Mozak je najsloženiji organ ljudskog tijela, nepresušan izvor novih saznanja i informacija. Sve su ljudske emocije, procesi, učenje, pamćenje i inteligencija pod kontrolom mozga. Podržava svijest, emocije te čovjeka čini razumnim, inteligentnim i moralnim bićem.

Iako čini otprilike samo 2% tjelesne mase prosječnog čovjeka, čak 20 % energije svakodnevno utrošene na bazalni metabolizam (minimalna energija koju ljudsko tijelo svakodnevno utroši na održavanje tjelesnih funkcija i homeostaze), otpada upravo na energetski zahtjevne procese mozga, stoga se može zaključiti kako je mozak energetski jako skup organ.

Do te mjere skup da je u pojedinim trenucima njegova potrošnja kalorija po gramu tkiva u jedinici vremena usporediva s onom u mišićnim stanicama nogu tijekom trčanja maratona. Energija se prvenstveno koristi za transportne mehanizme koji regulacijom koncentracija natrija i kalija održavaju membranski akcijski potencijal, neophodan preduvjet za prijenos živčanih impulsa i u konačnici funkcioniranje živčanog sustava.

Konkretno otprilike 75 posto od ukupnog energetskog utroška mozga, otpada na signalizaciju, dok ostalih 25 posto na esencijalne stanične aktivnosti poput migracije protona u matriks mitohondrija (negdje 20 posto), potom "promet" proteina, nukleotida, fosfolipida te aksoplazmatski transport.

Glavni izvor energije

U mozgu se mogu naći dvije vrste stanica neuroni i glija stanice, a zanimljivo je kako obje, iako potpuno drugačijih uloga, ali i načina dobivanja energije, kao ishodišnu molekulu za stvaranje energije koriste šećer glukozu, odnosno njezinu razgradnju.

S jedne strane neuroni koriste kisik za oksidaciju glukoze te povezanim reakcijama glikolize, ciklusa limunske kiseline te oksidacijske fosforilacije dolaze do energije u obliku ATP-a kojeg potom koriste za svoj stanični rad, dok s druge strane astrociti ne koriste kisik, sukladno tome energiju dobivaju brže, ali u ATP-a u 15-ak puta manjoj količini po molekuli glukoze, procesom anaerobne glikolize gdje kao nusprodukt nastaje laktat (sol mliječne kiseline).

Generalno, većina utrošene energije otpada na neurone, dok samo 5 – 15 % na astrocite, najznačajnije predstavnike glija stanica.

Odakle potječe glukoza?

Iako se u astrocitima može naći skladišni oblik glukoze, tzv. glikogen, te količine su vrlo male i nedostatne, stoga gotovo sva glukoza u mozgu potječe iz krvotoka.

Glukoza u krvotok može dospjeti apsorpcijom glukoze iz tankog crijeva nakon razgradnje ugljikohidrata iz hrane, a u slučaju kada smo neko duže vrijeme bez hrane te nam počinje padati glukoza u krvi, tada se aktivira jetra, razgrađuje vlastiti glikogen te šalje molekule glukoze u krv kako bi ponovno uspostavila adekvatnu koncentraciju iste.

Premda prema glukozi imaju najveći afinitet, stanice mozga mogu koristiti i druge molekule kao izvor energije, uključujući laktate (soli mliječne kiseline), ketonska tijela, aminokiseline te masne kiseline.

Ketonska tijela

Zanimljivo je kako smo od trenutka kada prvi put krenemo sisati majčino mlijeko u ketotičkom stanju, odnosno kao dominantan izvor energije naš mozak koristi ketonska tijela. Kako odmiče faza dojenja, raste stopa sinteze enzima koji sudjeluju u oksidaciji glukoze, a onog trenutka kada se krene s uvođenjem hrane, bez obzira na što je još uvijek prisutno dojenje, naš mozak se prebacuje na ekonomičnije i brže gorivo, glukozu.

Kakogod, događaju se stanja kada i u odrasloj dobi ketonska tijela ponovno postaju važan supstrat u energetskom metabolizmu moždanih stanica, primjerice tijekom ketogene dijete ili duljeg posta (pr. Ramazan, intermittent fasting…), u pravilu u situacijama nedovoljne raspoloživosti glukoze u organizmu.

Međutim postoji "kvaka", naime isključivo oslanjanje na ketonska tijela ne omogućava adekvatnu opskrbu energije za sve neurone, osobito ne za one koji su jako aktivni.

Nadalje, glukoza neuronima nije potrebna samo kao izvor energije, već i kao ishodišna molekula u metaboličkim reakcijama put pentoza fosfata, zapravo je jedina moguća molekula iz koje se mogu dobiti neophodni šećer riboza koja se ugrađuje u DNA te NADPH, molekula koja sudjeluje u oksidacijskim reakcijama te u održavanju reduciranog oblika glutationa, glavnog antioksidansa koji neutralizira slobodne radikale u mozgu što je vrlo važno jer bi u protivnom naš mozak vrlo brzo „ostario“ usred kumulativnih oksidacijskih oštećenja.

Masne kiseline

Hipotetski moždanim stanicama dobivanje energije oksidacijom masnih kiselina ne zvuči nimalo loše, naime zaliha masnog tkiva u tijelu imamo više od zaliha ugljikohidrata, a priča postaje još zanimljivija kada se u obzir uzme činjenica kako se razgradnjom 1 grama masnih kiselina oslobađa 9 kcal što je za 2.25x više u odnosu na 4 kcal dobivenih iz 1 grama glukoze.

Isto su pomislili brojni znanstvenici, potom proveli i znanstvena istraživanja koja ipak nisu potvrdila navedeno, odnosno dokazala su kako se moždane stanice dominantno oslanjaju na glukozu kao izvor energije, a pri tom tek nešto malo, skoro pa zanemarivo koriste i masne kiseline.

Sve do nedavno smatralo se kako je uzrok tome fizikalne prirode, naime kada se mobiliziraju iz masnog tkiva, masne se kiseline prvo, logično razdvoje od glicerola, a potom u krvi vežu na transportni protein albumin te kao takve dolaze do ciljnog tkiva, odnosno tkiva koje ima potrebu za njima bilo zbog energetskih ili gradivnih razloga, a kada dođu do mozga, zbog vezanosti na albumin, vjerovalo se ne prelaze iz krvi u mozak, odnosno ne prelaze famoznu krv-mozak barijeru.

Ipak ta su vjerovanja bila u velikoj mjeri pogrešna, naravno prelazak iz krvi u mozak je sigurno sporiji i otežaniji masnim kiselinama, nego glukozi ili ketonskim tijelima, ali svejedno se ostvaruje te to nije razlog zašto se masne kiseline ne oksidiraju u mozgu ili barem ne značajno. Razlozi su mrvicu kompleksniji:

• masne kiseline u neuronima narušavaju funkcionalnost mitohondrija, organela zaslužnih za proizvodnju energije.
• masne kiseline značajno povećavaju oksidacijski stres u stanici pri čemu se stvaraju slobodni radikali koji mogu oštetiti stanične komponente, između ostalog DNA.
• masne kiseline su sporiji izvor energije u odnosu na glukozu, što je neadekvatno u situacijama visoke moždane aktivnosti.
• masne kiseline za proizvodnju iste količine energije u usporedbi s glukozom, zahtijevaju veći utrošak kisika pa su stoga s energetskog gledišta, skuplje gorivo.

Tijekom evolucije su se neuroni „dosjetili“ kako izbjeći navedene probleme:

• smanjenjem količine karnitina, molekule zaslužne za prijenos masne kiseline iz citosola u mitohondrij. Ako masna kiselina nije prebačena u mitohondrij ne može se oksidirati.
• smanjenom sintezom i aktivnosti enzima koji kataliziraju reakcije beta oksidacije. U prijevodu čak i ukoliko masna kiselina završi u mitohondriju proces beta oksidacije je poprilično spor i neuspješan.

Ipak ništa nije crno-bijelo pa tako ni u mozgu, stoga se u određenoj niskoj stopi masne kiseline zaista oksidiraju, ali prvenstveno u astrocitima. A masne kiseline sigurno neće biti „tužne“ što ih mozak pretjerano ne preferira, već će svoju „sreću“ potražiti u srčanom tkivu te u bubrezima čijim su stanicama dominantan izvor energije.

Ne zaboravimo na laktate

Sol mliječne kiseline, poznatija pod nazivom laktat nastaje kao nusprodukt tijekom anaerobne glikolize, brze reakcije razgradnje glukoze te također može indirektno poslužiti neuronima kao izvor energije. Zapravo neuroni to jedva čekaju, jer u takvoj situaciji glukozu mogu uštedjeti te iskoristiti u metabolizmu put pentoza fosfata, esencijalnom procesu u vidu sinteze spojeva te održavanja antioksidacijskog kapaciteta stanice.

Laktati do neurona mogu dospjeti direktno iz susjednih stanica u mozgu, astrocita ili iz krvotoka, ukoliko su povišene koncentracije, što može biti slučaj, pogađate, prilikom treninga visokog intenziteta, upravo zbog velike stope anaerobne glikolize koja se za vrijeme isto odvija u mišićnim stanicama.

Zaključak

Mozak je najkompleksniji, najzanimljiviji te evolucijski najrazvijeniji organ ljudskog organizma pa iako se u specifičnim situacijama može osloniti na više različitih izvora energije, bilo bi šteta ne omogućiti mu iskorištavanje njegovog maksimalnog potencijala, odnosno omogućiti mu korištenje glukoze kao glavnog metaboličkog goriva.

Reference:

1. McKenna et al. Energy metabolism of the Brain. 2012. Basic Neurochemistry, 8th ed., Chapter 11., 200-231
2. Schonfeld P. i Reiser G. Why does brain metabolism not favor burning of fatty acids to provide energy ? – Reflections on disadvantages of the use of free fatty acids as fuel for brain. 2013. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. Volume 33, 1493-1499
3. Barros LF, Brown A, Swanson RA. Glia in brain energy metabolism: A perspective. Glia. 2018;66(6):1134–1137.
4. Čorlukić M. i Škifić  L. Neuroznanost i psihoanaliza: neuropsihoanalitičko razumijevanje čovjek. 2017. Socijalne Teme
5. Magistretti PJ, Allaman I. A cellular perspective on brain energy metabolism and functional imaging. Neuron. 2015;86(4):883–901.

Objavljeno 15.06.2022.