Что происходит на самом деле
Синапс возбудился. Пресинаптический нейрон выбросил глутамат — главный возбуждающий нейромедиатор. Постсинаптические рецепторы AMPA и NMDA открылись, прошёл ток. Но глутамат теперь висит в синаптической щели — если его не убрать, он будет продолжать возбуждать рецепторы и в итоге вызовет «эксайтотоксичность», убив нейрон.
Астроцит высасывает глутамат. Концевые ножки астроцитов вплотную охватывают синапс. На их мембране — транспортёры EAAT1/EAAT2 (особенно второй — он самый «жадный»). Они «всасывают» глутамат вместе с 3 ионами Na+ и 1 H+, а наружу пускают 1 K+. За долю секунды концентрация глутамата падает до фоновой.
Огромный счёт за натрий. С каждым глутаматом в астроцит вошло 3 Na+. Это нарушает натриевый градиент. Чтобы восстановить его, активируется Na+/K+-АТФаза астроцита — а она ест ATP. Появляется срочная потребность в энергии.
Запуск гликолиза. Расход ATP ⇒ рост AMP/ADP ⇒ активация PFK-1 ⇒ астроцит включает «турбо» гликолиз. Глюкоза, поступающая из капилляра рядом, быстро распадается до пирувата. Кислород при этом необязателен: астроциту проще закончить гликолизом, чем гонять пируват в митохондрии.
Пируват → лактат. В астроците много LDH-5 — изоформы лактатдегидрогеназы, предпочитающей превращать пируват в лактат. Реакция параллельно регенерирует NAD+, чтобы гликолиз мог крутиться дальше. На выходе — лактат и восстановленный NAD+, готовый снова работать.
Лактат — это посылка соседу. Накопленный лактат выводится из астроцита через MCT1 в межклеточное пространство. Тут же его подбирает близлежащий нейрон через MCT2.
Нейрон превращает лактат обратно. В нейроне работает LDH-1 — та же реакция, но в другую сторону: лактат → пируват + NADH. Полученный пируват идёт прямиком в митохондрию нейрона, где даст ~25 ATP через PDH + ЦТК + ОФ. Нейрон получил «готовый полуфабрикат» без необходимости тратить силы на гликолиз.
Параллельно — глутамин-глутаматный челнок. Захваченный астроцитом глутамат обезвреживается превращением в нейтральный глутамин (фермент глутамин-синтетаза, тратит ATP). Глутамин выходит в межклетник, нейрон захватывает его и фосфат-зависимая глутаминаза снова делает из него глутамат — топливо для следующего синаптического выброса. Так замыкается цикл нейромедиатора.
Зачем такая сложность? Идея в разделении труда: астроциты делают «быструю энергию» гликолизом, нейроны делают «эффективную энергию» окислением. Кроме того, нейрон не любит гликолизировать сам — у него мало гексокиназы и много митохондрий. А астроциты, наоборот, гликолитические «фабрики».
Лактат раньше считали «отходом», но в мозге это премиальное топливо. При активной работе мозга концентрация лактата в межклетнике может превысить концентрацию глюкозы.