Витамин D3. Дефицит на солнце

Витамин D3 образуется в коже при воздействии UVB-лучей. Употреблять витамин D3 в «больших» дозировках – «мода» последних лет 5. Тот редкий случай, когда привычка пришла из мира врачей, и ее сложно назвать плохой. Общепринято, что солнце лучше добавок витамина D3, но остаются вопросы:

  • Почему принимая витамин D3 по 5000 МЕ в день в течение нескольких лет, уровень 25(OH)D3 чаще всего бывает не только ниже 50 нмоль/л, но и ниже 30 нмоль/мл?
  • В каких количествах витамин D3 не является токсичным?
  • Почему есть дефицит витамина D в «южных» странах? И что с этим можно сделать?

Витамин D3 и токсичность

Витамин D3 начали активно применять в первой половине ХХ века, заметив его положительный эффект у пациентов с ревматоидным артритом. Дневные дозы D3 увеличивали до 200-300 тысяч МЕ, что приводило к заметным нежелательным явлениям. Затем дневная рекомендованная доза снизилась до 400 МЕ, что сейчас почти общепринято считается недостаточным. Правда, как не сложно догадаться, находится между этими значениями.

Витамин D3

Текущие исследования говорят о том, что витамин D3 не токсичен при дозировках до 30 000 ME в день. При употреблении в течение нескольких месяцев [4, 5].

Оптимальная дозировка D3

По идее дозировка должна быть привязана к желаемым значениям концентрации 25(OH)D3 в крови. Традиционно многие хотят добиться результата в 50+ или 70+ нмоль/литр. Люди с генетическими дефектами рецепторов витамина D иногда вынуждены поднимать концентрацию витамина еще больше.

Большинство людей находятся между 20 и 30 нмоль/литр [5]. И с другой стороны довольно много случаев, когда долгосрочное употребление 3-5 тысяч МЕ в течение нескольких лет не позволяет людям преодолеть значение в 30 нмоль/литр.

8895 МЕ в день необходимы 97,5% людей, чтобы достичь концентрации 25(OH)D3 ≥ 50 нмоль/литр [4].

Естественно, что эти значения зависят от массы тела, географии проживания и других факторов. Но логично будет заменить общепринятые 2-5 тысячи МЕ на 5-10 тысяч МЕ. С учетом значений токсичности, нам еще есть куда отступать.

Дефицит D3 в солнечных странах [1, 2, 3]

 

Мы закончили с легкими вопросами, и остался последний elephant in the room. Почему при избытке солнца и экзогенной формы человек всё ещё может испытывать дефицит витамина D?

На мой взгляд при увлечении биологией и фармакологией не стоит забывать про физику. Белковые структуры живых организмов связывают клеточную воду, за счет усиления дипольного момента молекул воды остовами полипептидных цепей развернутых белков.

Белок может влиять на структурную организацию молекул воды вокруг себя и на свойства этой воды. Но на электронные и индукционные силы внутри белков можно воздействовать внешним излучением. Например, неестественным электромагнитным излучением (nnEMF, non-native Electromagnetic Frequencies), которых в современном мире в избытке. Возьмите хотя бы сотовые телефоны и Wi-Fi.

По ссылке [7, 8] вы можете увидеть, что это действительно так. Это лишь один из немногих примеров. Глутаминовая кислота и фенилаланил меня pH при воздействии магнитного поля. Они теряли протоны, кинетика конвертации глутаминовой кислоты в ГАМК увеличивалась до 50%.

Исследователи предположили, что nnEMF меняют организацию молекул воды вокруг белка, что приводит к изменения гидрофобных взаимодействий.

Возвращая всё к гипотезе Гилберта Линга, nnEMF воздействуют на физические взаимодействия белковых структур, что приводит к тому, что белки могут удерживать меньше воды.

Проще говоря, неестественные излучения современного Мира делают людей обезвоженными. И изменяют взаимодействия белков, воды и ионов. Что мешает как образованию витамина D на солнце, так и образованию в почках активной формы 25(OH)D3 в почках.

Выводы:

  • При долгосрочном применении Витамин D3 не токсичен в дозировках до 30 000 МЕ в день;
  • Большинству людей придется принимать 9-10 тысяч МЕ в день, чтобы поднять концентрацию 25(OH)D3 в крови выше 50 нмоль/л;
  • Неестественные электромагнитные излучения современного Мира мешают синтезу витамина D;
  1. Vitamin D deficiency in Thailand
  2. Vitamin D: a critical and essential micronutrient for human health
  3. A systematic review of vitamin D status in populations worldwide
  4. The Big Vitamin D Mistake
  5. Vitamin D Is Not as Toxic as Was Once Thought: A Historical and an Up-to-Date Perspective
  6. Risk assessment for vitamin D
  7. Deprotonation of glutamic acid induced by weak magnetic field: an FTIR-ATR study
  8. Influence of magnetic fields on the hydration process of amino acids: vibrational spectroscopy study of L-phenylalanine and L-glutamine
  9. TIME #11 CAN YOU SUPPLEMENT SUNLIGHT?
Поделиться:

Кислотно-щелочной баланс клетки и здоровье

Кислотно-щелочной баланс (pH) – это прекрасный маркер, через призму которого мы можем получить ряд выводов о работе клетки. Я много писал об электронах как источниках энергии, но именно протоны определяют pH, необходимый для геомеостаза клетки. Напомню, что pH сильно влияет на белковые структуры, может как нарушать некоторые связи, так и создавать их. Особо интересующимся рекомендую статью «Сенсоры и регуляторы внутриклеточного pH». Я буду брать информацию оттуда крайне выборочно.

Специализация внутри клетки приводит к тому, что у различных органелл разный pH.

Кислотно-щелочной баланс клетки

Рисунок 1. Кислотно-щелочной разных внутриклеточных компонентов. pH отдельных органелл и компонентов в прототипической клетке млекопитающего. Значения собраны из разных источников. pH митохондрии относится к матриксу.

Клетка постоянно подвергается ацидификации двумя путями:

  • Негативный электрический потенциал вокруг клетки притягивает в нее ионы и выталкивают отрицательно заряженные основания HCO3-;
  • Кислотные субстраты являются побочным продуктом различных метаболических реакций (в том числе синтеза АТФ, мышечные сокращения, активация лейкоцитов патогенами)

Авторы пишут, что энергия для «выталкивания» протонов напрямую и не напрямую дается АТФ. Сразу хочу напомнить версию Линга, к которой я вернусь уже на этой неделе. Что структура живой клетки определяется белками, ионами солей и водой. И что индукционные и электростатические свойства белков определяют во многом наши клетки. Что в полноразвернутых конформациях белков (которым способствует щелочной pH) CO и NH основы усиливают дипольный момент воды, и что протоны крупных молекул выталкиваются по термодинамическим причинам без затраты энергии. Линг очень хорошо критиковал идеи «протоновых насосов», потому что им неоткуда брать столько энергии для всех вкачиваний/выкачиваний.

Побочным продуктом синтеза АТФ является углекислый газ (CO2). Он довольно быстро реагирует с водой (не без помощи некоторых ферментов), образуя угольную кислоту (CO2 + H2O <> H2CO3 <> HCO3- + H+), понижая кислотно-щелочной баланс (делая его более кислотным). Как видите, и бикарбонаты могут спонтанно соединяться с протонами Н+ с образованием угольной кислоты. Раз ацидификация происходит во время синтеза АТФ, значит она происходит постоянно. С ацидификацией, возвращаясь к Лингу, белки могут образовывать водородные и солевые связи, что приведет к снижению поляризации окружающей воды и как следствие по термодинамическим же причинам в клетку смогут проникать ионы с более крупной молярной массой (вроде Na+).

Кислотно-щелочной баланс митохондий выше из-за выкачки протонов (особенностей их функции). pH лизосом (которые занимаются аутофагией) логично кислотный, так как это необходимо для их функции (разрушение белковых структур).

Один из способов регуляции pH – ферменты карбонат ангидразы. Если ее ингибировать фармакологически, то можно не только получить алкалоз и вывести кучу воды с Na+ (диуретический эффект).

Na+ внутрь (из-за сниженного pH), HCO3- внутрь и Cl- наружу приводит к повышению клеточного pH. Если мы возьмем идеи Линга, процесс получается почти что автоматическим.

Последнее, что хочу отметить – это ацидификация при хронических заболеваниях. О чем красноречиво говорит рисунок ниже.

Попытки повлиять диетой (деля еду на кислотную и щелочную) ущербны, ненаучны и безрезультатны. Но можно меньше причинять вреда своему организму, не создавая дополнительных проблем для его гомеостаза.

P.S. Если коротко суммировать смысл написанного, то производство АТФ приводит к снижению pH, что вынуждает организм защищаться. Посыл очень простой – жизнь вас убьет на сама по себе, не надо для этого ничего дополнительного делать.

Поделиться:

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

Поделиться:

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.

Поделиться: