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Lexikon der Neurowissenschaft: Gehirnstoffwechsel

Gehirnstoffwechsel m, Hirnstoffwechsel, Stoffwechsel des Gehirns, Metabolismus des Gehirns, E brain metabolism, Bezeichnung für alle im Gehirn ablaufenden (bio-)chemischen Reaktionen (Stoffwechsel). Für diese Reaktionen benötigt das Gehirn etwa ein Fünftel des gesamten vom Organismus aufgenommenen Sauerstoffs, obwohl es nur ein Fünfzigstel des Körpergewichts ausmacht. Der Energieumsatz des Gehirns eines Erwachsenen beträgt etwa 20 Watt, wozu pro Minute 7 mMol ATP (Adenosintriphosphat) synthetisiert werden müssen. Zur Bereitstellung der energiereichen Phosphate benötigt das Gehirn eine dauernde Zufuhr von Glucose über die Durchblutung. Ein Stopp der Durchblutung führt infolge des Sauerstoff- und Glucosemangels innerhalb von wenigen Sekunden zur Bewußtlosigkeit. Dies zeigt, daß die Glykogenspeicher des Gehirns gering sind; theoretisch würden sie seine Funktion für weniger als 5 Minuten aufrechterhalten können. Schlüsselenzyme der Glykolyse (Glucose, Kleindruck) im Gehirn sind die Hexokinase und die Phosphofructokinase, über die der Glucosestoffwechsel reguliert wird. Beim Einschleusen des Endprodukts der Glykolyse, Pyruvat, in den Citratzyklus (Glucose, Kleindruck) spielt die Pyruvatdehydrogenase eine entscheidende regulierende Rolle. Im Citratzyklus wird nicht nur Energie bereitgestellt, sondern es werden auch verschiedene Aminosäuren, wie z.B. Glutamat (Glutaminsäure), Aspartat (Asparaginsäure) und gamma-Aminobutyrat (GABA) gebildet, die als excitatorische (Glutamat, Aspartat) und inhibitorische (GABA) Neurotransmitter wirksam sind. – Der normale Sauerstoffverbrauch des Gehirns beträgt 3 ml O2 pro 100 g Gehirngewebe und Minute, die Durchblutung 54 ml/100 g Gehirngewebe und Minute und der Glucoseverbrauch 31 μmol/100 g Gehirngewebe und Minute. Die nahezu ausschließliche Abhängigkeit des Hirnstoffwechsels vom Substrat Glucose wird bei einer Senkung der Glucosekonzentration im Blutplasma deutlich. Bei einer akuten Senkung der Plasmakonzentration von Glucose vom normalen Wert (70-100 mg/100 ml Plasma) auf 30-40 mg/100 ml Plasma kommt es nach Durchlaufen von warnenden Vorzeichen, wie Schwitzen, Angstgefühl und Hunger, zu Verwirrtheit und dann zur Bewußtlosigkeit (Koma). Chronische Verminderungen der Plasma-Glucosekonzentration treten bei längerandauerndem Fasten auf. Hierbei können vom Gehirn neben Glucose weitere Substrate verstoffwechselt werden, hauptsächlich Ketonkörper (besonders beta-Hydroxybutyrat und Acetoacetat). Diese können bis zur Hälfte der Glucoseaufnahme ersetzen. Voraussetzung hierfür ist ein Anstieg der Plasmakonzentration der Ketonkörper. Erhöhte Ketonkörper im Plasma liegen auch beim Neugeborenen wegen des hohen Fettgehalts der Muttermilch vor. Auch hier werden Ketonkörper als Substrate des Hirnstoffwechsels verbraucht. – Das obligatorische Substrat des Gehirnstoffwechsels, Glucose, und die fakultativen Substrate, die Ketonkörper, werden aus dem Blutplasma in die Nervenzellen aufgenommen. Hierzu werden sie über die Blut-Hirn-Schranke im Endothel der Hirnkapillaren mit Hilfe von Carriern (spezielle Glykoproteine) transportiert. Der Transport von Glucose durch die Hirnkapillaren erfolgt über als Glut1 bezeichnete Carrier. Die Hirnkapillaren sind von Fortsätzen von Astrocyten umgeben. Der Transport von Glucose durch die Astrocytenfortsätze beruht auf der Gegenwart von Carriern mit einer anderen relativen Molekülmasse, die aber auch zur Gruppe der Glut1-Carrier gehören. Schließlich wird Glucose über die Membranen der Nervenzellen mit Hilfe des Carriers Glut3 in die Zellen transportiert, wo sie dann metabolisiert wird. Sauerstoff gelangt hingegen ohne Carrier, nur mittels Diffusion entlang einem Gradienten des Sauerstoffpartialdrucks aus den Hirnkapillaren in die Nervenzellen. – Die im Stoffwechsel freigesetzte Energie wird für aktive Ionentransporte, hauptsächlich durch die Na+K+-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe), benötigt. Hierdurch wird das Membranpotential von Nervenzellen und Gliazellen aufrechterhalten und die elektrische Erregbarkeit der Nervenzellen gewährleistet. Der Stoffwechselaufwand für Neurotransmittersynthese und -umsatz sowie zur Synthese von Strukturproteinen (z.B. Mikrotubuli und Actinfilamente, die am axonalen Transport beteiligt sind) ist demgegenüber sehr gering. – Die enge Verknüpfung zwischen Funktion und Stoffwechsel im Gehirn hat es möglich gemacht, wesentliche Aussagen über Funktionsänderungen im Gehirn aufgrund von Messungen des lokalen Stoffwechsels und der damit gekoppelten lokalen Durchblutung zu erhalten. Während der Stoffwechsel und die Durchblutung des Gehirns bei Funktionsänderungen nur unwesentlich verändert sind, führen Aktivierungen einzelner Kerngebiete des Gehirns zu erhöhten lokalen Stoffwechsel- und Durchblutungswerten. Aus diesen lokalen Veränderungen können Rückschlüsse darauf gezogen werden, welche Hirnregionen unter welchen Bedingungen aktiviert werden. So konnten für jedes Sinnessystem lokale Stoffwechsel- und Durchblutungssteigerungen in den afferenten sensorischen Nervenbahnen bei Aktivierung nachgewiesen werden, zum Beispiel in den Strukturen der Sehbahn bei visuellen Reizen. Zur lokalen Stoffwechselmessung wird hierbei das Glucose-Analog 2-Desoxy-Glucose (Desoxyglucosemethode) verwendet, welches radioaktiv markiert wird und bei entsprechender Anwendung quantitative Werte des Gehirnstoffwechsels liefert. funktionelle bildgebende Verfahren, Hypoglykämie.

W.K.

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