de.mpg.escidoc.pubman.appbase.FacesBean

Post

  • Bemærk: en nyere version af denne post er under udførelse.
 
 Vis
  Energy- and amino acid metabolism in astrocytes
Item is

Ophav

 Ophav:
Frimodt Obel, Linea Lykke 1, Forfatter
Tilknytninger:
1Det Farmaceutiske Fakultet, Københavns Universitet, København, Danmark, diskurs:7016              
skjul Ophav
Vis Ophav

Indhold

Ukontrollerede emneord: -
 Abstract: Astrocytes are essential cellular players in normal brain function, including in energy- and amino acid metabolism. Indeed, glycogen, the only major carbohydrate store in the brain, is confined to astrocytes. In addition to the metabolism of glucose, this vastly branched glucose-polymer has proven crucial for providing energy to sustain physiological processes involved in for instance glutamatergic neurotransmission. The metabolism of both glucose and glycogen are known to be affected by noradrenaline (NA), the latter in a timedependent manner. Accordingly, NA might affect excitatory neurotransmission with potential implications for brain physiology as well as pathology. In order to study this putative correlation, cultures of cerebellar astrocytes were incubated with [U-13C]glucose as a time-course of 1 hour in the presence and absence of adrenergic stimulation. Since adrenergic signaling involves increased levels of cytoplasmic Ca2+ [Ca2+]c, which is involved in regulating astrocytic energy metabolism, a special emphasis was on this second messenger. In the absence of adrenergic stimulation general features of astrocytic glucose metabolism,including compartmentation of pyruvate metabolism and pyruvate carboxylation,decarboxylation and recycling was demonstrated. Moreover, backflux of the tricarboxylic acid cycle following pyruvate carboxylation from the intermediate oxaloacetate was shown to occur to fumarate, but not further to succinate. Upon exposure of cultured astrocytes to NA a dose-dependent rise in [Ca2+]c was observed which only involved stimulation of the α1-adrenergic receptor. However, the concentration of NA that gave rise to the maximal increase in [Ca2+]c (1 μM) did not elicit a metabolic response, whereas a higher concentration(100 μM) affected the 13C-enrichment in both glutamate and alanine in a time-dependent manner. In the light of these findings it is proposed that up-regulation of TCA cycle activity in astrocytes, caused by Ca2+ in response to adrenergic stimulation, is limited by the availability of pyruvate. However, this only occurs at concentrations of NA that is not sufficient to concomitantly alter the glycolytic rate through increased uptake of glucose as well as glycogenolysis. Although roles of glycogen in physiological processes is continuously being recognized, the
subcellular distribution of glycogen in astrocytes has largely been ignored although it is clear that the second messenger pathways controlling glycogen metabolism (i.e. 3’-5’-cyclic adenosine monophosphate and Ca2+) is highly compartmentalized. Furthermore, previous studies in cultured astrocytes have indirectly indicated what is already old news in muscle research; that glycogen in defined subcellular locations sustains specific and fundamental
processes of this tissue. Hence, in the present study electron microscopy was employed to conduct a qualitative account of the subcellular distribution of glycogen in unstimulated cultured astrocytes. It was demonstrated that glycogen is non-equally distributed in the astrocytic cytoplasm in a majority of cells. Explicitly, glycogen was identified in close proximity to the plasma membrane, mitochondria, cytoskeleton, nuclear envelope as well as in extended traces perceptibly encircling completely glycogen-free areas of the cytoplasm.These results are discussed in the light of established and proposed roles for glycogen and its metabolism in the brain. More specifically, glycogen situated near the plasma membrane might serve as a source of glycolytically-derived ATP necessary to sustain ionic gradients and/or be the precursor of lactate that can be released to the extracellular space as a potential neuronal energy substrate. In addition, glycogen in the vicinity of mitochondria might provide the pyruvate and NADH needed to rapidly up-regulate oxidative metabolism and production of glutamate during synaptic activity. In the latter setting, Ca2+ may coordinate the concomitant increased activity of glycogenolysis and oxidative metabolism. The implications of recognizing functional glycogen compartmentation for commonly employed ways of describing glycogen metabolism (i.e. glycogen shunt and turnover) is emphasized. Apart from mapping the subcellular localization, these experiments clarified that glycogen granules in astrocytes are substantially smaller than the theoretical maximal obtainable size, as has also been described in muscle. Putative mechanisms underlying this finding, primarily concerning the interactions of glycogen with its associated proteins, is suggested and discussed in the light of the role of glycogen as a highly dynamic energy store.
 Abstract: Astrocytter er essentielle cellulære aktører i den normale hjernes funktion, hvilket blandt andet inkluderer energi- og aminosyre stofskiftet. Et faktum der understreger dette er, at hjernens eneste lager af kulhydrat, glykogen, udelukkende findes i astrocytter. I tillæg til den energi der frigives under omsætningen af glukose har denne særdeles forgrenede glukosepolymer vist sig at være afgørende i forhold til at tilvejebringe den energi der forbruges af fysiologiske processer involveret i for eksempel glutamaterg neurotransmission. Omsætningen af både glukose og glykogen vides at blive påvirket af noradrenalin (NA), hvilket for sidstnævntes vedkommende er en tidsafhængig proces. Som følge heraf er det derfor muligt at NA har en effekt på den eksitatoriske neurotransmission, hvilket potentielt kan have følger for både fysiologiske og patologiske tilstande i hjernen. For at undersøge denne formodede sammenhæng blev kulturer bestående af cerebellare astrocytter inkuberet med [U-13C]glukose, over et tidsinterval på op til en time, i nærvær eller fravær af adrenerg stimulation. Eftersom adrenerg signalering forårsager et øget cytoplasmisk Ca2+ niveau ([Ca2+]c) og dette vides at regulere astrocyttens energiomsætningen så var denne second messenger et fokus punkt for dette studie. I fravær af adrenerg stimulation blev karakteristiske træk for astrocyttens glukoseomsætning demonstreret. Disse inkluderer kompartmentering af pyruvatomsætningen, pyruvate
karboxylering, dekarboxylering og recycling. Herudover blev det vist at backflux af trikarboxylsyre (TCA) cyklussen, som sker efter pyruvat karboxylering, kun foregår indtil fumarat er dannet, og derfor ikke videre til succinat. Under tilstedeværelse af NA sås en
dosisafhængig stigning i [Ca2+]c, som udelukkende skyldtes stimulering af α1-adrenerge receptorer. Der blev imidlertid ikke observeret en metabolisk effekt af stimulering med den
koncentration af NA der gav anledning til den højeste stigning i [Ca2+]c (1 μM), hvorimod en højere koncentration (100 μM) tidsafhængigt påvirkede 13C-indmærkningen i både glutamat og alanin. I lyset af disse resultater fremsættes hypotesen, at opregulering af aktiviteten af TCA cyklus i astrocytter, forårsaget af Ca2+ som et respons adrenerg stimulation, begrænses af tilgængeligheden af pyruvat. Dette gælder dog kun ved koncentrationer af NA, der ikke er tilstrækkelige til samtidig at øge glykolysehastigheden ved at sætte optaget af glukose og nedbrydningen af glykogen i vejret.Til trods for, at glykogens roller i fysiologiske processer i hjernen kontinuerligt bliver beskrevet, så er den subcellulære distribution af glykogen i astrocytter i stor udstrækning blevet ignoreret. Dette selvom det er almindeligt kendt, at de regulatoriske mekanismer der
kontrollerer omsætningen af glykogen (primært 3’-5’-cykliske adenosin monofosfat og Ca2+) i høj grad er kompartmenterede. Herudover har tidligere studier i astrocytter indirekte indikeret hvad der på nuværende tidspunkt allerede er ordinær viden indenfor muskelforskning: at glykogen indenfor definerede subcellulære områder er vital for opretholdelsen af processer af fundamental karakter for vævet. Af denne årsag blev der foretaget en kvalitativ redegørelse for den subcellulære distribution af glykogen i ustimulerede dyrkede astrocytter ved hjælp af elektronmikroskopi. Her blev det vist, at glykogen ikke er ligeligt fordelt i astrocyttens cytoplasma, i størstedelen af de observerede celler. Mere specifikt blev glykogen identificeret tæt på plasmamembranen, mitokondrier, cytoskelettet og cellekernen. Herudover blev udstrakte spor af glykogen molekyler, der omkranser tilsyneladende glykogen-frie områder, observeret. Disse resultater diskuteres i lyset af anerkendte og foreslåede roller for glykogen og dets omsætning i hjernen. For eksempel kunne glykogen, der befinder sig nær ved plasmamembranen, fungere som en kilde til glykolytisk afledt adenosin trifosfat, som er nødvendigt for at opretholde elektrokemiske gradienter, og/eller blive nedbrudt til laktat som kan frigives til det ekstracellulære rum som et potentielt energisubstrat for neuroner. I kontrast hertil kunne glykogen nær mitokondrier være ophav til både pyruvat og reduktionsækvivalenter som er forudsætningen for, at den oxidative omsætning og syntesen af glutamat hurtigt kan opreguleres ved synaptisk aktivitet. I denne forbindelse kunne Ca2+ koordinere den samtidige opregulering af glykogennedbrydning og oxidativ omsætning. Det understreges desuden at anerkendelsen af en funktionel kompartmentering af glykogens omsætning i astrocytter har betydning for den måde man beskriver omsætningen af glykogen (altså begreberne ”glykogen shunt” og ”turnover”). I tillæg til kortlægningen af den subcellulære
distribution af glykogen har dette studie vist, at glykogenmolekyler er væsentlig mindre end den teoretiske maximale størrelse, hvilket tidligere også har været påvist i muskler. Mulige forklaringer på denne restriktion af molekylestørrelsen skal formodentlig findes i de
interaktioner, der finder sted mellem glykogen og associerede proteiner. Disse diskuteres med glykogens rolle som et yderst dynamisk energi lager for øje.
skjul Indhold
Vis Indhold

Filer

Navn:
linea_lf_obel_phd.pdf (Hovedtekst)
Bemærkninger:
Webversion (eksklusiv artikler)
Tilgængelighed:
Offentlig
Mime-type / størrelse:
application/pdf / 3MB
Copyright dato:
2012-03-08
Copyright information:
De fulde rettigheder til dette materiale tilhører forfatteren.
skjul Filer
Vis Filer

Basal

Bogmærk denne post: https://diskurs.kb.dk/item/diskurs:24185:5
 Type: Ph.D.
Alternativ titel: roles of glycogen and Ca2+
skjul Basal
Vis Basal

Links

Vis Links

Detaljer

Sprog: English - eng
 Datoer: 2011
 Sider: xiv, 86 s.
 Publiceringsinfo: København : Københavns Universitet
 Indholdsfortegnelse: -
 Note: Omslag til den trykte udgave er vedhæftet filen
 Type: Ph.D.
skjul Detaljer
Vis Detaljer

Kilde

Vis Kilde