4.10. Desarrollo de las vías anaplerótica
Una consecuencia importante de la síntesis de neurotransmisores, especialmente aminoácidos dicarboxílicos, es la necesidad de proveer intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, para sustituir aquellos que han resultado disminuidos. El mantenimiento de los niveles de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos en el cerebro se debe, en gran medida, a las elevadas proporciones de fijación de CO2. Estas reacciones son conocidas como reacciones anapleróticas, de hecho, siete vías anapleróticas han sido descritas en cerebro. De ellas la piruvato carboxilasa (EC 6.4.1.1), la acetil-CoA carboxilasa (EC 6.4.1.2), la propionil-CoA carboxilasa (EC 6.4.1.3) y la 3-metilcrotonil-CoA carboxilasa (EC 6.4.1.4) son biotino-dependientes. La fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (EC 4.1.1.32), la malato deshidrogenasa-NADP (enzima málica) (EC 1.1.1.40), la NADP-isocitrato deshidrogenasa (EC 1.1.1.42), no son biotino-dependientes y catalizan procesos reversibles que, al menos en en teoría, pueden conducir a la fijación de CO2 .
La acetil-CoA carboxilasa se encuentra en el citosol y cataliza la carboxilación de acetil-CoA a malonil-CoA y esta considerada como el paso limitante en la biosíntesis de ácidos grados de cadena larga. La actividad de la acetil-CoA carboxilasa es mayor en cerebro de rata durante los últimos días de gestación y los 10-15 días de vida postnatal, declinando lentamente en las siguientes dos semanas, llegando a alcanzar entre un 30-50% del valor observado en el neonato.
La propionil-CoA carboxilasa ha sido localizada exclusivamente en mitocondrias. Las deficiencias de biotina causan una marcada reducción de la actividad de esta enzima en cerebro comparado con otros tejidos de rata. Esta enzima está implicada en el metabolismo del propionato y los aminoácidos ramificados.
La piruvato carboxilasa, se encuentra principalmente en mitocondrias de astrocitos y cataliza la formación de oxalacetato a partir de piruvato. La actividad de la enzima en cerebro de neonato de rata es muy baja, incrementandose 15 veces en el primer mes de vida postnatal. Posiblemente, esta enzima es la principal responsable de la fijación del CO2 en el cerebro, puesto que la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa tiene una función descarboxilante y la enzima málica carece de suficiente actividad para fijar la cantidad observada de CO2. Parece que la incorporación de CO2 a través de la piruvato carboxilasa depende de la disponibilidad de piruvato. Se ha discutido que la fijación de CO2 en cultivos primarios de neuronas es muy baja y no se afecta por el incremento extracelular de potasio, como si ocurre en cultivos de astrocitos ó fibroblastos. Por lo tanto se ha concluye que, en cerebro, la piruvato carboxilasa es una enzima exclusivamente astrocítica. La actividad anaplerótica de la piruvato carboxilasa provee a-cetoglutarato y glutamina que sirven como precursores para el restablecimiento de la reserva de neurotransmisores en los terminales presinapticos.
La malato deshidrogenasa-NADP (enzíma málica) se han encontrado en citosol y en mitocondrias de astrocitos y oligodendrocitos y favorece la lipogénesis durante el desarrollo. En cultivos primarios de astrocitos ha sido localizada la enzima málica en el citosol y en la mitocondria, mientras no se ha detectado la presencia de la misma en el citosol de las neuronas. En cerebro de neonato de rata, la actividad citosólica y mitocondrial de esta enzima es muy baja alcanzando durante el destete los niveles del adulto.
La isocitrato deshidrogenasa-NADP se encuentra en citosol y mitocondria de neuronas y favorece, posiblemente, la lipogénesis. Esta enzima existe en tejidos de mamíferos como dos isoenzimas, una que se encuentra en el citosol y la otra en la mitocondria. En cerebro de rata, la actividad específica de la forma mitocondrial es tres veces superior que la forma citosólica. Durante el período postnatal, la actividad de la forma citosólica decrece, mientras la forma mitocondrial se mantiene. La participación de la forma citosólica de la isocitrato deshidrogenasa-NADP en una lanzadera con el a-cetoglutarato a sido demostrada, aunque su contribución en proveer grupos acetilo para la síntesis de ácidos grasos en el cerebro es relativamente pequeña.
Las enzimas catalizadoras de las cuatro principales reacciones anapleróticas, esto es la piruvato carboxilasa, la enzima málica, la isocitrato deshidrogenasa-NADP y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, podrían causar la oxidación completa de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, en el caso de que existiera una escasa producción de piruvato, o como mecanismo para la oxidación de aminoácidos. En cultivos primarios de astrocitos de cerebelo de ratón se ha detectado por inmunofluorecencia la presencia de piruvato carboxilasa. Asimismo, se ha establecido la existencia de un posible mecanismo de liberación de uno o más intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos por astrocitos, seguido por la captación de estos por las neuronas. Todos estos hechos apuntan hacia la existencia de una compartimentación intercelular. La presencia de transportadores de a-cetoglutarato y malato en los sinaptosomas soportan esta idea. Así, la piruvato carboxilasa podría mediar con su función anaplerótica a mantener las reservas entre astrocitos y neuronas.
Durante la acumulación de amonio en cerebro, circunstancia en que la formación de glutamina está muy acelerada, los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos se disminuirian drasticamente, en el curso de dos a tres minutos, sino fuera por la síntesis anaplerótica. De hecho, los volúmenes de los depósitos de estos intermediarios difícilmente cambian en estas condiciones. En la práctica parece que la piruvato carboxilasa es responsable de la mayor parte de la fijación de CO2 en el cerebro, dado que aproximadamente un 7-10% de todo el piruvato utilizado sirve para sustituir los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos durante el normal funcionamiento de este ciclo. La enzima málica y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa contribuyen de forma poco significativa, ya que sus estados de equilibrio favorecen mucho más la descarboxilación que la carboxilación. Además, las reacciones de transaminación pueden generar intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos en condiciones cinéticas favorables y, por tanto, servir como función anaplerótica.