4.1.2.9. Lanzaderas de carbono.
Mientras que la membrana externa mitocondrial no presenta barrera de permeabilidad alguna, o muy poca, a los sustratos o moléculas de interés en el metabolismo energético, la membrana interna tiene unas limitaciones muy estricta sobre los tipos de sustratos e intermediarios que puedan ser transportados a través de la misma. En este sentido, se han descrito traslocasas mitocondriales de piruvato, cuerpos cetónicos y aminoácidos. No obstante, en cerebro son muy importantes las lanzaderas mitocondriales de carbonos que se encargan de la exportación de esqueletos carbonados al citosol o al exterior de la propia célula. Este último hecho, el de la exportación extracelular, es muy importante en cerebro en donde neuronas y glía colaboran en un metabolismo pero que integra los diferentes tipos de células en un sólo tejido.4.1.2.9.1. Lanzadera del citrato/piruvato.
El acetil-CoA no atraviesa per se la membrana interna mitocondrial. Sin embargo, el cerebro en desarrollo presenta mecanismos de transferencia de este sustrato al citosol. Uno de los sistemas de transferencia de acetil-CoA y, posiblemente el mayoritario en el cerebro, es el transporte de citrato a través de la membrana mitocondrial y posterior regeneración del acetil-CoA en el citosol mediante la ATP-citrato liasa (EC 4.1.3.8). Esta enzima cataliza la siguiente reacción:citrato + CoA + ATP ATP-citrato liasa > acetil-CoA + oxalacetato + ADP + Pi
Aunque la enzima ha generado acetil-CoA en el compartimento citosólico, el proceso de transferencia de acetil-CoA no termina hasta que el oxalacetato vuelve a entrar a la mitocondria. Debido a que el oxalacetato no se transporta directamente a través de la membrana mitocondrial, necesita otro mecanismo que le permita realizar este proceso. En este sentido, el oxalacetato puede convertirse en malato en el citosol mediante la acción de la NAD-malato deshidrogenasa (EC 1.1.1.37) citosólica:
oxalacetato + NADH + H+ NAD-malato deshidrogenasa > malato + NAD+
Posteriormente, el malato se oxida a piruvato gracias a la actividad de la enzima málica (EC 1.1.1.40):
malato + NADP+ enzima málica > piruvato + CO2 + NADPH
El piruvato es transportado a la mitocondria y completa la recuperación del oxalacetato mediante la acción de la piruvato carboxilasa (EC 6.4.1.1). La secuencia completa no sólo sirve para el transporte de acetil-CoA al citosol, sino también para generar el NADPH requerido para la síntesis de lípidos. Sin embargo, se ha sugerido que este último paso no tiene lugar sino que el malato entra a la mitocondria directamente sin convertirse en piruvato. Esto es evidente en neuronas, donde la enzima málica no ha sido localizada y la piruvato carboxilasa tiene baja actividad. En neuronas, pues, la lanzadera es citrato/malato, en vez de citrato/piruvato. La entrada directa de malato en la mitocondria privaría de la sintesis de NADPH, impresindible para la conversión de acetil-CoA en lípidos. Sin embargo, se ha detectado la presencia de isocitrato deshidrogenasa-NADP (EC 1.1.1.42) en el citosol de la neurona, lo que podría estar destinado al suministro de NADPH. En efecto, parte de citrato exportado al citosol se convierte en ?-cetoglutarato aportando el NADPH.
4.1.2.9.2. Lanzadera de N-acetil-L-aspartato
La L-aspartato N-acetiltransferasa (EC 2.3.1.17), enzima específica del sistema nervioso, sintetisa N-acetil-L-aspartato a partir de aspartato y acetil-CoA en la mitocondria. El N-acetil-L-aspartato se transporta a través de la membrana mitocondrial gracias al transportador de dicarboxilatos y, una vez en el citosol, se hidroliza mediante la N-acetil-L-aspartato amidohidrolasa (EC 3.5.1.15) para dar aspartato y acetato. Este último se convierte en acetil-CoA por la acción de la enzima acetil-CoA sintetasa (EC 6.2.1.1) citosólica. En este sentido, se ha demostrado que el N-acetil-L-aspartato (NAA) intramitocondrial es una fuente de grupos acetilo para la síntesis de lípidos en las neuronas. Por consiguiente el N-acetil-L-aspartato se considera como uno de los mecanismos importantes de transferencia de acetil-CoA de la mitocondria al citosol en el sistema nervioso central en desarrollo. El N-acetil-L-aspartato puede ser liberado a través de la membrana plasmática en condiciones normales, aunque, no puede atravezar la barrera hematoencefálica. Asimismo, puede ser reabsorbido gracias a un potente mecanismo de absorción celular. Por otro lado, se ha demostrado que el N-acetil-L-aspartato no actua como un neurotransmisor, ni está implicado en la liberación o reabsorción de neurotrasmisores. En este sentido, el incremento de N-acetil-L-aspartato en el fluido extracelular inmediatamente después de la estimulación con K+, puede ser el reflejo de un mecanismo de osmoregulación y/o homeostasis ácido-base.
Recientemente, se ha demostrado que los astrocitos tipo II (O-2A) crecidos in vitro, sintetizan también N-acetil-L-aspartato en concentraciones dos veces mayores que las neuronas. La concentración de NAA durante la maduración en el cerebro de rata incrementa rápidamente entre los 9 y 20 días después del nacimiento, un período activo de mielinización. El hecho que el NAA este en los O-2A sugiere que este compuesto es un donor de grupos acetilo para la síntesis de lípidos. Igualmente revela que existe una similitud entre los astrocitos tipo II y las neuronas, ya se ha reportado que expresan también algunas proteínas similares.4.1.2.9.3. Lanzadera del acetoacetato
Otra posible vía de transferencia de acetil-CoA de la mitocondria al citosol en el cerebro de rata en desarrollo es el transporte de acetoacetato intramitocondrial al citosol. En efecto, la acetoacetil-CoA tiolasa (EC 2.3.1.9) mitocondrial puede desviar el acetil-CoA procedente del piruvato hacia la formación de acetoacetil-CoA. Este último se convierte en acetoacetato gracias a la actividad de la 3-cetoácido-CoA transferasa (EC 2.8.3.5) que atraviesa la membrana de la mitocondria utilizando el transportador de monocarboxilatos. Una vez en el citosol, el acetoacetato se convierte en acetoacetil-CoA mediante la acetoacetil-CoA sintetasa (EC 6.2.1.16) y éste en acetil-CoA por la acetoacetil-CoA tiolasa citosólica. En este sentido, se ha observado la presencia de cetogénesis a partir de ácidos grasos en astrocitos en cultivo, lo que implicaría el funcionamiento de la 3-cetoácido-CoA transferasa mitocondrial en el sentido de formación de acetoacetato. Sin embargo, esta vía parece poco probable en el cerebro en desarrollo, pues las concentraciones cerebrales de acetoacetato y 3-hidroxibutirato son muy bajas o indetectables y la reacción catalizada por la acetoacetil-CoA tiolasa está desplazada hacia la formación de acetil-CoA. Es más, la contribución de los cuerpos cetónicos a la síntesis de esteroles es mayor que a la síntesis de ácidos grasos, lo que sugiere que el acetoacetil-CoA citosólico evita parcialmente su conversión en acetil-CoA. Por tanto, la vía de acetoacetato como transferencia de acetil-CoA de la mitocondria al citosol no debe ser cuantitativamente importante en el cerebro en desarrollo.
4.1.2.9.4. Lanzadera de acilcarnitina
El acil-CoA se encuentra en equilibrio con la acetilcarnitina en una reacción catalizada por la carnitina acetiltranferasa I (EC 2.3.1.7):acetilcarnitina + CoA carnitina acetiltranferasa > acil-CoA + carnitina El complejo acilcarnitina puede atravesar la mitocondria mediante un transportador específico y liberar acil-CoA en el mitosol mediante la misma reacción. Aunque este mecanismo puede servir de transferencia de acil-CoA al citosol, no es un sistema cuantitativamente importante en el cerebro en desarrollo.
4.1.2.9.5. Lanzadera malato/aspartato
Aunque la lanzadera malato/aspartato esta diseñada especialmente para la transferencia de equivalentes de reducción a través de la membrana mitocondrial, en cerebro puede servir, asimismo, a la transferencia de carbonos a través de la membrana mitocondrial.El funcionamiento de la lanzadera aspartato-malato depende del hecho de que tanto NADH, NAD+ como el oxalacetato no son permeables a través de la membrana interna mitocondrial. Este hecho obliga a que exista una distribución de la malato deshidrogenasa-NAD (EC 1.1.1.37) y aspartato aminotransferasa (EC 2.6.1.1) a ambos lados de la membrana mitocondrial. Asimismo, requiere la existencia de transportadores de membrana que permitan el intercambio del aspartato mitocondrial con el glutamato citosólico, así como el malato citosólico con el a-cetoglutarato intramitocondrial. La lanzadera aspartato-malato media, junto con la lanzadera del a-glicerolfosfato, la transferencia de equivalentes de reducción a través de la membrana interna mitocondrial. Probablemente, esta lanzadera regule el metabolismo energético en cerebro dado que se ha observado que el b-metilén-DL-aspartato (b-MA), un inhibidor específico de la enzima aspartato aminotransferasa, inhibe la oxidación de glucosa en cortes de cerebro y en sinaptosomas.
Las neuronas y los astrocitos parecen responder de distinta manera a los efectos del b-MA. Sin embargo, los resultados son contradictorios. Así, el metabolismo neuronal se afecta notablemente por la presencia de dicha sustancia y no así el de los astrocitos. Por otro lado, la oxidación de piruvato es más sensible a los niveles de aspartato en astrocitos que en neuronas. Estos resultados se pueden explicar, mediante la hipótesis de que la lanzadera aspartato/malato actua como principal mecanismo para la síntesis de aspartato y glutamato en las neuronas, mientras en los astrocitos actua en la degradación de estos dos sustratos.