Zašto neuroni troše toliko goriva čak i kada miruju?
Mozak troši znatno više energije od drugih organa, i, začuđujuće, ostaje gutač goriva čak i kada njegovi neuroni ne ispaljuju signale zvane neurotransmiteri jedni drugima. Sada su istraživači s Weill Cornell Medicine otkrili da bi proces pakiranja neurotransmitera mogao biti odgovoran za ovaj odljev energije.
U svojoj studiji identificirali su male kapsule zvane sinaptičke vezikule kao glavni izvor potrošnje energije u neaktivnim neuronima. Neuroni koriste ove vezikule kao spremnike za svoje molekule neurotransmitera, koje ispaljuju iz komunikacijskih portova zvanih sinaptički terminali kako bi signalizirali drugim neuronima. Pakiranje neurotransmitera u vezikule je proces koji troši kemijsku energiju, a istraživači su otkrili da je ovaj proces, energetski, inherentno propuštajući - toliko propuštajući da nastavlja trošiti značajnu energiju čak i kada su vezikule popunjene, a sinaptički terminali neaktivni.
"Ovi nalazi pomažu nam bolje razumjeti zašto je ljudski mozak toliko ranjiv na prekid ili slabljenje opskrbe gorivom", rekao je autor dr. Timothy Ryan, profesor biokemije i biokemije u anesteziologiji na Weill Cornell Medicine.
Opažanje da mozak troši veliku količinu energije, čak i kada je relativno u mirovanju, datira nekoliko desetljeća unatrag do proučavanja upotrebe goriva mozga u komatoznim i vegetativnim stanjima. Te su studije otkrile da čak i u tim duboko neaktivnim stanjima, potrošnja glukoze u mozgu obično opada od normalne za samo oko polovicu - što i dalje ostavlja mozak kao potrošač visokog energije u odnosu na druge organe. Izvori tog odljeva energije u mirovanju nikada nisu u potpunosti shvaćeni.
Dr. Ryan i njegov laboratorij su posljednjih godina pokazali da su sinaptički terminali neurona, izrasline nalik pupoljcima iz kojih ispaljuju neurotransmitere, glavni potrošači energije kada su aktivni i vrlo su osjetljivi na bilo kakav poremećaj njihove opskrbe gorivom. U novoj studiji ispitali su potrošnju goriva u sinaptičkim terminalima kada su neaktivni i otkrili da je još uvijek visoka.
Ova visoka potrošnja goriva u mirovanju, otkrili su, uglavnom se objašnjava skupom vezikula na sinaptičkim terminalima. Tijekom sinaptičke neaktivnosti, vezikule su u potpunosti napunjene tisućama neurotransmitera svaka i spremne su pokrenuti ove korisne terete koji prenose signal preko sinapsa do partnerskih neurona.
Zašto bi sinaptička vezikula trošila energiju čak i kada je potpuno napunjena? Istraživači su otkrili da u suštini postoji curenje energije iz membrane vezikule, "efluks protona", tako da poseban enzim "protonske pumpe" u vezikuli mora nastaviti raditi i trošiti gorivo pri tome, čak i kada je vezikula već puna molekula neurotransmitera.
Eksperimenti su ukazali na proteine zvane transporteri kao vjerojatne izvore ovog curenja protona. Transporteri obično donose neurotransmitere u vezikule, mijenjajući oblik kako bi prenijeli neurotransmiter, ali istovremeno dopuštajući protonu da pobjegne – dok to čine. Dr. Ryan nagađa da je energetski prag za ovaj pomak oblika transportera bio nizak evolucijom kako bi se omogućilo brže ponovno punjenje neurotransmitera tijekom sinaptičke aktivnosti, a time i brže razmišljanje i djelovanje.
"Nedostatak mogućnosti bržeg punjenja bio bi da bi čak i nasumične toplinske fluktuacije mogle pokrenuti promjenu oblika transportera, uzrokujući ovaj kontinuirani odljev energije čak i kada se neurotransmiter ne opterećuje", rekao je.
Iako bi curenje po vezikuli bilo maleno, postoje najmanje stotine bilijuna sinaptičkih mjehurića u ljudskom mozgu, tako da bi se odljev energije stvarno povećao, rekao je dr. Ryan.
Nalaz je značajan napredak u razumijevanju osnovne biologije mozga. Osim toga, ranjivost mozga na poremećaj opskrbe gorivom glavni je problem u neurologiji, a metabolički nedostaci zabilježeni su u nizu uobičajenih bolesti mozga, uključujući Alzheimerovu i Parkinsonovu bolest. Ova bi linija istraživanja u konačnici mogla pomoći u rješavanju važnih medicinskih zagonetki i predložiti nove tretmane.
"Kada bismo imali način da sigurno smanjimo ovaj odljev energije i tako usporimo metabolizam mozga, to bi moglo biti vrlo klinički utjecajno", rekao je dr. Ryan.
Izvor: Science Advances