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:

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:

MICOS. Mitochondrial contact site and cristae organizing system

MICOS (я не знаю как точно перевести) и cristae junctions – раздел физиологии митохондрий, который я не охватил в заметке про белковые структуры этих органелл.

Как помните, то кристы внутрь матрикса втягивают ряды димеров АТФ-синтазы. Чтобы форма держалась, ее неплохо бы придерживать в основании. За это и отвечают cristae junctions и MICOS.

Cristae junctions (я раньше переводил «места крепления крист», что неточно), это часть изгиба крист у «бутылочного горлышка».

Так схематически выглядит расхождение cristae junctction и высвобождение цитохрома с цитозоль клетки (с последующим апоптозом).

Или вот. Кристы и cristae junction пивных дрожжей (S. Cerevisiae, отсюда).

Считается, что cristae junctions – диффузионный барьер для белков и небольших молекул. Судя по всему, это пространство внутри крист нужно для оптимального синтеза АТФ.

MICOS

MICOS (он же MINOS), как видите, состоит из нескольких компонентов с различными функциями. Mic60 отвечает за крепление крист к внешней мембране. Последние знания по теме можно почерпнуть из одноименной названию заметки статьи.

С нарушение в структуры крист (в том числе и MICOS) связали уже ряд заболеваний.

Хотел написать изначально много текста, но потом решил, что наглядные картинки с коротким пояснением будет лучше.

Поделиться:

Потенциал мембраны митохондрий, цикл Кребса, HIF-1 и реактивные виды кислорода

Потенциал мембраны митохондрий – это тема, которая меня давно интересовала. Откуда берется, какие преимущества дает организмам.

«Цикл лимонной кислоты и потенциал мембраны митохондрий необходимы для разнообразных биологических функций». Поиск отличной статьи про потенциал мембраны увенчался успехом. Гилберт Линг присовокупив к биологии электростатику и индукционные взаимодействия белков объяснял потенциал мембраны. Но биологов такие физические вопросы зачастую ставят в тупик. Эта блестящая работа, хоть не отвечает на все вопросы, стоит пристального изучения.

Как изучают подобные вещи биологи? Им нужно физически, фармакологически или как-то еще точечно подавить ту или иную функцию. Затем смотреть, что ее подавление будет означать для организма. Если содержание будет казаться вам скучным – переходите к выводам.

ρ0 клетки (ро-зеро клетки) – это клетки без митохондриальной ДНК (мтДНК). Если помните мою недавнюю заметку о белковых структурах митохондрий, то эти органеллы кодируют сами только 13 белков. Остальное митохондрии получают от клетки. Цикл Кресба (лимонной кислоты) создает субстраты NADH и FADH2, которые доставляют электроны дыхательной цепи митохондрий (ЭТЦ), которая использует кислород как финальный акцептор электронов. Более важно, что комплекс I, III и IV создают протоновый градиент в межмембранном пространстве, который необходим для работы АФТ-синтазы. Потенциал мембраны играют важную роль в транспорте белков из цитозоли в митохондрию. Также не стоит забывать, что митохондрия играет важную сигнальную роль для клетки. Например, реактивные виды кислорода (ROS) через окисления белковых тиолов приводят к выбросу цитрата, создающего ацетил-КоА. Ацетил-коА в цитозоле приводит к ацетилированию ДНК, то есть к эпигенетической регуляции экспрессии генов. Или белковый димер HIF-1, который отвечает за реакцию клетки на гипоксию.

В митохондрии есть фермент полимераза-γ (POLG). Подавление полимеразы-гамма приводит к потере мтДНК способности к репликации без воздействия на ДНК клетки. Подавления POLG исследователи добились доксициклином (антибиотик). Затем они генетические вывели dominant negative POLG клетки (DN-POLG), то есть клетки без мтДНК.

Потеря мтДНК снижала ацетилирование H3 гистоновых «хвостиков». При этом не воздействуя на метилирование. Как метилирование и ацетилирование гистнов влияет на экспрессию генов читайте в заметке про метилирование. То есть мтДНК влияет на экспрессию генов самой клетки.

Чтобы восстановить цикл Кребса в клетках без мтДНК, исследователи «добавили» 2 белка, несуществующих у млекопитающих. От S. cerevisiae взяли NDl1 (альтернатива NADH дегидрогеназы, то есть комплексу I) и т C. Intestinalis AOX (альтернативную оксидазу), которые передают электроны, при это НЕ выкачивая протоны. NDl1 может окислять NADH, таким образом восстанавливая функцию переноса электронов комплекса I. AOX может переносить электрон от юбихинола к кислороду (пропуская комплексы III и IV). В клетках без мтДНК комплексы I, III и IV не функционируют. Так что в наших ρ0 клетках NDl1 и AOX теперь отвечают за перенос электронов, восстановление NAD+ и FAD и за восстановление активности цикла Кребса. Восстановленная активность цикла лимонной кислоты привода приводила к пролиферации DN-POLG клеток.

При этом без выкачки протонов нет работы нано-ротора АТФ-синтазы, синтеза АТФ и, de facto, теряется потенциал мембраны. Это очень глубокая находка и это же объяснял Гилберт Линг, но с помощью физики. АТФ создает потенциал мембраны. Клетки без работы АТФ синтазы вынуждены полностью полагаться на гликолиз. И когда глюкозу заменяли на галактазу, то клетка умирала.

DN-POLG клетки пытались восстановить потенциал мембраны за счет выкачки протонов через саму АТФ-синтазу. F0F1 (обычно F1F0 – это обозначения частей димера) путь протонов, для выкачки которых использовалась энергия АФТ (преобразование АТФ4- в АДФ3-), полученной за счет гликолиза. По подсчетам авторов 13% всей АФТ от гликолиза уходило на выкачку протонов через АТФ синтазу, чтобы создать потенциал мембраны. В митохондриях есть белок ATPIF1, который эндогенно блокирует подобную выкачку протонов. Этого белок уничтожали технологией CRISPR (криспер).

DN-POLG ATPIF1 knockout клетки улучшали пролиферацию, а их митохондрии восстанавливали потенциал мембраны, который в свою очередь приводит к созданию реактивных видов кислорода (ROS) и активации HIF-1 димера, отвечающего за чувствительность клетки к кислороду. Без потенциала, напомню, митохондрии не могут транспортировать белки из цитозоли клетки.

При восстановлении цикла Кребса и потенциала мембраны у клеток без мтДНК, их пролиферация возвращалась в норму.

HIF-1 димер состоит из двух частей. HIF-1α часть чувствительна кислороду, HIF-1β часть нечувствительна к кислороду. При нормальном уровне кислорода HIF-1α гидроксилируется у определенных пролиновых остатков при помощи пролил-гидроксилазы, тем самым делая ее цель деградации протеазой. Гипоксия снижает гидроксилирование HIF-1α, стабилизируя ее и димениразилированием отделяя ее от HIF-1β, что активирует гены, отвечающие за адаптацию к гипоксии. Активация HIF-1 способствует пролиферации клетки. Здесь пора салютовать Виму Хофу, монахам Туммо и всем тем, кто догадался совместить закаливание с контролируемой гипервентиляцией, которая приводит к легкой гипоксии мозга по физиологическим причинам.

потенциал мембраны митохондрий

Выводы:

АТФ создает потенциал мембраны митохондрий (мне нужно заставить себя расписать идеи Линга, чуть позже поясню почему);

Клетки без мтДНК имеют ту же продолжительность жизни при восстановленных цикле Кребса и потенциале мембраны митохондрий;

Для создания реактивных видов кислорода и стабилизации HIF-1 необходим большой потенциал мембраны;

Реактивные виды кислорода жизненно необходимы для ряда функцией, в то числе для экспрессии генов за счет ацетилирования ДНК;

Стабилизация HIF-1α приводит к пролиферации клетки. Связь мне еще до конца не ясна, но это говорит о том, что пранаямы работают.

 

Поделиться:

Митохондрии. Структура и функции белковых комплексов мембраны

Митохондрии (МТ) – одно из самых интересных мне направлений исследований. Объединение митохондрий с другой клеткой в ходе эндосимбиоза около 1,6 млрд лет назад стало основной всех многоклеточных эукариотов со сложной структурой. Предположительно митохондрии произошли от клеток, напоминающих α-протеобактерии.

Лучшее обзорное исследование последнего времени по митохондриях – работа Вернера Кулбрандта «Структура и функция митохондриальных белковых комплексов мембраны». Если вы знаете английский язык и интересуетесь устройством этих органелл, то настоятельно рекомендую к прочтению. Эта статья так хороша, что может быть смело главой хорошего учебника по молекулярной биологии. Сначала я хотел перевести всю статью, но это бы заняло непростительно много времени и оторвало бы от других дел. Поэтому ограничусь тезисами и картинками. Периодически разбавляя все своими мыслями.

Митохондрия кодирует сама только 13 белков, не смотря на наличие отдельной от клетки ДНК (мтДНК) и всего «производственного» цикла по транскрипции белков. Изолированная митохондрия какое-то время может сохранять композицию и функционировать.

Рисунок 1. Компоненты мембраны митохондриона. Внешняя мембрана отделяет митохондрию от цитоплазмы. Она окружает внутреннюю мембрану, которая отделяет межмембранное пространство от богатого белками центрального матрикса. Внутреннюю мембрану разделяют на внутреннюю пограничную мембрану и кристы. Две эти части непрерывны в местах крепления крист (cristae junction). Кристы простираются более или менее глубоко в матрикс и являются основным место митохондриального преобразования энергии. Небольшой протоновый градиент в межмембранном пространстве (pH 7,2-7,4) и матрикс (pH 7,9-8,0) приводят к образованию АТФ АТФ-синтазой в мембранах крист.

Внешняя мембрана пористая и позволяет веществам из цитоплазмы проходить через нее. Внутренняя мембрана плотная, для ее пересечения нужны транспортные белки [Гилберт Линг обоснованно не согласен], непрерывность барьера позволяет иметь внутренней мембране электрохимический потенциал в -180 mV. У матрикса довольно большой pH (7,9-8). Еще раз углублюсь в Линга. Щелочной (выше 7) pH способствует более развернутой конформации белков. Высокий pH нарушает водородные и солевые связи, делая поляризованные CO и NH доступными молекулам воды, там самым усиливая дипольный момент всей внутриклеточной воды и связывая ее. В этом ключе наличие мембраны нужно не для «удержания» протоплазмы внутри клетки (это делают сами белки при высоком pH), а для наличия потенциала.

мтДНК находится в нуклеотидах, которых примерно 1000 на клетку. Белковая плотность матрикса довольна высокая (до 500 мг/мл), что близко к кристаллизованным белкам.

Внутренняя мембрана образует инвагинации, называемые кристами, которые глубоко проникают в матрикс. Кристы определяют третий «отсек» митохондрий – просвет крист (cristae lumen). Мембраны кристы содержат большинство, если не все, полностью «собранные» комплексы цепи переноса электронов и АТФ-синтазы. Просвет кристы содержит большое количество маленького растворимого белкового переносчика электронов (цитохром с). Митохондриальные кристы, таким образом, основное место биологической конверсии энергии во всех не фотосинтетических эукариотах.

С кристами тоже много всего интересного. Оптические свойства кристы влияют на распространение и генерацию света в тканях. Я даже встречал идеи о том, что поверхность крист подобна (предположение) поверхностям топологических изоляторов (подразумевалась суперпроводимость без диссипации заряда).

Рисунок 2. Мембранные белковые комплексы дыхательной цепи. Комплекс I (NADH / убихинон оксидоредуктаза, синий), Комплекс II (сукцинат дегидрогеназа, розовы), Комплекс III (цитохром С редуктаза, оранжевый), Комплекс IV (цитохром С оксидаза, зеленый) и митохондриальная АТФ синтаза (известная как комплекс V, бежевая) работают вместе во время окислительного фосфорилирования, чтобы клетки могли использовать энергию. Комплексы I, III, IV выкачивают протоны вдоль мембраны кристы, создавая протоновый градиент, стимулирующий синтез АТФ.

Теперь немного внимания на комплекс II. Вы помните, что жир (кето) делает упор в метаболизме на FADH2 и комплекс II. Они восстанавливают пару CoQ, в какой-то момент окисленного CoQ не хватает для транспортировки электронов на комплекс III и образует обратный поток электронов на комплекс I с образованием супероксида. При долгом HFLC-питании комплекс I будет обратимо разрушен, при этом это нормальная физиологическая оптимизация.

Еще прошу вас заметить, что комплекс II не выкачивает протоны. Что у нас рассеивает протоновый градиент, нарушает фосфорилирование и стимулирует сжигание жиров на тепло? Правильно, стресс холода. Термогенез связан с метаболизмом через комплекс, который не выкачивает протоны, тем самым не давая дополнительных протонов для АТФ-синтазы. Можно только удивляться как замечательно у нас продуман организм.

Крепления крист и MICOS

Места крепления крист (cristae junctions) – маленькие круглы отверстия примерно 25 нм диаметром. В митохондриях всех организмов есть система MICOS (mitochondria contact site and cristae to outer membrane), сборка из пяти мембранных и одного растворимого белков, прикрепляющих кристы к наружной мембране.

В клетках с повышенной потребностью в энергии, такие как скелетные и сердечные мышцы, кристы плотно заполняют большую часть объема митохондрии. В тканях с меньшими потребностями в энергии, таких как печень и почки, кристы находятся не так плотно по отношению друг к другу. Остается больше места в матрице для биосинтетических ферментов.

Рисунок 3. Томографический объем митохондрии сердца мыши. А) Трехмерный объем митохондрии сердца мыши, снятый cryo-ET. Наружная мембрана (серая) окутывает внутреннюю мембрану (светло-синяя). Внутренняя мембрана плотно наполнена кристами б) Томографический срез объема. Плотно заполненный матрикс, содержащий большую часть митохондриальных белков, выглядит темным на электронном микроскопе. В то время как межмембранное пространство и просветы крист выглядят светлыми из-за низкой концентрации белков.

Димеры АТФ синтазы

Митохондриальная F1-F0 АТФ синтаза является самым заметным белковым комплексом кристы. АТФ синтаза – это древняя наномашина, которая использует электрохимический протновых градиент вокруг внутренней мембраны для создания АФТ посредством вращательного катализа. Протоны, двигающиеся через F0 комплекс мембраны, вращают ротор из 8 (у млекопитающих) или 10 (у дрожжей) с-узлов. Центральный стебель передает крутящий момент c-ротора каталитической головке F1, где АТФ образуется из АДФ и фосфата через последовательность конформационных изменения. Периферийный стебель предотвращает непродуктивное вращение Головы F1 против комплекса F0.

Многие годы считалось, что АТФ синтаза случайным образом располагается на внутренней мембране. Но оказалось, что АТФ синтаза располагается двойными рядами. Причем линейные ряды АТФ синтазы – фундаментальный атрибут всех живых митохондрий.

Рисунок 4. Двойные ряды АТФ синтазы у семи разных видов.

Ряды АТФ синтазы располагаются в основном вдоль хребтов крист. Димеры изгибают липидный бислой и как следствие само-организуются в ряды. Когда у митохондрий дрожжей выбивали узлы e и g АФТ синтазы, то штамм рос на 60% медленней диких собратьев, и потенциал мембран их митохондрий был снижен вдвое. У АФТ синтазы прокариотов недостает нескольких узлов, связанных с димерами, ряды димеров не были найдены у бактерий и архей. Кристы и ряды димеров АФТ синтазы, таким образом, являются адаптацией к большим энергетическим потребностям организма.

Рисунок 5. Структура димера АТФ синтазы митохондрии polymella sp. Вид сбоку на V-образный димер АТФ синтазы.

Комплексы и суперкомплексы дыхательной цепи

Протоновый градиент вокруг внутренней мембраны создается тремя крупными мембранными комплексами, известными как комплекс I, комплекс III и комплекс IV (см. рисунок 2). Комплекс I кормится электронами из NADH, высвобождаемая при передаче электрона энергия выкачивает четыре протона. Комплекс III получает электрон от восстановленного хинола и передает его носителю электронов (цитохрому с), выкачивая в процессе один протон. Комплекс IV получает электрон из цитохрома с и передает его молекулярному кислороду, выкачивая 4 протона за каждую молекулу кислорода, превращенную в воду. Комплекс II не выкачивает протоны, напрямую передавая электроны хинолу. Как перенос электронов из NADH в хинол связан с транслокацией протонов пока не ясно. Комплекс I – крупнее III и IV вместе взятых.

Рисунок 6. Комплекс I митохондрии коровьего сердца. Матриксная часть содержит ряд из  восьми железно-серных (Fe-S) кластеров, которые направляют электроны из NADH в хинол на пересечении матрикса и мембраны. Мембранная часть состоит из 78 лопастей, включая выкачивающие протоны молекулы.

Комплексы I, III и IV соединяются в суперкомплексы или респирасомы. У пекарских дрожжей (saccharomyces cerevisiae) нет комплекса I, их суперкомплексы состоят из III и IV. Роль суперкомплексов пока еще не ясна. Предполагают, что это  делает транспорт электронов более эффективным, но прямых доказательств этому пока нет.

Рисунок 7. Суперкомплекс митохондрии коровьего сердца. Обратите внимание на дистанцию между комплексами I и III, который надо проделать хинолу. Стрелки – движения электрона в суперкомплексе.

Основным белком просвета кристы является цитохром с, который переносит электрон из комплекса III в комплекс IV. Если цитохром с высвобождается в цитоплазму клетки, то вызывает апоптоз.

Рисунок 8. Ряды димеров АТФ синтазы задают форму кристам. У хребта кристы АФТ синтаза (желтый) образует слив для протонов (красный), протоновые насосы электронной цепи (зеленый) находятся по обоим сторона рядов димеров. Направляя протоны от источника к АТФ синтазе, кристы работают как протоновые направляющие, позволяющие эффективное производство АТФ. Красные стрелки показывают направление потока протонов.

Реорганизация мембраны во время старения

Старение – фундаментальный и плохо понимаемый процесс всех эукариотов. Исследовали старение митохондрий на грибах Podospora anserina, которые живут всего 18 дней. В нормальной митохондрии кристы проникают глубоко в матрикс. Для этого нужны ряды димеров АТФ синтазы и MICOS комплекс у мест крепления крист. С возрастом кристы начинают все ближе подходить к поверхности мембраны, димеры АФТ синтазы превщаются в мономеры, и все заканчивается высвобождением цитохрома с и клеточной смертью.

Транспорт электронов создает супероксид в комплексах I и III. Это побочный продукт метаболизма. Одновременно необходимый и смертельно опасный. Во время старения деление (fission) начинает превалировать над сращением (fussion). Это не дает поврежденным митохондриям «спастись» путем сращения и ускоряет неизбежное.

Рисунок 9. Изменения морфологии внутренней мембраны и димеров АТФ синтазы во время старения митохондрии.

Как видите, полей для будущих исследований очень много. Я предполагаю стык физики и биологии, где физики будут пытаются объяснить почему такая структура более энергетически эффективна. Тем более публикации по квантовой биологии уже имеются.

Поделиться:

Ограничение питания по времени, сравнение голодания и кето-диеты

Ограничение питания по времени – это когда у нас есть окно в 8-12 часов, в которые мы разрешаем себе есть (обычно с утра и до после обеда), затем пьем только воду. При это урезания калорий нет. Это альтернативная стратегия периодическому голоданию и кето-диете.

После своего первого пересказа статьи Вальтера Лонго о голодании, я хотел продолжить его же статьей «Голодание, циркадные ритмы и кормление с ограничением по времени в здоровой продолжительности жизни». Но материала в добавлении к первой статье там было не так много и заметка «зависла». Ситуацию спасла Ронда Патрик, дав развернутые ответы на вопросы на подкасте Тима Ферриса (ссылка на транскрипцию подкаста). Первые же 2 вопроса: «практика применения этой диетной стратегии» и «в чем отличие голодания от кето». Поехали!

Стратегия 16-8 также дает результаты, но 12-12 или даже 8-16 еще лучше.

Ограничение по времени связано с циркадными ритмами. У людей гликемическая реакция на идентичную еду как правило повышается к вечеру. Организм через фоторецепторы (глаза, кожа) получает сигналы о времени суток. Эта информация попадает в супрахиазматическое ядро мозга и в дальнейшем влияет на целый ряд процессов. 10-15% экспрессии наших генов модулируется светом. СХЯ, таким образом, принято считать главным генератором циркадных ритмов организма. Но есть и периферийная регуляция. Например, через еду организм получает периферийные сигналы о времени суток. Так и происходит то самое циркадное несоответствие.

С практической стороны важно то, что в период вечернего голодания мы пьем только воду. Даже ксенобиотики (кофе, например) могут мешать процессу временного голодания.

Прерывать голодание Ронда советует как раз ксенобиотиками.

Окно питания в 9-12 часов и последующее водное голодание дает следующие эффекты:

  • Снижение жировой массы
  • Увеличение сухой мышечной массы
  • Улучшенная толерантность глюкозе
  • Улучшенный липидной профиль
  • Снижение воспаления
  • Больший объем митохондрий
  • Защита от стеатоза печени
  • Защита от ожирения
  • В целом более желаемая экспрессия генов
  • Увеличивается производство кетоновых тел

Пересказ нескольких исследований:

  • 11-часовое окно питания ассоциируется со снижением риска заболевания раком груди и снижением случаев рецидива на 36%;
  • Ранние блюда ассоциируются с большей эффективностью терапий, направленных на похудание, среди пациентов с избыточным весом и ожирением;
  • За каждые 3 часа голодного вечернего времени на 20% снижается гликированный гемоглобин (HbA1C);
  • На каждые 10% увеличения калорий, съеденных после 5 дня приходится 3% роста C реактивного белка (маркер воспаления);
  • Дополнительный дневной прием пищи (вместо вечернего) был связан с 8% падения С реактивного белка.
  • Окно в 12 часов улучшало сон и усиливало потерю веса у людей с нормальным весом.

Отличия голодания от кето-диеты

Голодание приводит к увеличению аутофагии и апоптоза. Для метаболического здоровья это означает очищение от стареющих клеток, белков с неправильной конформацией и прочих побочных продуктов метаболизма. С помощью аутофагии удаляются поврежденные митохондрии (митофагия).

После аутофагии и апоптоза идет массивный прирост синтеза стволовых клеток. Чего нет на кето-диете.

Голодание приводит к биогенезу митохондрий. Кето, напомню, приводит к уменьшению количества патогенных мутаций, но с биогенезом митохондрий кето еще не связали.

Голодание приводит к увеличению NAD+ (или просто NAD). Доктор Патрик упоминает только то, что NAD необходима для починки ДНК. Я бы добавил то, что снижение баланса NADH/NAD+ улучшает питание митохондрий кислородом и снижает псевдогипоксию.

Голодание и кето-диета снижают маркеры воспаления (С реактивный белок, TNFα итд). Но кето-диета обладает большей вариабельностью по сравнению с голоданием. Тут Ронда приводит в пример исследование 2015 года Personalized Nutrition by Prediction of Glycemic Responses. Резюме исследования можно посмотреть на YouTube. Если коротко, но среди людей есть огромная вариабельность в гликемической реакции на те или иные продукты. В видео приводят в пример то, что у некоторый людей суши сильнее поднимают глюкозу в крови, чем мороженое.  Применительно, что у части населения гликемическая реакция на жиры сильнее, чем на простые углеводы. Это связано как правило с генетическими мутациями. Ронда приводит в пример FTO, PPAR-alpha, PPAR-gamma, APOE4.

Также Ронда ссылается на исследование о влиянии кето-диеты на уровень тироидных гормонов у детей-эпилептиков. И говорит о том, что людям с проблемной щитовидной неплохо бы тестироваться во время затяжной кето-диеты. Но мы с вами разбирали, что логика немного другая. Это углеводы приводят к повышенному Т3 и как следствие повышают требования к количеству йода в диете.

Выводы:

  • Ограничение питания по времени – хороший способ подтянуть метаболическое здоровье, не переключаясь на кето и не прибегая к голоданию от суток и более;
  • Ограничение питания по времени – прекрасная стратегия для тех, у кого проблемы с нежелательным течением кето-диеты;
  • Кето-диета + ограничение питания по времени – также отличная идея.
Поделиться:

Метиленовый синий, митохондрии и нейротрасмиттеры

Метиленовый синий

Чаще всего я стараюсь писать заметки по принципу «1 заметка – 1 мысль», но иногда я вынужден этим правилом поступиться. На метиленовый синий еще в 1925 году выходит 100+ страничные научные обзоры. Информации так много, что не знаю чем начать и чем закончить. Решение этой непростой задачи я выбраю тривиальное – буду писать о том, что мне самому интересно, без претензий на полноту картины.

Метиленовый синий (МС) – фенотиазин, краситель, открытый в 1876 Генрихом Каро.

метиленовый синий

Давайте для начала посмотрим на молекулу и поговорим о возможных свойствах. Ароматические кольца говорят о том, что МС фоточувствителен. Он отлично абсорбирует видимый свет в спектре 600-700 нм, оставляя смотрящему спектр 350-600 нм. Что и дает метиленовому синему его цвет. В восстановленной форме лейко-МС бесцветен, так как не фоточувствителен для видимого спектра.

Метиленовый синий абсорбирует энергию света (фотонов), затем передает эту энергию молекулярному кислороду, создавая синглетный кислород. В синглетном кислороде спины пары «верхних» электронов вращаются в противоположных направлениях. Что дает молекуле кислорода больше энергии и делает ее более реактивной, чем стандартная триплетная версия. Возвращаясь к началу предыдущего абзаца, ароматичность делает МС липофильным, то есть легко проходящим сквозь всевозможные липидные мембраны (в том числе через гемато-энцефалический барьер).

Окисленная форма МС и лейко-МС легко конвертируются друг в друга при помощи кислорода и NADPH/тиоредоксина. Это очень важно для дальнейшей части, так как метиленовый синий в зависимости от формы может быть как донором так и акцептором электронов, при этом быстро меняя одно состояние на другое. Вы уже понимаете в какие дебри я вас затягиваю.

Метиленовый синий и цепь переноса электронов митохондрий

Почти невозможно было найти картинку, отражающую всю интересность происходящего.

Вспомним 3 механизма создания АТФ в митохондриях:

  • Окислительное фосфорилирование (через цепь переноса электронов);
  • Субстратное фосфорилирование (в ходе преобразований субстрата);
  • Реакция аденозин-киназы (2 АДФ ↔ АТФ + АМФ).

Роль субстраного фосфолирования вырастает во время нарушения окислительного фосфорилирования и во время термогенеза бурым жиром. Метиленовый синий заметно усиливает этот механизм создания АТФ. Что-то даже так бегло выходит слишком долго. Итак.

Эффект метиленового синего на митохондрии:

  • Может переносить электроны от NADH и FADH2 напрямую в цитохром С, минуя комплексы I-III; Тем самым улучшая функцию митохондрий с пораженными комплексами; NADH, как видно на картинке выше, восстанавливает МС, а цитохром С, наоборот, окисляет с забиранием электрона;
  • В тоже время МС подавляет NO-синтазу и утилизирует оксид азота; NO, как помните, может блокировать цитохром С; то есть метиленовый синий не только приносит электроны на цитохром С, но и улучшает его функцию;
  • Благодаря возможности создавать синглетный кислород может способствовать снижению гетероплазмии митохондрий и способствовать апоптозу [больных] клеток; то есть МС восстанавливает поток реактивных видов кислорода в комплекс I;
  • В этом же время восстановленный лейко-МС легко реагирует с кислородом, тем самым являясь неплохим антиоксидантом;
  • МС усиливает генерацию АТФ через субстратное фосфорилирование, но вроде бы подавляет АТФ-синтазу;
  • Поддерживает потенциал мембраны митохондрии (∆Ψm);
  • Увеличивает поглощение Ca2+ митохондриями с пораженными комплексами I и III;
  • МС снижает соотношение NADH/NAD+, тем самым противодействуя псевдогипоксии; сейчас проходят клинические испытания NAD+ в этой связи как средство от старения;
    • Тут важно напомнить, что гипергликемия приводит к куче NADH и как следствие к псевдогипоксии, как сопутствующей метаболическим заболеваниям проблеме;
  • Увеличивает утилизацию кислорода в митохондриях, но это перекликается с парой вышеуказанных пунктов.

Получается, что метиленовый синий – отличный способ улучшить функцию своих митохондрий для людей в метаболическими проблемами.

Метиленовый синий и мозг

Ацетилхолин

Увеличивает концентрацию ацетилхолина, подавляя ацетилхолинэстеразу и бутирилхолинэстеразу; ферменты, расщепляющие этот нейротрансмиттер;

Подавляет холин оксидазу, окисляющую холин (прекурсор ацетилхолина) до бетаин альдегида;

Что это значит:

  • Метиленовый синий улучшает память и возможность концентрироваться (в том числе в процессе обучения);
  • Парасимпатичная нервная система (расслабление и восстановление) обменивается ацетилхолиновыми сигналами; будет проще расслабляться и отдыхать;
  • Во время REM-фазы сна холинергические нейроны обладают повышенной активностью; возможно, МС может модулировать качество этой фазы сна.

Глутамат

Высокие концентрации МС прерывают синаптические передачи, опосредованные глутаматом. Но из этого сложно сделать какие-либо выводы, так как исследований по эффекту метиленового синего на глутамат и его рецепторы почти нет.

Дофамин

МС – родственник фенотиазиновых антипсихотиков вроде хлорпромазина. Предполагается, что метиленовый синий модулирует активность дофаминовых рецепторов.

Серотонин

Метиленовый синий традиционно полезен для мозга с нарушениями серотонергической системы. МС является анксиолитиком и антидепрессантом. Повышает экстраклеточные уровне серотонина и дофамина.

Является ингибитором моноаминоксидазы; Если еще точнее, то является МАО-А ингибитором; МАО-ингибиторы – это класс антидепрессантов:

  • МАО-А окисляет серотонин, мелатонин, эпинефрин и порэпинефин; то есть МС увеличивает концентрацию этих нейротрансмиттеров;
  • МАО-ингибиторы в комбинации с СИОЗС могут привести к серотониновому синдрому (избытку серотонина);
  • Возможно, при долгосрочном применении в больших дозировках придется следить за уровнем тирамина в пище;
  • Значительно усиливает действие серотонергических галлюциногенов; в первую очередь то актуально для триптаминов;

Зачем всё это и чего в заметке не будет

Личный интерес. Метиленовый синий может усилить функцию митохондрий и ко всем прочему является отличным ноотропиком. Я хочу попробовать. Но не готов писать риски, дозировки, эффекты, пока не попробую на себе.

Кардиология. МС используют для борьбы с вазоплегией. В больших дозировах нарушает функции нервных окончаний и мышечных волокон. Может усиливать анестетики, раньше так и использовался.

Болезнь Альцгеймера. МС помогает с сенильными бляшками, нейрофибриллярными сплетениями, смертью нейронов. Некоторые исследования говорят, что помогает не сам МС, а его метаболит Azure B. Но это слишком большая тема сама по себе.

Метгемоглобинемия; Разновидность гемоглобина, которая не может связаться с кислородом. МС восстанавливает функцию гемоглобина.

Малярия (детская); Метиленовый синий обладает антибактериальным свойством, приводя к повреждению ДНК патогенов за счет синглетного кислорода и других схожих механизмов. Это изначальное применение красителя.

Бактериальные инфекции; Некоторые исследователи предлагают использовать для профилактики инфекций мочевыводящей системы (цистита) у пожилых женщин.

Токсичность ифосфамида; Лекарство против рака (химеотерапия), которое может приводить к энцефалопатии. МС помогает минимизировать побочные эффекты.

Почитать по теме:

Methylene blue stimulates substrate-level phosphorylation catalysed by succinyleCoA ligase in the citric acid cycle

Methylene Blue: Revisited

Cellular and Molecular Actions of Methylene Blue in the Nervous System

Lest we forget you — methylene blue . .

TIME #14: BIOHACKING “TIME” WITH METHYLENE BLUE

Поделиться:

Жиры и глюкоза, глюкоза. Влияние диеты на здоровье митохондрий

В предыдущих заметках мы разобрались с тем, как метаболизм жиров и глюкозы отличается на уровне ЭТЦ митохондрий. Углеводы драйвят NADH-метаболизм через Комплекс I. Жиры «качают качели» в сторону FADH2 и Комплекса II.

Что не менее важно, жиры и глюкоза – это именно качели. Метаболизм жиров приводит к обратимой деградации Комплекса I, тем самым помогая метаболизму себя с помощью обратного потока электронов (reverse electron transport, RET) и супероксида О2—; и одновременно подавляю поток электронов через NADH и Комплекс I.

Теперь давайте посмотрим, что будет если мы будем пытаться стимулировать Комплекс I и II одновременно и подумаем на тем, чем это обернется для наших митохондрий.

В этом нам поможет заметка Петро Добромыльского Protons: Superoxide. И исследование из этой заметки за авторством Мюллера и коллег: «High rates of superoxide production in skeletal-muscle mitochondria respiring on both complex I- and complex II-linked substrates».

Авторы этого исследования работали с изолированными митохондриями. Ни цитоплазмы, ни цикла Кребса, ни других клеток, ограниченное время функционирования и так далее. Нашим целям это помогает тем, что они вынуждены были снабжать изолированными митохондрии субстратами, напрямую стимулирующими поток электронов через Комплекс I и Комплекс II.

Малат и глутамат для NADH и Комплекса I, сукцинат для FADH2 и Комплекса II. На выходе они измеряли выделения митохондриями реактивного вида кислорода H2O2, его гораздо удобней измерять, чем супероксид О2—.

Малат+глутамат (Комплекс I) давали 30 (пмоль * мин-1 * мг-1) H2O2;

Сукцинат (Комплекс II) давай 400 пмоль H2O2;

Сукцинат+малат+глутаман (Комплексы I и II, думайте о жире и глюкозе вместе) давали 2000 пмоль H2O2.

Заметки исследователей

Глутамат стимулировал генерацию H2O2, в то время как малат подавлял. Это связано с функцией малата в цикле Кребса. В рамках выбранной темы не буду останавливаться. Есть в самом исследовании и в тексте Добромыльского.

In vivo сукцината не так уж и много в цикле Кребса. В данном случае речь шла о супрафизиологическом количестве сукцината. То есть в реальности жиры (как мы выяснили в прошлой заметке) будут приводить к RET и О2—, но в меньшем количестве, чем в исследовании.

Для генерации большого количества реактивных видов кислорода через одновременную стимуляцию Комплекса I и II, не нужно большого количества концентрации субстратов. Все вполне укладывается в физиологические рамки.

Комментарий Петро

Сводится к тому, что речь идет об обжорстве. Цикл лимонной кислоты дает нам 3 NADH и 1 FADH2 из одной молекулы ацетил КоА. Петро про это явно не пишет, но подразумевается, что избыток пищи сам по себе (обжорство при постоянной доступности углеводов для современного мира) может привести к таким последствиям.

Добромыльский привязывает этой с нейронами. С его точки зрения с гипергликемией организму сложно спорить. И при избытке глюкозы нейроны будут вынуждены потреблять глюкозу вместо лактата и кетонов. Автоматически попадая в супероксидную ловушку.

Мое мнение

Сначала я должен пояснить качели пользы/вреда реактивных видов кислорода (супероксида в частности). Они нужны для нормального функционирования митохондрий. Биогенеза митохондрий не будет без супероксида. Но правило too much of a good thing is bad работает и с супероксидом. ДНК митохондрий (мтДНК) в отличие от ДНК клетки гораздо хуже защищены от оксидативного стресса. И если некоторое количество «кислородного стресса» может стимулировать биогенез митохондрий, то большим количество реактивных видов кислорода митохондрии не справиться – они ее рано или поздно разрушат.

То есть комбинация глюкозы и жиров убивает наши митохондрии огромным количеством реактивных видов кислорода.

В реальной митохондрии все будет усложняться гормонами, в частности инсулином. ПНЖК, как вы помните, делают клетку более чувствительной к инсулину (при большом количества жиров нам нужна физиологическая невосприимчивость инсулину). В клетку проникает еще больше глюкозы, чем это было бы без жира.

Пирожки в масле, беляши, «картошка» с маргарином и прочее мучные и сладкие радости убивают наши митохондрии генерацией супероксида.

Одно из основных правил здорового питания для меня, таким образом, очень простое. Углеводы+белки или белки+жиры. Комбинации углеводов и жиров я стараюсь избегать. Как и частого обжорства углеводами.

Grand Finale

Метаболизм жиров деградирует Комплекс I. Таким образом не имеет недостатков, связанных с обжорством глюкозой и глюкозой/жирами. То есть жиры не могут очень быстро убить нам митохондрию и клетку.

Но при этом метаболизм жира даст нам дополнительно количество реактивных видов кислорода. Что может быть и хорошо, и плохо. Все зависит от контекста.

 

P.S. Я упустил тот момент, что для генерации супероксида нужен высокий потенциал мембраны. Но это также связано с обилием восстановленного CoQ и невозможностью транспортировки электронов парой CoQ в Комплекс III.

 

Поделиться:

Влияние метаболизма жиров на Комплекс I дыхательной цепи переноса электронов

Давайте начнем с того, чем закончили в прошлый раз. Глюкоза «предпочитает» Комплекс I ЭТЦ митохондрий, и ее метаболизм генерирует NADH/FADH2 в пропорции 5:1. Жиры стимулируют поток электронов через Комплекс II и похожие структуры, и генерируют NADH/FADH2 в пропорции примерно 2:1. Не забываем при этом, что FADH2 восстанавливает CoQ до CoQH2.

С метаболизмом жиров нам поможет разобраться статья Guaras et al “The CoQH2/CoQ Ratio Serves as a Sensor of Respiratory Chain Efficiency”.

Резюме:

  • Путь электронов через FADH2 приводит к восстановлению CoQ до CoQH2;
  • Высокое соотношение CoQH2/CoQ (восстановленного коэнзима Q по отношению к обычному) приводит к тому, что электроны не могут быть перенесены в Комплекс III, возникает обратный поток электронов (RET, reverse electron transport);
  • Этот обратный поток электронов (RET) приводит к созданию супероксида О2—;
  • RET и генерация реактивных видов кислорода приводит к частичной [и обратимой] деградации Комплекса I;
  • Подавление функции Комплекса I (NADH) и большая выраженность Комплекса III являются адаптацией организма к метаболизму жиров.

Невероятно информативная статья. Сложно даже что-то разжевывать еще более. Но давайте чуть более «помусолим» отдельные пункты.

Восстановление CoQ – часть метаболизма FADH2 (вспоминайте цикл Кребса). Если у нас много восстановленного CoQ и мало его окисленной пары, то снизятся объемы переноса электронов к Комплексу III.

Раз электроны не смогут двигаться «вперед», то они пойдут «обратно» по электронной цепи. Создавая при этом супероксид О2— (не обычный кислород О2, а отрицательно заряженный и очень реактивный ион). О2—  будет восстанавливать супероксиддисмутаза до Н2О2.

Соответственно, обратный поток электронов и реактивные виды кислорода начнут деградацию Комплекса I. Что «усилит» метаболизм через FADH2 (из жиров, грубо говоря).

Важно заметить то, что это физиологический, а не патологический процесс. Так организм в нормальных условиях регулирует метаболизм в зависимости от диеты.

Реактивные виды кислорода очень важны для нормальной функции митохондрий. Но этот как раз тот момент, когда разница в лекарстве и яде в дозировке.

Из интересных вещей хочу заметить, что гипоксия (например) продолжительная гипоксия восстанавливает Комплекс I. Вспоминайте о пранаямах.

Авторы не упоминают, что именно они подразумевают под деградацией Комплекса I. Поэтому не совсем ясно какой временной лаг будет оптимальный при переключении метаболизма с жиров на углеводы. Например, вряд ли окисление цистеиновых белков можно быстро восстановить. Очевидно, переключение не будет «мгновенным» и резкое переключение с кето на глюкозу не стоит рекомендовать.

Выводы для любителей кето:

  • Метаболизм жиров приводит к обратимой деградации Комплекса I;
  • Это не патология, а физиологическая адаптация организма к метаболизму жиров;
  • Метаболизм жиров (судя по всему) будет связан с повышенным уровнем генерации реактивных видов кислорода (в данном случае плохо и хорошо зависит от контекста);
  • Первичная кето-адаптация может быть долгой и мучительной (допустим, для веганов), так и резкая обратная адаптация к глюкозе после продолжительного кето может иметь негативные последствия.

Дальше я предлагаю следующее. Мы все знаем, что комбинация жиры + глюкоза вредит метаболическому здоровью. Давайте в 3-ей части посмотрим, что будет происходить, если мы «кормим» Комплексы I и II одновременно.

Поделиться: