„Wśród zjawisk zachodzących w świecie ożywionym tylko działanie mózgu
jest równie cudowne i niepojęte, jak rozwój naszego organizmu
z jednej zapłodnionej komórki jajowej”
Ernst Mayr (1904–2005) nazywany „Darwinem XX wieku,
„This is biology” Harvard Uniwersity Press, Cambridge, Massachusetts, 1997).
Prawdopodobnie w ciągu całego, dość długiego, życia zjadamy około 60 ton żywności. Zadziwiające przy tym jest też to, jak długo w historii ludzkości nie zdawaliśmy sobie sprawy z faktu, że wiele spożywanych przez nas produktów ma bezpośredni wpływ nie tylko na ogólną kondycje naszego ciała, ale ma fundamentalny wpływ na metabolizm komórek odpowiedzialnych za naszą osobowość, zdolności, wykształcenie, wspomnienia i wizje przyszłości, a nawet gusta. Neuronów, ulokowanych w jedynym, tak swoistym organie spośród wszystkich znanych nam na Ziemi – mózgu człowieka.
Język neuronów
Układ nerwowy człowieka, w tym szczególnie mózg, nawet w spoczynku zużywa nieproporcjonalnie dużą, w stosunku do innych układów, ilość wytworzonej przez organizm energii. Neurony (choć mózg to także towarzyszące im inne typy komórek) zużywają aż 60% całkowitej podaży glukozy stanowiącej dla nich podstawowy substrat energetyczny, a która jest dostarczana przez barierę krew-mózg z udziałem niezależnych od insuliny transporterów glukozy GLUT1. A wszystko dla podtrzymania swoistej funkcji tych niezwykle wyspecjalizowanych komórek, którą jest wytwarzanie różnic potencjału i przekazywanie impulsów elektrycznych do innych komórek.
Dzieje się to za sprawą struktur znanych jako synapsy. Każdy neuron tworzy połączenia synaptyczne z innymi, a to buduje skomplikowaną sieć połączeń (sieci neuronalne). Na przykład fragment wielkości ziarenka piasku to 100 tys. neuronów i 1 miliard synaps warunkujących przesyłanie impulsu nerwowego (elektrycznego). Przy tym impuls nerwowy musi zostać przekazany między dwoma neuronami w odpowiednim czasie, z właściwą szybkością i bezbłędnie. Synapsa pozostaje stale gotowa na przyjęcie kolejnego impulsu. Odpowiadają za to swoiste neurotransmitery (przekaźniki) zapakowane w specjalnych pęcherzykach bezpośrednio przy błonie i tak oczekujące, aż do uwolnienia ich do przestrzeni synaptycznej, szczeliny pomiędzy neuronami, w której odbywa się swoisty spektakl polegający na przepływie neuromediatorów przez szczelinę, z jednej komórki i łączeniu się ich ze specjalnymi gotowymi na ich przyjęcie receptorami drugiej komórki.
Co ciekawe, do wyprodukowania neurotransmiterów komórki nerwowe wymagają dostarczenia im wraz z żywnością (białka pokarmowe) specjalnych cząsteczek prekursorowych, a są to aminokwasy, z których powstają choćby adrenalina, dopamina czy serotonina. Także same aminokwasy bezpośrednio mogą zostać wykorzystane jako neurotransmitery, jak choćby glutaminian (znany również jako przyprawa do potraw) i glicyna. Zatem gdy impuls nerwowy dotrze do neuronu, to modyfikuje pole elektryczne, na które komórka reaguje poprzez umożliwienie napływu do jej wnętrza poprzez błonę komórkową jonów wapnia.
A jest to sygnał do uwolnienia neurotransmiterów poprzez błonę komórki (presynaptyczną) do szczeliny synaptycznej. W następstwie tego neurotransmitery są wyrzucane do szczeliny synaptycznej. Wapń jest tym czynnikiem sygnałowym, który aktywuje białka obecne na powierzchni pęcherzyków i umożliwia opuszczenie wnętrza pęcherzyków przez neurotransmitery. Następnie cząsteczki neurotransmiterów przemieszczają się przez szczelinę synaptyczną i skutecznie łączą się z receptorami oczekującymi na nie w błonie drugiej komórki (postsynaptycznej). To aktywuje receptor, a za jego sprawą do komórki postsynaptycznej wnikają jony sodu, co wywołuje nowy impuls nerwowy. Następuje „przeskok” impulsu nerwowego z jednej komórki (presynaptycznej) do drugiej (komórki postsynaptycznej).
Kluczowym w tym procesie jest zatem wiązanie się neurotransmitera ze swoistym dla niego receptorem. Zwykle, co ciekawe, w synapsie uwalnianych jest mieszanka kilku neurotransmiterów, więc na ten „miks” reagować mogą różne receptory, co wpływa na przekaz sygnału synaptycznego.
Moc aminokwasów
Kształtowanie i rozwój funkcji poznawczych (kognitywnych) człowieka zależy od wielu czynników, w tym składników zawartych w żywności. Muszą być one stale dostarczane komórkom nerwowym, tak aby mogły służyć także wytwarzaniu neurotransmiterów, które nieustannie są produkowane i uwalniane z neuronów. Takie cząsteczki prekursorowe dla neuromediatorów powinny stale być obecne w komórkach, a należą do nich proste zazwyczaj w swej budowie aminokwasy. Co ciekawe, aminokwasy, takie jak glutaminian, są nawet bezpośrednio wykorzystywane w układzie nerwowym jako neurotransmitery. Glutaminian jest także źródłem powstającego po jego przebudowie kolejnego neuroprzekaźnika, jakim jest GABA (kwas gamma-aminomasłowy).
Jest to główny przekaźnik o działaniu hamującym, podobnie jak inny, bardzo prosty aminokwas znany jako glicyna. GABA umożliwia nam uspokojenie oraz odczuwanie stanu wyciszenia i relaksu, zapewniając przy tym dobry głęboki sen. Takie hamujące właściwości GABA równoważą pobudzające działanie samego glutaminianu, czyli prekursora dla kwasu gamma-aminomasłowego. Zatem równowaga w ilościach glutaminian-GABA stanowi o utrzymaniu równowagi (homeostazy) układu nerwowego. Co ciekawe, proces powstawania GABA z glutaminianu odbywa się nie w samych komórkach nerwowych tylko w astrocytach, czyli komórkach tkanki glejowej mózgu, co potwierdza jej znacząca rolę w funkcjonowaniu naszego generatora umysłu.
Serotonina to powszechnie znana nazwa kolejnego neuroprzekaźnika, który powstaje z również z aminokwasu – tryptofanu. Aminokwas ten jest obecny w bogatobiałkowej żywności czyli kurczakach, jajach, produktach nabiałowych, roślinach strączkowych. U osób cierpiących z powodu depresji synapsy nie wykorzystują w wystarczającym stopniu dostępnej serotoniny. Stosuje się w tych przypadkach farmakoterapeutyki, które podwyższają poziom serotoniny, na przykład poprzez zapobieganie jej zwrotnemu wychwytowi i rozkładowi. Serotonina dostarcza nam odczucia satysfakcji i zadowolenia, ale też zmniejsza pragnienie na pogłębianie tego stanu, nie mobilizuje nas do dalszego działania, jak to robi inny przekaźnik – dopamina.
Dopamina, ale także adrenalina i noradrenalina to neuromediatory, które są pochodnymi kolejnego aminokwasu, jakim jest tyrozyna. W procesie ich powstawania znaczenie mają także kwas foliowy, magnez i witamina B12. Działają bowiem jako kofaktory w procesach syntezy tych neuroprzekaźników.
Pochodne tyrozyny wykazują szerokie spektrum działania w mózgu. Co ciekawe, mniej znany jest fakt, że dopamina powstaje poza mózgiem także w przewodzie pokarmowym. Wytwarzana jest tam z aminokwasu pokarmowego fenyloalaniny. W mózgu jest zaś wytwarzana w neuronach dopaminergicznych.
Niezwykły jest także fakt, że dopamina może działać zarówno pobudzająco, jak i hamująco. Może też wpływać na aktywność innych neurotransmiterów. Wówczas określa się jej działanie jako neuromodulacyjne. Znaczy to tyle, że nie działa jako swoista substancja przekaźnikowa w obrębie synapsy, tylko działa regulacyjnie na działanie innych synaps. Sprawia, że te modulowane synapsy stają się mniej podatne, albo przeciwnie bardziej wrażliwe na pobudzenie. Poziom tyrozyny znacząco rośnie po spożyciu pokarmu wysoko białkowego, co przekłada się na wzrost poziomu i aktywności dopaminy i noradrenaliny.
Jest natomiast bardzo interesujący fakt, że pokarm bogato białkowy, paradoksalnie, obniżać może poziom tryptofanu, a co za tym idzie serotoniny w mózgu. Dzieje się tak dlatego, że tryptofan musi konkurować o dostęp do mózgu z innymi aminokwasami, mającymi podobną budowę. Wykorzystują one bowiem tą samą drogę transportu, aby przedostać się przez barierę krew-mózg. Gorsza pozycja w tej grze tryptofanu wynika z tego, że jest go mniej w białkach aniżeli konkurencyjnych aminokwasów.
Jednocześnie, co ciekawe, sytuacja zmienia się, gdy spożyjemy pokarm zawierający cukry. Węglowodany powodują uwolnienie większej ilości insuliny, a ta reguluje poziom glukozy we krwi poprzez transportowanie jej z krwi do tkanek. Ułatwia to przedostawanie się tryptofanu poprzez barierę krew-mózg. Tryptofan potrzebuje transportera w postaci białka LNAA. O to białko konkurują także inne aminokwasy (leucyna, walina, izoleucyna). Insulina sprzyja wychwytowi aminokwasów przez inne tkanki obwodowe, a wówczas tryptofan ma priorytet w łączeniu się z transporterem LNAA. W rezultacie wzrasta poziom mózgowej serotoniny podwyższającej tolerancję bólu, poprawiającej jakość snu, niosącej odczucie spokoju.
I nie tylko aminokwasy…
Acetylocholina, obok glutaminianu, to jeden z najistotniejszych neuromediatorów o działaniu pobudzającym. Molekuła ta nie jest aminokwasem, ani pochodną aminokwasu, niemniej należy ją wspomnieć z uwagi na rangę cząsteczki jako neuroprzekaźnika.
Lecytyna to źródło choliny, na bazie której powstaje acetylocholina – neuroprzekaźnik najobficiej występujący w ludzkim organizmie. Jaja (żółtka jaj) to znaczące źródło choliny, ponieważ ich żółtko jest zasobne w lecytynę. Sama zaś acetylocholina, nie tylko ma znaczenie dla pobudzania mózgowego układu nagrody, ale także pełni ważną funkcję w procesie uczenia się i jest istotna dla procesów związanych z neuroplastycznością.
Ponadto neurony mogą za pomocą acetylocholiny kontrolować pracę komórek mięśniowych i aktywizować je poprzez impulsy nerwowe. Znamienne jest, że spadek poziomu tego neuroprzekaźnika jest związany z utratą pamięci, pogorszeniem funkcji kognitywnych i większym ryzykiem wystąpienia choroby Alzheimera w zaawansowanym wieku.
Układ nerwowy to miejsce działania wielu jeszcze innych substancji o naturze przekaźników. Są wśród nich niewielkie peptydy do których należą endorfiny, czy enkefaliny. Są to endogenne peptydy opioidowe. Mogą one wywoływać nie tylko uczucie szczęścia, ale także mogą tłumić odczuwanie bólu.
Neuroprzekaźniki to swoiste mediatory, przekaźniki sygnału, natomiast ostatecznie za efekt wywołany w komórce docelowej odpowiadają obecne w komórkach białka receptorowe inicjujące w komórce swoiste kaskady sygnałowe odpowiedzialne za wywoływany efekt biologiczny.
Mózg posługuje się swoistym językiem neuroprzekaźnikowym. Gdy czytamy ten tekst, przez mózg przetacza się swoista chemiczna fala neuroprzekaźnikowa. Jednocześnie sam mózg może stać się ofiarą niewystarczającego odtwarzania (syntezy) zapasów niektórych cząsteczek neuroprzekaźników. Wystarczy zły sposób odżywiania się, stres, niektóre leki, alkohol, narkotyki czy nawet pewne predyspozycje genetyczne. Wszystkie te czynniki mogą wpływać na rezerwy neuroprzekaźników, a tym samym funkcjonowanie naszego fenomenalnego aparatu poznawczego, dzięki któremu możliwe było napisanie niniejszego testu, a także jego przeczytanie, aż po ostatnie zwieńczone kropką słowo.
Dopamina, układ nagrody i słodkie uzależnienie?
Kiedy jemy smaczny posiłek, gwałtownie podnosi się poziom dopaminy, a ta pobudza mózgowy układ nagrody. Gdy jednak ulubiony przysmak nazbyt często pobudza układ nagrody (kilka razy dziennie) przez dłuższy czas, wówczas poziom dopaminy obniża się i nie osiąga już wyjściowego pułapu. Zwyczajnie, mózg domaga się dostarczenia mu zróżnicowanego, urozmaiconego pożywienia, tak aby zapewniło dostawę aminokwasów, witamin, soli mineralnych i lipidów niezbędnych dla sprawnego działania naszego centrum dowodzenia. Wszystkożerność, jedzenie zróżnicowanych pokarmów, jest idealnym rozwiązaniem. W sytuacji jednak, gdy regularnie, stale pobudzamy mózg słodkimi przysmakami (cukier) poziom dopaminy utrzymuje się na podwyższonym poziomie, a to wyzwala nasze dobre samopoczucie. Przyzwyczajenie do takiego odczuwania dobrego samopoczucia, jakie daje cukier, to impuls do częstego sięgania po ów mózgowy dopalacz. Pojawić się może uzależnienie. Dopamina – 3,4-dihydroksyfenyloetyloamina, wydzielona do szczeliny synaptycznej działa na swoiste receptory dopaminergiczne, zaliczane do receptorów błonowych (dwóch rodzin receptorów z podtypami), sprzężonych z białkiem G. Poprzez pobudzenie receptorów dopamina bierze udział w regulacji, tak zróżnicowanych procesów, jak utrzymanie postawy ciała i poruszanie się, zapamiętywanie, uczenie się, interpretowanie bodźców emocjonalnych. Zaburzenie wytwarzania i działania dopaminy jest przyczyną chorób takich, jak choroba Parkinsona, schizofrenia, ADHD i jest przyczyną uzależnień.
Dr n. med. Marek Jurgowiak – Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum UMK, wiceprzewodniczący Rady Programowej CN Młyn Wiedzy, Rada Programowa TFNiS, autor i popularyzator nauki, członek zespołu redakcyjnego „Głosu Uczelni”
