è:

Adesso si ha l’ossidazione di (2-x)moli di lattato, abbassando così OGI a (6-3x) e si ha un eccesso di lattato paria x-moli.

Il processo può essere modulato dai neurotrasmettitori, fino ad arrivare ad un completo passaggio di glucosio in glicogeno e attraverso la glicogenolisi in lattato.

Università Degli Studi Di Pisa

La glicogenolisi produce la metà di ATP della glicolisi, perciò per ottenere i 2 ATP necessari all’astrocita per un suo corretto funzionamento, (4.4), occorrono 2 molecole di glucosio che attraverso la glicogenolisi produrranno 4 moli di lattato.

Per ottenere la stessa quantità di energia si sarà consumato più glucosio e si saranno ottenute 2 moli di lattato in eccesso, che potranno essere fornite ai neuroni vicini.

Fig 4.8 modello di shulman, il passaggio attraverso il glicogeno risulta meno efficiente nel produrre energia, ma più rapido, e produce un eccesso di lattato.

Università Degli Studi Di Pisa