Нейроны, синапсы и рецепторы

Нейроны и их функция – тема, которой я многократно касался. Захотелось поговорить о базовых вещах – как нейроны передают сигналы возбуждения и торможения, что на что влияет. Я не собираюсь дублировать учебники по нейрофизиологии или пытаться рассказать что-то достаточное или избыточное в плане функции нейронов. Моя цель – подводка к нейрофармакологическим вводным, позволяющим понимать написанное у меня в заметке.

Для эти целей я традиционно выбрал одну научную статью. Нейроны, рецепторы, нейротрансмиттеры и алкоголь. Статья 2008 года, но база осталась прежней. Уберем разговоры про алкоголь и разделим заметку на две части.

Часть 1. Нейроны, рецепторы, синапсы, нейротрансмиттеры, нейротрофины, стероиды, аффинитивность;

Часть 2. Отдельные нейтротрансмиттеры. Пример с модафилином.

Нейроны, синапсы и рецепторы

Нейроны окружены клеточной мембраной, поэтому напрямую не могут обмениваться электрическими и химическим сигналами. В этой заметке мы будет рассматривать как нейроны обмениваются нейтротрансмиттерами. Это не единственная их форма «коммуникации», я изначально сужаю повествование, чтобы не надо было охватывать слишком много.

нейроны

Как видно на Рисунке 1, у нейрона есть дендриты и аксоны. Дендриты служат для получения химического сигнала, аксоны – для передачи сигнала. Возбуждение нейронов стимулирует выбор нейротрансмиттеров из терминалей (концевых участков аксона).

Нейроны, высвобождающие нейтротрансмиттеры, – пресинаптические нейроны, принимающие этот химический сигнал – постсинаптические нейроны.

Синапс – место контакта терминали аксона с другой клеткой (необязательной нейроном).

Принимают нейротрансмиттеры рецепторы. Применительно к нейротрансмиттерам их существует 2 вида: лиганд-зависимые ионные каналы (ligand-gated ion channels, LGIC) и рецепторы, сопряжённые с G-белком (G-protein-coupled receptors, GPCR).

Лиганд-зависимые – каналы «быстрого реагирования». Лиганд (в данном случае, нейротрансмиттер) связывается с рецептором, пора в клеточной мембране открывается и внутрь клетки попадают ионы и напрямую влияют на функцию пост-синаптического нейрона.

В покое нейрон поляризован и обладает электрическим потенциалом, очень грубо -70 mV. Во время возбуждения нейрон деполяризуется, его потенциал снижается или даже становится положительным. Также есть гиперполяризация, когда потенциал мембраны нейрона растет, что соответствует процессам торможения. В общем классические процессы возбуждения и торможения. Пример – ГАМК А рецепторы и прошлой заметки. Когда лиганд (в данном случае ГАМК, отвечающая за процессы торможения) присоединяется к рецептору, пора открывается и в клетку попадает ион Cl-, что гиперполяризует клетку или, другими словами, тормозит ее возбуждение.

Рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR) связываются с нейротрансмиттером с последующим запуском биохимических реакций внутри клетки.

Например, μ-опиоидные рецепторы или серотониновые 2А рецепторы. На потоки ионов внутри клетки эти рецепторы напрямую не влияют, поэтому эффект от воздействия на них «более мягкий».

Нейротрасмиттеры оперативно удаляются из синапса: в нейроны, другие клетки, расщепляются ферментами.

Нейротрофины и стероиды

Нейроны могут обмениваться еще и так называемыми нейтротрофинами или факторами роста. Пептидами (небольшими цепочками аминокислоты). Например, уже упоминавшийся пару раз у меня нейротрофический фактор мозга (BDNF), который способствует выживанию существующих, росту/дифференциации новых нейронов (+ другие функции вплоть до влияния на транскрипцию ДНК клетки).

Нейроны высвобождают нейротрофины как из аксонов, так и из дендитов. Соответственно, факторы роста участвуют в «ретроградном» обмене сигналами.

Нейротрофины связываются [преимущественно, но не только] с Trk рецепторами, которые запускает различные биохимические процессы.

Стероидные гормоны – комплексные молекулы, вовлеченные во внутриклеточную коммуникацию. Они крайне липофильны и легко проникают через клеточные мембраны. Например, кортикостероиды из надпочечников без труда проникают в нейроны головного мозга.

Связываются стероидные гормоны традиционно с внутриклеточными рецепторами, которые в свою очередь напрямую связываются с ДНК, влияя на транскрипцию различных генов. Однако стероиды могут связываться и с внешними клеточными рецепторами. Например, прогестерон и уже упомянутые ГАМК А рецепторы.

Аффинитивность

Применительно к биохимии и нашей заметке – степень легкости, с которой связывают вещества и рецепторы.

Агонист – вещество, которое в той или иной степени связывается с рецептором. Например, баклофен – агонист ГАМК Б рецептов, соответственно, связан с мышечным торможением, миорелаксант.

Антагонист – вещество, которое не связывается с рецептором и мешает рецептору связываться с другими молекулами. Например, галоперидол, антагонист D2 дофаминовых рецепторов, средство от шизофрении.

Агонисты и антагонисты, как правило, структурно напоминает нейротрансмиттер, который связывается с этим же целевым рецептором.

Поделиться:

Психоделики в биомедицине

Психоделики в биомедицине – одноименная статья ряда известных в этой сфере авторов в журнале Cell.

В контексте данной статьи рассматриваются классические психоделики – фенилэтиламины, триптамины и лизергиды. Все рассматриваемые вещества запрещены к обороту на территории России. Не воспринимайте разбор научной статьи как призыв к действию.

психоделики

Тема в моем блоге периодически поднимается, поэтому я постараюсь не дублировать информацию, которую ранее выкладывал у себя с тегом psychedelics.

Классические психоделики также называют серотонергическими галлюциногенами, так как основным местом их действия является 2A серотониновые рецепторы. Мыши с генетическим дефектом HTR2A геном, отвечающим за этот рецептор, были нечувствительны к психоделикам. Антагонисты 5-HT2A рецепторов (например, кетансерин) блокируют действие ЛСД и DOI.

Биохимия

5-HT2A рецепторы – это рецепторы, сопряжённые с G-белком, самые распространенные серотониновые рецепторы в организме. 5-HT2AR находятся по всему организму: мышцы, имунная система, эндотелий, эндокринная система – далеко не только мозг и кишечник. Их кодирует ген HTR2A.

Абзац не для всех. Каскады нисходящих сигналов фосфолипазы С и инозитолтрифосфата приводят к увеличению концентрации внутриклеточного кальция (Ca2 +), синтеза арахидоновой кислоты, экстраклеточных сигналов киназ и трансдукции сигнала β-аррестина. Каскады сигналов демонстрируют функциональную избирательность.

ЛСД и псилоцибин сейчас проходят клинические испытания в качестве средств лечения зависимости от никотина и/или алкоголя, лечения депрессии, и тревоги «конца жизни».

ЛСД еще примечательна тем, что модулирует работу D2 дофаминовых рецепторов. Уникальность этого вещества в сдвоенном эффекте: серотонергический и дофаминергический.

Не так давно обнаружили TAARS (Trace amine-associated receptors), психоделики активируют эти рецепторы.

Психоделики. Значимые механизмы действия

Я уже писал ранее, что псилоцибин модулировал страх (fear conditioning). Способность это делать логично ложится на борьбу с депрессией терминальных раковых больных и борьбу с зависимостью.

Также психоделики приводят к подавлению гиперактивных «отделов-фильтров» с белым веществом (например, Default Mode Network). И как следствие к образованию новых гомологических связей между отделами мозга. Это уменьшение сегрегации отделов также связывают с эффектом «смерти Эго».

Также психоделики (в частности ЛСД и псилоцибин) снижают реактивность миндалины (amygdala) по отношению к негативному стимулу. Сильные аффективные негативных состояния характеры для депрессии и тревожного расстройства.

Снижение BOLD (читайте в прошлых статьях) в таламусе может быть связано с изменений обработки ощущений во время «пика» субъективных эффектов веществ.

ЛСД способствую приливу крови к визуальной части коры и сильнее вовлекает ее в обработку всей имеющейся информации.

Психоделики увеличивают синаптическую пластичность мозга. С этим в том числе связывают эффект «расширения сознания».

Из-за функциональной избирательности только 5% «возбуждающих» нейронов коры активируются психоделиками.

Текущие исследования

60-80% больных депрессией, вызванной терминальной стадией рака, показывали заметное улучшение симптоматики через 6,5 месяцев повторного исследования.

Серотонергические галлюциногены вызывают долгосрочные изменения в поведении и создании.

В совокупности с поведенческой терапией демонстрируют отличные результаты в борьбе с алкогольной и никотиновой зависимостями.

Новый важный регион мозга, где сильно активничают психоделики, клауструм (ограда).

Серотонергические галлюциногены обладают противовоспалительными свойствами

В норме 5-HT рецепторы выполняют провоспалительную роль, но ЛСД и DOI полностью подавляли воспаление, вызванное TNFα (фактором некроза опухоли) в гладких мышцах аорты мышей.

Что не менее интересно, непсихоактивные дозировки, так называемые микродозы также обладают противовоспалительными свойствами. Из конкретных заболеваний это пока показывали на предотвращении астмы у мышей.

В отличие от кортикостероидов, которые действуют как иммунодепрессанты, психоделики избирательно подавляют воспалительные сигнальные пути в нужных тканях. Что важной для той же астмы.

Выводы

  • За действие психоделиков отвечают преимущественно 5-HT2A рецепторы, которые есть во многих тканях организма;
  • Психоделики – потенциальное лекарство для лечение периферийного воспаления (астма, сердечно-сосудистые заболевания, метаболические расстройства, воспаленный кишечник). При этом вещества оказывают противовоспалительных эффект даже в микродозах.
  • Клауструм (ограда) – раздел мозга, заслуживающий отдельного внимания в будущих исследованиях, в разрезе этой группы веществ;
  • Серотонергические галлюциногены влияют на экспрессию генов. Я не стал в это уходить, так пока все совсем не очевидно.
Поделиться:

Кетогенная диета продлевает и улучшает жизнь

 

Кетогенная диетаКетогенная диета – повод для самых различных спекуляций. От гипотиреоза до импотенции. Еще один толстый гвоздь в крышку гроба постыдных идей вбили Megan N. Roberts at al в своей статье A Ketogenic Diet Extends Longevity and Healthspan in Adult Mice.

Как кетогенная диета влияет на продолжительность жизни и старение однажды уже пытались исследовать. Вывод авторов заключался в том, что кето-диета не меняет продолжительность жизни мышей. Проблема с исследованием была в том, что мыши (и кето, и контроль) жили заметно меньше, что в среднем по виду. Поэтому то исследование невозможно считать исчерпывающим.

В ходе эксперимента было 3 группы: кето (89% калорий из жира), низкоуглеводка (70% ккал из жира), контрольная группа (65% калорий из углеводов). На 12 месяце жизни к ним применили диеты и исследовали на протяжении всей жизни, периодически тестируя и исследуя на различные маркеры.

Результаты исследования

 

Кетогенная диета на 13,6% продлевала среднюю продолжительность жизни мышей. Что видно на Рисунке 1. Максимальная продолжительность жизни при этом оставалась примерно такой же. Количество смертей от опухолей заметно сократилось на кето-диете.

На рисунке 1B мы видим, что кето сохраняло память в возрастных мышах лучше, чем другие диеты. На рисунках 1C и 1D мы видим, что кетогенная диета сохраняла моторную функцию (силу хвата по сути) лучше других диет. Аэробные тесты (рисунки 1E и 1F) также говорят в пользу кето-диеты. В исследовании есть подробное описание и диет, и экспериментов. Оставшиеся графики говорят улучшенной моторной функции икроножных мышц и других мышц задних конечностей в кето-группе.

Кетогенная диета была отмечена меньшей массой тела (рис 2А). Сухая мышечная массы была ниже в кето-группе, и выше в контрольной и низкоуглеводной.

Дыхательный фактор (соотношение выдыхаемого углекислого газа ко вдыхаемому кислороды) был заметно ниже в низкоуглеводной и кето-группа (рис 2D). Расход энергии (потребляемый кислород, выдыхаемый углекислый газ) был одинаковым во всех трех группах.

Чувствительность к инсулину была выше в кето и низкоуглеводной группе (рис 2E). Фермент, важные для бета-оксидации был более выражен при кето-диете, а фермент, связанный гликолизом, был на кето выражен меньше (рис 2G – 2L).

β-гидроксибутират подавляет фермент гистон-деацетилазу (HDAC), тем самым усиливая ацетилирование гистонов и влияя на экспрессию генов ДНК. Что в том числе приводит к усилению экспрессии белка Foxo3a, увеличению уровня супероксид дисмутазы (SOD) и других факторов, влияющих на продолжительность жизни и защиту от внешних стрессов.

Кетогенная диета дерегулирует mTORc1, комплекс 1 мишени рапамицина у млекопитающих. Уровни mTOR, отвечающего кроме всего прочего за рост мышц, не отличался на кето-диете, но mTORC1 снизил свою сигнальную функцию.

Кетогенная диета и продолжительность жизни. Обсуждение результатов

Ранее было принято считать, что высокожировая диета снижает продолжительность жизни. Но мы с вами это уже обмусоливали. Кетогенная диета приводит к рост реактивных видов кислорода, что приводит к защитной реакции организма. И в итоге функция организма в целом улучшает. Углеводы+жиры или просто нереальное количество углеводов создают огромное количество реактивных видов кислорода, с которыми супероксид дисмутаза и глутатион не могут справиться. И эти реактивные виды кислорода сеют разруху внутри наших митохондрий, что чревато в долгосрочной перспективе смертью клетки.

Кето-диета имитирует действие метформина. К этому приходят опытным путем и авторы исследования. Они комментируют это через призму функции mTORc1, которую подавляет кето-диета. mTORc1 дает сигналы организму усиливать анаболические процессы, если очень грубо. Кето, наоборот, уверяет организм, что ему нужно “быть на чилле” и непереутруждать себя излишним синтезом белков и жиров.

Кето, напомню, подавляет комплекс 1 митохондрий в рамкам кето-адаптации. Пара коэнзима Q находится в более восстановленном виде и не может перенести электрон на комплекс 3. Что приводит к обратному потоку электронов в дыхательной цепи, созданию реактивных видов кислорода и обратимой деградации комплекса 1.

Что кетогенная диета способствует долгосрочности когнитивной функции мы тоже обсуждали ранее. Точнее даже сказать, что высоко-углеводная диета приводит к более быстрой смерти нейронов, соответственно в том числе к более быстрой потере памяти.

Исследователи варьировали количество белка в диете (12% и 20%) и не заметили разницы на продолжительность жизни. Таким образом это не объем потребляемого белка (в рамках кето-диеты).

Сохранение моторной функции исследователи атрибутируют ацето-ацетату, кетоновому телу, которое защищает нашу мышечную функцию. Но лично я думаю, что это еще и оптимизация митохондриальной функции, не только прямое действие ацето-ацетата на мышцы, и сохранение более ясной когнитивной функции.

Кетогенная диета приводит к гипер-ацетилированию белка p53, который известен своими противоопухолевыми свойствами.

В кето-группе, естественно, была подавлена способность организма сопротивляться гипергликемии (glusoce tolerance).

Выводы:

  • Кетогенная диета продлевала среднюю продолжительность жизни на 13,6%, не влияя на максимальную продолжительность жизни;
  • Частично этот эффект объясняется сильной выраженность противоопухолева белка p53 и меньшим количество смертей от рака;
  • Кето способствует умственному здоровью в старости, сохранению моторных функций мышц во время старения и ацетилированию гистонов;
  • Ацетилирование гистонов – усиление экспрессии некоторых генов, например FOXO3, связанного с продолжительностью жизни;
  • Кето само по себе имитирует эффект голодания / принятие метформина с точки зрения влияния на продолжительность жизни, горметического «оживления» восстановительных процессов на клеточном уровне и изменений в работы дыхательной цепи переноса электронов.
Поделиться:

Морфин как эндогенный нейромедиатор

Морфин – опиат, который представлять лишний раз не надо. И героин, и кодеин, и современный синтетический опиоиды – это попытка получить положительные эффекты опиатов с минимумом побочных явлений.

Эндогенный морфин и его метаболиты у млекопитающих: история, синтез, локализация и перспективы. Как это часто бывает, вдохновился определенной статьей.

Морфин может быть синтезирован эндогенной как растениями, так и животными. У людей он синтезируется из дофамина. Я не буду показывать всю цепочку синтеза, она показана в исследовании. Важно то, что у млекопитающих важным шагом в этой цепочки синтеза является разложение дофамина до DOPA1 моноамин-оксидазой (МАО). Я не так давно писал про МАО-ингибиторы как антидепрессант. Таким образом МАО-ингибиторы будут мешать эндогенной выработке морфинов. Серьезный повод еще раз вернуться к МАО.

Свое «путешествие» морфин заканчивает в печени. Его метаболиты также имеют определенную активность.

Морфин

Позволю себе скопировать подпись из статьи для удобства особо интересующихся. Localization of endogenous morphine and/or metabolites in adult mouse brain and spinal cord. ACB, accumbens nucleus; AH, Ammon’s horn; AON, anterior olfactory nucleus; BST, bed nucleus of the stria terminalis; CBX, cerebellum; CP, caudate putamen; CTX, cortex; DCO, dorsal cochlear nucleus; DG, dentate gyrus; DR, dorsal raphe nucleus; FN, fastigial nucleus; FS, fundus striati; gl, glomerular layer; GP, Globus pallidus; gr, granular cell layer; HY, hypothalamus; IC, inferior colliculus; INC, interstitial nucleus of Cajal; LV, lateral ventricle; MB, midbrain; mi, mitral cell layer; ml, molecular layer; MR, median raphe nucleus; MY, medulla; ND, nucleus of Darkschewitsch; NDB, nucleus of the diagonal band; NLL, nucleus of the lateral lemniscus; NOT, nucleus of the optic tract; OB, olfactory bulb; OT, olfactory tubercle; P, pons; PAG, periaqueductal gray; PB, parabrachial nucleus; PIR, piriform cortex; pl, purkinje layer; PON, periolivary nucleus; PVT, paraventricular thalamic nucleus; RN, red nucleus; RT, reticular thalamic nucleus; SC, superior colliculus; sgz, subgranular zone; SI, substantia innominata; SNc, substantia nigra pars compacta; SNr, substantia nigra pars reticulata; STN, subthalamic nucleus; SUB, subiculum; TH, thalamus; TSN, triangular septal nucleus; VN, vestibular nucleus; VTN, ventral tegmental nucleus; ZI, zona Incerta. In the spinal cord (lower left), laminae are labeled using roman number.

Это мозг мыши, поэтому кора (CTX) по сравнению с человеческим мозгом кажется неразвитой. CP – это путамен, скорлупа. Судя по всему, именно в этом отделе базальных ганглий и синтезируется морфин. Довольно логично, так как этот отдел известен синтезом различных нейромедиаторов.

Из клеток морфин более всего нашли в астроцитах и ГАМК-нейронах. С астроцитами интересно, так как они сами по себе не могут синтезировать дофамин и опиаты. На текущий момент есть два предположения: катаболизм морфина происходит в астроцитах или в астроциты попадают прекурсоры, из которых эти клетки синтезируют морфин.

ГАМК-нейроны (отвечают за процессы торможения) – самые распространенные нейроны в ЦНС. Опиаты логично ложатся на тормозящую функцию ГАМК-нейронов.

Из периферийных тканей морфин обнаружили в надпочечниках, что говорит о роли эндогенных опиатов в борьбе со стрессом.

Эндогенный морфин. Потенциальные эффекты

Концентрация морфина в ЦНС при терапевтическом использовании находится в пределах микроМ, а концентрация эндогенных опиатов наноМ или пикоМ, поэтому сложно экстраполировать известные эффекты высоких концентраций на эндогенные.

Можно говорить о влиянии эндогенных опиатов на стресс, функции анальгетика, о функции иммунодепрессанта и, судя по всему, это нейромедиаторы.

Когда у мышей повышали концентрацию эндогенного морфина, то у них ухудшалось запоминание (приобретение памяти/воспоминаний) и консолидация памяти. Морфин способствовал регенерации синапсов и аксонов у раненых мышей. Плюс некоторые исследования говорят о подавление нейрогенеза в субгранулярной зоне. В целом имеем починочно-тормозящую функцию.

Шизофреники часто заметно менее чувствительны к боли и имеют повышенную концентрацию эндогенных опиатов. Я был удивлен, когда увидел данные об использовании налоксона и налтрексона (как бы антагонисты опиоидных рецепторов) для лечения шизофреников.

У пациентов с болезнью Паркинсона бывают гиперчувствительность к теплу / холоду. Эти симптомы улучшались после получения L-DOPA, прекурсора дофамина, а заодно и далекого пре-прекурсора морфина.

Сказать особое нечего, потому что поле несильно паханное.

Выводы:

  • Морфин и его метаболиты синтезируются эндогенно из дофамина по довольно долгой цепочке реакций;
  • МАО-ингибиторы подавляют, таким образом, синтез эндогенных опиатов, так как расщепление дофамина ферментом МАО – необходимый этап синтеза морфина у животных;
  • Морфин отвечают всем признакам нейромедиаторов за исключением весьма избирательного потребления/синтеза эндогенных опиатов в нервной системе: астроциты, некоторые виды ГАМК-нейронов;
  • Потенциальные функции: анальгетик, ответ на внешний стресс, иммунодепрессант. Торможение и восстановление в ущерб общему «КПД» нервной системы;
  • Это еще один кусочек пазла здоровья, особенного психического, который придется учитывать.

P.S. Надеюсь, что не нужно упоминать, что морфин как и все опиаты – наркотик. Это слово очень часто упоминается ко всем запрещенным веществам без разбору, но только опиаты являются настоящими наркотиками. От экзогенных форм лучше держаться как можно дальше.

Поделиться:

Милдронат. Обзор и критика препарата

Милдронат, не смотря на известную медийность, лично для меня оставался загадочным препаратом.

Mildronate: an antiischemic drug for neurological indications.

Милдронат

Длинноцепочные жировые кислоты должны стать эфирами L-карнитина, чтобы они могли попасть в матрикс митохондрий. Милдронат блокирует выработку L-карнитина, тем самым сдвигая метаболизм в сторону глюкозы.

Ишемия – нарушения кровообращения и гипоксия отдельно взятой ткани/органа. Вспомните мою старую «загадку» про молекулу глюкозы, стеариновой кислоты, кислород и АТФ. У глюкозы перед жиром есть ровно одно преимущество (как продолжение недостатков) – для ее метаболизма нужно меньше кислорода, так как изначально это более окисленная форма углерода, чем жира. Также инфаркт миокарда может быть связан с нехваткой кислорода.

Поэтому ситуационное переключение на глюкозу как источник энергии (+ общеукрепеляющие капельницы), вероятно, может иметь положительный эффект на пациентов с ишемией. Милдронат в таком случае надо сравнивать с антикоагулянтами и тромболитиками.

На 153 странице журнала, где была опубликована вышеуказанная статья, написано, что милдронат в дозировке 120 мг/кг в течение часа дважды снижал концентрацию NO в коре и мозжечке мозга, но на 162 странице говорится, что милдронат в дозировке 50 мг/кг приводил к волнообразному рост концентрации NO в коре и мозжечке мозга через 30 минут. Я так понимаю, что статью не рецензировали перед прочтением. Позор автору статьи, в общем.

Если верить инструкции с сайта препарата, то пониженное давление – один из возможных нежелательных явлений. Предполагаю, что сосуды всё же расширяются.

Милдронат повышает чувствительность бета-адренорецепторов в кольцах аорты. Напомню, что есть целый класс лекарств от гипертонии, который называется бета-блокаторами. Логично было бы проверить взаимодействие милдроната с бета-блокаторами и проверить как влияет милдронат на рост артериального давления во время стресса (в том числе физических нагрузок).

Последнее интересное – это то, что милдронат в паре метилирование/ацетилирование ДНК сдвигает эти качели в сторону метилирования. Кето, напомню, в сторону ацетилирования. Так что милдронат может влиять на экспрессию ДНК.

Стимулирующий эффект препарата объясняется элементарно – связь глюкозы и глутамата. Глутаминовая кислота имеет «возбуждающее» действие на нервную систему. Это эффект глюкозы.

В статье написано, что потребление препарата приводило к повышению концентрации жира в печени. Но на функциональные параметры печени это не влияло. Стеатоз печени с нормальными анализами? Смешно же.

После прочтения латвийского обзорного исследования, я рад, что WADA от греха подальше запретила милдронат. Задача спортсмена – выдавать максимум человеческих возможностей. При этом переключать организм с бета-оксидации на окисление глюкозы – в тех же циклических видах спорта как минимум неразумно.

И напоследок хочу вам напомнить клетки, которые обожают глюкозу и недолюбливают кислород. Называются раковыми клетками. Так что весь этот милдронат – очень сомнительный препарат с точки зрения лечения ишемии и еще более странный для роста результатов при аэробных нагрузках. Препарату в первую очередь не хватает качественных исследований, а не этого «не пойми чего» под авторством специалистов факультета медицины Университета Латвии.

Выводы:

  • Препарат блокирует синтез L-карнитина. Длинноцепочные жировые кислоты должны стать эфирам L-карнитина, чтобы попасть в митохондрии. Милдронат подавляет бета-окисление жиров, сдвигая метаболизм в сторону глюкозы.
  • На кето не применять ни в коем случае.
  • Плюсы: меньше надо кислорода, что можем быть плюсом для тканей с ишемией, где есть гипоксия, они смогут сохранить часть кислорода; судя по всему, милдронат всё же расширяет сосуды (но это неточно, как сейчас пишут);
  • Минусы: стеатоз печени, возможная стимуляция онкогенеза, чрезмерная стимуляция ЦНС и бета-клеток поджелудочной глюкозой (эпилептикам милдронат ни-ни, также вопрос по ряду психических расстройств, вроде ОКР/СДВГ);
  • Улучшение чувствительности бета-адренорецепторов тоже сложно назвать плюсом для людей с гипертонией;
  • Для аэробных нагрузок в переключение на глюкозы вижу большим минусом: от жиров энергии больше, их запасы (в отличие от гликогена) истощить значительно сложнее.
  • Препарату не хватает качественных исследований для подтверждения эффективности даже по основным показаниям.
  • Пока это еще один странный препарат с просторов бывшего СССР.
Поделиться:

Ацетилцистеин, глутатион, мозг и кето

Ацетилцистеин (N-ацетил-L-цистеин, NAC) – известное муколитическое (разжижающее мокроту) средство. Потенциал молекулы, как всегда, зачастую выходит за пределы написанного в графе «показания». Коснемся в том числе и психики, и кето, и бактериальной микрофлоры.

Ацетилцистеин создали в 60-х годах, и его изначально использовали как муколитическое вещество для больных цистическим фиброзом. Цистеин нарушает дисульфидные связи гликопротеинов мукозы. Сложность была в том, что цистеин слишком быстро окислялся и пероральные формы чистого L-цистеина были неэффективны. Ацетилирование N-терминала цистина сделала молекулу более стабильной.

Также ацетилцистеин является лекарством для борьбы с токсичностью ацетоминофена (парацетамола). Ацетоминофен [в больших дозировках] приводит к истощению распространено (ммоль) клеточного антиоксиданта глутатиона (GSH). И положительный эффект NAC связан с тем, что он помогает восстановить уровень глутатиона.

Как видно из рисунка выше, не только уровень цистеина ограничивает синтез глутатиона. Еще 2 важных элемента: ферменты, синтезирующие аминокислоты, и общие процессы окисления-восстановления клетки, которые регулируют синтез глутатиона. Сам по себе трипептид глутатиона почти не проходит сквозь ЖКТ, поэтому ацетилцистеин – косвенное решение проблемы истощения GSH.

Напомню, что глутатион – один из основных клеточных барьеров в борьбе с реактивными видами кислорода [и азота]. Ацетилцистеин сам по себе довольно слабый антиоксидант. Его антиоксидативные свойства объясняют восстановлением GSH.

NAC соединяется с тяжелыми металлами, например, с ртутью. Затем эти хелаты ртути попадут в почки, где могут нанести вред. Потенциал NAC в борьбе с токсичностью металлов еще не был представлен в исследованиях в достаточной степени.

Ацетилцистеин снижает аффинитивность рецепторов TNF провоспалительным цитокинам (TNFα, IL-1β, IL-6). Хотя подобные данные были in vitro и в больших концентрациях NAC, поэтому потенциал вещества в аутоиммунных историях не до конца ясен.

Принятие диабетиками 2 типа NAC вместе с аргинином снижало артериальное давление на 5.

Ацетилцистеин и мозг[2]

Глутатион (синтезируется в печени), судя по всему, не пересекает гемато-энцефалический барьер (ГЭБ) и не попадет в мозг напрямую. GSH высвобождают астроциты. Синтез нейронами глутатиона принято считать моделируемым выбросом GSH астроцитами. Клетки нейроглии содержат большую концентрацию глутатиона, чем нейроны.

Ацетилцистеин успешно проникает через ГЭБ, поэтому логично изучить его потенциальную роль в различных патологиях, связанных с работой ЦНС (психические заболевания, зависимости как самые очевидные кандидаты).

ацетилцистеин

Сверху вниз рисунка. Повышается активность цистеин-глутамат антипортера, что приводит к активации части глутаматовых рецепторах, отвечающих за процессы торможения, и приводит к высвобождению дофамина. Ацетилцистеин, как уже упоминалось выше, снижает активность провоспалительных цитокинов и является прекурсором глутатиона. Принято считать, что эти действия приводят к пролиферации клеток (что для нейронов особенно важно), стимулируют синтез факторов роста и способствуют прорастанию аксонов.

Ацетилцистеин способствует регуляции клеточного и внеклеточного уровня глутамата. Когда мы читаем глутамат и модулирование глутаматергической системы, то сразу надо думать об эпилепсии. В небольших дозах NAC имеет эффект антиконвульсанта, в случае передозировки – проконвульсанта. Поэтому эпилептику надо быть аккуратнее с приемом NAC.

Глутатион самом по себе усиливает реакцию NMDA-рецепторов на глутамат.

Ацетилцистеин способствует к выбросу дофамина нейронами базальных ганглий (полосатого тела). В огромных дозах NAC эффект обратный. Глутатион тоже способствует выбросу NAC.

Следующее, что мы должны подумать, когда слышим глутамат, NMDA-рецепторы и дофамин – это зависимости и обсессивно-компульсивный спектр расстройств. Так как все описанные качества должны способствовать избавлению от зависимостей. Исследования есть по никотину, марихуане, кокаину. Там нам ацетилцистеин в дозировках в среднем 2400 мг в день способствовал улучшению симптоматики.

Из компульсивных расстройств есть данные по пристрастию к азартным играм, трихотилломании / навязчивому прихорашиванию. Дозировки в районе 1800 мг в день также приводили к улучшению симптоматики.

С шизофрениками всё несколько сложнее. У них в одних отделах мозга гиперактивные дофаминовые рецепторы и повышенная концентрация дофамина, в других (особенно в коре) пониженная. Также у них как правило снижена концентрация глутамата в коре. Также у шизофреников как правило снижен уровень глутатиона. В двух имеющихся исследованиях по теме NAC приводил к улучшению симптомов шизофрении.

Ацетилцистеин, бактерии, митохондрии и кетогенная диета [3, 4, 5]

С бактериями и грибами Candida все просто. NAC подавляет их биопленку (клеточную стену) и/или не дает ей формироваться. Что делает их более уязвимыми.

С митохондриями и кето куда интереснее. Как помните, кетоз приводит к росту (в данном случае это хорошо) производства реактивных видов кислорода и к обратному подавлению комплекса I дыхательной цепи митохондрий. Страдают при этом в первую очередь цистеиновые белки[5].

Поэтому ацетилцистеин – это способ поскорее адаптироваться из кетоза обратно на углеводную диету. Также NAC в какой-то мере поможет противостоять зависимости от быстрых сахаров.

Если мы говорим о продуктах, то источник NAC – свинина, в первую очередь.

Выводы:

  • Ацетилцистеин – эффективный способ доставлять цистеин до клеток (в том числе мозга);
  • Основное применение сейчас: разжижение мокроты и борьба с токсичность парацетамола;
  • NAC способствует восстановлению уровня основного клеточного антиоксиданта глутатиона;
  • NAC может проникать через ГЭБ и способствовать выработке астроцитами глутатиона;
  • Ацетилцистеин обладает потенциалом в лечении зависимостей и психических расстройств;
  • В конце кето-диеты NAC поможет вам восстановить цистеиновые белки подавленного комплекса I дыхательной цепи переноса электронов, то есть вы быстрее адаптируете к углеводной пище;
  1. Existing and potential therapeutic uses for N-acetylcysteine: the need for conversion to intracellular glutathione for antioxidant benefits
  2. N-acetylcysteine in psychiatry: current therapeutic evidence and potential mechanisms of action
  3. N-acetylcysteine Inhibits and Eradicates Candida albicans Biofilms
  4. N-Acetyl-L-Cysteine Affects Growth, Extracellular Polysaccharide Production, and Bacterial Biofilm Formation on Solid Surfaces
  5. Cysteine-mediated redox signalling in the mitochondria

 

Поделиться:

Реактивные виды кислорода и чувство сытости

Реактивные виды кислорода (reactive oxygen species, ROS) известные в массовой культуре как «свободные радикалы» – одновременно предмет странных спекуляций и крайне важных элемент поддержания гомеостаза клетки.

Изначально я планировал написать статью о сигнальной функции ROS как продолжении моей общей «митохондриальной» темы. Но статья Mitochondrial ROS Signaling in Organismal Homeostasis ушла в потрясающие глубины, где нужна небольшая предварительная подготовка. Список моих заметок, которые будут полезны для понимания этой темы в конце.

Реактивные виды кислорода

Супероксид (О2–) создается на обеих сторонах внутренней мембраны митохондрий, таким образом возникая в матриксе и межмембранном пространстве (ММП). Супероксид может быть преобразован в пероксид водорода (Н2О2) при помощи ферментов супероксид дисмутазы (SOD1 для ММП, SOD2 для матрикса). Получившийся пероксид водорода может пересекать мембраны и проникать в цитоплазму, выполняя сигнальную функцию для окислительно-восстановительных процессов. Супероксид сам по себе не может попасть в цитоплазму, но может попасть в нее через специальные мембранные каналы. Реактивные виды кислорода кроме сигнальной функции могут окислять и модифицировать другие молекулы в митохондрии, которые затем попадут в цитоплазму. Реактивные виды кислорода приводят к ответным реакциям и изменениям в ядре [клетки].

Супероксид может прореагировать с оксидом азота (NO) с образованием пероксинитрита (ONOO–). Это предотвратит создание пероксида водорода (H2O2) и может ограничить доступность NO в клетке. Пероксид водорода уничтожается ферментом глутатион пероксидаза (Gpx) и в матриксе и пероксиредоксинами (Prdx) в матриксе и других частях клетками. Пероксиредоксины способствуют формированию дисульфидных связей в белках. В присутствии переходных металлов, пероксид водорода может сформировать повреждающие [белковые тела] гидроксильные радикалы.

Реактивные виды кислорода, таким образом, очень нужны, но в «разумных» количествах. Тонкое место – супероксид дисмутаза. В небольших количествах реактивные виды кислорода будут запускать восстановительные процессы в клетке, в больших количествах – SOD-ферменты не справятся и нашим клеткам (в первую очередь митохондриям) придется «держать удар».

Основное место создания ROS – комплексы I и III электронной цепи переноса электронов, но появились данные, что и II комплекс способен генерировать супероксид.

Любимые исследователями нематоды C. elegans содержат несколько «сигнальных путей», связанных с созданием ROS и продлением жизни одновременно. Сниженное количество глюкозы приводит к повышенной выработке ROS, усилению дыхательной функции митохондрий и увеличивает продолжительность жизни у C. elegans.

Этот вопрос мы уже рассматривали (см ссылки ниже).

Кето или голодания приводят к повышенной генерации ROS, но это имеет горметический (усиление восстановительных процессов через небольшой вред) эффект на организм;

Реактивные виды кислорода создаются в избыточных масштабах, когда мы едим жиры + углеводы или банальной гипергликемией.

А) В гипоталамусе есть популяция нейронов, контролирующих ощущения голода и сытости. Состояние голода обеспечивается нейронами (фиолетовые), создающими агути-связанный пептид (AgRP), нейропептид Y (NPY), как и ГАМК (GABA). Когда эти нейроны активированы, системный метаболизм сдвигается в сторону липидов; реактивные виды кислорода меньше создаются во всех тканях.

B) Активация AgRP нейроны во время голода (негативного баланса энергии) происходят благодаря сигнальным путям, позволяющим длинно-цепочным жировым кислотам окисляться в митохондриях, что происходит благодаря низкому уровню ROS благодаря взаимодействию UCP2 (разобщающий белок 2) и механизмов, способствующих делению и пролиферации митохондрий (NFR1, Sirt1, PGC1α).

Грубо говоря, в период когда реактивные виды кислорода недостаточно многочисленны, у организма есть встроенные механизмы адаптации для увеличения их выработки. Что еще раз говорит о том, что ROS критически важны для нормальной функции клетки.

А) Чувство сытости создается нейронами гипоталамуса (бежевый), выделяющими пептиды, производные пропеомеланокортина (POMC), такие как a-MSH, который в свою очередь действует на меланокортин-4-рецептор. Когда эти нейроны активны, системный метаболизм смещается в сторону глюкозы, усиливается генерация ROS

В) Активацию POMC-нейронов после еды осуществляют реактивные виды кислорода. Им помогают лептин и инсулин;

С) В определенных обстоятельствах (активация каннабиоидных рецепторов, например), POMC нейроны, не смотря на стимуляцию со стороны ROS, будут способствовать чувству голода, а не сытости, так как они переключаются на высвобождение стимулирующих аппетит опиатов (β-эндорфин) при помощи адаптаций митохондрии при участии UCP2.

Подавление генерации ROS во время аэробных упражнений снижает положительный эффект тренировок.

Когда животных кормят одновременно большим количеством жиров и углеводов, контроль метаболизма энергии нарушается. Когда это случается, животные постоянно откладывают жировые запасы, что приводит к увеличению количества лептина. В нормальном состоянии увеличившаяся концентрация лептина снизит желание питаться. Но из-за нечувствительности к лептину этого не случается в случае патологии.

Выводы:

  • Реактивные виды кислорода – крайне важны для нормальной функции организма;
  • Когда их мало (совпадает с периодом голодания) – организм начинает сжигать жиры, поддерживая их количество;
  • Переизбыток ROS приводит к урону митохондрий и клеток из-за того, что супероксид дисмутаза может справиться только с определенным количеством супероксида; “свободный” супероксид будет реагировать с чем придется, в том числе нарушать белковые структуры клеток;
  • К переизбытку ROS можно прийти, стимулируя поток электронов с комплексов I и II одновременно (жиры + углеводы 40/40) или просто очень много углеводов.
  • Реактивные виды кислорода в том числе контролируют чувство сытости. Их выработка стимулирует нейроны гипоталамуса, влияющие на чувство сытости; их отсутствие влияет на нейроны гипоталамуса, отвечающие за чувство голода.
  • Этот механизм можно нарушить нехитрыми манипуляциями (марихуана, глутамат натрия, или супер-диеты, описанные выше итд), что приведет к тому, что «нейроны сытости» выделять опиаты и способствовать голоду.
  • Реактивные виды кислорода – признак окислительного метаболизма энергии. С ними не надо бороться. Надо найти то решение, когда их уровень для организма будет оптимальным.

Митохондрии. Структура и функции белковых комплексов мембраны – дыхательная цепь переноса электронов – энергетическая основа эукариотической жизни.

Путь жиров и углеводов в дыхательной цепи митохондрий – вы должны понимать, что путь жиров и углеводов в цепи переноса электронов различается.

Влияние метаболизма жиров на Комплекс I дыхательной цепи переноса электронов – метаболизм жиров повышает выработку реактивных видов кислорода.

Жиры и глюкоза, глюкоза. Влияние диеты на здоровье митохондрий – жиры + углеводы или просто МНОГО углеводов – реактивные виды кислорода в огромном количестве.

Потенциал мембраны митохондрий, цикл Кребса, HIF-1 и реактивные виды кислорода – ROS – важнейший элемент жизни клетки, в том числе экспрессии ДНК.

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:

Митохондрии и нейротрансмиттеры

Митохондрии – сенсор клетки, датчик окружающей среды. Данную формулу я воспринимаю как факт. Факты неплохо иногда проверять. Мое предположение состояло в том, что функция митохондрий должна влиять на активность нейротрансмиттеров. Не стресс – изменение экспрессии ДНК через эдноплазматический ретикулум – разные сигнальные пути – адаптация. А прямо и топорно, плохо митохондриям – что-то не так с нейротрансмиттерами.

Долго искать не пришлось. Уже цитируемый мной Мартин Пикард с коллегами опубликовал в PNAS статью «Митохондриальная функция модулирует нейроэндокринный, метаболический, воспалительный и транскриптоный ответ на сильный физиологический стресс». Начну с картинки.

митохондрии

Взяли несколько групп мышей. И разными хитрыми способами подавили им часть функции митохондрий, затем заставили заниматься и смотреть уровень всего чего хотели до и после.

  • WT – нормальные мыши
  • ND6 – подавленный на 29% комплекс 1 мутацией мтДНК;
  • COI – подавленный на 40% комплекс 4 мутацией мтДНК;
  • ANT1 – подавили аденин нуклеодит транслокатор 1 (кодируется клеточной ДНК, передает АТФ из матрикс в цитозоль клетки);
  • NNT – нуклеотид трансгидрогеназа (кодируется клеточной ДНК, отвечает за некоторые восстановительные процессы в митохондрии).

Было 2 когорты тестирования: физический стресс 30 минут – 90 минут восстановления или 60 минут физического стресса

Во всех группах, кроме NNT (но там свои проблемы, не будем вдаваться в детали), концентрация контикостерона (аналог кортизола у человека) была выше, чем у WT (группой с нормальными митохондриями. Это говорит о связи митохондрий с осью Гипоталамус-Гипофиз-Надпочечники (HPA Axis). Можно говорить о взаимных связях митохондрий с симпатической и парасимпатической нервной системой.

Вот ради чего я и затевал чтение этой статьи. Налицо дисбаланс уровня нейтротрансмиттеров у групп с пораженными митохондриями по сравнению с нормой. Исследователи довольно обстоятельно разбирают каждый случай. Мне же достаточно того, что функция митохондрий влияет как минимум на концентрацию нейротрансмиттеров.

Также митохондриальная функция влияла на уровень глюкозы и триглицеридов во время стресса и на скорость прихода показателей в норму.

Стрессовый уровень аминокислоты также был разные в каждой «дефектной» группе и отличался от нормы.

Тоже самое с провоспалительными цитокинами (IL-6) и экспрессией генов (но это ожидаемое).

Итог

Все верно, митохондрии – сенсор окружающей среды (энтропии, если хотите отсылки к книге «Что такое жизнь?» Шрёдингера). Их функция прямо влияет как на ось Гипоталамус-Гипофиз-Надпочечники (и далее везде), так и на уровень нейтротрансмиттеров.

Поделиться:

Кетогенная диета и нервная система

Кетогенная диета – высоко жировая диета, когда большая часть органов и мозга начитают питаться не глюкозой, а жировыми кислотами и кетонами. Коппел и Свердлов опубликовали в журнале нейрохимии обзорное исследование «Нейрокетотерапия: современный взгляд на вековую терапию». Как всегда, в конце выводы для тех, кому не очень интересно читать нюансы биохимии.

История кетогенной диеты

Еще Гиппократ рекомендовал лечить эпилепсию голоданием. Исторически было хорошо известно, что продолж

ительное голодание снижает частоту и силу припадков. Вспомните картину «Преображение» Рафаэля, где справа внизу картины нарисован мальчик, у которого заканчивается приступ. Можно только поражаться мастерству Рафаэля, потому что он изобразил мальчика, выходящего из конвульсий, то есть исцеленного. Это эпизод из 17 главы Евангелия от Матфея, как раз где есть по-библейски глубокая фраза «если вы будете иметь веру с горчичное зерно и скажете горе сей: “перейди отсюда туда”, и она перейдет; и ничего не будет невозможного для вас». К Иисусу подошел мужчина и попросил исцелить «бесноватого» отрока. Иисус его исцелил, а на вопрос как ответил: «сей же род изгоняется только молитвою и постом». Традиционно это считается описанием лечения эпилепсии.

Кетогенная диета появилась как имитация эффектов голодания на эпилепсию, но без сильно

 

катаболической части, которая неизбежно сопровождает продолжительное голодание.

С изобретением антиконвульсантов популярность кетогенной терапии сначала упала, но с 90-х ее популярность начала возвращаться. Был даже снят телефильм «Не навреди» о ребенке-эпилептике, не реагирующим на лекарства. Сейчас кето-диета используется в первую очередь для лечения устойчивой лекарствам эпилепсии, для снижения дозировок и, соответственно, снижения побочных эффектов антиконвульсантов (вроде вальпроевой кислоты).

Кетогенез

У млекопитающих к кетозу приводит продолжительное голодание. В результате снижается концентрация инсулина в крови и повышается концентрация глюкагона. Активность глюкагона приводит к гликогенезу (расщеплению гликогена до глюкозы) и глюконеогенезу (синтезу глюкозы из белков и в меньшей степени жиров). Снижение инсулина способствует липолизу белой жировой ткани, что приводит к увеличению концентрации жировых кислот и бета-оксидации.

Бета-оксидация жировых кислот происходит в печени, где создается много ацетил-КоА. Как только количество ацетил-КоА начинает превышать способности цикла Кребса его «переработать», ацетил-КоА уходит на другие нужды: синтез холестерина или кетогенез.

2 молекулу ацетил-КоА объединяются ферментом тиолазой в ацетоацетил-КоА. Затем добавляется третья молекула ацетил-КоА и получается бета-гидрокси-бета-метилглюкарил-КоА (HMG-CoA), реакция проводимая ферментом HMG-CoA синтазой. Реакция HMG-CoA синтазы – ограничивает скорость химической реакции в кетогенеза. HMG-CoA лиаза освобождает две углеродные группы с созданием одной молекулы ацетил-КоА и одной молекулы ацето-ацетата. Ацето-ацетат – первое кетоновое тело, создаваемое во время кетогенеза. Далее ацето-ацетат восстанавливается с помощью NADH и бета-гидроксибутират дегидрогеназы 1 (BHD1) до самого распространенного кетонового тела в нашем организме – бета-гидроксибутирата. Схематически это отображено на рисунке ниже.

Дефицит HMG-CoA лиазы предотвращает кетогенез. При продолжительном голодании дефицит этого фермента приводит к патологическому состоянию гипогликемии и низкой концентрации кетонов одновременно. Это состояние часто ассоциируется с приступами.

Небольшая часть ацетоацетата без участия энзимов теряет углеродные группы (декарбоксилирование) и превращается в ацетон. Ацетон токсичен в больших количествах. В печени конвертируется через метилглиоксальный путь. Так как ацетон крайне летучий, то есть уровень его производства превышает способность печени его конвертировать, то он выделяется через дыхательную систему. В итоге ацетон не достигает заметной концентрации во время кетогенной диеты или голодания.

Синтез бета-гидроксибутирата (BOHB) и ацетоацетата дает 2 молекулы ацетил-КоА и оксидацию NADH.

Кетоны в организме синтезируют гепатоциты и астроциты. В ответ на повышение жира в диете астроциты начинают синтезировать кетоны, обратная связь через вентромодальные нейроны гипоталамуса. Напомню, что есть астроцито-нейронный лактатный шатл (ANLS), когда астроциты перерабатывают глюкозу в лактат и отправляют его в нейроны. Вспоминайте идеи Добромыльского.

Кетолиз

После синтеза в печени монокарбоксильные кислотные транспортеры высвобождают кетоны в кровь, и те становятся доступными органам. После пересечения ГЭБ [транспортеры] MCT 1 и 2 доставляют кетоны в астроциты и нейроны соответственно. Кетоны протаскиваются через цитоплазму в митохондрии, где их и перерабатывают. Переработка кетонов похожа на обратный порядок их создания, но есть некоторые отличия.

В частности, для расщепления ацетоацетата нужен фермент сукцинил-КоА:3-кетокислота трансфераза (SCOT). В гепатоцитах печени отсутствует этот фермент. Гепатоциты печени могут создавать, но не могут потреблять кетоны. Что и объясняет особую роль в печени в кетогенезе.

Схема расщепления кетонов указана на рисунке выше. Все заканчивается в цикле Кребса и дыхательной цепи переноса электронов.

Кетоны сами по себе подавляют гликолиз и стимулируют окислительное фосфорилирование. Так как окисление бета-гидроксибутирата до ацетоацетата сопровождается восстановлением NAD+ до NADH, это само по себе питает комплекс 1 и снижает потребность в глюкозе.

Также кетоны доставляют углерод в цикл Кребса, тем самым повышая его анаплероз (наличие субстратов для каскадных реакций цикла).

Кетоны способствуют синтезу гамма-аминомасляная кислоты (GABA) из глутамата. Также ацетил-КоА в соединении с холином (допустим, из яиц) приводит к синтезу ацетилхолина. Поэтому кетоны влияют не только на биоэнергетику, но и на уровень нейротрансмиттеров.

Кетоновые тела и функция митохондрий

Кетогенная диета усиливает экспрессию белков дыхательной цепи и разобщающего белка 1 (UCP 1, термогенин). Что способствует «бурению» жировой ткани, переключая поток электронов с создания АТФ на генерацию тепла. Также повышенная вытечка протонов в матрикс смягчает генерацию реактивных видов кислорода и азота, позволяя избегать гиперполяризации.

Экспрессия UCP4 и UCP5 увеличилась у крыс в 1,5 раза во время кетоновых добавок. У нейронов экспрессия UCP4 была наиболее сильна, у астроцитов наименее. Кетогенная диета повышает экспрессию UCP4 и UCP2 в гиппокампальной зубчатой извилина крыс, что защищало животных от негативных эффектов химических ингибиторов комплекса 1 и комплекса 2.

Если коротко, то кетоны имеют нейрозащитный эффект с помощью повышения экспрессии разобщающих белков (UCP). Предположительно в этом задействован сигнальный путь Nf-Kb (эн-эф-каппа-би) и увеличенное производство АТФ через поток электронов на комплекс II.

Кетогенная диета воздействует на RONS не только регуляцией экспрессии разобщающих белков. У крыс через 3 недели кето-диеты повышался уровне глутатиона (мощный клеточный антиоксидант). Предположительно за счет влияния на фермент глутамат цистеин лигазу (GCL), чье количество ограничивает синтез глутатиона.

Относительно самих реактивных видов, как помните, кетогенная диета изначально повышает их производство, что активирует сигнальные пути реакций на оксидативный стресс (Nrf2).

Кето-диета питает различные белковые структуры, что в одном из исследований приводило к росту количества митохондрий в гиппокамальной зубчатой извилине крыс. Хотя не совсем ясно за счет чего это произошло: усиление биогенеза митохондрий, снижения митофагии, комбинации обоих или чего-то еще.

Кетоновые тела и посттрансляционная модификация белков

Бутират способствует ацетилированию гистонов. Повышенные уровни бета-гидроксибутирата подавляют гистон деацетилазы 1, 3 и 4 и повышают ацетилирование гистоновых «хвостиков». Ацетилирование усиливает экспрессию генов, связанных с FOXO3A (фоксо три) белком. Нарушения функции этого белка связаны с туморогенезом, ростом опухолей. Один из генов, зависимых от FOXO3 – тот, которые регулирует активность марганец супероксид дисмутазы (MnSOD) и каталазы, которая дисмутирует О2 супероксид.

Также кетоны модифицируют остатки лизина со схожим эффектом.

Кетоновые тела и экстраклеточные сигналы

Помимо усиления сигнальной экстраклеточной функции, BOHB может функционировать как экспраклеточный рецепторный лиганд. В частности, BOHB является агонистом HCA2-рецепторов, они же GPT 109A. Опуская детали, это приводит к подавлению сАМФ (циклический аденозин монофосфат), который связан с производством про-воспалительных цитокинов. Грубо говоря, кетогенная диета обладает противовоспалительным эффектом, что экспериментально подтверждено и есть понимаемый механизм этого эффекта.

Также бета-гидроксибутират является агонистом GPR41 рецептора (он же FFA3). Что подавляет активность симпатической нервной системы, в основном в симпатических ганглиях.

Кетогенная диета и BDNF

Кето-диета усиливает экспрессию нейротрофического фактора мозга (BDNF). То есть способствует пролиферации старых и развитию новых нейронов, синаптической пластичности и синаптических связей. BDNF активирует целую цепочку сигнальных путей, которые способствует здоровью наших нейронов. Подробнее в тексте исследования, а то я боюсь потерять немногочисленную аудиторию, которая дочитала до этого места.

Кетогенная диета и неврологические болезни

Кетоны и развитие ЦНС

Кетоны играют критически важную роль в развитии мозга. Окисление кетонов начинает во время развития плода. Материнское молоко кетогенное, так как содержит большое количество средне цепочных триглицеридов (MCT). Значительная часть энергопотребности мозга младенца «закрывается» кетонами. Блокировка кетогенеза усиливает припадки у щенков крыс.

Кетоны – основной субстрат синтеза жиров в период резкого роста мозга.

Эпилепсия

Эпилепсия включает в себя аберрантную синхронную деполяризацию нейронов ЦНС. Обычно проявляется как пароксизмальные нарушения сознания и моторной функции. Терапевтический механизм кето-диеты во время эпилепсии продолжает быть спорным, не смотря на вековую историю применения.

Кетогенная диета повышает концентрацию GABA и снижает активность глутамата (преобразуя его в GABA). То есть мы говорим о снижении экзитотоксичности (exitotoxicity) глутамата.

Также в эпилепсии играют роль чувствительные к АТФ калиевые каналы (ATP-sensitive potassium channels). Повышенный синтез АТФ в кетозе может воздействовать на эти каналы, влияя на поляризацию мембраны.

Нейроны черного вещества базальных ганглий гораздо реже «выгорали» в присутствии BOHB и ацето-ацетата.

Также кетоны взаимодействуют с PPAR-гамма-2 рецептором, «модной» целью эпилептических разработок.

Болезнь Альцгеймера

Внутриклеточные тау-нейрофибрильные сплетения, накопление амилоид-бета бляшек, смерть нейронов, дисфункция митохондрий, гипометаболизм глюкозы – отличительные гистологические признаки болезни Альцгеймера.

Подавление функции белков дыхательной цепи коррелирует с накоплением амилоидных бляшек.

В общем кетоны частично помогают с этими проблемами. Лучше даже [предполагаю] кетоны + периодическое голодание (аутофагия).

Чуть меньше информации о пользе кетогенной диеты при инсульте, травмах мозга, боковом амилоидном склерозе, болезни Гентингтона, болезни Паркинсона, рассеянном склерозе.

Эффекты кетогенной диеты на ЦНС представлены на рисунке ниже и в выводах.

кетогенная диета

Выводы:

  • Кетоны начинают синтезироваться, когда концентрация ацетил кофермента А превышает возможности цикла Кребса его переработать;
  • Сначала синтезируется ацетоацетат, затем из него получаются бета-гидроксибутират и ацетон;
  • Ацетон перерабатывается печенью или выходит через дыхательные пути, в кето-диете и во время голодания его концентрация не достигает значимых уровней;
  • Кетоны в организме создают гепатоциты и астроциты;
  • Гепатоциты печени производят кетоны, но сами не могут их потреблять;
  • Кетоны подавляют метаболизм глюкозы, дают субстрат для каскадных реакций цикла Кребса, способствуют повышению уровней нейтротрасмиттеров GABA и ацетилхолин;
  • Кетогенная диета способствует экспрессии термогенина и бурению жира;
  • Кето-диета обладает нейрозащитным эффектом и повышает уровень антиоксиданта глутатиона;
  • Изначальное увеличение реактивных видов кислорода и водорода на кето-диете приводит к защитной реакции организма, которая заметно снижает оксидативный стресс;
  • Кетогенная диета повышает общую массу митохондрий по крайней мере в некоторых отделах мозга, но не очень ясно за счет чего (митохондрии дольше живут и меньше «болеют» или их становится больше итд);
  • Кетоны через ацетилирование гистонов влияют на экспрессию генов ДНК; в частности усиливают экспрессию FOXO3 (борьба с опухолями) и супероксид дисмутазу;
  • Кетогенная диета обладает противовоспалительным и анти-стрессовым эффектом;
  • Кето-диета усиливает экспрессию нейротрофического фактора мозга, что способствует здоровым нейронам со здоровыми связями;
  • Материнское молоко кетогенное, и кетоны играют важную роль в нормальном развитии мозга;
  • Кетогенная диета может быть полезная для целого ряда нейродегенеративных заболеваний.

 

 

Поделиться: