Видяха на живо как човешки мозък изгаря захар (и какво означава това за твоя)

Мозъкът ти използва захар и в момента, в който четеш това изречение. При петима здрави мъже движението ѝ е проследено в живия мозък с помощта на глюкоза, белязана с въглерод-13, и 7-теслова магнитно-резонансна система.

Белязаната глюкоза съдържа по-тежкия изотоп въглерод-13. При [U-¹³C] глюкозата и шестте въглеродни атома са белязани, което позволява движението им през различните метаболитни реакции да бъде проследено.

Участниците получават първо 8 грама глюкоза, а след това инфузия от 8 грама на час в продължение на два часа. Към края на протокола около половината от глюкозата в плазмата съдържа въглерод-13.

Скенерът улавя сигналите от белязаните въглеродни атоми в тилната област на мозъка като отделни върхове. Позицията и раздвояването на тези върхове показват в кои молекули е попаднал въглеродът и през кои метаболитни реакции е преминал.

Така учените могат да проследят как въглеродът от глюкозата навлиза в енергийния метаболизъм на живия човешки мозък — без да вземат тъканна проба и без да прекъсват самия процес.

Двойният връх, който издава реакцията

Един от сигналите идва от глутамат — молекула, която участва активно в мозъчния метаболизъм. Когато два съседни въглеродни атома в нея са белязани с въглерод-13, сигналът се разделя на два.

Това раздвояване показва, че двата белязани атома произхождат от вливаната глюкоза и са останали съседни, докато преминават през основен енергиен път на клетката.

Пътят започва с разграждането на глюкозата. Получените фрагменти навлизат в цикъла, чрез който клетките извличат енергия, а част от белязания въглерод по-късно се появява в глутамата.

Така учените не просто виждат, че белязаната глюкоза е достигнала мозъка. Те могат да проследят как въглеродът от нея преминава през енергийния метаболизъм на живата мозъчна тъкан.

Машината на входа към енергията

Пируватдехидрогеназният комплекс е голяма белтъчна система, която свързва разграждането на глюкозата с основния енергиен цикъл на клетката.

Той превръща пирувата в ацетил-коензим A — молекулата, която може да навлезе в този цикъл. В реакцията участват няколко ензима и точно тук се срещат производни на четири B-витамина: B1, B2, B3 и B5.

Четири B-витамина по пътя на глюкозата към енергията

Когато глюкозата се разгражда, от нея се образува пируват. За да продължи пътя си към основния енергиен цикъл на клетката, пируватът трябва да бъде превърнат в ацетил-коензим A.

Това става в пируватдехидрогеназния комплекс — голяма система от няколко ензима, които работят последователно. В тази реакция участват производни на четири B-витамина: B1, B2, B3 и B5.

• B1 — тиамин. Активната му форма, тиаминдифосфат, участва още в началото. Тя помага на ензима да обработи пирувата и да отдели един от трите му въглеродни атома като въглероден диоксид.

• B5 — пантотенова киселина. Тя е част от коензим A. Коензим A приема останалия двувъглероден фрагмент и така се образува ацетил-коензим A — молекулата, която може да навлезе в цикъла на трикарбоксилните киселини.

• B2 — рибофлавин. От него се образува FAD. Той участва във възстановяването на ензимната система след прехвърлянето на въглеродния фрагмент и временно приема електрони.

• B3 — ниацин. От него се образува NAD⁺. В края на реакцията NAD⁺ приема електроните и се превръща в NADH, който ги отвежда към дихателната верига в митохондриите.

Между тези стъпки участва и липоамид — подвижен носител, който пренася въглеродния фрагмент и електроните между различните части на комплекса. Той не е B-витамин, но свързва действията им в една последователна реакция.

Така от една молекула пируват се получават два важни продукта. Ацетил-коензим A отвежда въглерода към цикъла на трикарбоксилните киселини. NADH отвежда електроните към дихателната верига. Двата пътя продължават заедно към производството на ATP.

От B-витамините до ATP

Ацетил-коензим A навлиза в цикъла на трикарбоксилните киселини, където въглеродният му скелет се преработва в серия от реакции. Именно по този път част от белязания въглерод в експеримента достига до глутамата и се появява като двойния връх в спектъра.

Успоредно с това NADH пренася електрони към дихателната верига във вътрешната мембрана на митохондриите. Енергията от движението на тези електрони се използва за създаване на протонен градиент.

След това протоните преминават обратно през ATP синтазата — молекулна машина, която използва този поток, за да образува ATP.

ATP е формата, в която клетката може непосредствено да използва съхранената химична енергия — за работа на йонни помпи, мускулно съкращение, синтез на молекули и множество други процеси.

Затова B-витамините не са енергия сами по себе си.

Те са част от молекулярния механизъм, който позволява енергията в хранителните вещества да бъде превърната във форма, използваема от клетката. Производните на B1, B2, B3 и B5 участват на различни места, но работата им е свързана в една последователна верига.

Следата в живия мозък

Точно тази биохимична верига стои зад малкия двоен връх в магнитно-резонансния спектър.

Белязаната глюкоза е разградена. Въглеродът ѝ е преминал през пирувата, навлязъл е в енергийния метаболизъм и част от него се е появила в глутамата.

Така един малък сигнал позволява да се проследи част от пътя, който клетките извършват непрекъснато:

глюкоза → пируват → ацетил-коензим A → енергиен цикъл

А по същото време електроните поемат другия маршрут:

NADH → дихателна верига → ATP.