TCAサイクルの速度 TCA flux


10-19-2014 updated

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関連項目



神経 Neuron

ニューロン neuron では,TCA 回路の中間体である α-ケトグルタル酸(α-KG)は,ミトコンドリアに輸送されてグルタミン酸 Glu の生合成に使われる。このとき,ミトコンドリアへの輸送とグルタミン酸への変換は,議論があるにせよ十分に早いとされている(1)。

 

また,TCA 回路の中間体の濃度は一般に低く,各反応も十分に早いことが分かっている。

 

したがって,13C で標識したグルコースを注入してから,その 13をもつグルタミン酸が増えてくる速度は,TCA 回路の速度を示すことになる。これは,グルコースから生じたアセチルCoAが α-KG になる速度とも言える。

 

 

Glucose -> Pyruvate -> acetyl CoA -> α-KG <-> Glu -> other products

 

 

アセチル CoA が α-ケトグルタル酸に変換される速度が Vtca である(7)。

この仮定のもと,in vivo NMR とモデリングから,脳の TCA サイクルの速度 TCA flux を算出する方法がある。表にいくつか例を示す。なお,この値は使っている麻酔の種類に大きく依存するので注意すること。

 

単位は mmol/kg tissue weight/min または µmol/g tissue weight/min で表される。どちらも同じ値である。

 

 

ヒトの脳 Human brain


麻酔 文献  TCA flux (mmol/kg/min)  
なし awake 2

 0.65 ± 0.03 (total)

 0.53 ± 0.03 (neuron)

 0.13 ± 0.01 (glia)

Young human brain, midline occpito-parietal lobe (n = 8, 26 ± 7 years) 

なし awake 2

 0.54 ± 0.04 (total)

 0.38 ± 0.04 (neuron)

 0.17 ± 0.01 (glia)

Eldery human brain, midline occipito-parietal lobe (n = 7, 76  ± 8 years)。上と比較すると,老化で脳のTCA fluxは遅くなるが,それはニューロンの代謝低下によるもので,グリアではむしろ代謝が上がっていることがわかる。

なし awake 8

 0.80 ± 0.10 (gray matter)

 0.17 ± 0.01 (white matter)

灰白質,白質を別々に測定。n = 8。

ラットの脳 Rat brain

麻酔 文献  TCA flux (mmol/kg/min)  
Halothane 3

 0.53 ± 0.04

約 100 μLの脳領域で測定。cortex, subcortex, hippocampusを含む。POCE, n = 5。

Halothane 4

 0.79 ± 0.15 (gray matter)

 0.20 ± 0.11 (white matter)

 0.42 ± 0.09 (subcortex)  

組織ごとに計算。POCE。灰白質 gray matter の代謝活性が最も高いことがわかる。

麻酔 文献  TCA flux (mmol/kg/min)  
Urethane 5

 0.21 ± 0.02 (生後10日)

 0.56 ± 0.07 (生後30日)

Glutamatergic neuron,発生段階で比較。脳波のパターンは生後20日ぐらいで成体と同じになる。TCA回路の速度も,生後30日目までには成体と同程度になることがわかる。

麻酔 文献  TCA flux (mmol/kg/min)  
α-Chloralose 6

 0.35 ± 0.06 (Motor, R)

 0.54 ± 0.10 (Motor, S)

 0.49 ± 0.03 (Somato, R)

 1.48 ± 0.82 (Somato, S)

 0.42 ± 0.11 (Occipital, R)

 0.36 ± 0.17 (Occipital, S)

Forepaw stimulation の有無で部位ごとに計算。Rが刺激なし,Sが刺激あり。刺激によって大きくTCA fluxが増えること,Somatosensory でとくに TCA flux が上がることがわかる。

α-Chloralose 9

 0.57 ± 0.16 (NH3)

 0.46 ± 0.12 (Control)

 

 Gln synthesis rate:

 0.43 ± 0.14 (NH3)

 0.21 ± 0.04 (Control)

N=5. アンモニア毒性の影響を調べるため,酢酸アンモニウムを注入して血中NH3を 0.35 mMにしている。Control は0.05 mM。TCA flux は影響を受けないが,グルタミン合成量が増える。これは Glu + NH3 -> Gln の反応により,アンモニアの解毒反応である。

麻酔 文献  TCA flux (mmol/kg/min)  
なし awake 7

 1.4

麻酔を切って筋弛緩剤 d-tubocurarine-C1 (3 mg/kg body weight) を投与した状態(n = 6)。大脳皮質だが,どの領域かはっきり書かれていない。

References


  1. de Graaf et al. 2004a (Review). In vivo 1H-[13C]-NMR spectrometry of cerebral metabolism. NMR Biomed 16, 339-357.
  2. Boumezbeur et al. 2010a. Alterted brain mitochondrial metabolism in healthy aging as assessed by in vivo magnetic resonance specgtrometry. J Cereb Blood Flow Metab 30, 211-221.
  3. de Graaf et al. 2003b. Detection of [1,6-13C2]-glucose metabolism in rat brain by in vivo 1H-[13C]-NMR spectroscopy. Magn Res Med 49, 37-46.
  4. de Graaf et al. 2004b. Regional glucose metabolism and glutamatergic neurotransmission in rat brain in vivo. Proc Natl Acad Sci USA 101, 12700-12705.
  5. Chowdhury et al. 2007a. Glutamatergic and GABAergic neurotransmitter cycling and energy metabolism in rat cerebral cortex during postnatal development. J Cereb Blood Flow Metab 27, 1895-1907.
  6. Hyder et al. 1996a. Increased tricarboxylic acid cycle flux in rat brain during forepaw stimulation detected with 1H[13C] NMR. PNAS 93, 7612-7617.
  7. Fitzpartick et al. 1990a. The flux from glucose to glutamate in the rat brain in vivo as determined by 1H-observed, 13C-editied NMR spectroscopy. J Cereb Blood Flow Metab 10, 170-179.
  8. Mason et al. 1999a. Measurement of the tricarboxylc acid cycle rate in human grey and white matter in vivo by 1H-[13C] magnetic resonance spectroscopy at 4.1 T. J Cereb Blood Flow Metab 19, 1179-1188.
  9. Sibson et al. 1997a. In vivo 13C NMR measurements of cerebral glutamine synthesis as evidence for glutamate-glutamine cycling. PNAS 94, 2699-2704.