Загадка для любителей подсчета калорий

1 молекула глюкозы дает 38 молекул АТФ;
1 молекула 18-углеродной стеариновой кислоты дает 147 молекул АТФ, притом всего лишь в 2 раза больше калорий.

Вопрос: в чем термодинамический смысл подсчета калорий из пищи?

P.S. http://facstaff.bloomu.edu/jandreac/…ectureFL07.pdf

Вода #2. Следствия из теории многослойной организации поляризованной воды в клетке

Начну с конца прошлой заметки:

  • вода – диполь, обладает дипольным моментом, который увеличивается в присутствии других диполей;
  • в полноразвернутой конформации белков CO- (негативные) и NH-группы (положительные) доступны воде и приводят к ее дополнительной поляризации;
  • первый слой связанной воды поляризует следующий и так в среднем до 6 молекул;
  • вся вода в клетке связана (дополнительной поляризацией) и обладает характеристиками, отличными от обычной воды.

Магнитно-резонансная томография

Фамилии ученых и ссылки на их работы в книге Линга.

МРТ измеряет время вращательной корреляции атомов или протонов водорода в молекулах воды или время их релаксации (Т1 и Т2). Ограничение подвижности (фиксация) атомов водорода в молекулах воды в клетке приводит изменению времени Т1 и Т2 (по отношению к свободной воде), оно сокращается.

Вода в разных тканях отличается по временным параметрам Т1 и Т2. В злокачественных опухолях время Т1 и Т2 значительно больше, чем в клетках тканей, из которых опухоли произошли. Важно заметить, что дальнейшие опыты показали, что увеличение доли свободной воды – лишь одна из причин увеличения времени размагничивания атомов водорода (Т1 и Т2).

Роберт Дамадьян, создатель первого коммерческого МРТ-сканера благодарил в письме Линга за концепции биофизики воды, которые позволили ему создать первое МРТ-изображение тела человека.

Желатин и понимание коллоидов

56% полипептидной цепи желатина находится в полноразвернутой конформации и доступно воде.

В плане аминокислотного состава желатин на 13% состоит из пролина и на 10% из гидроксипролина, аминокислот, неспособных к образованию α-спиральных и β-складчатых структур в виду отсутствия атома водорода у их пирролидинового атома азота.

Также 33% аминокислотных остатков принадлежит «разрушителю спиралей» глицину. И в молекуле желатина нет дисульфитных мостиков (-S-S-), стабилизирующих третичную структуру.

С открытием теории многослойной организации поляризованной воды в клетке, можно дать новое определение коллоидам. «Коллоид – это кооперативный ансамбль полногразвернутых макромолекул (или их агрегатов) и полярного растворителя (например, воды). Макромолекулы формирующие коллоидную систему, характеризуются геометрически правильным чередованием диполей (групп NH и CO пептидной связи белков или диполей иной природы) или фиксированных зарядов вдоль полимерной цепи. При растворении такие макромолекулы взаимодействуют с полярным растворителем, ограничивая подвижность его молекул в результате многослойно адсорбции на своей поверхности, правильно расположенные заряды которой ориентируют их в пространстве и поляризуют. Поляризованность (увеличение дипольного момента молекул растворителя) – важнейшая предпосылка формирования многослойной структуры связанной воды.»

Коллоиды – экстравертная модель. Большинство глобулярных белков интвертны, большая часть их полипептидной цепи недоступна воде.

Новая гипотеза о коацервации

Коацервация – это расслоение гомогенного водного раствора на две несмешиваемые фазы с четкой границей между ними.

С точки зрения теории МОПВ коацервация – автокооперативный переход, во время которого одновременно протекает три процесса:

а) стягивание молекул воды вокруг поверхности полноразвернутой экстравертной молекулы, и их ориентация и поляризация полярными группами макромолекулы (каких, как CO и NH пептидных связей) с образованием многослойной структуры вдоль макромолекулы; затем водно-белковые комплексы сливаются в единый ассоциат, в котором все макромолекулы целиком включены в единый водный «кокон»;

б) вытеснение части избыточной воды ассоциата в фазу, бедную экстравернтым веществом, в результате оптимизации структуры ассоциата;

в) в формировании поверхности коацервата из линейных макромолекул (со связанной и структурированной водой), ориентированных перпендикулярно поверхности раздела фаз и образующих с такими же соседними макромолекулами непрерывную структурированную водную оболочку вокруг коацервата; таким образом формируется граница между богатой экстраверным веществом коацерватной фазой и бедной экстравертным веществом фазой растворителя, молекулы которого по степени упорядоченности не отличаются от обычной объемной воды; таким образом, граница раздела фаз – это граница раздела между двумя состояниями воды.

Причина, по которой процесс коацервации запускается при повышении температуры, состоит в вытеснении наименее поляризованных молекул воды из коцерватной фазы в среду в результате «стремления» поляризованных водных оболочек макромолеку к слиянию между собой, так как энергия взаимодействия поляризованных молекул воды между собой выше, чем «обычных» в силу более прочных водородных связей. В результате прирост энтропии системы коацерват-среда, связанный с выходом молекул воды из конденсированной фазы (так как доля структурированной в системе при этом снижается), начинает перевешивать вклад в термодинамику системы процесса слияния структурированных водных оболочек, снижающих энтропию и свободную энергию системы. Этот процесс термодинамически выгоден и приводит к дополнительной поляризации молекул связанной воды, и как следствие, — к утолщению водных слоев в пространстве в пространстве между макромолекулами. Рост энтропии системы, таким образом, является движущей силой коацервации.

Почему вышеназванная модель так важна:

1). Она объясняет резкую очерченность границ коацервата, а значит его способности не смешивать с окружающей водой. До Линга молекулярный механизм подобных явлений предложить не удавалось;

2). Модель объясняет почему только полноразвернутые белковые сети могут образовывать коацерваты, только они могут связывать воду в форме многослойной структуры поляризованных молекул, объем которой может быть значительным.

3). Она отвечает на вопрос почему протоплазма из поврежденных клеток – от инфузории Дюжардена до клеток Bryopsis Лепешкина – не смешивается с водой: она просто представляет собой коацерват.

Грубо говоря, Линг объяснил, что клетка – не водный раствор с «ништяками» в липидной оболочке, а что клетка – это белково-водно-[электролитная] (о последнем позже), структура которой удерживается за счет многослойной организации поляризованной воды вокруг полноразвернутых белковых структур. При том, что теория Линга на практике подтверждается, а теория липидных мембран противоречит данным наблюдений, так как клетка абсорбирует больше воды, чем может объяснить мембранная теория.

Количественная теория распределения веществ между клеточной водой и водой окружающей среды вследствие их вытеснения из клетки или модельных систем

Мы имеем простую физическую и экспериментально подтвержденную основу того, почему и за счет чего клетка вытесняет воду.

Соответственно, теория МОПВ может объяснить следующим образом низкую концентрацию Na+ и сахарозы в клетке по сравнению с равновесной внешней средой: энергия и энтропия.

Энергия. На образование «дыры» для иона Na+ (или молекулы сахарозы, или другого вещества) тратится больше энергии, чем выделяется при схлопывании таких «дыр» в обычной воде при переходе Na+ из среды в клетку. Это неравенство – основная энергетическая причина вытеснения растворенных веществ из клетки.

Энтропия (порядок). Сеть молекул структурированной воды ограничивает вращательные движения растворенных в ней молекул, поэтому их вращательная энтропия ниже в клетке, чем в среде. Поскольку вращательная энтропия составляет основную часть общей энтропии молекул вроде сахарозы и таких многоатомных образований, как гидратированные ионы Na+, уменьшение их энтропии в сочетании с энергозатратным «дырообразованием» в клетке делает растворение подобных веществ в клеточной воде термодинамически невыгодным.

Чем крупнее молекула вещества, тем больше сказывается влияние указанных термодинамических факторов, тем меньше их растворимость в клетке. Отсюда вытекает «правило размера»: истинный коэффициент равновесного распределения (q) вещества между клеточной водой (или водой, связанной экстравертной моделью) и внешней средой обратно пропорционален молекулярному объему вещества. Это было проверено в экспериментах, о которых можно почитать в книге Линга, где сравнивается распределение молекул с различным молярным объемом между мышечным волокном и средой.

Итоги

Основное положение заключается в многослойной организации поляризованной воды в клетке. См. предыдущую заметку.

Поляризующие структуры в мышечных волокнах (лягушки) отделены друг от друга в среднем 6 слоями воды. Это не мало, так как это вся клеточная вода. Таким образом в состоянии покоя свободной воды клетка в себе не содержит.

Напряжение вытеснения и поверхностный компонент энергии поляризации в любой точке клетки одинаковы.

Есть количественные методы определения избыточной энергии взаимодействия молекул связанной воды.

Теория МОПВ объясняет различие растворяющей способности среды и клетки. Превышение энергии взаимодействия молекул воды в адсорбирующих слоях по сравнению с объемной водой всего на 126 кал/моль способно привести к вытеснению из клеточной воды таких крупных ионов и молекул, как гидратированный ион натрия или молекула сахарозы. Простой, проверяемый и замечательный метод. Опыты с различными молекулами и клеткой / эстравертной лабораторной моделью смотрите в книге Линга.

P.S. Все простое закончилось. Дальше перейду к собственно теории ассоциации-индукции. И затем расскажу про незатронутую тут осмотическ

Вода #1. Гилберг Линг. Многослойная организация поляризованной воды в клетке. Вводная часть

Гилберт Линг – американский ученый китайского происхождения известный своей гипотезой ассоциации-индукции. С одной стороны, много объясняющей в метаболизме клеток того, что современная наука не может; с другой – это гипотеза, альтернативная сложившимся взглядам.

Линг – это далеко не псевдоученый, это серьезный исследователь, номинированный на Нобелевскую премию. Его эксперименты и постулаты имеют успешные фаллоу-апы уже более 50 лет.

Когда говорят о Линге, чаще всего ссылаются на его книгу Life at the Cell and Below-Cell Level. У нас перевод этой книги был опубликован в 2008 год под названием Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция. Это не самая простая для понимания книга, но настоятельно рекомендую к прочтению.

Гипотеза ассоциации-индукции объясняет:

  • Регуляцию объема клетки (осмос);
  • Различие концентрации ионов натрия и калия внутри/снаружи клетки (снаружи натрий, внутри калий);
  • «Полупроницаемость мембран»;
  • Разницу потенциалов покоя (-70 mV внутри);

Теория многослойной организации поляризационной воды в клетке занимает одну из центральных мест всей гипотезы ассоциации-индукции, с нее и начнем. К полноценному обзору гипотезы ассоциации-индукции я вернусь в несколько удаленном будущем.

Идея теории МОПВ состоит в том, что вся или почти вся вода покоящейся клетки имеет отличную от обычной воды структуру динамического характера, возникающую главным образом благодаря взаимодействию воды с сетью «полноразвернутых» белковых цепей, присущей всем клеткам.

Что клеточная вода не равна по своим характеристикам обычной воде Линг показал в серии блестящих экспериментов. Например, раскручивая на 1000G в течение 4 минут иссеченную портяжную мышцу лягушки. По итогам эксперимента количество вышедшей жидкости было равно количеству жидкости в межклеточном пространстве. То есть вода внутри клетки осталась на месте.

Из бытового примера можно привести сжатие сырого фарша. Он на 80% состоит из воды. Но если вы будете усиленно сжимать фарш, то из него не польется вода как из губки.

Линг пошел по логичному пути и начал смотреть на взаимодействие одних из основных игроков всех процессов в клетке: воды и белковых структур.

Небольшая ремарка про воду и белковые структуру, чтобы не пропустить базовых вещей. Молекула воды H20 по своей природе поляризована, как видно на рисунке ниже.

Теперь давайте два слова скажем о конформации белков. Под полноразвернутой конформацией белков подразумевается такая организация полипептидных связей в пространстве, когда ни одна NH- или CO-группа полипептидной цепи не участвует в иных водородных связях кроме как с водой (пример на рисунке ниже).

NH- и CO-группы также обладают поляризацией и клетка изобилует подобными «экстравертивными» белковыми структурами.

В итоге минус и плюс притягиваются и полноразвернутые «экстравертивные» белки клетки образуют динамическую структуру воды, отличную от свободной (грубая визуализация на рисунке ниже).

В виде чередования NH- и CO-групп мы имеем геометрически правильное чередование отрицательно заряженных CO-групп (N-центры, отрицательные центры) и положительно заряженных NH-групп (P-центры, положительные центры).

Дипольный момент воды в вакууме равен 1,85 дебая. Но в зависимости от молекулярных контактов эта величина меняется. Так дипольный момент воды в жидком состоянии (2,9 дебая) выше, чем в газообразном состоянии. В присутствии других диполей или зарядов степень поляризации диполя обычно возрастает.

Все N- и P-центры полипептидной цепи, расположенные в правильном порядке, доступны воде, если белковая молекула полностью развернута. Взаимодействие этих центров с водой дополнительно ее поляризует, делая водородные связи с молекулами более прочными, а NP-матрица белка определяет структуру первого слоя связанной воды таким образом, что дипольные моменты соседних молекул направлены в противоположные стороны. Этот слой, представляющий в свою очередь упорядоченную матрицу из полюсов диполей, адсорбирует следующий слой воды, дипольный момент которых при этом также возрастает. Формирование многослойной структуры будет продолжаться до образования мощной динамической структуры поляризованных и ориентированных в пространстве молекул воды, «скрепленных друг с другом» более прочными водородными связями, чем в обычной воде. Некий стоп-кадр этой ситуации показан на рисунке ниже.

Ассиметрия зарядов в молекуле воды усиливается, а ее дипольный момент возрастает. Эта дополнительная поляризация и объясняет все физические свойства связанной воды. Главным фактором усиления дипольного момента является полипептидный остов белков. Чем большая его часть доступа воды, тем большая ее часть будет модифицирована.

В клетке (эксперимент был на мышечном волокне лягушки) толщина слоя поляризованной воды между соседними полноразвернутыми цепями белков составляет в среднем шесть молекул. Этого хватает, чтобы связать всю воды внутри клетки и превратить ее в динамическую структуру.

Возвращаясь к конформации белков, хочется сказать, что большинство нативных глобулярных белков, а также ряд денатурированных белков относятся к интровертивным моделям, так как NH- и СО-группы их полипептидной цепи включены в α-спиральные и β-складчатые конформации и становятся недоступными воде.

Давайте коротко:

  • вода – диполь, обладает дипольным моментом, который увеличивается в присутствии других диполей;
  • в полноразвернутой конформации белков CO- (негативные) и NH-группы (положительные) доступны воде и приводят к ее дополнительной поляризации;
  • первый слой связанной воды поляризует следующий и так в среднем до 6 молекул;
  • вся вода в клетке связана (дополнительной поляризацией) и обладает характеристиками, отличными от обычной воды.

Что это всё значит и какими характеристиками обладает связанная вода в клетке (и не только) поговорим в другой раз. Хорошего понемногу)

P.S. Немного забегая вперед, приведу пример полноразвернутой белковой структуры. Желатин (рисунок ниже). Как видите в желатине поляризованные CO- и NH-группы доступны воде.

Рецептор под кислотой

Так называется короткая статья в январском номере Cell.

Опущу все специфические подробности. Серотониновые 2А рецепторы (5-HT2A) — основные виновники «психоделических» эффектов серотонергических галлюционогенов.

Основной вывод данного исследования состоит в том, что есть вещество будет аффинитивно 5-HT2B рецепторам, то время действия значительно продляется. Как, например, у ЛСД. Среднее время действия которого 12 часов, а период полураспада 3,5.

Это же актуально для Bromo-DragonFLY, со временем действия в районе полутора суток.

В обоих случаях «решаем» аминовый «хвостик» в нужном месте.

P.S. LSD — запрещенное к употреблению и распространению на территории России вещество. Данное исследование показывает как можно можно продлять действие того или иного психоактивного лекарства, делая его аффинитивным 5-HT2BR. Это может быть и лекарство от болезни Паркинсона, допустим. Но исследователям ближе то, что ближе)

Кето-диета и функция щитовидной железы у детей-эпилептиков

Существует мнение, что низкоуглеводные диеты ингибируют функцию щитовидной железы. В частности снижается концентрация Т3. Некоторые энтузиасты даже пытались это объяснить, почему Т3 неизбежно снижается на кето, и почему у этого есть и плюсы.

Когда почти год назад я делал обзор побочных эффектов кетогенной диеты, никакие научных данных на этот счет не было.

В январе 2017 появилось первое исследование по этой теме. Changes of thyroid hormonal status in patients receiving ketogenic diet due to intractable epilepsy.

Дети с эпилепсией неясного происхождения, которая показала себя резистентной как минимум двум лекарствам, — основная группа пациентов, для которых сейчас используют кето-диету. Если помните мой обзор побочных эффектов, то камни в почках, ацидоз и другие побочные эффекты кето-диеты логичнее относить к нежелательным явлениям анти-эпилептических лекарств (заявленных я инструкциях). Поэтому всегда надо держать в голове, что речь о детях: а) эпилептиках, б) как правило с историей принятия анти-эпилептических лекарств с щитовидным и прочими побочками.

Исследование

120 детей с эпилепсией различной этиологии. Сидели на классической кето-диете (жиры к остальному 4:1 или 3:1). Кетоны в крови были 4-5 ммоль. Основным источником жира было оливковое масло. На кето-диете дети были 12-18 месяцев (9 из них даже 2 года). Детей ранжировали на нормальных (88,3%, 106 пациентов, ТТГ меньше 5 mIU/L) и группу риска (11,7%, 14 пациентов, ТТГ больше 5 mIU/L) по уровню ТТГ.

Осложнения в виде гипотиреоза были у 10 здоровых (9,4%) и 10 детей из группы риска (71,4%). В случае гипотиреоза детям давали L-тироксин.

У всех детей (в том числе в группе нормы) ТТГ поднялся в первый месяц кето, а уровень свободного Т3 снизился. К 3-му месяцу в группе нормы значения ТТГ вернулись к изначальным, значение свободного Т3 восстановились, но до конца диеты так и не вернулись к изначальным.

Важно оговориться, что ряд анти-эпилептических лекарств нарушает функцию щитовидки (исследователи тоже об этом напоминают), потому эти результаты нельзя экстраполировать с детей-эпилептиков на здоровых взрослых.

Закончу на позитивной ноте. На кето-диете у 55 детей из 120 (45,8%) эпилептические приступы прекратились, у 46 (33,3%) количество приступов на кето-диете снизилось более чем в 2 раза, у 19 (20,9%) детей количество приступов снизилось менее, чем в два раза.

Исследование небольшое для точных процентовок, потому везде указываю абсолютные значения.

Очевидный вывод. Перед долгосрочной кето-диетой сдавайте гормоны щитовидки и на самой кето или безуглеводной диете употребляйте адекватное (не минимально рекомендуемое) количество йода.

Бросаем курить: варениклин против псилоцибина

По данным ВОЗ от курения ежегодно умирают более 6 млн человек.  Среди психически нездоровых людей курение количество курильщиков значительно выше, чем у нормальных. Например, среди шизофреников количество курильщиков доходит до 75% [1].

Давайте посмотрим, что есть у современной медицины, чтобы усилить когнитивно-поведенческую терапию или помочь бросить курить без поддержки психолога.

Варениклин (чантикс)

Варениклин – это препарат компании Пфайзер (создатели виагры), одобренный FDA в 2006 году для лечения курения. Он обещает результаты до 20% лучше, чем никотин-заместительная терапия или лекарства предыдущих поколений [1].

По механизму работы чантикс – частичный агонист α4β2 никотиновых ацетилхолиновых рецепторов в мозгу.

В 2016 году вышло крупное исследование (под эгидой Пфайзера) о безопасности варениклина и его нежелательных явлениях, применительно к человеческой психике. У чантикса были серьезные побочные эффекты со стороны психики, исследование Пфайзера было призвано сказать что-то весомое по этому вопросу.

Так как исследование было спонсировано самим Пфайзером, то смотреть его нужно куда более тщательно, чем обычно.

Изначально выбрали 11 186 людей, из который к моменту начала часть отсеяли сами исследователи из-за несоответствия критериям (каким не указано, возможно было слишком «психами»), часть отказалось. К началу исследования дошло 8 144 человека. Большая цифра. Хотя уже на этом этапе заметно, что трети изначально отобранных объявили отвод. С натяжкой, но это уже можно интерпретировать как манипуляцию результатами.

Дальше схема была простой. Чантикс или что-то другое – и через неделю бросайте курить. Курение проверяли вопросником, дыхательным тестом на монооксид углерода, побочные явления на психику скринили в соответствии с критериями DSM-IV-TR.

Курильщиком считался человек с показаниями монооксида углерода от 10 миллионных долей (ppm). Если от респондента не приходил опросник за неделю, то в результатах этой недели записывались результаты последующей (хе-хе). Если же не была опросника за последнюю неделю, то тогда уже человека считали курильщиком. При наличии опросника, но без теста дыхания, результаты последнего приравнивались к показателям ниже 10 ppm.

Из результатов берем самый дальний – 24 недели. Через 24 недели результаты чантикса было 21,8% бросивших курить. Побочных эффектов со стороны психики было 32% у здоровых людей, 39% у «психиатрической» группы. Держите в голове, что методология исследования такова, что успех чантикса завышен, а число побочных эффектом занижено фильтром участников исследования на старте.

Я понимаю, что Пфайзеру нужна была как можно большая выборка для исследования побочных эффектов, но для оценки эффективности варениклина лучше бы подошло лонгитюдное исследование (от 2 лет), даже на значительно меньшую группу. То есть это исследование хорошо описывает что ждать в плане потенциальных побочных эффектов со стороны психики и с какой вероятностью. Но в плане эффективности чантикса и соотношения пользы и вреда – только ставит дополнительные вопросы.

Псилоцибин

Вначале года вышло исследование Университета Джона Хопкинса о долгосрочном эффекте псилоцибина на прекращение курения.

Псилоцибин – частичный агонист 2A-серотониновых рецепторов и относится к группе сероторнергических галлюциногенов (запрещен в России). Псилоцибин (синтетический), не в форме грибов, конечно же, сейчас приходит испытания как лекарство от депрессии терминально больных людей (например) и для лечения зависимостей.

Исследование пилотное (15 человек). Сразу хочу заметить, что годовые расходы MAPS, одной из ведущих организацией, связанных с психоделиками, составляют $3,2 млн, а Пфайзер только на размещения ТВ-рекламы чантикса в США потратил $68,5 долларов. Сравниваю цифры 2015 года. Миллиардные возможности большой фармы и научная организация, на треть финансируемая обычными людьми, поддерживающими ее. Но вернемся к исследованию.

Через год 67% участников не курили. Это проверялось тестом на дыхание (6 ppm, более строгий критерий, чем у Пфайзера) и тестом мочи. Через 2,5 года 60% испытуемых не курили.

87% испытуемых считали, что псилоцибин был одним из самых важных опытов в их жизни. И качество жизни в целом участников исследования улучшилось после принятия вещества.

Псилоцибин VS чантикс

Тут сложно сравнивать «апельсины с апельсинами», но давайте попробую. Будет определить победителя по отдельным критериям и смотреть картину в целом.

Критерий Варениклин Псилоцибин Победитель
Выборка 8 144 15 Варениклин
Продолжительность Полгода Год Псилоцибин
Точность проверки Анкета, дыхание (10 ppm) Дыхание (6 ppm), моча Псилоцибин
% эффективности 21,8% 67% Псилоцибин
% побочных эффектов со стороны психики 32% (у здоровых) До 10% (тяжелый опыт в процессе) Псилоцибин
Качество жизни после Не лучше Заметно лучше Псилоцибин

Выборкой варениклин не может выиграть за явным преимуществом. Тем более в процессе отбора участников, на мой взгляд, были определенные манипуляции, чтобы уменьшить количество потенциальных побочных эффектов.

У псилоцибина был 30-месячный фаллоу-ап, на который Пфайзер вряд-ли пойдет, учитывая что количество абсистентных участников с 3 до 6 месяцев падало с 31% до 21%. К году, вероятно, будет и того меньше, даже при значительных вольностях с проверкой курильщиков.

По количеству побочных эффектов со стороны психики напрашивается аналогия варениклина со статинами, которые помогают в 1% случаев, а приводят к серьезным нежелательным явлениям в 5% случаев.

Не смотря на маленькую выборку, % эффективности псилоцибина кажется очень интересным и напрашивающимся на дальнейшие исследования.

  1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27986524
  2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27986524
  3. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27441452
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27909165

Голодание: молекулярные механизмы и клиническое применение

Fasting: molecular mechanisms and clinical applications

Как я уже говорил ранее, кето-диета была создана в 1921 году как способ имитировать голодание и его бонусы для здоровья. Для этих же целей можно использовать периодическое голодание. Один из видных исследователей этого поля является Вальтер Лонго, его обзорное исследование 2014 года, я хочу изложить в тезисах.

Простые организмы

  1. E. coli при переносе из питательного раствора в безкалорийный живет в 4 раза дольше. Эффект обращается добавлением нутриентов, но не ацетата. Так как ацетат – источник углерода, связанный с голоданием. Как видим, даже у одноклеточных организмов есть подобие альтернативных источников энергии и углерода на период голодание. Сразу напрашивается аналогия между глюкозой/кетонами у млекопитающих.
  2. S. cerevisiae (пекарские дрожжи) при смене питательного субстрата на воду живут в 2 раза дольше, также у них усиливается сопротивление ряду внешних стрессоров. Деактивация ряда сигнальных путей при голодании приводит к активации защитных транскрипторных факторов, в том числе влияющие на супероксиддисмутазу (защищаешь организм от реактивных видов кислорода) и белки термо-шока.

Во время голода бактерии и дрожжи аккумулируют кето-подобную уксусную кислоту.

  1. C. elegans (нематоды) тоже увеличивают продолжительность жизни во время голодания. А вот мухам голодание не продляет жизнь. Ограничение калорий продлевает жизнь дроздофиле, но к коротким периодам голодания они чувствительны.

Адаптация у млекопитающих

Во время голодания млекопитающие переключаются на глюкозу не из печени, кетоновые тела и свободные жирные кислоты. Кетоновые тела создаются из ацетил-КоА, созданного бета-оксидацией жирных кислот в гепатоцитах и конвертацией кетогенных аминокислот. В период голодания к глюкозе добавляют ацетоацетат и бета-гидроксибутират.

После опустошения печеночного гликогена печень с помощью глюконеогенеза синтезирует примерно 80 грамм глюкозы в день, которые утилизируются в основном в мозге. Большинство людей могут без еды прожить больше 30 дней. Королевские пингвины, например, больше 5 месяцев. Мозг тоже переходит на потребление кетонов в период голодания.

У дрожжей глюкоза, уксусная кислота, этанол, но не глицерин ускоряют старение. Глицерин, таким образом, источник углерода, который утилизируется клетками, но не ускоряет старение. То есть различные источник углерода в период голодания влияют на клеточную защиту и старение. Кетоны и свободные жирные кислоты замедляют клеточное старение у млекопитающих.

Голодание и мозг

У млекопитающих серьезное ограничение калорий или отсутствие еды приводит к снижению размера большинства органов, но не мозга. С эволюционной точки зрения это говорит о том, что поддержание когнитивной функции в период голодания является первоочередной задачей. Ряд поведенческих черт животных лучше проявляется, когда они голодные и приглушены, когда они сытые.

Грызуны во время прерывистого голодания (IF) лучше проходят тесты на сенсорные и моторные функции. Это улучшение поведенческих характеристик ассоциируется с синаптической пластичностью и усиленным производством новых нейронов из нейронных стволовых клеток. Также сейчас внимательно следят за ролью нейротрофического фактора мозга (BDNF) в этих процессах, так как этот фактор модулирует аппетит, активность, периферийный метаболизм глюкозы и автономный контроль сердечно-сосудистых и гастроэнтерологических систем.

Ограничение калорий (CR) значительно повышает концентрацию адипонектина (гормон, синтезирующийся жировой тканью, кардиопротекторный эффект), подавляет рост опухолей. Грелин во время голодания престарелых мышей улучшает синтез тимоцитов и функцию периферийных Т-клеток.

Имеет место периферийная эндокринная адаптация к голоду с помощью NPY-пептида, и его активности в гипоталамусе.

Имеем: эндокринную адаптацию, стимуляцию иммунных клеток, увеличение активностей нейронных сетей мозг, связанных с BDNF, улучшается синаптическая пластичность – улучшается способность противостоять стрессу.

Голодание, старение и болезни у грызунов

Старение и различные виды голодания

С мышами экспериментируют двумя видами голодания: прерывистое голодание (IF), периодическое голодание (PF) [далее по тексту я не особо затрудняю себя точностью определениях тех или иных форм голодания – очень уж похожи]. Прерывистое (intermittent fasting) – это циклы голодания обычно по 24 часа с промежутком в один-несколько дней. Периодическое голодание – циклы голодая в 2 и более дней с перерывами как минимум неделю (пока мыши восстановят нормальную массу). Разница в молекулярных изменениях, вызванных различными режимами голодания. У IF более части, но менее сильные эффекты, чем у PF.

Голодание через день в зависимости от особи продлевает жизнь вплоть до +80%. Прерывистое голодание через день работает на мышей лучше, чем голодание каждый 3-й или каждый 4-й день. IF + беговая дорожка продлевают мышам жизнь дольше, чем каждая из опций по-отдельности. После 10 недель периодического голодания (3 дня подряд в неделю) крысы были менее склонны к гипогликемии после 2 часов силовых плавательных нагрузок, так как они больше аккумулировали мышечного гликогена и триглицедиров.

Эффекты голодания схожи с эффектом аэробных нагрузок: увеличение чувствительности к инсулину, сопротивление клеточному стрессу, снижение кровяного давления, частоты сердечного ритма, улучшения вариабельности сердечного ритма и улучшения парасимпатического тонуса. Физические нагрузки и IF замедляют некоторые возрастные болезни за счет общего механизма клеточной адаптации.

Голодание (IF) у старых мышей приводило к снижению продолжительности жизни. Если практика начиналась с юных лет, то она либо увеличивала продолжительность жизни, либо не меняла.

В общем если во время голодания поддерживается нормальный вес и если экспериментируют на молодых и зрелых (но не старых) мышах, то эффект увеличения продолжительности жизни от голодания есть. Какие периоды голодания лучше всего продляют жизнь – пока до конца не ясно. Тут важно заметить, что большинство видов мышей не живут дольше 3 дней без еды.

Голодание и рак

Голодание через день значительно снижало инциденты лимфом у мышей и голодание 1 день в неделю замедляло спонтанный онкогенез у p-53 (ген, подавляет опухоли) дефицитных мышей. Тут важно заметить, что голодание сопровождалось снижением инсулина, глюкозы, ИФР-1, клеточной смертью и/или атрофией в большом количестве тканей и органов, в том числе печени, почек, и в период рефидов в этих тканях была абнормальная пролиферация. Когда мы соединяем это пролиферацию и канцерогены, то это может способствовать канцерогенезу и образованию предраковых повреждений и тканей.

Голодание в течение 2-3 дней защищало мышей от набора химиотерапевтических лекарств. Этот феномен называется differential stress resistance (DSR). Клетки рака снижают сопротивляемость стрессу, потому не способны защитить себя от последствий голодания. Также голодание увеличивает чувствительность клеток рака к химеотерапии. Differential stress sensitizing (DSS) – избирательное повышение чувствительности, основано на знании того, что в раковых клеток есть множество мутаций, позволяющих им активно размножаться в стандартных условиях, но делающих их менее живучими в экстремальных условиях. Химиотерапия и голодание повышают шанс выживания с последующих отсутствием рака на 20-60% лучше, чем химиотерапия или голодание по-отдельности. Гипотеза предыдущих лет, что рак можно победить голоданием – лишь частично правда. Так как это эффективно для одних типов рака и неэффективно для других.

Голодание и нейродегенерация

По сравнению с мышами без ограничения в еде, в мышах с IF реже встречались нейронные дисфункции и нейродегенерация, и проявлялось меньше симптомов болезней Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона. В том числе среди мышей, генетически предрасположенных к этим заболеваниям. С эпилепсией такая же история.

Голодание снижает оксидативный стресс, улучшает клеточную биоэнергетику, улучшает сигнальную функцию различных нейротрофических факторов и снижает воспаление.

Периодическое голодание (IF) может способствовать восстановлению цепи поврежденных нервных клеток, стимулируя образование синапсов и новый нейронов из нейронных стволовых клеток.

Но при некоторых заболеваниям (например, ALS) голодание усиливает нейродегенеративные процессы, так как моторные нейроны не могут адаптироваться к стрессу голода.

Голодание и метаболический синдром

Метаболический синдром (МС) – ожирение, невосприимчивость инсулину, больше триглицеридов, давление, больший риск ССЗ, диабета, инсульта, болезни Альцгеймера. Мыши с неограниченной диетой с возрастом пришли к подобному фенотипу. В юных мышах можно добиться подобного, кормя их комбинацией большого количества жиров и простых сахаров.

Голодание обращает все аспекты МС у грызунов. Голодание в течение 1-3 дней также снижает урон инсульта печени и почкам.

Интересно то, что подобного эффекта можно добиться, убрав из рациона только трипфотан, незаменимую аминокислоту.

При ожирении у нас повышенные показатели инсулина и лептина, сниженные адипонектина и грелина. Голодание повышает чувствительность к инсулину и лептину, подавляет воспаление, стимулирует аутофагию, может приводить к положительным изменениям в кишечной микробиоте. С людьми сложность в том, что люди с ожирением часто не хотят голодать.

Голодание, старение и болезни людей

Голодание и старение

Клинические и эпидемиологические данные последовательны и говорят о том, что голодание заменяет процессы старения и ассоциированные с этим болезни. Эти же процессы ускоряются при чревоугодном образе жизни. Речь идет о:
1) оксидативном повреждении белков;
2) воспалении;
3) накоплении дисфункциональных белков и органелл;
4) повышенных глюкозе, инсулине, ИФР-1, хотя и дефицит ИФР-1 может быть связан с некоторыми патологиями.

Клинические признаки оксидативного стресса снижаются через 2-4 недели у астматиков при голодании через день. У женщин с избыточной массой тела и раком груди голодание 2 дня в неделю снижало оксидативный стресс и воспаление, а у пожилых людей снижало массу тела, количества жира и улучшало настроение. Дополнительными потенциальными антивозрастными эффектами можно считать подавление пути mTOR, стимуляцию аутофагии и кетогенеза.

К основным антивозрастным эффектам голодания относится снижение уровней ИФР-1, глюкозы и инсулина. Голодание от 3 дней снижает от 30% количество циркулирующего инсулину и глюкозы, также приводит к резкому снижению ИФР-1, повышенные значения которого вместе с повышенным инсулином ассоциируются с ускоренным старением и раком. Голодание в течение 5 дней снижает ИФР-1 на 60% и в пять раз повышая концентрацию ингибирующего ИФР-1 белка IGFBP1. Этот эффект на ИФР-1 обусловлен в основном белковым голоданием, в частности снижением незаменимых аминокислот. Однако ограничение калорий и снижение инсулина также способствует снижению ИФР-1. У людей ограничение калорий не снижает ИФР-1, если не связано с ограничением количества поступающих белков.

Эффект периодического голодания выше, чем у ограничения калорий и связан с меньшим количеством рисков из-за недоедания.

Голодание и рак

Потенциально голодание может быть полезно для раковых больных, но нет клинических данных об эффекте IF и PF в предотвращении рака. Снижение инсулина, глюкозы и ИФР-1 вместе с увеличенной концентрацией кетонов может создавать защитное окружение для поврежденной ДНК, снижать канцерогенез, в тоже время создавая враждебную среду для опухолей и предраковых клеток.

Повышенный уровень ИФР-1 ассоциируется с повышенным риском развития некоторых видов рака (привет стероидникам, даже ссылки дам: Чен и коллеги 2000, Джииованнучи 2000, Йоон и коллеги 2015 итд). И индивиды с дефицитом рецепторов ГР редко болеют раком.

Голодание повышает шанс того, что клетка с поврежденной ДНК самоуничтожится (апоптоз), тем самым защищает от предраковых клеток.

Голодание и нейродегенерация

Понимание воздействия голодания на когнитивные способности и нервную систему основывается сейчас на животных моделях (см. выше). После 3-4 месяцев ограничения калорий улучается вербальная память у женщин с избыточным весом и у пожилых людей. Пациенты с незначительной умственной недостаточностью после месяца гипогликемической диеты демонстрируют улучшения визуальной памяти, улучшенные биомаркеры спиномозговой жидкости (AB-метаболизм), улучшенные показатели биоэнергетики.

Голодание, воспаление и повышенное давление

Во время голодания (3 недели) воспалительные процессы и боль при ревматоидном артрите сокращаются. Но при возвращении к обычной (стандартной американской) диете симптомы РА возвращаются, только если диета не становится низковоспалительной (в исследовании вегетарианская как таковая).

Комбинация голодания и изменения диеты давало результаты, которые длились 2 года или более. Таким образом, голодание + изменение диеты отлично подходит для больных ревматоидным артритом. И это довольно качественные исследования, потому что у базового было как минимум 4 контрольных, всё с последовательными результатами, что для диетологии и питания – большая редкость.

Периодическое голодание снижает TNFα и керамиды у астматиков в течение 2 месяцев IF. Водное и другие виды голодания снижают повышенное давление. В среднем в течение 13 дней водного голодания систолическое давление падает ниже 120 у 82% испытуемых с пограничной гипертонией. При возврате диеты результаты держатся около 6 дней.

Голодание и метаболический синдром

Результаты аналогичны мышиным. Голодание снижает все маркеры метаболического синдрома. Диабет меньше распространен у тех, кто не практикует формы голодания. У здоровых молодых людей (ИМТ 25) IF улучшало забор глюкозы, повышало концентрацию кетонов и адипонектина, без значимой потери веса.

Периодическое голодание позволяет улучшить метаболизм глюкозы без потери веса.

Заключение

Различные режимы голодания используются, чтобы получить положительные эффекты, при этом нивелируя вред продолжительного голодания.

Голодание улучшает чувствительность к инсулину, понижает кровяное давление, количество жира, ИФР-1, инсулин, глюкозу, атерогенные (вредные) липиды и воспаление. Голодание может помочь в целом наборе заболеваний и в борьбе с их последствиями: инфаркт миокарда, диабет, инсульт, нейроденегеративные болезни и так далее.

Основной механизм – адаптация организма к стрессу голодания, что позволяет справляться с большим стрессом (болезнью). Также голодание защищает ДНК от повреждений, подавляет клеточный рост, усиливает апоптоз поврежденных клеток, может замедлять/предотвращать развитие раковых клеток.

Но профильные исследования не проводились на детях, стариках, чрезмерно худых индивидах – голодание может быть потенциально для них опасно. Продолжительное голодание (от 3 дней) должно проходить под наблюдением врача.

Периодическое голодание (даже 12-24 часа) вместе с регулярными упражнениями – хорошая комбинация для большинства людей.

В клинической практике режим голодания должен подбираться в зависимости от болезней как самостоятельная или дополнительная терапия.

Периодическое голодание может не иметь эффекта увеличения продолжительности жизни при сохранении обычной диеты, лучше попробовать низкобелковую средиземноморскую или окинавскую диеты (0,8 грамма белка на 1 кг веса).

Энергетика сложности генома

Энергетика сложности генома
Короткая, но очень интересная теоретическая статья.

С обывательской точки зрения, жизнь — это сложные многоклеточные формы. То есть эукариоты.
С ядерными организмами был вопрос из серии «курица или яйцо»: сложность организма позволила ему обрести митохондрии или митохондрии позволили более сложной форме жизни появиться.
Статья как раз о том, что для более сложного генома нужны принципиально другие энергетические ресурсы, чем у доядерных. Тезисы ниже.

Все эукариоты произошли от одного предка.
То есть это такое редкое событие, что за 4 млрд лет оно произошло 1 раз (как точно — до сих пор спорят; общий консенсус, что был эндосимбиоз, но я сейчас не об этом вообще).

На репликацию генов тратится только 2% всего «энергетического бюджета» клетки;
На синтез белков уходит 75% энергии клетки;
То есть увеличить геном в 10 раз можно (если большие прокариоты с большим количеством ДНК), но цена экспрессии этого ДНК значительно большая.
у E. coli до 13 тысяч рибосом, только в эндоплазмическом ритикулуме клетки печени человека 13 млн рибосом.

Наличие митохондрий по расчетам исследователей позволяет в 200 000 раз увеличить экспрессию генов.
Без мощной «энергостанции», которая будет все это питать, это невозможно. Что блестяще показывают авторы исследования.
Получается, что митохондрии — основа всей многоклеточной жизни.

Поток энергии не может прекращаться. Митохондрии должны моментально реагировать на любые изменения потенциала мембран, поэтому у энергостанций свой ДНК, мтДНК.

Кислород сам по себе (без митохондрий) не может объяснить процессов появления многоклеточной жизни. Митохондрии не защищают клетки от кислорода.
Более того, кислород реактивен только в присутствии доноров электронов. Чего как раз в митохондриях предостаточно (отсюда реактивные виды кислорода и супероксиды в митохондриях).

Протокол закаливания от Джек Круза

Оригинал. Ниже мой перевод с небольшими правками (чтобы мне самому было проще и понятней).

Протокол закаливания Круза и как начать закаливаться от него же.

Как закаливание и лептин связаны друг с другом?

  • Когда кожа подвергается воздействию холода, сигналы гипоталамуса приводят к клеточной смерти (апоптозу) подкожной жировой ткани без вреда коже и мышцым;
    • Это означается что воздействие холода стимулирует чувствительность к лептину;
  • Закаливание стимулирует конвертацию белого жира в бурый (способный генерировать тепло).

Какие шаги помогут правильно закаливаться?

  • Съешьте высоко жировое и/или белковое блюдо;
  • Выпейте 0,4-0,9 литра ледяной воды;
    • Постарайтесь не пить больше 0,9 литра воды, так как закаливание влияет на жажду

Начните с приучения вашего лица к холоду

  1. Охладите воду до 10-13 градусов;
  2. Снимите макияж и другую продукцию с лица;
  3. Опустите лицо в воду насколько сможете;
  4. Остановитесь, когда вам нужно подышать;
  5. Если вы можете держать лицо в воде до того момента, когда вам нужно забрать воздух, двигайтесь дальше.

Купите компрессионную футболку, поместите на нее 10-20 кг льда (в двойной упаковке, чтобы не протек), не на кожу. Попробуйте продержать лед хотя бы 5 минут на себе. С каждой новой сессией добавляйте дополнительные 5 минут пока не дойдете до 60.

  1. Если вы можете выдержать 60 минут, помещайте пакеты со льдом прямо на кожу;
    1. Оба эксперимента проводите в помещении, где вы можете контролировать температуру воздуха;
    2. Ваша кожа должна становиться розовой или вишнево-красной. Если кожа белеет, немедленно примите теплый душ и проверьте соотношение омега-6 к омега-3 в крови. Оно должно быть меньше 10 к 1.
  2. Если вы можете вытерпеть ледяные пакеты прямо на вашей коже, переходите к следующему пункту.

Время ванных процедур

  1. Заполните ванную холодной водой;
    1. Оденьте шапку, носки, перчатки, чтобы защитить конечности;
  2. Когда сможете терпеть холодную воду из-под крана, добавляйте 10 кг льда;
  3. Как только вы адаптировались ко льду, то снимайте шапку, носки, перчатки;
  4. Контролируйте температуру поверхности кожи, она не должна падать ниже 10-13 градусов;
  5. Цель – провести 45 минут в ледяной бане;
  6. Можно добавить 10 дополнительных килограмм льда, если ваш организм это выдерживает.

Бета-гидроксибутират и мозг

β-Hydroxybutyrate in the Brain: One Molecule, Multiple Mechanisms

Бета-гидроксибутират (BOHB) – это кетоновое тело, наш основной источник энергии во время голодания и кето-диеты.

До 70% всех кетонов приходится на BOHB.

Синтезируется этот кетон в митохондриях печени из оксидации жирных кислот и жировой ткани, человеческого молока или из кетогенных аминокислот.

Бета-гидроксибутират также может быть синтезирован эндогенно астроцитами.

Вне голодовки кето-диеты концентрация BOHB в плазме в среднем 0,04 ммоль/литр. Голодание от недели 5-6 ммоль, кетоацидоз примерно 25.

В нейроны BOHB доставляют монокарбоксилат-транспортеры (MCT1, MCT2, MCT4, SMCT1). Все они (кроме MCT2) имеют низкую аффинитивность с BOHB, но аффинитивность сильно возрастает при голодании и кето-диете.

Как бета-гидроксибутират попадает в митохондрион до конца не определено [хотя теория ассоциации-индукции Линга это объяснить позволяет]. Забирают митохондрии примерно 50% этого кетона при концентрации 0,9 ммоль, что довольно много.

ВАЖНО!!! BOHB улучшает окислительно-восстаносительный потенциал NAD+/NADH пары с -280 до -300 mV (исследование на митохондриях сердец крыс). Оксислительно-восстановительный потенциал (Redox Potential)  — это количество электронов (читайте энергии), которое субстанция может отдать/забрать. В данном случае получается, что при банальной замене глюкозы на кетоны ваши митохондрии начинают работать на 5-7% эффективнее.

L-изомер BOHB не способствует дыханию митохондрий (выработке энергий).

Далее в статье идет разбор генетических заболеваний, связанных с энзимами, необходимыми для метаболизма кетонов. Эти заболевания очень редки (30 случаев с 72 года, 11 случаев в 88 итд). Но можно запомнить энзимы, которые необходимые для метаболизма кетонов. BHD, SCOT (3-axoacid-CoA transferase), T2 (acetoacetyl-CoA thiolase).

C 73 года (Лиус Соколофф) речь идет о том, что роль глюкозы как топлива мозга стоит пересматривать. В развивающемся мозге кетоны – предпочтительное топливо.

Все типы клеток мозга могут использовать кетоны в качестве топлива.

Вышеперечисленные энзимы активней всего проявляются в астроцитах.

BOHB позволяют поддерживать базовые энергетические потребности мозга.

BOHB увеличивает концентрацию Acetyl-CoA, но снижает концентрацию «свободного» коэнзима А. В астроцитах снижает преобразование глутамата в аспартат, снижает концентрацию аспартата. Повышает уровень цитрата (в астроцитах), что в свою очередь подавляет глутамин синтетазу.

В нейронах снижает синтез нейтротрансмиттера глутамата.

Снижает производство реактивных видов кислорода в комплексе 2.

Меняет активность К+-АФТ каналов, что снижает потребность в глюкозе и также имеет нейропротекторный эффект. Увеличивает концетрацию Ca2+, BOHB модулирует симпатическую активность.

Улучшает защиту от оксидативного стресса, ингибируя различные ферменты гистонов.

Снижает воспалительные процессы, созданные иммунной системой.

Подытожу.

BOHB:

  • более энерго-эффективное топливо, чем глюкоза;
  • могут поддерживать функцию нейронов);
  • активней всего генерируются в астоцитах (с последующей отправкой в нейроны с помощью MC-транспортеров);
  • создают меньше реактивных видов кислорода, защищают от оксидативного стресса и имеют ряд серьезных нейропротекторных эффектов;