БОЛЕЗНИ, СОСТОЯНИЯ, СИНДРОМЫЛактат против СО2Митохондрии
Защитный CO2 и старение
В последние годы все более широкое признание получают терапевтические эффекты увеличения содержания углекислого газа. Даже Джейн Броуди, писательница из “Нью-Йорк Таймс” на медицинские темы, благосклонно упомянула об использовании метода Бутейко при астме, а идея «разрешительной гиперкапнии» во время искусственной вентиляции легких, чтобы предотвратить повреждение легких от избытка кислорода, обсуждалась в медицинских журналах. Но все же очень немногие биологи признают его роль в качестве фундаментального, универсального защитного фактора. Я думаю, что будет полезно рассмотреть некоторые способы, которыми углекислый газ может контролировать ситуации, которые в противном случае плохо поняты.
Мозг имеет высокую скорость окислительного метаболизма, и поэтому он образует очень большую долю углекислого газа, который в целом вырабатывается организмом. Он также в значительной степени управляет метаболизмом других тканей, включая потребление ими кислорода и выработку углекислого газа или молочной кислоты. В пределах определенного вида скорость потребления кислорода увеличивается пропорционально размеру мозга, а не массе тела. Между очень разными видами роль мозга в метаболизме еще более очевидна, поскольку скорость метаболизма в состоянии покоя соответствует размеру мозга. Например, мозг кошки примерно такого же размера, как у крокодила, и их потребление кислорода в состоянии покоя аналогично, несмотря на огромную разницу в размерах тела.
Стресс следует понимать как процесс, развивающийся во времени, и мозг (особенно неокортекс и лобные доли) организует адаптационные и развивающие процессы как в пространственном, так и во временном измерениях. Смысл ситуации влияет на то, как реагирует организм. Например, стресс от длительного удержания может вызвать серьезные желудочно-кишечные кровотечения и язвы, но если у животного есть возможность укусить что-то во время стресса (что означает его способность сопротивляться и возможность побега), он может избежать стрессовых язв.
Распределение нервной деятельности по всему телу определяет локальную способность производить углекислый газ. Когда кора головного мозга повреждена или удалена, животное становится жестким, поэтому считается, что кора оказывает “тонизирующее тормозящее действие” на организм. Но когда нервы удаляются из мышцы (например, в результате болезни или несчастного случая), мышца переходит в состояние постоянной активности, и ее способность окислять глюкозу и производить углекислый газ снижается, в то время как ее окисление жирных кислот сохраняется, увеличивая производство токсичных окислительных фрагментов жирных кислот, что способствует атрофии мышцы.
Намерения, ожидания или планы представлены в нервной системе как большая готовность к действию, а в органах и тканях, контролируемых нервами, как увеличение или уменьшение окислительной эффективности, аналогично различиям между иннервированными и денервированными мышцами. Этот паттерн в нервной системе был назван “акцептором действия”, потому что он постоянно сравнивается с действительной ситуацией и уточняется по мере оценки ситуации. Состояние организма под влиянием того или иного акцептора действия называется “функциональной системой”, включающей в себя все компоненты организма, наиболее непосредственно участвующие в реализации намеченного адаптивного действия.
Действие нервов можно считать анаболическим, потому что во время стрессовой ситуации, в которой катаболические гормоны адаптации, например кортизол, повышаются, ткани функциональной системы защищены, и в то время как бездействующие ткани могут подвергаться аутофагии или другой форме инволюции, потребности активных тканей снабжаются питательными веществами от их распада, что позволяет им изменяться и, при необходимости, расти в размерах или сложности.
Роль мозга в защите от травм при стрессе имеет параллель в различиях между концентрическими (положительными, сокращающими мышцы) и эксцентрическими (отрицательными, удлиняющимися при напряжении) упражнениями, а также с различиями между иннервированными и денервированными мышцами. При эксцентрических упражнениях и денервации используется меньше кислорода и вырабатывается меньше углекислого газа, в то время как молочная кислота увеличивается, вытесняя углекислый газ, и окисляется больше жира. Продолжительный стресс также уменьшает углекислый газ и увеличивает лактат, одновременно увеличивая потребление жира.
Темнота-это стресс и катаболизм. Например, у пожилых людей утренняя моча содержит почти весь кальций, потерянный за 24 часа, а митохондрии особенно чувствительны к разрушительному воздействию темноты. Сон уменьшает разрушительные катаболические эффекты темноты. Во время фазы быстрого движения глаз (сновидения) во сне дыхание тормозится, и уровень углекислого газа в тканях накапливается. В спокойном сне напряжение кислорода часто достаточно низкое, а напряжение углекислого газа достаточно высокое, чтобы вызвать размножение стволовых клеток и митохондрий.
Сновидения представляют собой “акцептор действия”, действующий независимо от сенсорной информации, с которой он обычно взаимодействует. Во время сновидений мозг (используя систему, называемую Восходящей ретикулярной активирующей системой) отключается от сенсорных систем. Я думаю, что это нервный эквивалент концентрической/положительной мышечной активности в том смысле, что мозг контролирует свои действия. Активная, сновидческая фаза сна происходит чаще часто в конце ночи, когда приближается утро. Это наиболее напряженная часть ночи, когда кортизол и некоторые другие гормоны стресса достигают пика на рассвете, поэтому было бы разумно, чтобы защитные процессы мозга были наиболее активны в это время. Процесс сновидения в головном мозге связан с глубоким расслаблением мышц, что, вероятно, связано с трофическими (восстановительными) действиями нервов.
В Древнем Китае даосы были озабочены долголетием, и, согласно Джозефу Нидэму (Наука и цивилизация в Китае) их методы включали использование трав, минералов и стероидов, извлеченных из мочи детей. Некоторые из тех, кто заявлял о чрезвычайном долголетии, практиковали контролируемое дыхание и тай-чи (включая образы, движения и дыхание), как правило, в ранние утренние часы, когда снижение стресса наиболее важно. Насколько мне известно, у практикующих тай-чи нет исследований уровня углекислого газа, но ощущение тепла, о котором они обычно сообщают, предполагает, что оно связано с гиповентиляцией.
В 1960-х годах российский исследователь изучил больничные записи измерений новорожденных и обнаружил, что в течение нескольких десятилетий размер их голов увеличивался. Он предположил, что это может быть результатом увеличения содержания углекислого газа в атмосфере.
Опыт и питание беременного животного, как известно, влияют на экспрессию генов в потомстве, влияя на такие вещи, как аллергия, скорость обмена веществ, размер мозга и интеллект. Майлз Сторфер (1999) рассмотрел доказательства эпигенетического контроля окружающей среды за размером мозга и интеллектом. В настоящее время известно, что основные механизмы эпигенетических эффектов или “импринтинга” включают метилирование и ацетилирование хромосом (ДНК и гистонов).
Определенные виды поведения, а также питание и другие факторы окружающей среды увеличивают производство и удержание углекислого газа. Нормальный внутриматочный уровень углекислого газа высок, и его можно увеличить или уменьшить за счет изменений в физиологии матери. Влияние углекислого газа на многие биологические процессы, включающие метилирование и ацетилирование генетического материала, позволяет предположить, что концентрация углекислого газа во время беременности может регулировать степень сохранения родительского импринтинга в развивающемся плоде. Имеются некоторые свидетельства повышенного деметилирования, связанного с низким уровнем кислорода в матке (Wellman, et al., 2008). Высокая скорость метаболизма и выработка углекислого газа увеличили бы адаптивность нового организма, уменьшив предельные генетические отпечатки.
Быстрое снижение углекислого газа, вызванное гипервентиляцией, может спровоцировать эпилептический припадок, усилить мышечные спазмы и повышенную проницаемость сосудов, а также (высвобождая серотонин и гистамин) способствовать воспалению и нарушениям свертывания крови. В чуть более длительном временном масштабе снижение содержания углекислого газа может увеличить выработку молочной кислоты, которая является стимулятором воспаления и фиброза. Длительное снижение содержания углекислого газа может увеличить восприимчивость белков к гликированию (добавление альдегидов в результате перекисного окисления полиненасыщенных жиров или метилглиоксаля из метаболизма лактата к аминогруппам), и аналогичный процесс, вероятно, будет способствовать метилированию гистонов, a процесс, усиливающийся с возрастом. Гистоны регулируют генетическую активность.
С возрастом метилирование ДНК усиливается (Bork et al., 2009). Я предполагаю, что метилирование стабилизирует и защищает клетки, когда рост и регенерация невозможны (и что оно, вероятно, увеличится, когда CO2 недоступен).
Гибернация (Morin and Storey, 2009) и споруляция (Ruiz-Herrera, 1994; Clancy, et al., 2002), по-видимому, используют метилирование в качестве защиты. Родительский стресс, пренатальный стресс, стресс в раннем возрасте и даже стресс во взрослом возрасте способствуют «импринтингу генов», частично за счет метилирования ДНК и гистонов.
Метионин и холин являются основными диетическими источниками доноров метила. Ограничение метионина имеет множество защитных эффектов, включая увеличение средней (42%) и максимальной (44%) продолжительности жизни у крыс (Richie, et al., 1994). Ограничение метильных доноров вызывает деметилирование ДНК (Epner, 2001).Эффект метионина, ускоряющий старение, может быть связан с нарушением баланса метилирования, несоответствующим подавлением клеточной активности. Помимо воздействия на пул метила, метионин подавляет функцию щитовидной железы и повреждает митохондрии.
Локальная концентрация углекислого газа в определенных тканях и органах может регулироваться нервной и гормональной активацией или ингибированием ферментов карбоангидразы, которые ускоряют превращение CO2 в угольную кислоту, H2CO3. Активность карбоангидразы может определять плотность и прочность скелета, возбудимость нервов, накопление воды и может регулировать структуру и функцию тканей и органов. Обычно углекислый газ и бикарбонат рассматриваются только в отношении регулирования pH и только в очень общем виде. Из-за важности поддержания рН крови в узком диапазоне углекислый газ обычно считается токсином, поскольку его избыток может вызвать потерю сознания и ацидоз. Но увеличение углекислого газа не обязательно вызывает ацидоз, а ацидоз, вызванный углекислым газом, не так опасен, как лактоацидоз.
Лягушки и жабы, будучи земноводными, особенно зависят от воды, а в пустынях или районах с засушливым сезоном они могут пережить длительный засушливый период, зарывшись в грязь или песок. Поскольку они могут быть погружены на глубину 10 или 11 дюймов ниже поверхности, их редко можно найти, и поэтому они не были тщательно изучены. Виды, обитающие в калифорнийской пустыне, как известно, пережили 5-летнее погружение без дождя, несмотря на умеренно теплую среднюю температуру их окружения. Одна из их известных адаптаций — производить высокий уровень мочевины, что позволяет им осмотически поглощать и удерживать воду. (У очень пожилых людей иногда бывает очень высокое осмотическое давление и мочевина.)
Некоторые лабораторные исследования показывают, что когда жаба зарывается в грязь, количество углекислого газа в ее тканях увеличивается. Их кожа обычно функционирует как легкие, обменивая кислород на углекислый газ. Если ноздри жабы находятся на поверхности грязи, в начале покоя ее дыхание будет постепенно замедляться, что приведет к еще большему увеличению углекислого газа. Несмотря на увеличение содержания углекислого газа, pH поддерживается стабильным за счет увеличения содержания бикарбоната (Boutilier, et al., 1979). Подобное повышение уровня бикарбоната наблюдалось у зимующих хомяков и дормисов.
Размышления о длительном состоянии покоя лягушек напомнили мне газетную статью, которую я прочитал в 1950-х годах. Рабочие, разбирающие старую бетонную конструкцию, обнаружили спящую жабу, заключенную в бетон, и вскоре после освобождения она ожила. Бетон залили несколько десятилетий назад.
Хотя систематическое изучение лягушек или жаб во время их естественного погребения было очень ограниченным, было много сообщений о случайных открытиях, которые предполагают, что состояние покоя может продлеваться бесконечно при благоприятных условиях. Углекислый газ обладает антиоксидантным действием и многими другими стабилизирующими действиями, включая защиту от гипоксии и возбуждающего действия внутриклеточного кальция и воспаления (Baev, et al., 1978, 1995; Bari, et al., 1996; Brzecka, 2007; Kogan, и др., 1994; Малышев и др., 1995).
Когда митохондрии «разъединены», они производят больше углекислого газа, чем обычно, а митохондрии производят меньше свободных радикалов. Животные с несвязанными митохондриями живут дольше, чем животные с обычными, более эффективными митохондриями, которые производят больше реактивных окислительных фрагментов. Одним из эффектов высокой скорости окисления несвязанных митохондрий является то, что они могут устранять полиненасыщенные жирные кислоты, которые в противном случае могли бы интегрироваться в тканевые структуры или действовать как несоответствующие регуляторные сигналы.
У птиц уровень метаболизма выше, чем у млекопитающих того же размера, и они живут дольше. В их тканях содержится меньше высоконенасыщенных жирных кислот. Пчелиные матки, которые живут во много раз дольше, чем рабочие пчелы, содержат в основном мононенасыщенные жиры в тканях, тогда как ткани недолговечных рабочих пчел, получающих другой рацион, в течение нескольких недель после вылупления будут содержать очень ненасыщенные жиры.
У летучих мышей очень высокий уровень метаболизма и чрезвычайно долгая продолжительность жизни для животного их размера. В то время как большинство животных своего небольшого размера живут всего несколько лет, многие летучие мыши живут несколько десятилетий. Пещеры летучих мышей обычно имеют немного больше углекислого газа, чем внешняя атмосфера, но они обычно содержат большое количество аммиака, а летучие мыши поддерживают высокий уровень углекислого газа в сыворотке, который защищает их от токсичного воздействия аммиака.
Голый землекоп, еще одно маленькое животное с чрезвычайно долгой продолжительностью жизни (в неволе они прожили до 30 лет, что в 9 или 10 раз дольше, чем мыши того же размера), имеет низкий базальный уровень метаболизма, но я думаю, что измерения сделаны в лабораториях могут не отражать скорость их метаболизма в естественной среде обитания. Они живут в норах, которые держат закрытыми, поэтому процентное содержание кислорода ниже, чем в наружном воздухе, а процентное содержание углекислого газа колеблется от 0,2% до 5% (атмосферный CO2 составляет около 0,038). Температура и влажность в их норах могут быть чрезвычайно высокими, и, чтобы иметь большое значение, их скорость метаболизма должна быть измерена, когда температура их тела повышается из-за жара в норе.
Когда они были изучены в Европе и США, не было никаких исследований влияния высоты на их метаболизм, и эти животные являются родными для высокогорных равнин Кении и Эфиопии, где низкое атмосферное давление могло бы увеличить уровень углекислого газа в их тканях. Следовательно, я сомневаюсь, что продолжительность жизни, наблюдаемая в лабораторных условиях, точно отражает продолжительность жизни животных в их нормальной среде обитания.
Помимо проживания в замкнутом пространстве с высоким содержанием углекислого газа, голые землекопы имеют еще одно сходство с пчелами. В каждой колонии размножается только одна самка, матка, и, как пчелиная матка, она является самой крупной особью в колонии. В ульях рабочие тщательно регулируют концентрацию углекислого газа, которая варьируется от 0,2% до 6%, как и в колонии землекопов. Высокое содержание углекислого газа активирует яичники пчелиной матки, повышая ее плодовитость.
Поскольку пчелиные матки и землекопы живут в темноте, я думаю, что их высокий уровень углекислого газа компенсирует недостаток света. (И свет, и CO2 помогают поддерживать окислительный метаболизм и подавляют образование молочной кислоты). Считается, что голые землекопы очень мало спят. Ночью нормальные люди переносят больше CO2 и поэтому дышат меньше, особенно ближе к утру, при усиленном активном сновидческом сне.
Известно, что у землекопа никогда не бывает рака. Их сывороточный С-реактивный белок чрезвычайно низок, что указывает на их устойчивость к воспалению. У людей и других животных, подверженных раку, одним из генов, который, вероятно, будет подавлен стрессом, старением и метилированием, является р53, ген-супрессор опухоли.
Если внутриутробный опыт с низким содержанием кислорода и высоким содержанием углекислого газа служит для “перепрограммирования” клеток, чтобы устранить накопленные эффекты возраста и стресса, и таким образом максимизировать потенциал развития нового организма, жизнь, которая прожита с почти такими же уровнями кислорода и углекислого газа, может быть в состоянии избежать прогрессирующего молчания генов и потери функций, которые вызывают старение и дегенеративные заболевания.
В настоящее время считается, что некоторые заболевания и синдромы связаны с аномальным метилированием генов. Синдром Прадера-Вилли, синдром Ангельмана и различные «расстройства аутистического спектра», а также посттравматическое стрессовое расстройство и несколько видов рака, по-видимому, связаны с избыточным метилированием.
Умеренное ограничение метионина (например, регулярное использование желатина в рационе) может быть практичным, но если повышенный уровень углекислого газа может активировать ферменты деметилазы контролируемым образом, это может быть полезным лечением дегенеративных заболеваний и самого старения.
Низкое производство углекислого газа при гипотиреозе (например, Lee and Levine, 1999) и респираторный алкалоз при избытке эстрогена часто упускаются из виду. Достаточное количество кальция, а иногда и добавление соли и пищевой соды может увеличить содержание СО2 в тканях.
© Ray Peat Ph.D
Больше на Энергетическое питание & метаболизм
Subscribe to get the latest posts sent to your email.
