Эпигенетика, «либертарианский» взгляд

Эпигенетика – злободневная и противоречивая тема современной науки. Противоречивая, потому что нет единого научного консенсуса в том, что входит понятие эпигенетика.

Я буду исходить из того, что эпигенетические изменения – это наследуемые изменения функции или экспрессии генетического аппарата, не связанные с последовательностью нуклеотидов в ДНК.

Эпигенетика часто сводится к метилированию ДНК и [пост-трансляционной] модификации «хвостиков» гистонов. Я обнаглею и позволю себе посмотреть на этот вопрос немного шире и более фрагментарно одновременно, чтобы подчеркнуть связь генетического аппарата с внешней средой и образом жизни. Содержание постараюсь сделать доступным и буду приводить примеры с конкретными заболеваниями.

Короткое содержание заметки:

  • мтДНК, митохондриальные болезни, заместительная митохондриальная терапия;
  • Unstable repeats;
  • Модификация гистонов;
  • Генетический импринтинг;
  • Х-инактивация у женщин;

Эпигенетика, митохондрии и мтДНК

Пожалуй, самый спорный раздел из вышеуказанных, но без митохондрий никуда.

Митохондрия – это энергостанции наших клеток, база всей многоклеточной жизни на планете. Про мтДНК и эволюцию я писал ранее на основе работ Doug Wallace. Также рекомендую книги Ника Лэйна для ознакомления с историей симбиоза наших предков с митохондриями.

Коротко, митохондрии:

  • Свой набор ДНК, митохондриальные ДНК, мтДНК;
  • В митохондрии примерно 5 копий мтДНК;
  • Размер мтДНК 16,5 килобаз, против 3 гигабаз ядерной ДНК;
  • мтДНК содержит 14 protein coding regions, ядерная ДНК содержит примерно 20 000 protein coding regions;
  • мтДНК мутирует в 20 быстрее ДНК;
  • мтДНК передается (за редчайшим исключением) только от матери

Гены митоходрий кодируют только белки дыхательной цепи переноса электронов, места синтеза АТФ. Большинство необходимых белков митохондрии импортируют из цитозоли. Современный консенсус состоит в том, что было сильное эволюционное давление на то, чтобы определенные белки дыхательной цепи кодировали сами митохондрии.

мтДНК меньше защищена от внешнего воздействия, чем ядерная ДНК, поэтому митоходрия является сенсором изменений окружающего мира. Я ранее приводил в пример климат и расстояние между цитохромами дыхательной цепи. В теплом климате цитохромы ближе к друг другу, что уменьшает энергопотери в процессе переноса электронов и улучшает эффективность синтеза АТФ. Что, допустим, положительно влияет на подвижность спермы, которая обеспечивается как раз АТФ. На холоде же дыхательные комплексы дальше друг от друга. При удалении комплексов друг от друга передача электронов будет сопровождаться большими теплопотерями (даже не говоря о термогенине и разобщении H+ градиента), что является полезным для проживания на этом самом холоде.

Или более простой пример. Голод или сытость определяются наличием отсутствием реактивных видов кислорода, затем через UCP2 (разобращающий белок 2) влияет на POMC нейроны гипоталамуса и затем на чувство сытости. А наличие/отсутствие реактивных видов кислородов в митоходриях – это наличие/отсутствие носителей электронов NADH/FADH2 (итога метаболизма еды) в дыхательной цепи.

Я надеюсь, что вкратце сумел аргументировать, почему эпигенетика как тема не может идти отдельно от разговора от митохондриях. Один из важнейших наших детекторов внешней среды, который запускает многие адаптивные процессы. Как элементарный пример.

Митохондриальные болезни, синдром Ли и пересадка здоровых митохондрий

Митохондриальные болезни могут быть связаны не только с мтДНК, но и с 100+ генов ДНК, что задачу только усложняет [1]. В целом болезни, связанные с мутациями именно мтДНК имеют частоту распространения 1:5000.

Как пример серьезного недуга именно митохондриальной природы – синдром Ли (иногда пишут Лея) [2], он же подострая некротизирующая энцефаломиопатия. Примерно ¾ случаев обусловлены мутациями ДНК, ¼ — мтДНК. Итог схожий – недостаток окислительного фосфорилирования (в частности работы цитохрома С) приводит к недостатку энергоснабжения клеток и последующей ранней смерти.

Mitochondrial replacement therapy – это одно из последних серьезных новаторств ЭКО. Берется ДНК из ооцита пациентки c патологией мтДНК и пересаживается в цитозоль ооцита женщины-донора со здоровыми митохондриями, откуда вынули ДНК донора [3, 4]. В новостях это называли «ребенок трёх родителей» [4].

Я не зря выбрал синдром Ли. Первой пациентой, ооцитам которой успешно пересадили здоровые митохондрии, была женщина с синдромом Ли [4]. Этические споры до сих пор не утихают, что никак не мешает совсем молодому человеку жить по крайней мере без синдрома Ли и недостатка в АТФ.

Эпигенетика и unstable repeats

В некоторых частях ДНК есть так называемые нестабильные повторения, когда небольшая последовательность нуклеодитов многократно повторяется [5, 6, 7]. Считается, что в некоторых частях ДНК механизмы починки и репликации «соскальзывают», давая подобные повторения [5, 6, 7].

Проблема нестабильных повторений в том, что они с поколениями могут увеличиваться [5-6]. Увеличение unstable repeats с поколениями называется anticipation.

Unstable repeats, HTT ген и хорея Гентингтона

Хорея Гентинтона – в основном генетическая болезнь. Белок huntingtin, роль которого в развитии профильного заболевания толком не ясна, кодирует ген HTT, находящийcя в позиции 4p16.3 (короткая «ручка» 4-й хромосомы). Когда число повторений становится слишком большим – белок теряет свою функцию, и последующие поколения постепенно приходят к болезни Гентингтона.

Обычно есть такая пирамида, в случае хореи Гентингтона это:

  • Доброкачественная (benign) вариация — Меньше 26 повторений CAG;
  • Промежуточная (intermediate) вариация – 27 – 35 повторений CAG;
  • Пре-мутация – 36-40 повторений CAG;
  • Патологическая мутация – больше 40 повторений CAG

Может ли эпигенетика включать наследуемую патологию роста количества нестабильных повторений в HТТ гене? Будем считать, что я много могу себе позволить в собственной же заметке.

Эпигенетика и пост-трансляционная модификация гистонов

3 гигабазы ДНК занимают примерно 2 метра, будучи (в воображении) вытянутыми в длину. Эти 2 метра кода упакованы по хромосомам.

Хроматин – вещество хромосом, которое кроме ДНК включает в себя РНК и белки.

Нуклеосомы – это часть ДНК, обвитая вокруг октамерных белков гистонов (обычно два раза).

Эпигенетика

Гистоновый октамер состоит из 2 копий гистонов H2A, H2B, H3 и H4, как это видно на рисунке выше. N (и реже С) терминалы гистонов проходят пост-трансляционную модификацию. К ним ковалентно могут присоединяться различные молекулы. Например, метиловая группа (CH3) или ацетиловая группа (C2H3O).

Проблема модификации гистонов к комплексности и объемности происходящего. Допустим, H3K4 – самая изученная часть гистонов, ее метилирование и ацетилирование усиливают транскрипцию гена, а метилирование H3K9 на том же H3 гистоне подавляет транскрипцию гена. Разные виды пострансляционных модификаций разных частей гистонов делает картину эпигеном/геном куда более сложной, чем сам геном.

Очевидный пример – возрастные изменения [9]. Какие-то модификации гистонов и хроматина аккумулируются, какие-то теряются.

Эпигенетика и генетический импринтинг

Метилированию может подвергнуться и сама ДНК. В зависимости от места метилирования по отношению к гену эта модификация может как усилить экспрессию гена, так и прекратить его выраженность вовсе.

«Рычажки» метилирования ДНК сбрасываются примерно на 5-й день существования зиготы. Но иногда эпигенетика преподносит нам сюрприз – метилирование участков ДНК частично сохраняется. Это и есть генетический импринтинг.

Классический пример генетического импринтинга – синдромы Ангельмана и Прадера-Вилли.

Эпигенетика преподнесла сюрпризы, потому что со временем оказалось, что у двух редких и различных заболеваний схожая природа – удаление в 15q11 части хромосомы в виду импринтинга (конкретный механизм пропущу, потому что начинаю скучать во время написания).

Синдром Ангельмана – удаление отцовской части 15q11 и выраженность материнской. Синдром Прадера-Вилли – наоборот.

Материнская и отцовская части транскриптируются на встречу друг другу. ДНК у нас двойная спиральная, поэтому может транскриптироваться в обе стороны.

Либо продолжительная и некодирующая белок РНК помешает выраженности UBE3A гена, и мы столкнемся с синдром Прадера-Вилли. Или, как в случае с выраженностью материнской копии, у нас не будет трансприптирован ряд генов (синих на рисунке выше), важных для развития в том числе нервной системы.

Эпигенетика и деактивация Х-хромосомы у женщин

Женщины – генетическая мозаика. Ряд несознательных граждан склонных это интерпретировать как телегонию. То, что контакты женщин с мужчинами (особенно половые), оставляют в женщинах свой генетический след. Я бы не писал про эту глупость, если бы так часть ее не видел. Но учитывая то, что в каждом из нас есть части хромосом двух бабушек и двух дедушек, то найти различные части ДНК у женщин не так сложно, учитывая следующий феномен.

Мужчины, как вы помните, ХУ, а женщины ХХ. Пол определяет наличие/отсутствие У хромосомы. Но у женщин активна только одна Х хромосома. В каждой клетке какая именно Х хромосома будет активна выбирается более или менее случайно.

XIST ген кодирует большую РНК (которая не транслируется в белок). Эта РНК деактивирует одну из Х хромосом.

С этим феноменом связан эффект manifesting carriers, когда женщины частично экспрессируют патогенный фенотип, связанный с рецессивным Х-аллелем (нужна хотя бы одна рабочая копия, чтобы не было болезни): и в каких-то клетках у нас «здоровая» вариация, в каких-то патогенная.

P.S. Выводов не будет. Для себя я понял, что писать общеобразовательные вещи в формате заметок мне скучно: нет моей мысли, нет моей аналитики, не надо создавать структуру для общего понимания итд.

Источники:

  1. Mitochondrial Disorders Overview;
  2. Leigh syndrome;
  3. Biomedicine: Replacing the cell’s power plants (Nature, 2016);
  4. First ‘three person baby’ born using new method;
  5. Unstable Triplet Repeat Diseases;
  6. R loops stimulate genetic instability of CTG·CAG repeats (PNAS, 2010);
  7. Genetic diseases caused by expandable repeats — dynamic mutations by Dr. István Balogh, Dr. János Kappelmayer, Dr. József Tőzsér (2011);
  8. HTT gene
  9. Epigenetic Regulation in Neurodegenerative Diseases;
  10. Histone modifications (Nature, Figure);
Поделиться:

Стволовые клетки и митохондрии

Стволовые клетки справедливо вызывают большой интерес. Jesaul поднимал интересный вопрос: как «заставить» ткани регенерироваться, то есть стволовые клетки дифференциироваться. Конкретных ответов не будет, но более общие закономерности рассмотрим на примере статьи Mitochondria and the dynamic control of stem cell homeostasis.

Логика довольно простая:

  • Митохондрия – «энергостанция клетки» с высоко мутагенным и небольшим набором ДНК (мтДНК), кодирующим белки дыхательной цепи, которые создают АТФ;
  • Митохондрия – это сенсор окружающей среды, позволяющий организму чутко реагировать на изменения в окружающей среде;
  • Плурипотентные стволовые клетки (PSCs) – это предки как зрелых стволовых клеток (hematopoietic stem cells, HSCs, mesenchymal stem cells, MSCs, neural stem cells, NSCs итд), так и предки всех клеток в принципе;
  • Стволовые клетки могут быть в двух состояниях:
    • Самовоспроизведение;
    • Дифференциация (сначала в зрелые подвиды, затем в клетки).
  • Как несложно догадаться, митохондриальные сигналы играют очень важную роль в дифференциации (и смерти) стволовых клеток;
  • Одновременно с этим функции митохондрий могут подчиняться общим задачам клетки.

Давайте договоримся, что если не указано иное, то речь идет о PSCs, самом общем предке всех стволовых клеток.

Стволовые клетки и глюкоза

Митохондрия дает нам возможность окислительного метаболизма, который позволил существовать всему многообразию сложной многоклеточной жизни.

Нюанс в том, что стволовые клетки полагаются на гликолиз как на основной источник энергии. И практически не используют окислительный метаболизм. Объяснить это очень легко. Окислительный метаболизм всегда подразумевает реактивные виды кислорода, который могут нанести урон ДНК стволовой клетки. Нарушение целостности ДНК (допустим, разрыв двойной спирали и инверсионная «склейка», задом наоборот) PSCs может привести патологии клеток, получаемых в результате дифференциации.

Также в заметке о глюкозе я писал, что пути метаболизма глюкозы не ограничиваются гликолизом (анаэробный процесс, с продуктами в виде пирувата, АТФ и NADH). Альтернативный путь метаболизма глюкозы – пентозо-фосфатный путь (PPP), в ходе которого мы получаем пяти-углеродные (C:5) сахара, которые являются структурными компонентами ДНК/РНК, а также получаем NADPH, который тратится в реакциях восстановления.

Стволовые клетки

В итоге получаем, что упор на глюкозу дает нам поддержание целостности ДНК за счет: отсутствия реактивных видов кислорода, пентозо-фосфатному пути. И не надо забывать, что углеродные основы пирувата (C:3) могут быть утилизированы самым широким образом (синтез амино-кислот, ацетил-коА, липидов итд).

Стволовые клетки и смерть

Напрашивается очевидная параллель между клетками рака и стволовыми клетками. Разница в том, что раковые клетки «отказываются» умирать и стараются выжить, а ошибка в ДНК стволовых клеток может быть плачевной для организма. Поэтому стволовые клетки очень чувствительными к сигналам клеточной смерти, запускающих апоптоз.

Сигналы апоптоза могут быть внешними (что-то связывается с рецепторами мембраны клеток) и внутренними (высвобождение цитохрома ц митохондриями). Стволовые клетки занимаются митохондриальными праймингом. Приоритизируют сигналы апоптоза, исходящие от митохондрий.

На морфологии митохондрий подобные задачи также отражаются. Форма не такая вытянутая, как у зрелых митохондрий, почти нет крист с дыхательными комплексами для окислительного фосфорилирования, сильнее выражены белки, связанные с апоптозом.

Отличия от раковых клеток очевидны: стволовые клетки могут дать богатое потомство или воспроизводить себя – им важно убедиться в том, что клеточное потомство будет здоровым, ради чего готовы погибнуть в любой момент. Раковые клетки хотят лишь выжить любой ценой и к сигналам клеточной смерти они стараются быть нечувствительными.

Митохондрии и стволовые клетки

Мы уже разобрались с тем, что митохондрии важны для PSCs, хочется теперь понять какие клеточные сигналы, связанные с митохондриями, могут повлиять на стволовые клетки.

Кислород – это очевидные ответ. Кислород (и реактивные виды кислорода) играет важную роль в самообновлении и клеточной дифференциации. Например, реактивные виды кислорода могут активировать nucleus respiratory factor 2, что вызовет дифференциацию стволовых клеток. Даже для активации HIF-1a (состояния гипоксии) митохондрии кластеризуются вблизи ядра.

Кальций – второй очевидный ответ. Кальций способствует выработке АТФ в процессе OXPHOS. Его эффлюкс может привести к метаболическому кризису и разбуханию митохондрий, а его избыток может привести к открытию пор митохондрий и высвобождению смертоносного цитохрома Ц.

Метаболиты цикла Кребса – куда менее очевидные ответ.

Цитрат может покинуть митохондрию, быть восстановлен до ацетил-коА в цитозоле и влиять на ацетилирование гистонов ДНК. Соответственно, и на выраженность генов.

α-кетоглюкорат, попадая в ряд, используется Ten-Eleven Translocation белками для метилирования ДНК (а значит и для подавления транскрипции участка). Также α-кетоглюкорат используется для деметилирования гистонов. Гипометилирование ДНК – известные признак PSCs, это необходимо для поддержания плурипотентности клетки.

NAD+ > Сиртуины. Известная нам по кето метаболическая ось приводит к деацетилированию ДНК и silencing транскрипции ДНК.

AMPK – Аденозин монофосфат протеин киназа. Фермент, который активирует избыток АМФ, он же недостаток АТФ. АМПК также способствует плурипотентности PSCs.

Итог. Я не обещал конкретных решений. Хотя для особо увлекающих темой ЗОЖ направления уже могут быть понятны.

Поделиться:

Тиреоидные гормоны и метаболизм жиров

Тиреоидные гормоны (щитовидной железы) – известный регулятор липидного метаболизма.

Direct effects of thyroid hormones on hepatic lipid metabolism

При помощи приведенной свежей статьи в Nature хочется более подробно взглянуть на эту тему. Речь пойдет преимущественно о процессах в печени

Т3 и Т4 обладают прямыми [и непрямыми] эффектами на холестерин и синтез жировых кислот. Повышенные уровни LDL и HDL могут быть ассоциированы с гипотиреозом, а сниженные – с гипертиреозом. Высокие дозы Т3 ранее использовали для похудания, но пришлось прекратить из-за серьезных нежелательных явлений. Сейчас левотироксин иногда используется офф-лейбл для похудания.

Способы воздействия щитовидных гормонов на метаболизм жиров:

  • Транскрипторная регуляция;
  • Пост-трансляционная модификация (PTM);
  • Влияние на концентрацию метаболитов;
  • Влияние на энергетический статус в клетке

Транскрипторная регуляция (ядро) подразумевает наличие рецепторов (THR) где-то в ядре. Благо гидрофобность гормонов позволяет позволяем им проникать в ядро клетки. Гормоны щитовидной железы могут не ограничиваться «профильными» рецепторами, могут связываться и с другими рецепторами (например, с FOXO1, forkhead box protein O1), могут связываться с другими белками (в том числе ферментами), могут участвовать в сигнальных клеточных каскадах.

Рецепторы имеют две изоформы: THRα и THRβ. Обе присутствуют в большинстве тканей, но THRβ в большей степени выражен в печени, а THRα в сердце.

Тиреоидные гормоны стимулируют липолиз из запасов жира в белой жировой ткани (WAT) и пищевых источников для создания свободных жировых кислот, которые являются основным источником липидов для печени. Также щитовидные гормоны оказывают влияние на мембранные транспортные белки (FATPs, L-FABPs, CD36), через которые жировые кислоты попадают в печень. Транспортные белки вполне успешно регулируются TH-рецепторами.

Тиреоидные гормоны

De novo липогенез – это создание триглицеридов из пирувата (продукт гликолиза) при избытке глюкозы в диете. Также липогенез (но уже не de novo) может начинаться с циркулирующих и внутриклеточных жировых кислот. Тиреоидные гормоны способствуют de novo липогенезу (из глюкозы).

Противоречие «одновременной» стимуляция липогенеза и липолиза (мы знает, что одновременно организм такого не даст сделать, это «пустой» метаболический цикл) поясняется на рисунке выше. При избытке углеводов в диете (лето), как мы знаем, растет Т3, что логично связано с задачей запасания жира на период зимнего голода/спячки. Зимой же щитовидные гормоны стимулируют липолиз и кетогенез, как следствие доставку энергии до тканей/мозга в виде VLDL и кетонов.

Не смотря на стимуляцию липогенеза, во время гипертиреоза мы получаем похудание даже на высоко углеводной диете. Так как метаболический уровень превышает синтез триглицеридов.

Тиреоидные гормоны стимулируют липофагию и аутофагию в печени.

Щитовидные гормоны ап-регулируют число и активность пероксисом (органеллы, которые «откусыывают» по 2 углерода от длинноцепочных жировых кислот и «справляются» с образовывающимися в процессе реактивными видами кислорода).

Переходя к митохондриям, очевидно, что тиреоидные гормоны склоняют наши энергостанции к оксидативному метаболизму. За счет активации PGC-1α и (ненапрямую) SIRT1 мы задействуем ось PGC-α1 > NRF1 > mtTFA. Таким образом гормоны щитовидной железы активируют бета-оксидацию как на уровне ДНК, так и на уровне мтДНК.

Ограничивающий скорость бета-оксидации фермент карнитин O-палмитоилтрансфераза 1 (CPT1) (еще точнее его печеночная изоформа CPT1-Lα) стимулируется щитовидной.

Тиреоидные гормоны «объединяют» (couple) реакции липофагии с аутофагием митохондрий, поврежденных реактивными видами кислорода.

Активация бета-оксидации означает кроме всего прочего две вещи: активацию синтеза холестерина (для создания гормонов же) и активацию синтеза кетонов (как условно конечно продуктов бета-оксидации жиров).

В тоже время периферийный холестерин (LDL) конвертируется в HDL и возвращается в печень через так называемый reverse cholesterol pathway. Последим этапом «возврата» периферийного холестерина будет секреция желчи. Таким образом, тиреоидные гормоны обладают механизмом снижения холестерина в крови.

Выводы:

  • Щитовидные гормоны стимулируют бета-оксидацию, аутофагию (в том числе липофагию и митофагию), синтез холестерина в печени, утилизацию периферийного холестерина, увеличивают количество пероксисом, активируют CPT1;
  • В периоды высоко-углеводной диеты тиреоидные гормоны способствуют запасанию жира, а на высоко жировой диете способствуют липолизу;
  • Современные аналоги/миметики гормонов щитовидной железы я намеренно не рассматривал, чтобы не провоцировать спорные эксперименты;
  • Нормальная функция щитовидной железы, как видим, очень важна для кето-диеты.

P.S. Следующая тема: фотомодуляция функции щитовидной железы (на работах ученых из Гарварда, чтобы сложнее было считать это баснями) – и, если достану достаточно информации, то как это сделать в домашних условиях.

Поделиться:

Глюкоза и мозг: нюансы метаболизма

Глюкоза – основный источник энергии для мозга, как гласит текущий консенсус. 120 грамм глюкозы в день нам необходимы для поддержания оптимальной функции мозга [1]. Альтернативная концепция состоит в том, что лактат и кетоны – предпочтительное питание для столь важного нашего органа. У обеих точек зрения есть весомые аргументы и исследования, говорящие об их правоте.

Хочется порассуждать на тему глюкозы и взвесить обе концепции.
В процессе предлагаю пройтись по:

  • Метаболизму глюкозы;
  • Метаболизму лактата и в меньшей степени кетонов;
  • Функции транспортных белков, импортирующих глюкозу (GLUT);
  • Происходящему в дыхательной цепи митохондрий;
  • Попытаюсь сделать промежуточные выводы для себя.

Будет много базовых биохимических аспектов, выводы будут традиционно в конце.

Глюкоза. Метаболизм и проблема NAD+

Гликолиз в чистом виде (опуская все 10 шагов) выглядит так:

Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi > 2Pyruvare + 2NADH + 2ATP

При попадании в клетку глюкоза довольно быстро фосфорилируется до глюкозы-6-фостафа. В очень редких случаях в клетках есть избыток нефосфорилированной глюкозы.

Далее у Глюкозы-6-фосфата есть 3 принципиальных пути (обозначу конечные продукты):

  • Пируват;
  • Гликоген;
  • Пентозофосфатный путь, он же PPP (NADPH, пуриновый метаболизм итд)

К гликогену и PPP применительно к мозгу я вернусь позже. Поговорим о пирувате.

Пируват мы можем использовать для синтеза аминокислот, промежуточных субстратов цикла Кребса, при необходимости для восстановления глюкозы итд – полноценный строительно-углеродный блок. Давайте вспомним окисление до ацетил-КоА, который является очень важным внутриклеточным энергетическим посредником:

Pyruvate + NAD+ + CoA-SH (кофермент А) + H+ > Acetyl-CoA + NADH + CO2

Трёхуглеродный пируват окисляется до двухуглеродного ацетил-КоА.

Судьба Ацетил-КоА куда менее разнообразна: молекула может поучаствовать в синтезе жиров/кетонов, а может отправиться в цикл Кребса (лимонной кислоты). Классическая картинка цикла Кребса ниже:

Acteyl-CoA + 3NAD+ + FAD+ + GDP + Pi + 3H2O > 2 CO2 + 3NADH + FADH2 + 3H+ + GTP + CoA

Ацетил-КоА в результате «прокрутки» цикла Кребса превращается в 2 молекулы углекислого газа, в процессе выделяя энергетическую валюту в виде GTP и доноры электронов х3 NADH и 1 FADH2.

В итоге из 1 молекулы глюкозы мы получаем 10 NADH и 2 FADH2. Молекул, которые являются донорами электронов в дыхательной цепи митохондрий.

Одновременно с этим вы можете вспомнить, что для гликолиза нужен NAD+.

Если у нас много NADH, и мы по каким-то причинам не успеваем его использовать для восстановления комплекса 1 (запуская окислительного фосфорилирования) или других реакций, то сталкиваемся с дефицитом NAD+.

Дефицит NAD+ — это псевдогипоксия, если коротко. Вспоминая заметку про роль NAD+ в голодании и кето, Глюкоза восстанавливает 111 молекул NAD+ на 1000 созданных АТФ, кетоны восстанавливают лишь 41 NAD+ на 1000 созданных АТФ.

Количество глюкозы больше возможности ее «сжечь» = получаем псевдогипоксию. Кислород не может терминально «принять» электрон, потому что еще до запуска окислительного фосфорилирования (OxPhos), этот электрон надо «посадить» на NAD+ и уже полученный NADH передать в OxPhos.

Чтобы не было путаницы. Гипоксия – увеличенное соотношение NADH/NAD+ и остановка оксилительного фосфорилирования в виду отсутствия кислорода (остановки комплекса IV). Псевдогипоксия – нарушение аэробного метаболизма из-за того, что метаболизм глюкозы создает NADH и потребляет NAD+. В одном случае повышенное соотношение NADH/NAD+ следствие в другом – причина. Итог один – нарушение окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ.

NAD+ — «тонкое» место всего метаболизма через глюкозу.

Лактат и восстановление NAD+

Для восстановления NAD+, столь необходимого метаболизму глюкозы, организм обратимо восстанавливает пируват до лактата.

В процессе образования лактата NADH окисляется до NAD+.

Из-за необходимости в NAD+ метаболизм глюкозы невозможен без восстановления пирувата до лактата c параллельным окислением NADH до NAD+. Наш организм прекрасен и старается оптимизировать процессы. В качестве примера приведу цикл Кори:

Мышцы во время интенсивных нагрузок сталкиваются с описанной выше проблемой восстановления NAD+, и усиленно восстанавливают NAD+ с помощью лактата.

И есть печень. Основной источник энергии которой – α-кето-кислоты. Также реакцию фосфорилирования глюкозы (первый этап гликолиза) в печени катализирует глюкокиназа, менее аффинитивный глюкозе изомер гексокиназы. Забегая вперед отмечу, что мембранный пассивный транспорт глюкозы (GLUT2) гепатоцитов забирает глюкозу только при большой ее концентрации и помощи инсулина.

Лактат из сердечно-сосудистой системы утилизирует печень, при помощи глюконеогенеза восстанавливая ее до глюкозы и возвращая глюкозу в кровь. Эта утилизация лактата и называется циклом Кори.

Проблема лактата в концентрации водорода. Концентрация водорода, как помните, определяет pH. Чем больше водорода – тем ниже и кислотнее pH, чем меньше водорода – тем выше и щелочней pH. В принципе кислотность – это способность быть донором/акцептором водорода, то есть кислотой/основанием.

Проблема в свою очередь pH – это влияние на конформацию и функцию белков.

«Неубранный» клеточный мисфолдинг – это большая проблема в большинстве нейрологических и метаболических заболеваний.

Цикл Кори снижает проблем лактата и лактоацидоза, но не полностью.

Гликизирование белков

Опять немного забегая вперед, мембранный транспорт глюкозы во всех клетках пассивный. Это значит, что глюкоза может попадать в клетки только когда концентрация глюкозы снаружи больше, чем внутри.

Гликизирование – это ковалентное соединение молекул сахаров с белками и жирами. Важным является то, что это соединение не катализируют ферменты. Присоединение сахаров к белкам зависит от концентрации сахаров и белка. Некоторые белки могут оптимально функционировать только после гликизирования в аппарате Гольджи клеток.

Но в тоже время «свободное» гликизирование (не в аппарате Гольджи, где это строго контролируется и проводится в четкой последовательности) ряда белков приведет к нарушению их функции.

Не зря гликизированный гемоглобин HbA1c один из установившихся признаков диабета, показывающий количество гемоглобина, прореагировавшего с глюкозой за последние примерно 4 месяца (срок жизни эритроцитов).

Вывод можно сделать простой: избыток глюкозы приводит к нарушению функции белков за счет повышенного гликизирования оных.

Глюкоза, NADH и дыхательная цепь переноса электронов

Как помните, цепочка окислительно-восстановительных реакций в дыхательной цепи может начаться в комплексе I (NADH) или в комплексе II (FADH2). Тему я ранее освещал в серию из 3 постов: 1, 2, 3.

NADH. Примерно 2,5 АТФ; Комплекс I (выкачка протонов). Суперкомплексы из I-III-IV.

FADH2. Примерно 1,5 АТФ; Комплекс II (нет выкачки протонов). Комплекс II не образует суперкомплексов.

  • Глюкоза: NADH/FADH2 – 5:1
  • Жирные кислоты: NADH/FADH2 – 2:1 (на примере пальмитата);
  • Β-гидроксибутират (BOHB): 8:3 (2,66 : 1)
  • Ацетоацетат: 7:3 (2:33 : 1)

В соотношениях NADH/FADH2 для кетонов и жиров есть пара «если» в цикле Кребса, но в целом картина ясна.

С жирами/кетонами есть 2 противоречащих тенденции:

  • Они содержат больше свободной энергии (G), чем углеводы;
  • Они расходуются более «медленно» при помощи менее энергоёмкого переносчика электрона и через комплекс, который не выкачивает протоны (меньше вклад в создание АТФ).

Хотя не такое оно и противоречивое. Жиры – топливо, которое мы запасаем в «сытое» время, чтобы в «голодное» могли им пользоваться. Поэтому логично, что жиры содержат больше свободной энергии (G) и при этом «сгорают» в дыхательной цепи с меньшим «сиянием».

Для переноса электронов с I и II комплекса нужен CoQ (коэнзим Q) в окисленной форме. Его нужно восстановить и отправить с электроном на комплекс III.

Чтобы не углубляться в дебри, которые мы разбирали в трех статьях:

  • Стимуляция in vitro комплекса I создает Х количество реактивных видов кислорода;
  • Стимуляция in vitro комплекса II создает 6Х реактивных видов кислорода;
    1. CoQ находится в восстановленном состоянии;
    2. Что создает обратный поток электронов (Reverse Electron transport) и поток супероксидов в комплекс I;
    3. С последующей обратимой деградацией цистеиновых белков комплекса I;
    4. То есть жиры не только горят «менее ярко» и «дольше», но и не подавляют метаболизм через более быстрый и энергоёмкий комплекс I / NADH;
  • Стимуляция in vitro комплексов I и II создаёт 20Х реактивных видов кислорода.

Я не хочу очень много останавливаться на реактивных видах кислорода (ROS), но с ними по доброй традиции разницу яда и лекарства определяет доза, примеры:

  • Кето после гипергликемии снизит количество ROS;
  • Повышение ROS на кето сигнализирует POMC нейронам гипоталамуса о чувстве сытости;
  • Небольшое повышение ROS на кето после умеренной углеводной диеты имеет горметический эффект и запускает ряд восстановительных адаптаций в организме
  • Многое другое.

Вывод: гипергликемия опасна огромным количество реактивных видов кислорода и вредом митохондриям.

Коротко и простыми словами: обжорство без меры вредно и может поуничтожать вам митохондрии; сладким проще этого добиться, чем жирным, сладким+жирным еще проще (особенно хорошо для этих целей сладкое дополняют ненасыщенные жиры).

Мембранный транспорт глюкозы

Глюкоза в клетки попадает в основном пассивно через специальные транспортеры (GLUT). Пассивный транспорт означает, что глюкоза может попадать из большей концентрации в меньшую.

Разновидность GLUT определяется как правило функцией клетки. Давайте вспомните хотя бы несколько разновидностей GLUT (ниже картина сознательно неполная для нагладяности).

СвойствоGLUT1GLUT2GLUT3GLUT4
ОрганЭритроцитыПеченьНейроныМиоциты, адипоциты
Потребность в глюкозеПостоянная, низкаяВариабельная, низкаяПостоянная,
высокая?
Вариабельная,
высокая
Аффинитивность глюкозеСредняяНизкаяВысокаяЗависит от инсулина
Дополнительные комментарииУ эритроцитов нет митохондрий. Они полагаются только на гликолиз для синтеза АТФПечень потребляет в основном α-кето-кислоты.

Глюкоза туда попадает лишь при высокой концентрации и не без помощи инсулина.

Для попадания в нейроны глюкоза проходит через GLUT1 в ГЭБ и GLUT3 в самих нейронах.GLUT4 “утоплены” в клетке. В присутствии инсулина GLUT4 сдвигаются вверх мембаны и начинают «пропускать» глюкозу в клетки.

 

В итоге мы получаем, что нейроны обладают транспорными белками глюкозы, очень к ней чувствительными.

Эритроциты живут примерно 120 дней, для попадания в миоциты и адипоциты глюкозе нужен инсулин, в печень глюкоза попадает только при высокой концентрации (и у печени есть еще ряд особенностей метаболизма глюкозы (вроде глюкокиназы вместо гексокиназы). У нейронов подобно защиты от глюкозы нет.

Только из анализа GLUT можно сделать два вывода:

  • Что глюкоза для мозга очень важна, поэтому мозг так «чуток» к ней;
  • Что нейроны крайне подвержены вреду гипергликемии, хотя должны жить вечно.

Для подкрепления 2-го тезиса напомню, что гексокиназа очень быстро фосфорилирует глюкозу при попадании последней клетку. Поэтому как правило снаружи глюкозы всегда больше, чем внутри клетки, что необходимо для пассивного транспорта глюкозы в цитозоль.

GLUT1 в гемато-энцефалическом барьере могут пропускать 100 грамм глюкозы в минуту. GLUT3 в нейронах более аффинитивны глюкозе, и их транспортная «вместимость» еще больше.

Неоспоримая важность глюкозы для мозга приводит нас к следующей подтеме.

Нейроны и глюкоза

Нейроны должны «жить» вечно и исправно передавать электрические сигналы. Нейрогенез на месте «погибшего» нейрона не заменяет «старичка» и его участие в гомологических связях. Смерть нейронов – плохо.

Теперь возьмём предыдущие доводы о вреде гипергликемии (лактоацидоз, псевдогипоксия, вредный избыток ROS) + помножим это на высокоаффинитивный глюкозе GLUT3 и отсутствие значимой фильтации количества поступающей глюкозы на уровне ГЭБ и элементов гликолиза, то возникает вопрос: как нейроны могут защититься от потенциально смертельной гипергликемии?

Ответ: никак.

И есть еще одна особенность нейронов, продиктованная их функцией: они не запасают гликоген. Отчасти это свойство постоянно «работающих» клеток. Допустим, запас гликогена постоянно сокращающихся кардиомиоцитов значительно ниже других миоцитов. И постоянно работающее сердце 80% энергетических потребностей закрывает бета-оксидацией жиров. Другая функциональная особенность – постоянная потребность в энергии и строительных белках. Активность мышц вариабельна, поэтому они запасают гликоген на случай повышения активности.

Давайте вспомним на что может быть расходована глюкоза и переложим это на нейроны:

  • гликоген (нейроны не запасают);
  • пируват (цикл Кребса, синтез углеродных «строительных блоков);
  • пентозо-фостафный путь (синтез нуклеиновых кислот и восстановителя NADPH);

В данном случае мы знаем, что у нейронов подавлена фосфоглюкокиназа, один из ферментов, необходимых для гликолиза [1]. Этот фермент катализирует необратимую (с гидролизом АТФ) реакцию фосфорилирования фруктозы-6-фосфата до фруктозы-1,6-бифосфата. Образование фруктозы-1,6-бифосфата – это committed step на метаболической развилке между пируватом и пентозо-фосфатным путём.

Получаем, что нейроны функционально блокируют образование пирувата из глюкозы, а вместо этого пускают глюкозу через пентозо-фосфатный путь на пуриновый метаболизм и нахождение в восстановленном состоянии.

Это логично сочетается с функцией «вечной» жизни: нуклеиновые кислоты для ремонта и поддержки ДНК и синтеза белков; NADPH, чтобы находится в более восстановленном энергетическом состоянии.

Однако возникает вопрос: Откуда энергия, если глюкоза уходит в основном не на энергию, а на PPP?

Может сложиться верное впечатление, что с «сахарным» вопросом нейронам не справиться без посторонней помощи. И она имеется. У нейронов есть «клетки-няньки» астроциты, которые вполне возобновимы и могут хранить незначительные запасы гликогена.

Лактатный шатл астроцитов и глюкоза

Глюкоза

Лактатный шаттл астроцитов – гипотеза, медленно набирающая обороты в научном мире. Суть ее состоит в том, что глюкоза перерабатывается в астоцитах до лактата, астроциты впоследствии в формате cell-to-cell передают лактат нейронам. Это не отменяет того факта, что нейроны могут сами использовать глюкозу. Лактат, напомню, это восстановленный пируват. Он окисляется до пирувата с образованием NADH.

Возвращаясь к транспортным мембранным белкам заметим, что у астроцитов доминирует GLUT1, менее аффинитивный глюкозе, чем GLUT3. В целом это так. Однако, например, омега-3 ненасыщенные жиры усиливают экспрессию GLUT1 белков (потребление глюкозы астроцитами в данном случае).

Еще один «удар» по GLUT3 наносит глутамат. Нейротрансмиттер, связанный с процессами возбуждения нервной системы. Возбуждение – повышение активности – повышенная энергопотребность. Но глутамат-опосредованное возбуждение снижает аффинитивность глюкозе GLUT3 (нейроны) и повышает аффинитивность глюкозе GLUT1 (астроциты).

Вот некоторые доводы в пользу лактатной гипотезы:

  • Гипотеза позволяет решить текущие противоречия в метаболизме глюкозы нейронами (откуда энергия, если глюкоза на нуклеиновые кислоты и восстановленное состояние);
  • In vivo уже сумели продемонстрировать cell-to-cell лактатный шатл;
  • Изомер лактат дегидогеназы (LDH-5), который способствует восстановлению пирувата до лактата доминирует в астроцитах, а в нейронах доминирует изомер фермента (LDH-1), который связан в большей степени с утилизацией лактата;
  • В плане транспорта лактата у астроцитов активны клеточные белки MCT1/MCT4, с низкой аффинитивностью лактату, но которые могут его транспортировать наружу; у нейронов более выражен изомер MCT2, более аффинитивный лактату и связанный забором его в клетку;
  • Противоположные данные (что у астроцитов более аффинитивные лактату клеточные белки) были In vitro и в нефизиологических условиях (температура 20 и 25 градусов), что все вместе могло изменить форму и функцию белков.
  • Гипотеза выдерживает особенности работы GLUT1 и GLUT3 в виду внешних факторов и специфики связки астроциты/нейроны

Выводы:

  • Глюкоза потребляет глюкозу в основном для синтеза нуклеиновых кислоты и нахождения в восстановленном состоянии;
  • Гипотеза лактатного шатла астроцитов логично дополняет наши проблемы в понимании метаболизма глюкозы нейронами

Остающийся вопрос: как это всё противостоит гипергликемии?

Ответ прежний: никак; лактатный шатл лишь позволяет объяснить некоторые противоречия в метаболизме глюкозы.

Глюкоза же после анализа ее метаболизма нейронами приобретает еще большее значение. От нее зависит структурная целостность ДНК нейронов. И в меньшей степени энергопотребление.

По всем анализируемым выше признакам мозг адаптировался чувствовать минимальные значения глюкозы, а организм научился ее синтезировать в ходе глюконеогенеза.

Глюкоза vs Жир

Пора сравнить жиры (кетоны) и глюкозу как источник энергии для мозга. Гемато-энцефалический барьер не пропускает длинноцепочные жировые кислоты, поэтому организм использует кетоны, которые он синтезирует из ацетил-коА при недостатке глюкозы и избытке ацетил-коА. Чего мы добиваемся голоданием или кето-диетой.

ПеременнаяГлюкозаЖир/кетоны
Реактивные виды кислородаМало при умеренном потреблении;

Много (потенциальный вред митохондриям) при гипергликемии

Умеренно (вызывает адаптационные изменения)
Способность быстро генерировать АТФДа,
NADH-ориентированный метаболизм через 1й комплекс (2,5 АТФ, выкачка протонов);Пиковая возможность генерировать энергию упираться в доступность NAD+. И скорость получения последнего при помощи восстановления пирувата до лактата.
Нет,

Есть предел «пиковой бета-оксидации»

Сбалансированный метаболизм NADH/FADH2 1:2, 1:3 (FADH2 дает 1,5 АТФ и не выкачивает протоны)

Транспорт в клеткиПассивные мембранные транспортеры (GLUT) со специфичной тканям чувствительностью глюкозе;

Ряд GLUT-комплексов требуют присутствия инсулина (например, GLUT4 в мышцах и адипоцитах)

VLDL;

Кетоны для мозга (VLDL не может пересекать ГЭБ)

Способы утилизацииПируват (белки, цикл Кребса итд);

Гликоген;

Пентозо-фосфатный путь (пуриновый метаболизм, NADPH итд)

Ацетил Ко-А (только на энергию в цикле Кребса)

Синтез жиров и гормонов

Последствия перееданияЛактоацидоз;

Псевдогипоксия;

Гликизирование белков

Кетоны большом количестве также снижают pH крови (как при диабетическом кетоацидозе), но даже при продолжительном голодании таких показаний сложно добиться.

 

Вывод до банальности очевиден, глюкоза – более универсальная молекула. Это и топливо, и строительные блоки для белков и нуклеиновых кислот. Кетоны/жиры – резервное топливо для периода голодания (что мы и имитируем кето).

Выводы о глюкозе

  • У глюкозы есть 3 принципиальных пути утилизации:
    • Гликоген (для мозга неактуально);
    • Пируват (цикл Кребс, строительный блок для белков, жиров);
    • Пентозо-фостатный путь (синтез нуклеиновых кислот, нахождение в восстановленном состоянии)
  • Глюкоза дает больше АТФ в секунду времени, но переедание глюкозой связано с как минимум тремя потенциально опасными моментами:
    • Лактоацидозом (вследствии необходимости восстанавливать NAD+ при помощи лактата);
    • Гликизированием (и нарушением функции белков);
    • Патологическим количеством ROS при объедании;
  • Нейроны адаптировались чувствовать малые количества глюкозы и с гипергликемией им самим не справиться;
  • Нейроны не синтезируют гликоген и у них отчасти подавлен синтез пирувата, он используют глюкозу в основном для поддержания целостности ДНК и нахождения в восстановленном состоянии (PPP);
  • Лактатный шатл астроцитов снабжает нейроны лактатом (легко окисляемым до пирувата с выделением NADH); лактатный шатл не защищает нейроны от гипергликемии;
  • Жиры – более энергоёмкая форма топлива, но из Ацетил-коА невозможно получить строительные блоки для синтеза белков. В жирах больше потенциальной и получаемой энергии, но в минуту времени жиры могут сгенерировать меньше энергии, чем глюкоза.
  • От гипергликемии нас может защитить только нас же мозг, у которого для этого есть всё необходимое.

Источники:

  1. Brain glucose transporters
  2. Sugar for the brain: the role of glucose in physiological and pathological brain function
  3. Pyruvate oxidation
  4. Cell Respiration Part 2: Aerobic Respiration (Transition Reaction & Kreb’s Citric Acid Cycle)
  5. Lactate in the brain: an update on its relevance to brain energy, neurons, glia and panic disorder
  6. Brain lactate metabolism: the discoveries and the controversies
  7. Is L-lactate a novel signaling molecule in the brain?
  8. Comparison of lactate and glucose metabolism in cultured neocortical neurons and astrocytes using 13C-NMR spectroscopy
  9. Glucose transporters in the 21st Century
  10. Glucose transporters: physiological and pathological roles
  11. Glucose transporters: structure, function and consequences of deficiency
  12. Glucose transporter proteins (GLUT) in human endometrium: expression, regulation, and function throughout the menstrual cycle and in early pregnancy
  13. Brain glucose transporters
  14. Cell–cell and intracellular lactate shuttles
  15. Lactate shuttle – between but not within cells?
  16. The in vivo neuron-to-astrocyte lactate shuttle in human brain
Поделиться:

Обходные реакции и долголетие

Обходные реакции (bypass reactions) – это способ «создать» необходимую молекулу, которая «исчезает» в ходе необратимой реакции.

Самый очевидный пример bypass реакций – это глюконеогенез. Организм может создать глюкозу из аминокислот и триглицеридов, если в ней есть необходимость. Хочется рассмотреть побочную сторону подобных обходных реакций.

Для начала вспомним, что все реакции в теории обратимые. На практике же ряд реакций в организме необратимые. Обратная реакция будет термодинамически невыгодна, нет фермента, катализирующего обратную реакцию итд. Но есть обходные реакции. Это и рассмотрим.

Oxidation of Pyruvate and the Citric Acid Cycle

обратимые реакции

Известная метаболическая реакция. Катализация синтеза ацетил-коА. Ацетил-коА – важная для метаболизма энергическая молекула. Она запускает цикл Кребса. Это универсальный внутриклеточный энергетический посредник между субстратами (белки/жиры/углеводы) и энергией в химической форме (АТФ, ГТФ, NADH, FADH2). Как только нутриент был окислен до ацетил-кофермента А – назад пути нет. Углеродные основы этой молекулы могут быть использованы для получения энергии (цикл Кребса) или для запасания энергии (синтеза жиров). Но ни белки, ни углеводы уже не могут быть синтезированы из Ацетил-коА.

Пируват – конечный продукт гликолиза. Одно из звеньев глюконеогенеза. Источник энергии путем ферментации (до лактата). Источник углеродных основ для синтеза аминокислот. Пируват неплохо бы уметь восстанавливать. Но окисление пирувата до ацетил-коА – необратимая реакция.

Обратимые реакции позволяют восстанавливать нужные строительные блоки

Пример. Обратите внимания на АТФ/ГТФ.

H+ + PEP + ADP >> Pyruvate + ATP; + 1 АТФ

А теперь мы хотим восстановить PEP из пирувата. Для этого есть обходные реакции из 2 штук

  1. Pyruvate + HCO3 + ATP >> Oxaloacetate + ADP + Pi; — 1 АТФ
  2. Oxaloacetate + GTP >> PEP + GDP + CO2 + Pi; — 1 ГТФ

Чистая реакция двух последних:

Pyruvate + ATP + GTP >> PEP + ADP + GDP + Pi (- 1 АТФ; -1 ГТФ)

И сравним еще раз с изначальной:

H+ + PEP + ADP >> Pyruvate + ATP; (+ 1 АТФ).

Для восстановления PEP мы потратили больше энергии, чем извлекли из молекулы изначально.

Тоже самое с глюконеогенезом. На синтез глюкозы мы тратим больше энергии, чем извлекаем из нее. Это энергонеэффективный процесс, который использует организм, когда ему необходим тот или иной отсутствующий «строительно-углеродный блок».

Если при этом у нас не будет энергии, то все строительные блоки будут уходить на Ацетил-КоА, из которого аминокислот и глюкозы нам уже не синтезировать.

Это перекликается с теорией триажа Брюса Эймса. При неадекватном потреблении нутриентов вы лишаете организм строительных блоков. И при их общем недостатке организм будет синтезировать только жизненно важные.

Вывод:

какую диету вы бы не выбрали – следите за адекватным количеством нутриентов, витаминов и минералов в этой диете;
не надо надеяться на «внутренние ресурсы» своего организма; при недостатке нутриентов организм будет закрывать первоочередные потребности, не делая вас здоровее в долгосрочной перспективе.

P.S. Может ли быть так, что сильное падение глюкозы (3-3,5) на кето – следствие неоптимальной функции митохондрий (окислительного фосфорилирования). Глюконеогенез – АТФ-зависимый процесс. Он заметно подавляется при недостаточной дыхательной функции митохондрий.

Поделиться: