Vladimir Fokin. Глюкоза и мозг

Материалы к одноименному выпуску Vladimir Fokin Podcast

Transcript

1. ВЛ А ДИ МИ Р ФО КИ Н НАЗВАНИЕ В 2 СТРОКИ (ИЛИ 3) ГЛЮКОЗА И МОЗГ
2. 2 Глюкоза попадает в клетку благодаря транспортным белкам GLUT Глюкоза является незаменимым источником строительных углеродных блоков и энергии для мозга. Так как жиры могут быть потрачены только на энергию или (ацетил-КоА и далее в цикл Кребса) или ее запасание. Давайте немного вспомним базу биохимии и постепенно прошерстим все важные особенности метаболизма глюкозы в мозге человека.
3. 3 GLUT – пассивные транспортеры типа carrier «Пассивность» означает, что глюкоза поступает из большей концентрации в меньшую. Так как глюкоза при попадании в клетку быстро фосфорилируется до глюкозы-6-фосфата (первая реакция гликолиза), то экстраклеточная концентрация глюкозы всегда больше внутриклеточной.
4. 4 • Медленные (относительно ионных каналов); • Специфичные глюкозе; • Регулируемые* Особенности GLUT как пассивных транспортеров * Регулируемые – клетка и экстраклеточные сигналы могут контролировать процесс поступления глюкозы через эти транспортеры
5. 5 • Концентрация экстраклеточной глюкозы*; • Аффинитивность транспортеров глюкозе; • Регулирующие молекулы (инсулин, например) Скорость поступления глюкозы в клетку будут регулировать * В виду скорости фосфорилирования глюкозы гексокиназой, это не будет rate limiting step, как и наличие АТФ для этой реакции не будет ограничивающим фактором.
6. 6 Существуют различные виды GLUT транспортеров Тип рецептора Примеры местонахождения Аффинитивность глюкозе GLUT 1 Эритроциты ГЭБ средняя GLUT 2 Печень / почки низкая GLUT 3 Нейроны Астроциты высокая GLUT 4 Миоциты Адипоциты *см дальше GLUT 1 и GLUT 3 инсулино- независимые рецепторы; для попадания в мозг глюкозы не нужен инсулин! Мозг эволюционно предназначен «чувствовать» малейшие значения глюкозы. Значит она для него очень важна
7. 7 Функция GLUT4 зависит от инсулина • GLUT4 утоплены в цитозоле клетки и неактивны «по умолчанию». • В присутствии инсулина они поднимаются к мембране и начинают транспортировать глюкозу. • Клиническая связь – пример с диабетом первого типа. Не смотря на обилие глюкозы, она у диабетика первого типа не может попадать в миоциты и адипоциты из-за отсутствия инсулина. И мы получаем классическое трио симптомов: полируя, полидипсия и полифагия. Усталость при повышенной концентрации глюкозы.
8. 8 • Попадание глюкозы в мозг связано с GLUT1 (эритроциты, ГЭБ) и GLUT3 (нейроны, астроциты) белками; • Инсулин не играет прямой роли при попадании глюкозы в мозг; • У нейронов самые аффинитивные GLUT3 рецепторы GLUT Выводы
9. ВОПРОСЫ ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЯ Нейроны приобрели самые чувствительные рецепторы глюкозы из всех. Как это может быть связано с их функцией (передача сигналов и «вечная жизнь»)? Защищены ли нейроны от минусов гипергликемии?
10. 10 • Дефицит NAD+ и его восстановление при помощи лактата; • Гликирование белков; • Избыток реактивных видов кислорода; Недостатки гипергликемии
11. 11 Гликирование белков мозга и накопление β- амилоидных отложений
12. 12 Глюкоза: NADH / FADH2 5:1 Стеариновая кислота: NADH / FADH2 2:1 NADH – 2,5 АТФ, I комплекс; FADH2 – 1,5 АТФ, II комплекс Глюкоза в большей степени (чем жиры / кетоновые тела) полагается на I комплекс и NADH. Усиленный метаболизм глюкозы чреват дефицитом окисленной формы NAD и нарушением работы дыхательной цепи переноса электронов Дефицит NAD+ Митохондрии
13. 13 Дефицит NAD+ Лактат Организм борется с дефицитом NAD+, восстанавливая пируват до лактата с параллельным окислением NADH до NAD+
14. 14 Цикл Кори как хорошая мина при плохой игре • Основной источник энергии печени – альфа-кето кислоты. • У нее не только низкоаффинитивные глюкозе GLUT2 рецепторы, которые надо «оживлять» инсулином. Но и фосфорилирование глюкозы (1-ая реакция гликолиза) осуществляет глюкокиназа – менее активный изомер гексокиназы. Цикл Кори (обмен печенью лактата на глюкозу) не спасает глобально от каскада: дефицит NAD+ - лактат – лактоацидоз;
15. 15 Проблема NAD+ вкратце Восполнение NAD+ активирует ось NAD+ - SIRT1 – PGC-1α: - миметики физической нагрузки; - голодание / кето Восполнение NAD+ - одна из целей препаратов «от старения» Дефицит NAD+ Создание избытков лактата Лактоацидоз
16. 16 • 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 Избыток реактивных видов кислорода при гипергликемии Источник: Мюллер и коллеги: High rates of superoxide production in skeletal-muscle mitochondria respiring on both complex I- and complex II-linked substrates
17. 17 Количество пероксида водорода: 1 - Умеренное потребление глюкозы; 2 - На кето у нас повышают реактивные виды кислорода, что активирует антиоксидативные транскрипторные факторы как NrF2 3 – обжорство приводит к ROS-хаосу Объедением глюкозы проще добиться стимуляции обоих комплексов МТ, чем жиром. Выводы из исследования Мюллера и коллег
18. ВОЗВРАЩАЯСЬ К ВОПРОСУ О ГЛЮКОЗЕ И МОЗГЕ Нейроны должны жить вечно, потому что новый нейрон – не совсем идентичная замена старому в нейронных цепях. Почему при этом у нейронов GLUT3, и от вышеперечисленных недостатков они мало защищены?
19. 19 Три Дао глюкозы Глюкоза-6- фосфат Гликоген Пируват ПФП
20. 20 Нейроны не запасают гликоген • Гликоген в небольших количествах запасают астроциты (на снимке выше). • Гранулы - гликоген
21. 21 Пентозо- фосфатный путь Нейронам критично жить вечно и выполнять сигнальную функции. NADPH позволяет нейронам питать Redox систему в целом. От глутатиона для синтеза нужных кислоты. Рибоза дает backbone для РНК/ДНК. Пентозо-фосфатный путь критичен для нейронов! Через рибозу организм тоже может восполнять гликоген. 5-углеродные сахара (рибоза) NADPH Поддержание целостности ДНК Реакции восстановления: глутатион, P450 итд
22. 22 Пируват • У пирувата двойная роль: - это строительные углеродные блоки; - ацетил ко-А для энергии; Строительный углеродный блок (3С): - аминокислоты; - Альфа-кето- кислоты; - Ацетил-КоА; - Глюконеогенез; - Лактат; Ацетил кофермент А Цикл лимонной кислоты: 3 NADH; 1 GTP; 1 FADH2 Жировые кислоты / кетоны не являются существенным источником строительных углеродных блоков
23. 23 Фосфофруктокиназа как проблема пирувата в нейронах Слабо выражена в нейронах В нейронах нет полноценного синтеза пирувата из глюкозы в виду подавленной функции PFK фермента. у нейронов подавлена фосфофруктокиназа, один из ферментов, необходимых для гликолиза. 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 пути гликолиза (получения пирувата из глюкозы).
24. 24 PFK-1 и нейроны  В нейронах нет изомера PFK2* [1];  PFK-1 подавлен в нейронах и более выражен в астроцитах [1];  При добавлении PFK1 в стволовые нейронные клетки нарушается дифференциация [2] * PFK2 активируется АМФ (дефицит энергии) и защищает клетки от апоптоза и усиливает гликолиз. Отсутствие PFK2 делает нейроны крайне чувствительными к уровню энергии. Источники: 1) https://www.nature.com/articles/ncb1080/figures/1 2) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27146165
25. 25 Нейроны и глюкоза Г-6Ф Гликоген ПФП Р-5Ф NADPH Пируват Ацетил- КоА Остальное ПФП также слабый буфер при гипергликемии. В рамках ПФП глюкоза приобразуется в неактивный эритритол и выводится с мочой!
26. 26 Эритритол как метаболит ПФП В 2017 году Хутман и коллеги показали, что [1] эритритол (неактивный алкогольный сахар, любимый адептами ЗОЖ) является метаболитом ПФП. Авторы связали синтез эритритола с ожирением. Моя интерпретация. ПФП – слабый буфер для гипергликемии. Через ПФП организм пытается деактивировать хоть какой-то объем излишек глюкозы. Источник: Erythritol is a pentose-phosphate pathway metabolite and associated with adiposity gain in young adults
27. 27 Пентозо-фосфатный путь метаболизма глюкозы является для нейронов основным. Это связано с основной фукнцией нейронов: «вечной жизнью» и проведением электрических сигналов. Нейронам нужно поддерживать структуру ДНК и иметь значительный потенциал восстановительных реакций. Нейроны и глюкоза
28. ВОПРОС Откуда нейроны получают пируват для цикла Кребса и структурных нужд?
29. 29 Лактатный шаттл астроцитов – источник пирувата нейронов Некоторое время назад звучало альтернативное мнение, что кетоны и лактат – предпочтительное «топливо» для мозга. Тезис спорный. Надеюсь, что выше я вам смог показать, что глюкоза для мозга КУДА БОЛЕЕ КРИТИЧНА, чем другим клеткам. Но расходуется глюкоза в основном на ПФП, необходимый для функции нейронов.
30. 30 Нейроны и астроциты LDH5/LDH1 – различные изоформы лактат дегидрогеназы MCT – мембранные транспортеры, которые может исопльзовать лактат. В астроцитах есть и GLUT1. Глутамат как возбуждающий нейромедиатор приводит к снижению афф GLUT3, но повышает GLUT1 (в астроцитах). То есть глутамат (возбуждение, больший расход энергии) стимулирует забор глюкозы именно астроцитами. Глутамат – возбуждение – больший расход пирувата (активируются именно астроциты) Источник: Беннарок Brain glucose transporters. Implications for neurologic disease Нейроны MCT2, высоко афф лактату LDH1, окисление лактата до пирувата Глутамат снижает аффинитивность GLUT3 Астроциты MCT1/MCT4, низкой афф лактату LDH5, восстановление лактата, доминирует в астроцитах Глутамат повышает аффинитивность GLUT1
31. 31 • У нейронов нет PFK-2 и снижена активность PFK-1 – они не могут самостоятельно создать нужное количество пирувата; • Пируват нейроны получают окислением лактата (с выделением NADH); • Лактат нейроны получают в формате cell-to- cell от астроцитов. Нейроны и пируват Выводы
32. 32 • Нейроны не запасают гликоген. Последний запасают лишь астроциты в небольших количествах; • Для нейронов критически важен ПФП (5- углеродные сахара, NADPH); • Гликолиз в нейронах во многом подавлен на уровне менее активного PFK-1 фермента; Нейроны и глюкоза Выводы
33. ПРАКТИКА Практическое применение знаний: GLUT4, диабет и стенокардия. Дискуссия с эндокринологом.
34. СПАСИБО