La existencia de uniones herméticas entre las membranas plasmáticas
de las células endoteliales que rodean a los capilares sanguíneos
del cerebro, determina que la entrada y salida de sustancias al cerebro
requiera sistemas específicos de transporte, que constituirán
la barrera hematoencefálica (BHE). El desarrollo
de la BHE está ligada al cierre de las uniones intercelulares (tight junction) y
a la inducción de sistemas de transporte específicos de las
células del endotelio capilar. Ambos procesos son postnatales en
la rata, mientras que en el cobaya suceden prenatalmente.
En la rata, la membrana basal es a los 14 días de gestación,
filamentosa y discontinua, formando una lámina densa y continua
adaptada a las membranas plasmáticas perivasculares en el momento
del nacimiento. La definición y terminación
de la membrana sólo tendra lugar después del nacimiento.
4.8.1. Transporte
de glucosa
Dos transportadores de glucosa, los GLU1 y GLU3, han sido detectados en
el cerebro. El GLU1 se concentra en las células endotelíales
de la barrera hematoencefálica aunque está presente en neuronas
y en glía. El GLU3 es, probablemente, el principal transportador
de glucosa en neuronas. Los niveles de GLU1, en cerebro de neonato de rata
de 14 días son bajos, duplicandose a los 21 días y de nuevo,
duplicandose a los 30 días para alcanzar los niveles del adulto.
Los niveles de GLU3 son bajos durante la primera semana de vida postnatal,
incrementando sus niveles continuamente hasta los niveles del adulto, que
se alcanzan entre los 21-30 días. Estos resultados demuestran que
estos dos transportadores son regulados durante el desarrollo. Así,
GLU1 parece estar relacionado con el suplemento de nutrientes y crecimiento
del cerebro, mientras que el GLU3 esta más relacionado con la madurez
y actividad funcional de las neuronas. El GLU1 se expresa en cultivos de
neuronas y astrocitos, mientras GLU3 solo se expresa en cultivos primarios
de neuronas.
El transporte de glucosa a través de la BHE es saturable y estereoespecífico,
con una KM entre 6-9 mM. No se ha detectado diferencias con la edad en lo que a la KM se
refiere, aunque sí variaciones de la VMAX,
que es un 60% más baja en el neonato que en el adulto. Otras hexosas inhiben competitivamente el transporte de glucosa:
2-deoxiglucosa (Ki=6 mM), o-metilglucosa (Ki=10 mM), manosa (Ki=21 mM)
y la galactosa (Ki=40 mM). Se ha propuesto que la disminución del
transporte de glucosa a través de la barrera hematoencefálica
durante el período neonatal, respecto al adulto, se debe a la baja
glucemia del neonato (3-4 mM) en relación a la KM
de 9 mM, así como a la baja velocidad de metabolización de
la glucosa por el cerebro neonatal. La insulina
no estimula la entrada de glucosa en el cerebro, pero sí influye
en la velocidad con que se metaboliza. Así, se ha demostrado que
la insulina aumenta los niveles de glucógeno en los astrocitos.
4.8.2. Transporte
de piruvato, lactato y cuerpos cetónicos
El sistema de transporte para el lactato, acetato y cuerpos cetónicos
es mucho más activo en el cerebro en desarrollo, mientras que para
la glucosa su actividad es mucho menor. Por otro lado el transporte de
aminoácidos no sufre cambios marcados durante el desarrollo. El
transporte de todos los sustratos mencionados a las células nerviosas
exige la existencia de sistemas de transporte específicos que se
desarrollen con independencia a la formación de la BHE. El transporte
de ácidos monocarboxílicos incluye acetato, piruvato y butirato, cuerpos cetónicos y a-cetoácidos. Se ha demostrado la presencia de transportadores saturables
para lactato y piruvato a través de la BHE.
A pH fisiológico, más del 99% de los ácidos monocarboxílicos
estan ionizados, necesitando, por lo tanto, la mediación de un transportador
para atravesar las membranas celulares. La KM del
transportador de piruvato a través de la BHE es de 0.4 mM, mientras
que la KM del transportador de
L-lactato
es 1.9 mM, ambas indican una afinidad relativamente alta.
El transportador de lactato es pH-dependiente, de forma que el transporte
aumenta 2.5 veces cuando el pH baja de 8.4 a 6.1.
Se ha detectado recientemente que las mitocondrias aisladas de cerebro
de rata poseen una traslocasa específica para el transporte del
piruvato. Además, el 3-hidroxibutirato y el acetoacetato parecen
ser transportados por el mismo sistema que piruvato. Así, el ?-ciano-4-hidroxicinnamato
inhibe el transportador y utilización de piruvato y cuerpos cetónicos
en mitocondrias de cerebro de rata. Se ha sugerido que
la habilidad de las mitocondrias para acumular piruvato contra un gradiente
de concentración puede permitir que proceda la oxidación
del piruvato a una velocidad suficiente para dar cuenta de la observada
para la glucólisis en cerebro de rata. Asimismo, este sistema permitiría
la oxidación de los cuerpos cetónicos cuando la concentración
del piruvato sea limitante.
En el cerebro en desarrollo tanto los cuerpos cetónicos como el
piruvato contribuyen a la provisión de energía. Se ha demostrado,
sin embargo, que la utilización de piruvato puede inhibirse por
la presencia de 3-hidroxibutirato, un fenomeno que puede ser mediado, en
parte, por la competencia por la traslocasa. El fenilpiruvato y el a-cetoiscaproato
(cetoácidos que se acumulan en la fenilcetonuria) son inhibidores
esta la traslocasa, a concentraciones tan bajas que no tienen un efecto
directo sobre la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa.
En experimentos con liposomas se ha demostrado que el piruvato se puede
intercambiar con otros carboxilatos,lo que abre la posibilidad de que este
sustrato se mueva a través de la bicapa de fosfolípidos de
la membrana mitocondrial, contribuyendo significativamente al transporte
de piruvato in vitro.
Los cuerpos cetónicos son los mejores sustratos capaces de ser oxidados
en el cerebro del neonato. Durante la lactancia, aumenta siete veces la
permeabilidad cerebral a dichos ácidos con respecto al nacimiento, siendo el lactato y el acetoacetato los más
permeables. Además, se ha descrito que la salida neta de lactato
desde el cerebro iba acompañada de una entrada neta de 3-hidroxibutirato
y acetoacetato, sugiriendo un sistema de antiporte a través de la
BHE. Dicho mecanismo sería más activo en neonato que en adulto.
El
transporte de ácidos monocarboxílicos, piruvato y lactato, incluye
también, como para la glucosa, una combinación de difusión
pasiva y facilitada, estando determinada la dirección del flujo por
las concentraciones respectivas en el fluido extracelular cerebral y en el
plasma. Se ha visto que también sucede con el 3-hidroxibutirato, puesto
que en el cerebro neonatal el transporte no es saturable en el rango de concentraciones
plasmáticas normales; de este modo, se asegura la entrada del 3-hidroxibutirato
dependiendo de sus concentraciones en plasma.
En adulto, el transporte de lactato y cuerpos cetónicos se induce
con el ayuno y con una dieta rica en grasas. Por otro lado, el cerebro del neonato de rata en condiciones
de hipoxia capta lactato de la sangre.
La concentración intracelular de lactato en células glíales
es aproximadamente de 23 mM y los excesos de lactato son liberados al espacio
extracelular a través de un cotransportador de H+-lactato.
Este transportador puede ser importante en situaciones patológicas
como isquemia y epilepsia.
La absorción de L-lactato
ha sido investigada en neuronas en cultivo primario derivadas de cerebro
de rata, se ha demostrado que la absorción es acelerada con una
disminución del pH y que es inhibida considerablemente por el piruvato,
lo que demuestra que las neuronas estan dotadas de un sistema de transporte
es cual se parece en sus propieades al transportador de monocarboxilatos.
4.8.3. Transporte
de aminoácidos
La
velocidad de entrada de los aminoácidos en el cerebro no varía
durante el desarrollo, aunque sí es muy distinta para cada aminoácido.
Se han descrito tres sistemas de transporte de aminoácidos, a saber,
A, ASC y L, segun sean estos de caracter ácido, básico o neutro.
La mayoría de los aminoácidos utilizan el sistema de transporte
de tipo L, el único independiente del ión sodio. Dicho sistema
interviene en el movimiento bidireccional pasivo de los aminoácidos
manteniendo el equilibrio a ambos lados de la membrana. La entrada neta de
aminoácidos neutros, excepto para aminoácidos de cadena ramificada,
es prácticamente nula. Así, la alanina, serina, glicina y prolina,
entran muy lentamente y algunos presentan una leve inhibición cruzada.
No se ha podido demostrar una competencia entre ellos por el transportador,
como tampoco inhibición por sustrato, lo que sugiere la existencia
de distintos sistemas de transporte. Recientemente, se ha reportado que los
sistemas A y ASC de neuronas tienen alta afinidad en absorber alanina mientras
que el sistema L tenga baja afinidad por ella. Los aminoácidos utilizan
un sistema de transporte de baja actividad y alta afinidad, que está
totalmente saturado a los niveles plasmáticos normales de aminoácidos.
De esta manera se transportan aspártico y glutámico, a diferencia
de los aminoácidos esenciales no neurotransmisores que no tienen limitada
su entrada al cerebro. Sin embargo, la entrada de glutámico parece
ser paralela al desarrollo de la actividad ATPasa de las membranas plasmáticas
de las células nerviosas.
Se ha observado que la KM del
transportador de glutamina es similar a la KM para la g-glutamil
transpeptidasa sugiriendo que el ciclo de Meister puede
estar implicado en el transporte de baja afinidad de la glutamina. Esta
observación se apoya por el hecho de que la g-glutamil
transpeptidasa (EC 2.3.2.1) tiene una alta actividad en astrocitos y en
células de astrocitoma que en células de neuroblastoma.
El N-acetil-L-aspartil-L-glutamato
(NAAG), es el péptido más abundante en el sistema nervioso
de los vertebrados y ha sido detectado exclusivamente en las neuronas, aunque, en cultivos de células glíales
también se expresa. El NAAG que está codistribuido con una
gran variedad de neurotrasmisores, es liberado por las neuronas como consecuencia
de una despolarización de la membrana. El péptido, una vez
liberado, es degradado por una peptidasa (NAALA dipeptidasa) que hidroliza
el NAAG a N-acetil-L-aspartato
y a glutamato. La peptidasa esta localizada en el exterior de la membrana
plasmática. Sin embargo, el péptido puede ser reabsorbido por
un sistema de transporte de alta afinidad e inactivado. La hidrólisis
del NAAG da glutamato y N-acetil-L-aspartato.
Sin embargo, no se puede considerar este péptido, como un sustrato
intermediario en el metabolismo intercelular del glutamato sino que el
NAAG puede ser un modulador de la exitabilidad o un autoregulador de la
liberación sináptica.
GABA es captado
y metabolizado en astrocitos, gracias a la presencia de eficientes transportadores
de alta afinidad. En este sentido,
se han descrito cuatro transportadores de alta afinidad para el GABA, a
saber, GAT-1, GAT-3, GAT-B y XT1, todos Na+/Cl--dependientes,
asociados con terminaciones nerviosas del SNC o asociados a células
glíales. En condiciones normales la concentración intraglíal
de GABA es aproximadamente 1 mM mientras que en el exterior es 1 µM.
Esto quiere decir que estas células toman activamente el exceso de
GABA. Parece ser que la afinidad del transportador del GABA es dependiente
de la maduración cerebral, tanto en neuronas como en glía.
Se ha observado que la KM del transportador de GABA es de 5.5 µM en
neuronas y de 13 µM en astrocitos. Aunque se pensó que el transportador
neuronal del GABA estaba localizado exclusivamente en las terminaciones axónicas,
se ha demostrado que dicho transportador se encuentra también en el
pericarion neural. Tanto en neuronas como en astrocitos el aumento de las
concentraciones de potasio extracelular estimula la liberación de
GABA al medio, lo que establece un modelo bidireccional para el transportador
de GABA. Una absorción óptima de GABA requiere de concentraciones
intra y extracelulares de sodio y potasio las cuales dependen del potencial
de membrana.
Se han propuesto varios traslocadores mitocondriales de glutamato, de los
cuales el glutamato-OH- antiporte, el glutamato-aspartato antiporte
y la glutamina-glutamato antiporte son los más importantes. Inicialmente
se pensaba que en las mitocondrias solamente poseian el traslocador
glutamato-aspartato. Estudios posteriores han demostrado la existencia
del glutamato-OH- antiporte en mitocondrias de cerebro aunque
etse sitema tiene una velocidad mucho menor que el sistema del traslocador
glutamato-aspartato. También se ha encontrado la existencia de malato-fosfato
y succinato-fosfato traslocasas. No hay evidencia de la traslocasa glutamina-glutamato.