Дейтерий, вода и кето-диета

Дейтерий – стабильный изотоп водорода. Водород состоит из 1 протона и 1 электрона, дейтерий же состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона. Он иногда образуется при взаимодействии двух атомов водорода.

Физические свойства дейтерия и воды с содержанием дейтерия (HDO, D2O) будут несколько отличаться.

Дейтерий обладает большей массой и иным спином, чем традиционный водород, поэтому вода, где вместо водорода у нас дейтерий связан с кислородом, будет отличаться по своим физических характеристикам.

За счёт иных физических параметров дейтерий будет воздействовать на метаболизм всего организма. Обычно это объясняется такими феноменами как кинетический изотопный эффект и химический изотопный эффект.

В частности, дейтерий образовывает более сильные гидрофобные связи, чем водород. Что прекрасно известно в фармацевтической промышленности, где дейтерий используют, например, для увеличения продолжительности действия лекарства (пример – мнн deutetrabenazine).

Дейтерий и продолжительность жизни

На скриншоте наш экс-соотечественник Роман Зубарев на примере кишечной палочки демонстрирует как дейтерий влияет на скорость роста организма.

Концентрация дейтерия в клеточной воде примерно 155 частиц на миллион (ppm) [частиц водорода].

Из его выступления можем сделать вывод, что у живой клетки есть некое оптимальное окно концентрации дейтерия. И при повышении концентрации дейтерия происходит скачек роста. Применительно к нам это означает более быструю смерть (хотя бы только за счет того, что теломеры могут делиться лишь конечное число раз, то есть наша ДНК не может реплицироваться вечно) и метаболические проблемы (вплоть до рака).

Основа всей выработки энергии: вращение АТФ-синтазы за счет H+ градиента. Более тяжелый D+ будет замедлять вращение АТФ-синтазы, соответственно снижая выработку АТФ. Снижение дыхательной функции митохондрий (то есть снижение выработки АТФ в процессе окислительного фосфорилирования) приводит нас прямиком к теме рака как метаболической болезни.

Дейтерий и метаболизм

Чтобы не растекаться мыслью по древу:

  • Дейтерий за счет иных физических свойств оказывает иной физический и химический эффект в том числе на ДНК и NADPH (мощный клеточный восстановитель, redox);
  • Соотношение D/H влияет химический связи и такие эффекты как протонный туннелинг, что в итоге имеет ряд последствий, начиная с немного отличных свойств D2O воды, заканчивая воздействием на структуру и функции сигнальных белков, отвечающих за рост;
  • Снижение концентрации дейтерия – замедление роста, повышение – ускорения роста;

Дейтерий, цикл Кребса, пентозо-фостатный пусть и кето-диета

дейтерий

Примечательно, что жировые кислоты содержат меньшее количество дейтерия [8, ссылки 42-44 в 2].

Цифра – цифра на картинке в красном блоке

  1. Очищение от дейтерия происходит за счет оксидации жировых кислот [с пониженным содержанием дейтерия]. Этот же эффект достигается при активации комплекса 2 митохондрий (голодание, кето).
  2. Повторное использование «легкой воды» происходит в цикле Кребса во время формирования цитрата, изоцитрата, малата;
  3. За счет изменения гидрофобных/гидрофильных взаимодействий дейтерий влияет на стабильность ДНК;
  4. Глюконеогенез также приводит к образованию углеродных соединений с пониженной концентрацией дейтерия;
  5. Когда клетка демонстрирует эффект Варбурга ([пре]раковая клетка, подавленное дыхание, которое компенсируется ферментацией), она теряет возможность самостоятельно «очищать» свою воду от дейтерия. Последствием может быть урон ДНК, например. Стратегий снижения концентрации дейтерия становится при подавленной бета-оксидации питье воды с низким содержанием дейтерия (в исследованиях 40-60 ppm).

Выводы:

  • Дейтерий, тяжелая вода и их влияние на метаболизм – интереснейшая и глубокая тема, которую я лишь немного поскреб; тема на стыке физики, химии и биологии, что усложняет ее понимание и потенциальную «популярность» в современной крайне специализированной науке;
  • Дейтерий в повышенной концентрации означает для нас более быстрое старение;
  • Жиры – источник пищи с пониженной концентрацией дейтерия;
  • Организм «очищает» воду матрикса митохондрий во время бета-оксидации, некоторых шагов цикла Кребса и глюконеогенеза.
  • В раковой клетке подобное очищение подавлено, а повышенная концентраций дейтерия будет способствовать росту злокачественной опухоли. Пить воду с низкой концентраций дейтерия (40-60 ppm) – альтернативная и дополнительная метаболическая терапия.

Источники:

  1. Impact of kinetic isotope effects in isotopic studies of metabolic systems
  2. Submolecular regulation of cell transformation by deuterium depleting water exchange reactions in the tricarboxylic acid substrate cycle
  3. Dipole moment of water from Stark measurements of H2O, HDO, and D2O
  4. Cancer, Ketogenic Diet, Deuterium Depletion & Metabolic Tracing – Dr. Laszlo G. Boros (видео)
  5. Deuterium Depletion Conference 2015. presentations (видео)
  6. Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements
  7. H/D isotope effects in hydrogen bonded systems
  8. Natural deuterium distribution in fatty acids isolated from peanut seed oil: a site-specific study by quantitative 2H NMR spectroscopy
Поделиться:

NAD+ как основной клеточной механизм кето-диеты

NAD+ – это окисленная форма Никотин-амидаденин-динуклеотида (NAD), чья восстановленная версия обозначается как NADH, окисленная как NAD+. Сегодня обсудим:

  • Роль Сиртуина 1 (SIRT1), как мощнейшего регулятора метаболизма (в том числе и бета-оксидации);
  • NАD+ как способ активации SIRT1;
  • Роль кетогенной диеты в активации оси NAD+ > Sirt1 > метаболические изменения;

Сиртуин 1 – мощнейший регулятор клеточного метаболизма

Тему я аккуратно начал в заметке по миметики физической нагрузки. Разберу подробней SIRT1.

Рисунок выше, Сиртуин 1 состоит из 747 аминокислот. NLS – ядерная локализация, NES – ядерные эскпортационные сигналы, P – места фосфорилирования, S – место посттрансляционной модификации SUMO-белками.

Резюмирую выводы о структуре:

  • Белок SIRT1 может проявлять себя как в ядре, так и в цитоплазме клетки;
  • Каталитическая основа величиной в 240 аминокислот с N- и C-терминалами по всей поверхности говорят об значительном потенциале воздействия белка; Остальное разберем по ходу заметки.

SIRT1 – это NАD+ активируемая деацитилаза, действующая в ответ на сигнал недостатка нутриентов. SIRT1 запускает адаптации организма к голоду. Недостаток нутриентов – это несбалансированное соотношение АМФ/АТФ, что априори будет транслироваться повышенным соотношением NАD+/NADH.

Ядерные эффекты SIRT1 (деацетилирование целевых генов приводит к изменению их выраженности):

p53 – антиопухолевый ген, который снижает смертность от рака;

PGC-1α – который запускает процессы митохондриального биогенеза, переключения с углеводов на бета-оксидацию жиров, контролирует анаболизм жира, модулирует роль инсулина и многое другое – наш кето-проводник в контексте заметки; если которого, то стимуляция кислородного дыхания (окислительного фосфорилирования).

Ключевой механизм запуска бета-оксидации и сопутствующих адаптаций к голоду является ось: повышенное соотношение NАD+/NADH > SIRT1 > PGC-1α.

FOXO гены связаны с продолжительностью жизни, их деацетилирование увеличивает продолжительность жизни за счет адаптации к недостатку нутриентов;

CRT2С2 запускает процесс глюконеогенеза; при этом важно помнить, что глюконеогенез потребляет АТФ, что не самая лучшая долгосрочная стратегия, поэтому это саморегулирующийся процесс; Известные многим адептам кето PEPCK и G6P-гены, контролирующие глюконеогенез, активируются (и саморегулируются) осью NАD+ > SIRT1 > CRTCs

Liver C Receptor (LXR) и FOXO блокируют анаболизм жира; С анаболизма на катаболизм жира нас переключает сигнал NAD+ > SIRT1 > PGC1-α > LXP > SREBP-1

Цитозольный цели SIRT1:

AceCS-1 стимулирует расщепление ацетата до ацетил Кофермента А (субстрат для цикла Кребса);

eNOS – расширения кровеносных сосудов для улучшенной доставки нутриентов; То есть дефицит нутриент способствует доставки источников энергии в ткани;

Atgs белки – участвуют в процессе аутофагии.

Пара вещей, чтобы не растягивать заметку:

  • SIRT1 KO-мыши умирали после рождения;
  • У людей с ожирением концентрация SIRT1 снижена;
  • Посттрансляционная модификация (СУМО-илирование) SIRT1 происходит при УФ радиации или повышенной концентрации H2O2 (пероксид водорода, реактивный вид кислорода);

Промежуточный вывод: SIRT1 – ключевой [известный нам] регулятор клеточного метаболизма в ответ на недостаток нутриентов. Изменения белков митохондрий или внешнее воздействие активируют и деактивируют SIRT1, что значимо влияет на адаптацию организму к метаболическому стрессу.

Общие лейтмотивы: окисление жиров, биогенез митохондрий, долголетие, сниженная смертность от метаболических болезней.

NAD+ и кето-диета

SIRT1 активирует повышенное соотношение NAD+/NADH.

Хочу напомнить вам белковые структуры дыхательной цепи переноса электронов и путь жиров и углеводов в дыхательной цепи. В результате полной прокрутки цикла Кребса мы получаем 3 NADH, 1 FADH2. NADH начинают свой путь в Комплексе 1, FADH2 в комплексе II.

Соотношение создаваемых NADH/FADH2 у молекулы глюкозы 5:1, у жиров (в зависимости от длины) примерно 2:1. Повышенное образование NADH при метаболизме глюкозы требует восстановление NAD+. Глюкоза потребляет большее NAD+, мешая тем самым активации SIRT1 и других NAD+ зависимых белков. Глюкоза восстанавливает 111 молекул NAD+ на 1000 созданных АТФ, кетоны восстанавливают лишь 41 NAD+ на 1000 созданных АТФ.

В догонку к этому кето-диета со временем подавляет комплекс I, что как минимум не будет вредить аккумуляции NAD+.

NAD+ > SIRT1 метаболическая ось является основным механизмом действия кето-диеты.

Очевидный вывод: чтобы получить максимум «бонусов» кето-диеты надо недоедать, а совсем не нужно обжираться.

Периодическое голодание, ограничение питания по времени, некоторые фармацевтические препараты делают тоже самое – увеличивают соотношение NAD+/NADH, активируя SIRT1 и запуская каскад адаптаций, положительно сказывающихся на нашем здоровье.

NAD+: синтез, способы повышения, эффекты на здоровье

Ситуация фармакологической имитации голода звучит еще смешнее, чем имитация солнечного света, но с практической точки зрения исследователям надо как-то воздействовать на NAD+, чтобы от теории дойти до действенных рекомендаций.  Поэтому стоит рассмотреть синтез NAD+, на что мы можем влиять, и к чему это воздействие может привести.

Прекурсоры NAD+:

  • Никотинамид (NAM);
  • Никотиновая кислота (NA);
  • Триптофан (Trp);
  • Никотинамид рибосид (NR);
  • Никотинамид мононуклеотид (NMN);

NAM и NAM вместе это ниацин, витамин B3: Яйца, рыба, мясо, молочка, некоторые овощи и зерновые. Молоко источник NR. NMN есть в различной пище, в том числе брокколи, авокадо, говядина.

В еде самой по себе может быть NAD+, который расщепится до прекурсоров, которые будут затем положительно влиять на синтез NАD+. Микробиота в очередной раз говорит нам привет, потому что от нее во многом зависит усвоение NR и NMN.

С прекурсорами много вопросов. В разных тканях одни выражены сильнее других. Например, NA более стабильный прекурсор для почек, NAM для печени. И так как это активное поле исследований без четкого понимания дозировок/эффектов, но я позволю себе не говорить на тему усиления NAD+ > SIRT1 оси за счет добавок.

NAD+

Рисунок выше. Пути биосинтеза NАD+. Первый. De novo (с нуля) из триптофана. Второй Preiss-Handler pathway, также de novo. Из никотиновой кислоты. И третий. Разложение и повторное использование. Отсылаю всех к источнику [4] за большими подробностями.

Важно понимать, что NАD+ активирует не только Сиртуины. Но еще и:

  • ADP-ribosyltransferases, including poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs);
  • cyclic ADP-ribose synthases (cADPRSs)

Одна из гипотетический стратегий поднятия NАD+ – уменьшение потребление NAD+ другими ферментами. Также можно блокировать комплекс I (метформин и другие бигуаниды) и, судя по всему, ресвератрол тоже мешает работе белковых комплексов митохондрий [5].

Но я не сторонник снижения эффективности дыхательной цепи переноса электронов, так как это может негативно сказаться, например, на мышечной массе. Потеря которой является одним из основных признаков старения.

Во время старения концентрация NАD+ снижается: за счет повышенного «спроса» организма на NАD+ и/или за счет ухудшенного синтеза. На текущий момент есть 2 признака здорового долголетия: низкое количество воспалительных процессов и недобор калорий. Ось NАD+ > SIRT1 вполне объясняет второй вариант.

В конце я хочу привести скрины исследования [4].

Известные положительные эффекты и механизмы действия NAD+ прекурсоров

NAD+ и отличительные признаки старения

Выводы

  • Ключевой клеточный механизм кето-диеты – ось NАD+ > SIRT1;
  • SIRT1 регулирует как выраженность тех или иных генов, так и процессы в цитозоле клетки: бета-оксидация жиров, анаболизм жира, глюконеогенез, биогенез митохондрий и многое-многое другое;
  • Чтобы получить все эти бонусы во время кето-диеты – надо недоедать;
  • Вне кето-диеты стратегия недоедания, периодического голодания и ограничения питания по времени дает схожий эффект;
  • Синтез NАD+ можно попытаться усилить прекурсорами, но пока это во многом terra incognita без четкого понимания принимаемого и эффектов.

Источники:

  1. Ketone-Based Metabolic Therapy: Is Increased NAD+ a Primary Mechanism?
  2. Targeting SIRT1 to improve metabolism: all you need is NAD+?
  3. NAD+ in aging, metabolism, and neurodegeneration
  4. NAD+ in Aging: Molecular Mechanisms and Translational Implications
  5. Effects of resveratrol on the rat brain respiratory chain
Поделиться:

Актовегин. Обзорно-аналитическая заметка

АктовегинАктовегин – общеукрепляющий препарат, который используется как в медицине, так и в спорте для ускорения восстановления. Давайте разбираться что это такое.

Чтобы сразу убрать «фарм-часть» в сторону, скажу, что Актовегин – препарат компании Takeda (изначально австрийской Nycomed, которую Takeda относительно недавно приобрела). Формы выпуска Актовегина – раствор для инъекций, таблетки. Аналог – Солкосерил компании Meda. Формы выпуска: раствор для инъекций, паста для ротовой полости, глазной гель, крем для местного применения. Когда я буду писать для собственного удобства Актовегин, то подразумеваю и Актовегин и Солкосерил.

Оба препарата по составу представляют примерно одного и тоже – депротеинизированный  экстракт телячьей крови. Это, как вы понимаете, мало что объясняет.

Если мы посмотрим показания в инструкциях по применению всех форм выпуска, то получим общеукрепляющие свойства, препарат помогают питать клетки. В том числе при инсульте, гипоксии, травмах, диабетической полинейропатии и так далее – все это можно подвести под плохое снабжение отдельных клеток/тканей энергией и нутриентами, на энергетический кризис локального масштаба.

Actovegin–Cutting-edge sports medicine or “voodoo” remedy? Это обзорное исследование, надеюсь, поможет пролить свет хоть на что-то. По Солкосерилу исследований значительно меньше, поэтому ориентируемся на японо-австрийский продукт.

«Актовегин содержит физиологические компоненты, электролиты, эссенциальные микроэлементы, аминокислоты, нуклеозиды, и промежуточные продукты метаболизма углеводов и жиров составляют примерно 30% органических компонентов Актовегина. Активные ингредиенты смеси еще предстоит идентифицировать». За последние 60 лет по разным причинам точный состав так и не уточнили.

Все компоненты с молекулярной массой свыше 6000 дальтон (для солкосерила 5000 дальтоны) отфильтровываются. Соответственно Актовегин не содержит белков, факторов роста и гормон-подобных субстанций. Для меня это очень важно, так как это делает препарат более безопасным.

Актовегин способствует оксидативному метаболизму in vitro. Загадку препарата осложняет то, что уровень лактата при этом не различается в контрольной группе и группе, которой ставили Актовегин.

Инозитолфосфатные олигосахариды (IPO) один из предполагаемых компонентов препарата. IPO обладают инсулиноподобным эффектом на глюкозу, хотя не стимулирует ферменты рецепторов инсулина. IPO активируют транспортные белки глюкозы на уровне 50% максимального эффекта инсулина. Также IPO могут стимулировать комплекс пируват дегидрогеназы, ключевой фермент цикла Кребса.

Другие исследования говорят, что Актовегин состоит из негативно заряженных сульфированных олигосахаридов молекулярной массы примерно 3000 дальтонов.

Актовегин способствует пролиферации клеток, и, судя по всему, стабилизирует клеточную мембрану. Негативно заряженные частицы смещают метаболические процессы в сторону окислительных.

Безопасность препарата неплохо рассмотрена в исследовании Treatment of Symptomatic Polyneuropathy With Actovegin in Type 2 Diabetic Patients. 281 пациент в течение 20 дней получал 1,800 мг актовегина (в одной ампуле 200 мг, «золотое» исследование), остальные плацебо. Через 120 дней побочные эффекты для плацебо и актовегина были идентичны.  В этом же исследовании говорится о том, что Актовегин не повлиял на мышечную силу и мышечные рефлексы пациентов.

Our experience on Actovegin, is it cutting edge? Это исследование говорит о том, что Актовегин сокращал время восстановление атлетов после травм мышц.

Исследование заканчивается тем, что Актовегин что-то среднее между «волшебным» лекарством и «змеимым маслом».

Выводы, которые можно сделать из исследования:

  • За 60 лет состав Акговегина до конца не ясен;
  • Фильтрация на 5-6 тысячах дальтонов говорит о том, что в препарате нет белков, факторов роста и прочих около-стероидных около-пептиодных компонентов;
  • Идентифицировали негативно заряженные олигосахариды как компоненты состава;
  • Препарат, если коротко резюмировать действие, очень хорош для поврежденных тканей (от травм мышц/глаза до диабетической нейропатии и инсульта);
  • Препарата стимулирует окислительным метаболизм, при этом не приводит к росту лактата;
  • Актовегин, не смотря на загадочный состав, довольно безопасен для применения.

Дальше мое мнение.

В заметке Потенциал мембраны митохондрий, цикл Кребса, HIF-1 и реактивные виды кислорода я транслировал важный вывод исследования, что потенциал мембраны создает АТФ. Это очень важный вывод, так как традиционно считалось, что потенциал мембраны определяется балансов ионов внутри клетки;

Я уже использовал эту иллюстрацию в заметке от безнодиазепинах.

У мембраны (на картинке нейрона) есть негативный потенциал (который создает АТФ). Снижение потенциала (или он даже становится положительным), приводит к деполяризации [и “гиперактивности”] клетки.

Обычный негативный потенциал мембраны будет скорее отталкивать негативно заряженные олигосахариды. Но поврежденная и как следствие (деполяризованная) клетка будет значительно более проницаема для отрицательно заряженных частиц, которые могут помочь ей восстановить нормальную функцию.

Поврежденная клетка скорее всего имеет нарушенный синтез АТФ по той или иной причине. Отчасти получается ситуация замкнутого круга: для синтеза АТФ на нужна нормальная функция клетки, для нормальной функции клетки нужна АТФ. В момент кризиса из положительного заряда мембраны в момент деполяризации – отрицательно заряженным частицам проще проникать в цитозоль клетки, тем самым улучшая ее функцию. Что показывают исследования Акговегина.

Отрицательно заряженные частицы влияют на белки примерно как изменения pH – меняются конформации белка, изменяются электростатические взаимодействия зарядов аминокислоты/белков.

По моей оценке, Актовегин – это помощь «утопающим» клеткам. Без стероидно-пептидной истории, имеющей свою биологическую цену. Наш организм так устроен, что клетки в кризисном состоянии сами впитают в себя то, что им нужно.

Поделиться:

Происхождение жизни, вращение АТФ-синтазы и Ник Лэйн

Proton gradients at the origin of life

Iron Catalysis at the Origin of Life

Ник Лэйн (Nick Lane) – британский биохимик, известный своими научно-популярными книгами.

Статьи о пребиотических и ранних биотических процессах. Так называемый LUCA (last universal common ancestor, общий единый предок) уже обладал полноценным генетическим механизмом репликации (самовоссоздания). Очевидно, большой период эволюции предшествовал появлению LUCA. Статьи во многом теоретические, но от этого не менее интересные.

  • В ранней биотической жизни большую роль играли метаногенные реакции;
  • Fe-S кластеры – древний способ фиксации углерода и переноса электронов;
  • Обратный цикл Кребса (причем в виде автокаталической реакции) существовал еще в пребиотическом мире;
  • Разница pH щелочных гейзеров и кислотного океана способствовала синтезу ацетил КоА и других огранических молекул, вероятно, и в пребиотическое время;
  • CO2 – CH20 как пример синтеза органического вещества при разнице pH двух сред, наличию Fe-S кластера и градиента протонов;
  • Ник Лэйн пытается ответить (в том числе в своих книжках), что играло роль мембраны в пребиотическом мире.

Вращение АТФ-синтазы – одна из загадок работы митохондрий. Текущие теории – мотивная сила H+ или Na+ градиента. Ник Лэйн приверженец первой версии.

Честно говоря, я не вдавался глубоко в подобные исследования. Уверен, что вращение АТФ-синтезы происходит не под действием кинетической энергии градиента протонов.  Скорее есть сила (вроде вращения магнита на пересечении магнитных полей), которая заставляет вращаться АТФ-синтазу в режиме нон-стоп. Очевидно, что для этого нужны мембрана, ее потенциал, протоновый градиент и слегка щелочной pH (так как у нас белковые структуры) и так далее.

Поделиться:

Воздействие ближнего инфракрасного спектра на АТФ синтазу

Light Effect on Water Viscosity: Implication for ATP Biosynthesis : Scientific Reports
волна 670 нм (ближний ИК-спектр) усиливала синтез АТФ за счет уменьшения вязкости воды в АТФ синтазе.

АТФ Синтаза – наш нанороторный мотор, финальный этап синтеза АТФ.
Изначально считалось, что это мотор всегда работает на 100% и всего максимально эффективен.
Эксперименты показали, что имеем место быть трение между наноскопическими слоями воды.

Реактивные виды кислорода (ROS) увеличивают это трение и как следствие вязкость воды.
А БИК (в исследовании 670 нм) уменьшает вязкость воды – “мотор” АТФ Синтаза быстрее вращается – АТФ быстрее генерируется.

Поделиться:

Ближний инфракрасный свет

Куски из лекции.
Мелатонин:
– антагонист ароматазы, уменьшая производство эстрогена;
– антагонист кортизола;
– стимулирует иммунную систему (Т-лимфоциты);
– антиоксидант;
– снижает производство энергии в митохондриях;
– улучшает клеточную регенерацию;
Итд

В сетчатке своя система производства мелатонина, не связанная с гипофизом.
Сетчатка постоянно съедает фотоны, потому ей нужно восстанавливаться.

УФ-спектр приводит к генерации большего числа реактивных видов кислорода + стимулирует выработку D3.
Ближняя инфракрасная область стимулирует выработку АТФ (как следствие тоже небольшие пики ROS) и имеет антиоксидативный эффект.

Короткие волны высвобождают NO (оксид азота), который улучшает циркуляцию крови, но снижает выработку энергии. Мешая на финальном этапе дыхательной цепи митохондрий синтезу АТФ.
БИК (ближний ИК-спект) восстанавливает производство энергии. Грубо говоря, БИК активирует цитохром С.

Вода хорошо поглощает энергию длинных волн. ИК-спектр активирует молекулы воды (как именно не уточняется: там много вариантов вибраций итд).
Но это влияет на доставку питательных веществ и различные процессы (особенно в желтом пятне).

У него был эксперимент с искусственными источниками БИК, которые неплохо регенерировали коллаген в коже пожилых людей.

Поделиться: