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American Journal of BioScience 2014; 2(4): 122-134 Published online June 30, 2014 (http://www.sciencepublishinggroup.com/j/ajbio) doi: 10.11648/j.ajbio.20140204.13 ISSN: 23300159 (Print); ISSN: 2330-0167 (Online)

Human brain biochemistry Omar S. Hajjawi Department of Biology, Arab American University, P.O. Box 240, Jenin, Israeli Occupied Territories of Palestine Email address: [email protected] To cite this article: Omar S. Hajjawi. Human Brain Biochemistry. American Journal of BioScience. Vol. 2, No. 4, 2014, pp. 122-134. doi: 10.11648/j.ajbio.20140204.13

Resumen: El cerebro humano que sirve como centro del sistema nervioso es estructuralmente único. Es extraordinariamente complejo y altamente especializado en sus distintas regiones anatómicas heterogéneas, ya que su función sigue siendo un gran desafío. La neurona es la unidad funcional que depende de conexiones anatómicas y químicas especiales con otras unidades del sistema. Las conexiones bioquímicas esenciales de la célula nerviosa tienen características morfológicas especiales: el contacto sináptico mediado por moléculas químicas garantiza la propagación secuencial de la neurotransmisión de pulsos eléctricos a través de las unidades del sistema. La energía química gastada en el mantenimiento de los gradientes de distribución de los cationes a través de las membranas celulares, y la neurotransmisión química causa una alteración en la distribución de los cationes. Los mecanismos de utilización de la energía que subyacen a la redistribución de los cationes no son peculiares del sistema nervioso, pero son de particular importancia para la función neural porque los mecanismos de transmisión química son peculiares al sistema nervioso. Las células nerviosas humanas tienen la capacidad de generar impulsos eléctricos que pueden viajar a través del cuerpo sin una pérdida significativa de la fuerza del impulso. Estas características únicas se basan en membranas excitables semipermeables que alteran la permeación a pequeñas moléculas químicas y cationes. La función bioquímica del cerebro se demuestra en la producción eficiente de energía requerida para llevar a cabo los procesos mencionados anteriormente, y es esencialmente el ATP que se almacena y produce desde la oxidación de la glucosa hasta el dióxido de carbono y el agua. El cerebro no tiene virtualmente reservas de energía química (glucosa 1-2 µmoles / gy ATP 3 µmoles / g) para funcionar solo por minutos, considerando que este órgano es el 2% del peso adulto total que consume el 20% de la glucosa de todo el cuerpo. a través de un suministro constante de sangre. Sin embargo, los diversos factores que regulan la absorción de glucosa y su utilización en el sistema nervioso central no se conocen bien. Esta revisión es un intento de actualizar la información en rápida expansión sobre la bioquímica de la neurotransmisión del cerebro humano, a través de los procesos de aprendizaje adaptativos; El rendimiento cognitivo y la memoria en el cerebro tienen relaciones sutiles. Palabras clave: cerebro humano, sistema nervioso central del SNC, neurotransmisores, trifosfato de adenosina ATP, cognición,

Enfermedad de Alzheimer, dopamina, flujo sanguíneo cerebral

introduccion Los bioquímicos a menudo estudian los cerebros de pequeños mamíferos y luego extrapolan a lo que podría ocurrir en el cerebro humano [1,2,3,4]. Sin embargo, el cerebro "mamífero" de una rata, cobaya, conejo, perro o mono es obviamente muy diferente en apariencia y tiene muchas funciones que la del hombre [5]. El cerebro de Homo sapiens con su red neuronal es el legado de miles de millones de años de evolución en términos de evolución molecular, celular, multicelular, de vertebrados, de mamíferos y de primates [6,7,8]. La evolución ha dejado una marca distintiva en el cerebro humano que se muestra en la Fig. 1: (a) las estructuras del tronco cerebral proporcionan funcionalidad para controlar los procesos de la vida vital y las funciones moduladoras globales de los sistemas del sistema cortical y límbico, (b) el sistema límbico proporciona una rápida funcionalidad de respuesta para desafíos ambientales que cambian rápidamente, y (c) la corteza proporciona respuestas más deliberadas que proporcionan un comportamiento refinado, que aumenta y modula las interacciones sociales, las interpretaciones cognitivas, la perspectiva histórica, la toma de decisiones y la planificación futura [9,10] .

Fig. 1. Sistema nervioso humano. (A) El hemisferio izquierdo del cerebro humano. El diagrama muestra las dos principales fisuras y los cuatro lóbulos de la corteza cerebral; Se identifican las regiones de la corteza involucradas en el habla, la audición, la visión, la función sensorial y motora. (B) El sistema nervioso autónom o humano. Las conexiones del sistema nervioso con el sistema nervioso central y

los órganos internos; Diagrama y simplificado. Fuente: Bootzin, R.R., Bower, G.H., Crocker, J. y Hall, E. (1991) Psychology Today: An Introduction, 7th edn., P.62. Nueva York, Nueva York: McGraw-Hill, Inc.; Storer, T.I., Usinger, R.L. y Nybakken, J.W. (1968) Elements of Zoology, 3rd edn., P.137. Nueva York, Nueva York: McGraw-Hill Book Company.

Sources: Swanson, L.W. (1995) “Mapping the human brain: past, present and future”, Trends in Neurosciences, vol. 18 (11), pp.471-474; Kennedy, D.N., Lange, N., Makris, N., Bates, J. and Caviness, V.S. Jr. (1998) “Gyri of the human necortex: an MRI-based analysis of volume and variance”, Cerebral Cortex, vol. 8, pp.372-384; Toga, A.W. and Mazziotta, J.C. (2000) Brain Mapping the Systems. San Diego, CA: Academic press. La primera parte de la ilustración muestra el aspecto lateral de todo el cerebro y algunas de las partes internas que se ven si el cerebro se divide en los dos hemisferios. Todo el cerebro se ha dividido en cuatro partes principales por conveniencia: cerebro, cerebelo, cerebro medio y tronco cerebral; es el último que contiene un gran número de Piezas especializadas [11]. La figura 1 también ilustra los nervios somáticos de los ganglios y las fibras que se conectan a todos los músculos lisos, glándulas y vísceras, y trata el entorno interno del cuerpo humano. Controla funciones de rutina como la tasa de metabolismo, la acción y el tono de los músculos internos y el mantenimiento de un estado constante (homeostasis) de componentes en la sangre, la linfa y los fluidos tisulares. El aumento en el área de superficie por unidad de volumen de la corteza (Tabla 1) se ha visto afectado por el aumento del plegamiento, por lo que las convoluciones de la corteza cerebral son considerablemente extensas [12,13]. La inteligencia individual y las malformaciones en la

superficie se pliegan en una región del cerebro que incluye el "área de Broca". Pierre Paul Broca (1824-1880) describió "le grand lobe limbique", que se refiere a las estructuras corticales que forman un borde alrededor de las estructuras internas del diencéfalo y el mesencéfalo en la superficie medial de los hemisferios cerebrales [14]. Es la principal región en la que el lenguaje subyacente en los humanos podría estar modulado por el grado de plegamiento en ciertas regiones corticales [15,16,17]. Los individuos más inteligentes pueden tener el plegamiento más complejo en el lóbulo parietal izquierdo, por ejemplo, la convolución profunda y frecuente de surcos (colinas y valles) y la forma de giro durante el adelgazamiento del espesor cortical [18,19,20,21,22, 23] . La función de la corteza ha cambiado, pero las áreas que se dedicaron a funciones superiores de aprendizaje y toma de decisiones han aumentado significativamente [12,24]. Otras áreas, como el sistema límbico (frontera, latín) que se ocupa de funciones más primitivas de homeostasis, motivación y emoción [25, 26] son filogenéticamente más antiguas y han cambiado poco en tamaño relativo [28,28,29]. Las áreas principales del cerebro humano se muestran en la Fig. 1 y su composición química se ilustra en la Tabla 1. Una característica importante de la anatomía del cerebro humano es su amplio suministro de sangre y suministro de oxígeno a una masa cerebral adulta de 1300-1400 g, es decir, la relación cerebro-cuerpo es de 1:40 de magnitud [30]. El cerebro utiliza aproximadamente el 20% de la sangre de cinco litros de un cuerpo sano y necesita el 25% del suministro de oxígeno del cuerpo para funcionar de manera óptima. El flujo de sangre en un El cuerpo sano es de 54 ml / kg de masa cerebral por minuto [31]. Hay 740 ml de sangre circulando en el cerebro cada minuto; El consumo de oxígeno es de 3.3 ml.kg -1.min -1 de tejido cerebral; esto significa que el cerebro completo utiliza aproximadamente 46 ml de oxígeno en un minuto [32, 33, 34,35]. El flujo de sangre al cerebro aumenta durante el sueño, pero la tasa de consumo de oxígeno sigue siendo la misma [36].

Donde R = relación de distribución; R = constante de gas universal (8.314 JK-1mol-1); T = temperatura absoluta (273 + 37 = 310 oK); F = el Faraday (96485 Cmol1); ∆Ψd = potencial de difusión (mV) Recursos: Davison, H. (1967) Fisiología del líquido cefalorraquídeo. Londres: Churchill; Fishman, R.A. (1980) El líquido cefalorraquídeo en la enfermedad del sistema nervioso. Filadelfia, PA: Saunders; Bannister, R. (1992) Brain and Bannister's Neurología Clínica, 7ª ed. Nueva York, NY: Oxford Medical Publications. El intercambio de solutos entre los diversos compartimentos de fluidos (Tabla 2) exhibe características únicas; Las células endoteliales de los capilares sanguíneos del cerebro son el sitio más estudiado para las características de la barrera "sangre-cerebro" [37, 38]. Este concepto surgió de la limitada penetración de drogas inyectadas, colorantes y toxinas del torrente sanguíneo a la sustancia cerebral; También se encontró este fenómeno con una variedad de pequeños productos químicos altamente solubles en agua, tales como: fructosa, sacarosa, tiocianato y la mayoría de los aminoácidos [39, 40]. El examen microscópico de las células endoteliales de la sangre del cerebro indicó que estaban empaquetadas más estrechamente que en los capilares fuera del cerebro, es decir. hay una barrera de permeación física en la pared capilar [41,42,43]. Esto es suficiente para moléculas grandes como las proteínas, pero no explica la aparente permeabilidad limitada de

sustancias como el glutamato [44]. Si un glutamato radiactivo está presente en el torrente sanguíneo, se equilibra rápidamente con el glutamato dentro del cerebro, pero una masa el aumento de la concentración del glutamato externo no altera su concentración interna, es decir, se ha informado que las concentraciones de glutamato son: en plasma 50-100 µM, en cerebro 10,000-12,000 µM, pero en fluidos extracelulares a 0,5-2 µM [45]. La barrera "sangrecerebro" podría considerarse como un mecanismo homeostático por el cual la concentración interna se mantiene mediante un proceso activo de extrusión de flujo de salida [46]. El cerebro debe regular los cuerpos de glucosa, glutamina y cetona (β-hidroxibutirato) para obtener energía en circunstancias normales y especialmente durante el desarrollo y el envejecimiento [47, 48]. La barrera "hematoencefálica" puede impedir el posible tratamiento del trastorno cerebral debido a la dificultad de causar la acumulación interna de fármacos o metabolitos, debido a su papel inherente en la protección de un cerebro altamente sensible [48]. Tal dificultad podría resolverse apreciando la Bioquímica del sistema [11]. Por ejemplo, la enfermedad de Parkinson, que es un trastorno degenerativo y progresivo asociado con debilidad, rigidez, temblor muscular y bradicinesia debido a la falla de los ganglios basales en la salida, mostró una degeneración de ciertos tractos nerviosos y análisis histoquímico en paralelo a la pérdida de dopamina. [49, 50]. La dopamina es un neurotransmisor en el cerebro que desempeña funciones vitales en una variedad de comportamientos diferentes [51]. Los principales comportamientos que afecta a la dopamina son el movimiento, la cognición, el placer y la motivación [52], las anomalías en la dopamina cerebral están asociadas con muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos, incluida la enfermedad de Parkinson, esquizofrenia y abuso de sustancias [53,54]. La dopamina (L2,4-dihidroxifeniletilamina) no se transporta fácilmente al cerebro [55], mientras que su Dopa inmediata (L-3,4-dihidroxifenilalanina) se toma fácilmente en [37,56,57]. Por lo tanto, se ha logrado una mejora notable en el tratamiento de Parkinson con L-Dopa [58,59 Hajjawi [60,61] ha informado que todas las células tienen una diferencia en el potencial eléctrico a través de sus membranas celulares externas que resultaron de la distribución relativa de iones entre los compartimentos intracelular y extracelular (Tabla 2). Las membranas plasmáticas celulares definen compartimentos de diferentes composiciones; el fundamental los bloques de construcción de todas las membranas celulares son fosfolípidos (moléculas anfipáticas) que forman espontáneamente una barrera de bicapa estable en soluciones acuosas [62]. Las proteínas son el otro constituyente principal de las membranas celulares; El modelo actual de estructura de membrana es un mosaico fluido en el que las proteínas se insertan en una bicapa lipídica [63]. Moléculas transportadas por canal o proteínas portadoras cruzadas membranas en la dirección energéticamente favorable, según lo determinado por la concentración y los gradientes electroquímicos, por lo tanto, el potencial de difusión surge de la penetración de iones en la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz [64,65,66]. La ecuación de Goldman se deriva de la Ecuación de Nernst. Proporciona el potencial de equilibrio debido a la distribución asimétrica de cada ión a través de la membrana semipermeable:

Hay tres tipos diferentes de músculo: esquelético o estriado, liso o visceral y cardíaco [69]; Estos tres tipos se diferencian en función de su sistema de control distinto, a saber: ubicación anatómica, especialización estructural celular, función y bioquímica [70]. Las neuronas que son los componentes centrales del sistema nervioso que incluye el cerebro y la médula espinal del sistema nervioso central y los ganglios del sistema nervioso periférico; No corren directamente desde la periferia al cerebro. Todas las neuronas son eléctricamente excitables, manteniendo gradientes de voltaje a través de sus membranas por medio de bombas iónicas activas impulsadas metabólicamente, que se combinan con canales iónicos incrustados en la membrana para generar diferencias de concentración intracelular versus extracelular de iones tales como sodio, potasio, cloruro y calcio. [71] coloca el cerebro humano en ~ 1011 neuronas y 1014 sinapsis. Hay dos tipos de fenómenos en acción en el procesamiento del impulso nervioso: eléctrico y químico. Los eventos eléctricos propagan una señal dentro de una neurona, mientras que los eventos químicos transmiten la señal de una neurona a otra o a células efectoras al final del axón en sinapsis [70]. Una sola neurona tiene desde unos pocos cientos hasta ≥20,000 sinapsis, y el cerebro humano adulto promedio contiene ~ 86 billones de neuronas [72]. La señal iniciada normalmente es transmitida por varias células neuronales intermedias. La sinapsis, una interconexión entre neuronas, se comporta como un simple interruptor, pero también tiene un papel especial en el procesamiento de la información. La función de la sinapsis es transferir información en forma de actividad eléctrica de una celda a otra; la transferencia puede ser de nervio a nervio (neuro-neuro), o de nervio a músculo (neuro-myo). La hendidura sináptica, una región entre la membrana preand y postsináptica es muy estrecha (30-50 nm). Se utiliza un mediador químico para conectar la comunicación entre las células anteriores y posteriores a la unión. La secuencia de eventos es la siguiente: (a) un pulso de acción llega a los extremos terminales de la célula presináptica, (b) un neurotransmisor (por ejemplo, se libera glutamato y GABA-γ ácido amino butírico), que difunde a través del espacio sináptico para unirse a receptores en membranas especializadas de la célula postsináptica, luego (c) el transmisor actúa para abrir canales de una o varias especies de iones, lo que resulta en un cambio en el potencial transmembrana. Si es despolarizante, sería un potencial postsináptico excitador y si es hiperpolarizante, sería un potencial posináptico inhibitorio [11,73]. La característica única de las células nerviosas se ve cuando el "estado de reposo" se angustia y la célula parece estar estimulada fisiológicamente donde se produce una serie de eventos [74]. El potencial de membrana sufre una rápida alteración de aproximadamente -60mV a -70mV (K +  potencial de equilibrio -90mV), pero esto no continúa de la misma manera que en el caso de la célula no excitable: hay un rápido rebasamiento en la medida en que el potencial de la membrana se vuelve positivo, de algunos + 10mV a 30mV; este rápido cambio de despolarización dura aproximadamente medio milisegundo y se conoce como potencial de acción [75]. Esto se asocia con el movimiento de cationes: La membrana se vuelve más permeable a Na +, el potencial de equilibrio de Na + es de + 60 mV [64]. Es probable que las macromoléculas que constituyen la matriz lipo-proteica de la membrana hayan cambiado para reducir las restricciones de permeabilidad de Na + y se pueda producir un flujo rápido de Na +. El sodio fluye hacia las células y el potasio sale hasta casi electroquímico. Se alcanza el equilibrio. El aumento de la permeabilidad a Na + y K +.  no son simultáneos (K + potencial de equilibrio es - 90mV): Na +

 la permeabilidad aumenta al principio en mayor medida, y posteriormente la permeabilidad de K + aumenta a medida que disminuye la de Na + [75,76]. Este proceso se vuelve autolimitado y la diferencia de potencial vuelve a su valor original [11]. El sistema permanece activo durante unos 200 ms de un período refractario donde los cambios temporales en la permeabilidad de la membrana permiten que K +  libremente [77, 78]. Las membranas excitables son capaces de transmitir los potenciales de acción generados a lo largo de sus superficies, y están mostrando las características esenciales para la base de las propiedades del cable. [11,56,79]. La medición de la fidelidad de las corrientes iónicas a pequeña escala marcó el comienzo de una nueva era de investigación sobre el papel de los canales iónicos en la función fisiológica y fisiopatológica del tejido excitable. El estado de reposo de la membrana es 50-75 veces más permeable a K + que a Na +; por lo tanto, la magnitud y la polaridad del potencial de reposo se deben completamente al flujo de K + desde el medio intracelular [80]. Por lo tanto, el control del voltaje de la membrana y las mediciones de la corriente de la membrana es de gran interés para el estudio de numerosos aspectos de la fisiología y fisiopatología del músculo esquelético [11,81,82]. Por lo tanto, el uso de la técnica de ‘voltageclamp’ (Fig. 2) permite al investigador prevenir la aparición explosiva no controlada del potencial de acción, y para controlar los cambios en el potencial de membrana durante los cuales se podrían medir las tasas de flujo de iones y de corriente, aunque la corriente capacitiva es cero si la derivada del voltaje es cero [83]. El modo de pinza de voltaje es el más adecuado para registrar la actividad de activación de la celda, y el modo de pinza de corriente es el más adecuado para registrar el potencial de membrana en reposo y los potenciales sinápticos [84,85,86]. El proceso se estipula en la Fig. 3 de la siguiente manera: (a) la excitación provoca primero un aumento de la permeabilidad de Na + en ~ 600 veces, por lo que, más iones de sodio se precipitan hacia la célula y, por lo tanto, el potencial de membrana disminuye con un reverso final de polaridad , es decir, volviéndose positivo en la membrana intracelular y negativo en la membrana extracelular, (b) el aumento de la permeabilidad al Na + se desactiva (inactivación de sodio), junto con un aumento simultáneo de la permeabilidad al K + sobre su nivel de reposo, (c) estos dos eventos de na + la inactivación y el aumento de la permeabilidad de K + permiten que el flujo de K + recupere el predominio sobre el flujo de Na + y el potencial de membrana recupere rápidamente su nivel de reposo, sin embargo, un pequeño exceso de hiperpolarización del potencial de membrana se debe a la permeabilidad de K + superior a la normal [80]; La célula tiene muchas despolarizaciones repetidas antes de que su equilibrio de cationes alcance la fase de equilibrio sin cambio en la concentración. gradiente, y se suspende la excitación adicional [86]. Esto no sucede en circunstancias normales, ya que la energía se gasta continuamente para devolver los cationes a su distribución original, que se efectúa a través de la Na + / K + - ATPasa [60, 61]. El potencial de acción tiene ciertas características claras, como el tamaño crítico del estímulo que se produce: estímulos más pequeños que no tienen efecto, mientras que estímulos más grandes no producen un efecto mayor [87]. El tamaño crítico es el umbral y el proceso es 'todo o nada' (Fig. 3), es decir, el tamaño del potencial de acción es independiente del tamaño del estímulo, siempre que esté por encima del umbral, aunque No implica que la 'señal' esté descontrolada.

Modelo eléctrico del axón transmembrana en experimento de pinza de tensión. Vm denota voltaje de membrana, Vm el voltaje transmembrana, se toma como el potencial intracelular, Φi, en relación con el potencial extracelular, Φo, Vc: potencial de sujeción, im: corriente total por unidad de longitud, iml: corriente iónica por unidad de longitud. Un paso de voltaje deseado se cambia entre los electrodos interno y externo, y se mide la corriente que fluye entre estos electrodos (es decir, la corriente transmembrana). Fuente: Hodgkin AL, Huxley AF, Katz B (1952) "Medición de las relaciones de corriente-voltaje en la membrana del axón gigante de Loligo", J. Physiol. (Lond.), Vol.116, pp.424-48. Sin embargo, el control en la célula nerviosa que está despolarizada puede ser ejercido por una secuencia de estímulos en términos de frecuencia y de tamaño, es decir, el intervalo de tiempo entre la estimulación y el potencial de acción puede disminuir con un aumento repetido de tamaño y en estímulos de frecuencia que Puede efectuar una respuesta post sináptica [90,91]. Otras variables son operacionales, como las propiedades del axón que conduce la señal, el transmisor químico en las terminaciones nerviosas y el sistema sináptico posterior. Los axones son las líneas primarias de la red de transmisión del sistema nervioso, y como haces forman nervios. Algunos axones son grandes y pueden extenderse hasta 100 cm o más. Otros axones son cortos y se extienden tan poco como 1 mm de longitud, son delgados (