Как запустить процесс аутофагии. Выбор между жизнью и смертью: апоптоз или аутофагия? Прокариоты как многоклеточные организмы

Аутофагия - это процесс, с помощью которого эукариотические клетки утилизируют свои внутренние компоненты, «переваривая» их ферментами лизосом. Это непрерывный процесс, поддерживающий баланс между синтезом и деградацией и обеспечивающий необходимые условия для нормального клеточного роста, развития и смерти. В этой статье мы обобщаем понятие аутофагии до общего принципа работы живых систем и предлагаем термин протофагия для обозначения прокариотических процессов, подобных аутофагии.

Аутофагия (от греч. αυτος - «само» и φαγειν - «есть» : самопоедание ) является клеточным механизмом утилизации избыточных или поврежденных белков, белковых комплексов и клеточных органелл, осуществляемый лизосомами той же клетки. Такая утилизация выполняет несколько важных функций, в том числе - получение питательных веществ при голодании, поддержку клеточного гомеостаза и клеточного иммунитета, осуществление апоптоза и т.п. .

Как правило, термин аутофагия применяется для описания внутриклеточных процессов. Однако в определенном смысле ее можно рассматривать и как общий принцип, работающий не только на уровне клеток эукариот, но и в биосистемах других уровней, таких как организм, популяция или даже биосфера в целом. И на всех уровнях организации живого с принципом аутофагии можно соотнести многие известные процессы, - в частности, регуляцию жизнедеятельности бактериальных колоний. Здесь же мы рассмотрим аутофагию в более широком смысле - как процесс поглощения биологической системой своей части для поддержания собственной структуры и жизнедеятельности. Действительно: процессы, аналогичные аутофагии, появляются на разных «этажах» живой материи (см. примеры в таблице 1):

в эукариотических клетках (как сообществах органелл);
в организмах (как сообществах клеток и тканей);
в экосистемах (как сообществах живых организмов), и наконец;
во всей биосфере (как совокупности экосистем).

Например, на уровне организма одним из проявлений аутофагии является метаболизм подкожного жира, когда организм при голодании потребляет свою часть (жировую ткань) с перераспределением высвобожденной энергии. Другим примером служит апоптоз - регулируемое «самоубийство» клеток, необходимое для правильного развития любого растительного или животного организма .

Аутофагия присутствует и на уровне экосистем. Так же, как эукариотическая клетка постоянно утилизирует старые или дефектные органеллы, в экосистемах одни организмы «поглощаются» и служат источником энергии для других. Такой круговорот энергии и вещества в биосфере известен под термином «трофические цепи», которые можно определить как постоянное перераспределение биологического материала внутри экосистем.

Приведенные выше примеры аналогичны аутофагии в том, что в них для поддержания стабильности целого в жертву приносится часть системы. Так же, как аутофагия требуется эукариотической клетке для поддержания жизнедеятельности во время нехватки питательных веществ, сжигание жира организмом и экосистемные трофические цепи необходимы для адаптации к периодической нехватке энергии и стабилизации энергетического обмена.

Еще одна принципиальная функция процессов, подобных аутофагии, - обновление частей системы с целью поддержания ее стабильности как целого (гомеостаза). Время существования любого дифференцированного сообщества намного больше, нежели время жизни отдельных его частей, - вот тут-то и требуется механизм поддержания стабильности. Стабильность биосистем достигается путем постоянного обновления компонентов через аутофагию. Непрерывная утилизация старых компонентов обновляет биосистему, а также позволяет пополнить энергетические запасы. Этот же принцип используется и на других уровнях: в эукариотической клетке отработавшие свой ресурс органеллы перевариваются лизосомами, уступая место новым. На уровне организма поврежденные клетки элиминируются апоптозом или иммунной системой. В экосистемах отношения хищник–жертва не только поддерживают численность хищных видов, но и регулируют гомеостаз всей экосистемы, очищая ее от слабых и больных животных и предохраняя виды от вырождения.

Аутофагия является распространенным механизмом, используемым на различных уровнях биосферы. Почти любая живая система использует процессы, аналогичные аутофагии, для выживания и саморегуляции. Здесь мы использовали слово «почти» , так как аутофагия до сих пор не была описана у прокариот . Принимая во внимание роль аутофагии во всех других биосистемах, отсутствие ее у прокариот выглядит, по меньшей мере, странным. В этой статье мы попытаемся показать, что прокариоты не являются исключением, и аналог аутофагии у них также присутствует, - но обнаружить его можно лишь, если рассматривать прокариотические сообщества не как единичные клетки, а как мультиклеточные «организмы».

Прокариоты как многоклеточные организмы

На сегодня собрано достаточно данных о том, что в природе прокариоты существуют не в виде изолированных клеток, а в виде сложных микробных сообществ . Впервые эта смелая идея была выдвинуты в 80-х годах ХХ века, а сегодня она подкреплена солидной экспериментальной базой. Природные колонии прокариот имеют аналог эндокринной сигнализации внутри сообщества (например, чувство кворума ), дифференциацию клеток на специализированные подвиды, а также сложные паттерны коллективного поведения (совместная охота, коллективное переваривание добычи, коллективная устойчивость к антибиотикам и т.п.). Аутофагия как характеристика дифференцированных сообществ вполне может стать еще одним пунктом в этом списке.

Если бактериальная колония - это единая биосистема, то элементом ее будет служить единичная бактерия. Аналогично эукариотической органелле, прокариотическая клетка может рассматриваться как простейший элемент бактериального сообщества, окаймленный мембраной (и клеточной стенкой). Такое предположение ведет к интересному выводу: аутофагию нужно искать не внутри бактериальной клетки, а внутри бактериальной колонии. Действительно, «аутофагические» процессы хорошо известны у прокариотических колоний, правда под другими названиями - бактериальный каннибализм, бактериальный альтруизм, аутолиз или запрограммированная клеточная смерть . Бактериальный каннибализм впервые был описан как ответ бактериальной колонии на нехватку питательных веществ (см. врезку). Биологический механизм, запускающий аутофагию в этом случае, обнаружен у многих видов бактерий - это так называемая токсин-антитоксиновая система . Суть ее состоит в том, что при голодании колония лизирует («переваривает») часть своих клеток для того, чтобы остальные бактерии получили достаточно пищи для выживания. Таким образом колония переживает нехватку ресурсов или внешние неблагоприятные условия.

«Аутофагия» у бактерий

Типичные аутофагические модели описаны на молекулярном уровне у многих бактерий. Например, при нехватке пищи часть бактерий в колонии выделяет в окружающую среду токсин. При этом только некоторые из них способны производить молекулу антитоксина - белка, который обезвреживает токсин при его попадании в клетку. Такие клетки выживают и поглощают остальные, погибшие и лизированные под действием токсина. Это дает оставшимся в живых энергию, необходимую для споруляции , . Подобные процессы обнаружены у многих видов бактерий.

Для простоты описания мы введем термин протофагия как собирательный синоним процессов бактериального каннибализма, альтруизма, аутолиза и запрограммированной клеточной смерти . Прокариотическое сообщество представляет собой целостную биосистему, которая в случае необходимости перерабатывает часть себя для поддержания стабильности. При протофагии аутофагосомой (мембранной везикулы с продуктами деградации) служит сама прокариотическая клетка. Протофагия во многом схожа с аутофагией у эукариот (рис. 1):

оба процесса оперируют «везикулами» аналогичного размера (размер бактерии примерно равен размеру митохондрии или пероксисомы);
и про-, и аутофагия активируются подобными сигналами (голодание или стресс);
оба процесса осуществляются по одному и тому же принципу (регулируемое потребление биосистемой своей части);
оба процесса служат общей цели (выживание биосистемы в условиях стресса и поддержание ее гомеостаза).

Рисунок 1. Принципиальная похожесть протофагии и аутофагии.

Как и эукариотическая аутофагия, протофагия используется не только для получения пищи. Например, протофагия служит патогенным бактериям для инвазии организма-хозяина (рис. 2). Известно, что микрофлора хозяина (симбионты) может эффективно сдерживать рост патогенных микроорганизмов. С целью подавления конкуренции некоторые патогенные бактерии с помощью протофагии активируют антибактериальный иммунный ответ организма-хозяина. Для этого часть патогенной популяции индуцированно самолизируется, высвобождая токсины, что вызывает локальное воспаление. В итоге иммунная система организма уничтожает большу ю часть бактерий-симбионтов, в то время как патогенные бактерии избегают обнаружения и после окончания воспалительной реакции беспрепятственно размножаются в тканях хозяина . Интересно, что в отсутствие симбионтной микрофлоры (например, при экспериментальном заражении специальных линий стерильных мышей) такие патогенные бактерии заселяют кишечник без индукции воспаления. Это говорит о том, что протофагия тут является специфическим механизмом выживания патогенных организмов, который активируется только при неблагоприятных условиях.

Рисунок 2. Аналогичная роль протофагии и аутофагии в активации иммунного ответа.

Что дает нам концепция протофагии

Введенное понятие протофагии интересно не только как голая теория, но может быть полезно и на практике. Например, в биотехнологии сегодня широко используют бактерии, и манипуляция процессами протофагии может подсказать способ поддержания стабильности бактериальной культуры в промышленных масштабах. Так, активаторы протофагии должны повысить качество культур путем активации естественных механизмов устранения ослабленных и поврежденных микроорганизмов.

Другой важной областью применения протофагии может стать медицина. На сегодняшний день резистентность бактерий к антибиотикам является одной из ключевых фармакологических проблем. Вместо того, чтобы убивать отдельные бактериальные клетки (как это делают сегодня с помощью антибиотиков), можно сконцентрироваться на дезорганизации бактериальных сообществ как единого целого. Такие методы уже разрабатываются - это, например, блокаторы бактериального «чувства кворума», которые нацелены именно на нарушение межклеточной сигнализации в бактериальных колониях, чтобы сделать их уязвимыми для иммунной системы человека , . И хотя эта тема только развивается, и вопросов пока больше чем ответов, общий вектор работ показывает, что нарушение коммуникации между отдельными бактериями имеет все шансы стать терапией завтрашнего дня. В этом контексте активаторы протофагии помогут разрушить защитные барьеры бактериальной колонии и сделать ее уязвимой для иммунной системы организма хозяина.

Послесловие

Главный вопрос, который может возникнуть после прочтения этой статьи - а так ли необходимо введение нового термина - протофагия - для описания хорошо известных фактов? На наш взгляд, расширение понятия аутофагии и введение термина «протофагия» необходимо и полезно.

Биосфера в определенном смысле напоминает фрактал, где каждый последующий уровень повторяет предыдущий. Аналогичные процессы похожи между собой не только внешне - все они имеют сходные причины и принципы регуляции. Понятие протофагии, объединяющее разрозненные процессы прокариот вместе, позволяет обобщить и лучше понять глубинные механизмы, регулирующие жизнь прокариотических колоний. Это дает несомненные выгоды для биотехнологии и медицины завтрашнего дня.

Приживется ли термин «протофагия» и найдут ли его полезным другие ученые - покажет время. То, что нам показалось важным, мы изложили в статье, вышедшей в журнале Autophagy . Если микробиологи воспримут эти обобщения и найдут их полезными для себя - нам будет очень приятно. Если же цитируемость нашей статьи не будет бить рекордов - значит, мы ударились в средневековую схоластику и переоценили значимость собственных измышлений. В любом случае, представить данную работу на суд почтенной публике стоило - ведь протофагия является частным случаем аутофагии в бактериальном мире и следует тем же законам, что и остальные ее проявления - будь то аутофагия в эукариотической клетке, трофические цепи в биосфере или голодание по модной методике перед пляжным сезоном, который, кстати, уже на носу.

Написано по материалам оригинального эссе в Autophagy .

Литература

Daniel J. Klionsky, Fabio C. Abdalla, Hagai Abeliovich, Robert T. Abraham, Abraham Acevedo-Arozena, et. al.. (2012). Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy . »;
K. Lewis. (2000). Programmed Death in Bacteria . Microbiology and Molecular Biology Reviews . 64 , 503-514;
Bärbel Stecher, Riccardo Robbiani, Alan W Walker, Astrid M Westendorf, Manja Barthel, et. al.. (2007). Salmonella enterica Serovar Typhimurium Exploits Inflammation to Compete with the Intestinal Microbiota . PLoS Biol . 5 , e244;
Morten Hentzer, Michael Givskov. (2003). Pharmacological inhibition of quorum sensing for the treatment of chronic bacterial infections . J. Clin. Invest. . 112 , 1300-1307;
Маркина Н. (2010). «Биологи научились командовать бактериями ». INFOX.ru ;
Petro Starokadomskyy, Kostyantyn V. Dmytruk. (2013). A bird’s-eye view of autophagy . Autophagy . 9 , 1121-1126.

09 Сентября 2010

Клетка переживает стресс за счет частичного самоуничтожения
Надежда Маркина, Infox.ru

Биологи раскрыли механизмы, которые ведут к выбору между жизнью и смертью на уровне одной клетки. Теперь можно попробовать управлять судьбой клеток в организме, чтобы справиться с множеством болезней.

Когда клетке плохо, она ведет себя, на первый взгляд, парадоксально – пожирает сама себя изнутри. Но это лишь механизм выживания в стрессовой ситуации. При нехватке жизненных ресурсов или при повреждении биологических молекул у клетки два пути: она может покончить жизнь самоубийством или избавиться от поврежденных частей и выжить. Первый путь называется апоптозом – это программа на смерть, второй носит название аутофагия – и это программа на выживание. При аутофагии в клетке происходит деградация белков или целых органелл. То, что подлежит уничтожению, доставляется к внутриклеточным утилизаторам – лизосомам. Они окружают белки и фрагменты органелл мембраной и переваривают.

Ученым известно, что к аутофагии приводят различные химические или физические (например, ультрафиолет) вредные факторы или клеточное голодание. В последнем случае клетка переходит на режим экономии, перераспределяет питательные вещества к более важным частям и избавляется от менее важных. Но как именно работает механизм этого процесса, исследователи пока не понимают. Поэтому поисками ответа занялась команда из Института изучения рака Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh Cancer Institute). Они нашли ключевой для аутофагии белок и распознали связанную с этим цепочку внутриклеточных взаимодействий.

Как белок спасает клетку

Оказалось, роль спускового крючка для запускания аутофагии играет HMGB1 - ядерный белок, который в обычном состоянии работает на упаковке ДНК-хроматина. Он же при воспалительных и иных патологических процессах задействован в сигнальных путях апоптоза. Но самое непосредственное участие HMGB1 принимает в аутофагии. Правда, для этого ему нужно поменять дислокацию – переместиться из ядра в цитоплазму.

Ученые наблюдали за белком в культурах нескольких линий мышиных и человеческих клеток. Они обнаружили, что клеточное голодание, гипоксия, облучение ультрафиолетом приводят к выходу HMGB1 из ядра в цитоплазму. Вслед за этим начинается аутофагия, о чем можно судить по активизации ферментов лизосом. Для окончательного доказательства роли белка микробиологи получили культуру мышиных фибробластов с выключенным (нокаутированным) геном HMGB1. После обработки пероксидом водорода или после голодания такие клетки к аутофагии неспособны.

Бегство от стресса

Разные по природе неблагоприятные факторы приводят к одинаковым последствиям – окислительному стрессу. Усиленное образование свободных радикалов, повреждающих биологические молекулы - это сигнал на аутофагию. Биологи убедились в этом, обработав клетки веществами, усиливающими окислительные процессы – белок HMGB1 переместился в цитоплазму, после чего клетка стала активнее переваривать свои поврежденные фрагменты.

Исследователям удалось разобраться в цепочке процессов, вызванных окислительным стрессом. Белок HMGB1 перемещается в цитоплазму в ответ на окисление аминокислоты цистеина в 106 положении (С106). В цитоплазме белок взаимодействует с комплексом двух других: Bcl-2–Beclin1. HMGB1 связывается с белком Bcl-2 и отрывает его от партнера, а происходит это благодаря внутримолекулярному дисульфидному мостику между цистеином в 23 и 45 положениях (С23 и С45). После этого Bcl-2 блокирует апоптоз, а Beclin1 запускает аутофагию.

Судьбой клеток можно будет управлять

Так ученые открыли у белка HMGB1 новую функцию, определив его как главный регулятор выживания клетки. Разобравшись с процессом, можно научиться манипулировать им в своих целях. Если механизм аутофагии работает плохо, это может привести к нейродегенеративным или инфекционным заболеваниям, так что для предотвращения данных болезней его следует усилить. У раковых клеток, напротив, белок HMGB1 гиперактивен, аутофагия работает слишком хорошо, что служит причиной их повышенной живучести. В этом случае ее следует ослабить и подтолкнуть клетки к самоубийству – апоптозу.

Статья о том, как и почему клетка ест сама себя, опубликована в журнале Journal of Cell Biology (Daolin Tang et al., Endogenous HMGB1 regulates autophagy).

Читать также:

15 Июня 2010

Белок преждевременного старения

DDB2 (DNA damage-binding protein 2, «белок, сшивающий повреждения ДНК»), не только участвует в репарации ДНК, но, как оказалось, способствует накоплению активных форм кислорода в клетках, что приводит к их преждевременному старению.

читать 18 Мая 2010

Старение: теломеры + митохондрии + стволовые клетки + …

Деградация теломер и активация экспрессии р53 способствуют нарушению функций стволовых клеток и митохондрий и старению на всех уровнях, от биомолекул до всего организма. Расшифровка взаимосвязей этих и других механизмов старения позволит разработать методы его профилактики и омоложения органов и тканей пожилых людей.

читать 14 Апреля 2010

Борьба со старостью и продление молодости на телеканале «Культура»

14–15 апреля на телеканале «Культура» в рамках медиапроекта «ACADEMIA» лекции о своей нелегкой борьбой против старости и за продление молодости прочитает академик Владимир Скулачев.

читать 15 Марта 2010

Свободнорадикальная медицина и антиоксидантная терапия

Приглашаем принять участие в симпозиуме «Свободнорадикальная медицина и антиоксидантная терапия» (Волгоград, 12-14 мая 2010).

читать 03 Марта 2010

Не хотите стареть? Настройте биологические часы!

Возможно, кроме участия в «настройке» биологических часов, ген per управляет механизмом, обеспечивающим восстановление окислительных повреждений. Нарушение его функционирования приводит к ускоренному старению, что может проявляться развитием целого спектра патологических состояний, в том числе нейродегенеративных заболеваний, сердечно-сосудистых болезней и рака.

Здоровье

Наш организм способен сам себя очистить от токсинов и даже стать моложе после голодания. За это невероятное открытие в 2016 году 71-летний японский ученый Есинори Осуми получил Нобелевскую премию в размере 950 000 долларов.

Рассказываем вам о том, в чем же секрет его техники.

Открытие, которое сделал Есинори, основано на механизме аутофагии. Данный процесс представляет собой систему утилизации и переработки ненужных клеточных частей.

Аутофагия, по мнению ученого, вполне может использоваться для борьбы с деменцией и раком.

Польза голодания

Сам феномен открыли еще в 1960-х годах, однако тогда ученые не сумели понять его важность в полной мере.

Благодаря аутофагии у клетки получается справляться с попавшей в нее инфекцией, выводить токсины и омолаживаться. Осуми сумел доказать, что весь механизм аутофагии начинает максимально эффективно работать тогда, когда с организмом случается стресс, к примеру, голодание.

Аутофагия – это внутренняя программа обновления тела, в процессе которой ненужные части клеток сами по себе уходят, а хорошие элементы остаются, чтобы генерировать энергию и создавать новые, здоровые клетки. Данный процесс обладает решающим значением при профилактики злокачественных опухолей, для защиты от инфекций, для поддержания здорового обмена веществ, а также для защиты от таких заболеваний, как диабет.

Интересно об аутофагии

Дисфункциональная аутофагия напрямую связана с развитием болезни Паркинсона, диабетом 2 типа, раком и многих других проблем, связанных с возрастом. В настоящее время проводится активные исследования по разработке лекарственных препаратов, которые помогут направить возможности аутофагии на лечение разных болезней.

Сам термин «аутофагия» происходит от двух греческих слов, которые означают «самодостаточность». Аутофагия – это процесс, при котором клеточный мусор захватывается и запечатывается в мешкоподобных мембранах, которые называются аутофагосомами. Запечатанное содержимое транспортируется в лизосому, структуру, считающуюся ячейкой для мусора.

Однодневное голодание

Изучив процессы в дрожжевых клетках, японский ученый выделил основные гены, принимающие участие в аутофагии, и продемонстрировал, как белки, которые кодируют эти гены, объединяются, чтобы создать мембрану аутофагии. Позже он показал, что подобный процесс происходит в клетках человека, и что наши клетки не смогут без него выжить.

Нобелевский комитет подтвердил, что голодание длиной в один день на самом деле способствует получению отличных результатов. Аутофагия защищает организм от преждевременного старения, и даже омолаживает его с помощь создания новых клеток.

1. Голодает одна восьмая часть всего населения

Каждый восьмой житель нашей планеты ежедневно засыпает голодным. Это связано с тем, что более, чем 1 миллиард человек на Земле сталкиваются с недостатком еды. Такие данные предоставляет американское агентство по международному развитию.

Примерно 70 процентов граждан этой страны знают, что такое нехватка еды. На втором месте в этом печальном рейтинге расположилась Кения (51 процент), а на третьем Нигерия (47 процентов).

3. Чтобы накормить всех голодающих людей, надо перестать выбрасывать продукты

Ученые, занимающиеся статистическими подсчетами, пришли к выводу, что для того, чтобы накормить всех голодающих в Африке людей, можно просто собрать все продукты, которые ежедневно выбрасывают жители различных стран.

4. Без еды человек проживет 40 дней

Научные исследования показали, что взрослый человек, которые не испытывает сильных физических нагрузок, вполне продержится без еды около 40 дней. Более того, серьезных проблем со здоровьем у него не случится.

5. В Древней Индии на должников воздействовали с помощью голодовки

В индийских шастрах (религиозные пояснительные тексты) рекомендуется при помощи кратковременного голодания (абходжана) давить на должника, а если не помогает, то использовать голодовку на смерть (прайа).

Индийские «коллекторы» таким образом давили на жалость. Они могли лишать пищи не только себя, но также свою жену, детей и слуг. Страдания кредитора и его семьи не проходили незамеченными для должника, потому что голодовка происходила прямо возле его дома.

Если в итоге кредитор умирал, то на должника ложилась полная моральная и юридическая ответственность за убийство человека.

6. Трехдневное голодание поможет обновить иммунитет

К такому интересному выводу пришла группа ученых из Калифорнийского университета. Они провели исследование, результаты которого показали, что при кратковременном голодании в течение трех дней, иммунная система человека обновляется.

Восстановление нашей защитной системы происходит в результате усиленного деления стволовых клеток, которое случается во время голодания, когда организм испытывает стресс. Также во время кратковременного голодания наблюдается снижение концентрации определенного фермента, которые отвечает за старение, и определенного гормона, связанного с развитием раковых опухолей.

7. Голодание – это самый опасный из всех методов похудения

Известная диета Майи Плисецкой «не жрать» - это в действительности далеко не самый лучший способ для того, чтобы избавиться от ненавистных килограммов. На деле голодание крайне опасно для нашего организма. Когда отсутствует еда, в организме быстро и резко происходит снижение глюкозы в крови, а значит, уменьшается и количество инсулина, который ответственен за сжигание жировых отложение в клетках.

В итоге в период голодания происходит накопление ацетоновых тел, которые повышают кислотность в крови. Эти тела очень активно перемещаются по организму, отравляя его.

8. Голодание не оказывает никакого влияния на запасы жира

В первую очередь исчезают гликогены. Ими организм питается в первую очередь, потому что они являются быстродоступными запасами энергии. Гликогены уходят вместе с большим количеством жидкости, потому вес уходит, но жир никуда не девается.

Хотя есть много различных способов, чтобы помочь вашему организму избавиться от накопленных токсинов, начиная от продуктов, способствующих детоксикации, и химических и/или натуральных детокс-агентов для саун, биологический процесс, известный как аутофагия играет ключевую роль. Термин аутофагия означает “самопоедание” и относится к процессам, с помощью которых ваше тело очищается от различного мусора, в том числе от токсинов и регенерирует поврежденные клеточные компоненты.

Если попробовать объяснить на понятном для неспециалистов языке: “Ваши клетки создают оболочки, которые охотятся за кусочками мертвых, больных или изношенных клеток; пожирают их; зачищают их; и используют полученные молекулы для своей энергии или производства новых клеточных частей .”

Доктор Колин Чемпион, радиационный онколог и помощник профессора в Университете Питтсбурга объясняет это таким образом: “Подумать только, наши тела обладают врожденной программой утилизации. Аутофагия делает нас более эффективными машинами, чтобы избавиться от дефектных частей, остановить раковые новообразования и остановить метаболические нарушения такие, как ожирение и диабет .”

За счет усиления в вашем организме процесса аутофагии, вы ослабляете воспаление, замедляете процесс старения и оптимизируете биологические функции. “Больше аутофагии, происходящей в тканях, должно означать меньшее количество поврежденных и ослабленных клеток в любой момент времени, что в свою очередь должно привести к более продолжительной жизни организма ».

СХЕМАТИЧНАЯ МОДЕЛЬ АУТОФАГИИ

Стимулирование аутофагии с помощью физических упражнений
Аутофагия возникает в ответ на стресс . И, на самом деле, физические упражнения – это один из способов, с помощью которого вы повысите уровень аутофагии. Как вы, наверное, знаете, физическая нагрузка создает мягкое повреждение мышц и тканей, что заставляет ваш организм потом заняться ремонтом, и тем самым делая ваше тело сильнее. Физические упражнения также помогают избавиться от токсинов путем потоотделения, что полезно для любой программы детоксикации. На самом деле, многие исследователи считают физическую нагрузку основополагающим аспектом эффективной детоксикации.

Доктор Джордж U., например, который принимал участие в клинических испытаниях, чтобы помочь организму бывших военнослужащих армии США выйти из состояния пост-военного синдрома войны в Персидском заливе, рекомендует использовать сочетание упражнений, сауны и добавок с ниацином, чтобы увеличить выведение токсинов через кожу .

Физические упражнения являются важным компонентом, поскольку они также вызывают расширение кровеносных сосудов и усиление кровотока. Помимо этого, как отмечается в одной статье: “Группа ученых изучала autophagosomes, структуры, которые образуются вокруг кусочков клеток, которые организм решил утилизировать. После исследования специально выращенных мышей, которые имели светящиеся зеленые autophagosomes ... ученые обнаружили, что скорость, с которой мыши были способны разрушать свои собственные клетки, резко возросла после того, как они побегали более 30 минут на беговой дорожке. И эта эффективность разрушения продолжала расти до тех пор, пока они бегали примерно 80 минут ”.

Сколько физических упражнений нужно делать для оптимизации аутофагии?
Количество упражнений, необходимых для стимуляции аутофагии в организме человека до сих пор неизвестно, однако считается, что интенсивные упражнения более эффективны, чем легкие упражнения, которые, безусловно, также полезны.

Тем не менее, некоторые исследования показали, что идеальной зоной, в которой физические упражнения показывают наибольшую выгоду для увеличения длительности жизни, колеблются от 150 до 450 минут умеренных физических упражнений в неделю , что снижает риск ранней смерти на 31% и 39% соответственно. Включение, как минимум, в 30 % тренировки упражнений с высокой интенсивностью, также показало увеличение продолжительности жизни приблизительно на 13% больше по сравнению с упражнения, которые проводились в стабильно умеренном темпе все время тренировки.

Как можно тормозить аутофагию
Один из самых быстрых способов затормозить аутофагию - съесть большое количество белка. Это будет стимулировать выработку инсулиноподобного фактора роста IGF-1 и активизирует путь mTOR , которые являются сильными ингибиторами аутофагии. Именно поэтому лучше ограничить употребление белка примерно 40-70 граммами в сутки , в зависимости от вашей мышечной массы тела. Лучшая формула - один грамм белка на каждый килограмм мышечной массы тела (не общей массы тела).

Значительное количество белка можно найти в мясе, рыбе, яйца[, молочных продуктах, бобовых, орехах и семенах. Некоторые овощи также содержат большое количество белка, например, брокколи. Сорок граммов белка - это не большое количество пищи, что составляет примерно 170 гр. куриной грудки. Чтобы определить, получаете ли вы слишком много белковых продуктов, просто определите вес мышц в вашем теле (есть напольные весы с такой функцией) и запишите все, что вы едите в течение нескольких дней. Затем рассчитайте количество ежедневного белка, потребляемого из всех источников, по отношению к килограмму вашей мышечной массы.

Следующая таблица коротко показывает сколько белка содержится в различных продуктах питания .

СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКА В НЕКОТОРЫХ ПРОДУКТАХ

Важность митохондриального биогенеза
Здоровые митохондрии являются основой сохранения вашего здоровья и профилактики заболеваний. Митохондриальные повреждения могут вызвать генетические мутации, которые способствуют развитию рака , поэтому оптимизация здоровья ваших митохондрий, является ключевым компонентом профилактики рака.

Аутофагия – это один из способов удаления поврежденных митохондрий, а биогенез – это процесс, посредством которого новые здоровые митохондрии могут быть продублированы.
Интересно, что физические упражнения играют двоякую роль, поскольку не только стимулируют процессы аутофагии, но также являются одним из самых мощных стимуляторов биогенеза митохондрий. Это происходит за счет увеличения сигнала в вашем теле, называемого AMPK , который в свою очередь активирует Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α) .

Стимулируя свои митохондрии - органеллы, находящиеся почти в каждой клетке, вырабатывающие АТФ, вы позволяете митохондриям начать создавать активные формы кислорода (АФК), которые действуют как сигнальные молекулы. Одна из функций этого сигнала – стимулировать производство большего числа митохондрий. По сути, ключом к предотвращению болезни, что практически исключает риск развития рака, болезней сердца, диабета, многих других заболеваний и замедление процессов старения, является оптимизация функций митохондрий и увеличение числа этих митохондрий . К счастью, физические упражнения помогают вам сделать эти два полезных дела.

МИТОХОНДРИЯ

Периодическое голодание - еще один способ повысить уровень аутофагии
Ограничение питания - это другой биологический стрессор, который производит много полезных результатов, в том числе усиливает аутофагию. На самом деле, известны некоторые преимущества, связанные с ограничением в питании: снижение риска развития диабета и сердечных заболеваний.

Хотя существует много разных видов графиков голодания, если вы уже имеете инсулинорезистентность (сопротивление клеток инсулину в поглощении сахара), доктор Меркола (США) рекомендует каждый день планировать свой прием пищи в промежутке (окне) времени около 8 часов или менее. Например, вы можете ограничить свое питание с 11 утра и до 7 вечера. Это составляет примерно 16 часов нахождения без пищи.

Питание между 8-ми часами утра и 4-мя часами вечера может быть гораздо лучшим графиком для некоторых людей, и этот график имеет дополнительное преимущество, потому что позволяет поститься в течение нескольких часов перед сном. Доктор Меркола убежден, что это лучший выбор для большинства людей, чтобы не есть за три часа перед сном, так как последнее, что вы должны делать -это производить энергию, когда она вам не нужна.

Существуют убедительные доказательства, показывающие, что при поставке топлива для ваших митохондрий в то время, когда они не нуждаются в нем, приводит к утечке большого количества электронов, которые высвобождают активные формы кислорода, действуя как свободные радикалы. Эти свободные радикалы повреждают митохондриальную, и в конечном счете, ядерную ДНК. Необходимо стремиться к голоданию в течение шести часов перед сном, но если говорить о минимуме, то не стоит есть, по крайней мере, три часа до сна .

Чтобы повысить уровень аутофагии, необходимо кушать пищу с высоким содержанием полезных жиров и с низким содержанием углеводов
Пищевой кетогенез - это третья стратегия, которая поможет повысить уровень аутофагии, и чтобы достигнуть этого, вы должны сократить количество углеводов, не содержащих полезных пищевых волокон, и увеличить количество здоровых жиров в вашем рационе, наряду с умеренным количеством белка. Многие россияне, как правило, едят гораздо больше белка, чем им необходимо, что будет противодействовать вашим усилиям попасть в пищевой кетогенез.

Большинство жителей городов потребляют вредные жиры, в виде обработанных растительных масел, которые неизменно будут ухудшать ваше здоровье. Это не только связано с очень высоким содержанием Омега-6 жирных кислот, но и с тем, что избыток Омега-6 будет интегрироваться во внутреннюю митохондриальную мембрану и митохондрии становятся крайне восприимчивы к окислительному повреждению, в результате чего ваши митохондрии могут умереть гораздо раньше, чем положено.
Лучше держать потребление Омега-6 жирных кислот на уровне от 4 до 5 процентов от общего количества ежедневных калорий, а остальную часть Омега-6 жирных кислот заменить на более здоровые жиры, такие как натуральные, необработанные жиры в семенах, орехах, масле из оливок, масле из авокадо или кокосовом масле.

Важно также различать углеводы, поэтому, когда мы говорим об низкоуглеводной пище, то речь идет о всех продуктах, включая и овощи. Однако, углеводы из клетчатки овощей не подтолкнут ваш метаболизм в неправильном направлении. Из этого следует, что под ограничение попадают легкоусвояемые углеводы из сахара, сладких напитков, обработанных круп (хлопья), макарон, хлеба и печенья.
Еще важнее то, что волокна не расщепляются на сахара, но проходят вниз по пищеварительной системе, а затем потребляются бактериями в вашем кишечнике, и преобразуются в короткоцепочечные жиры, которые действительно улучшают ваше здоровье. Помните, вам нужны углеводы, находящиеся в овощах, которые также содержат большое количество клетчатки.

Восстанавливая функции аутофагии, вы помогаете мышечным стволовым клеткам
Давно известно, что мезенхимальные стволовые клетки (МСК), расположенные в скелетных мышцах, являются важной частью процесс ремонта мышц. Предыдущие исследования показали, что физические упражнения влияют на поведение ваших мышечных стволовых клеток, и могут помочь предотвратить или даже восстановить возрастные потери мышечной массы. МСК в мышцах очень отзывчивы к механическим напряжениям, и эти стволовые клетки накапливаются в мышцах после тренировок.

А пока МСК, не напрямую, способствуют созданию новых мышечных волокон, увеличивая выработку факторов роста, которые стимулируют другие клетки для создания новых мышц. Известно также, что у людей с возрастом в мышцах сокращается количество МСК, и, что снижается эффективность аутофагии. Как следствие, токсические вещества начинают накапливаться в клетках и тканях.

Недавнее испанское исследование сообщает, что сателлитные клетки для МСК ответственны за регенерацию тканей и полагаются на аутофагию, чтобы предотвратить арест клеточного цикла, известный как клеточное старение; процесс, в котором активность стволовых клеток значительно снижается. Короче говоря, улучшение регенерации мышечной ткани, может быть достигнуто с помощью роста эффективности и уровня аутофании. С ростом эффективности аутофагии ваши тела улучшают внутренний механизм самоочищения, когда стволовые клетки сохраняют способность поддерживать и восстанавливать свои ткани.

Ваш образ жизни определяет вашу дальнейшую судьбу в плане того, как долго вы будете жить и, в конечном счете, сколько здоровых лет будет у вас . Для оптимального здоровья и профилактики заболеваний, вам необходимы здоровые и эффективные митохондрии, что позволяет достичь три ключевых фактора образа жизни:
1. То, что вы едите : диета с высоким содержанием качественных жиров, умеренным содержанием белка, и низким содержанием углеводов без пищевых волокон. Использование в питании экологических, органических растений тоже важно, так как широко используемые пестициды, такие как глифосат, вызывают повреждения митохондрий
2. Когда вы едите : ежедневному периодическому голоданию, как правило, легче всего придерживаться, но вы можете запланировать и любой другой пост.
3. Физические упражнения с 30% временным интервалом высокой интенсивности – наиболее эффективны в плане здоровья и долголетия

«Какое нафиг ограничение в питании? Тебе гликогеном нужно запасаться» написал коллега под моим постом в фейсбук и собрал несколько лайков под комментарием.

Я, тем временем, освоил трехразовое питание (редкие случаи 4х приемов пищи, в дни длинных вело тренировок) и тренировки на голодный желудок. Тем не менее, некоторое время эта мысль не давала мне покоя и я решил окончательно разобраться. А вопросы были следующие:

Как работает Гликоген?
Могу ли я безопасно тренироваться дольше 2х часов без питания во время тренировки?
Что со мной происходит, когда заканчивается Глюкоза?
И самый важный для меня: могут ли длительные тренировки быть безопасными при инсулинорезистентности?

Но я и подумать не мог, что исследование этого вопроса приведет меня к осознанным тренировкам на голодный желудок и исследованию такого явления как Аутофагия.

Поэтому начнем именно с нее.

Что такое Аутофагия

На самом деле, как говорят многие источники, Аутофагия – это малоизученный процесс, который способствует естественному снижению веса, оздоровлению и увеличению продолжительности жизни. Рядом с этими фактами фигурирует имя Японского ученого Ёосинори Осуми , которому в 2016 году была присвоена Нобелевская премия по медицине за открытие и исследования механизмов Аутофагии и сорвал куш в 932 000$. Здесь же хочется сразу отметить, что сама Аутофагия как явление, была открыто значительно раньше, усилиями бельгийского биохимика по имени Кристиан Де Дюв , о котором немного позже.

Считается, что Аутофагия – это один из способов избавления клеток от ненужных органелл.

Всего в нашем с вами организме около 100 триллионов клеток.

Вот примерное количество дней, которое необходимо для полного обновления клеток:

60-80 дней на полный цикл обновления клеток кожи
120-150 дней на полное обновление крови
150-180 дней – и у вас новая печень! Запомнили? Вы знаете, что с этой информацией делать
15-16 лет и у вас новые клетки всех мышечных тканей

Следовательно, чем быстрее наши клетки обновляются и чем качественнее эти клетки – тем дольше мы с вами красивые, здоровые и молодые. Механизм Аутофагии может быть запущены естественным путем, например:

голоданием
ограничением углеводов (диета)

Чтобы проще было разбираться в Аутофагии , давайте сначала поговорим про Инсулин , Глюкоза , Гликоген и Глюкагон .

На фото: Аутофагосома под микроскопом

Инсулин

Гормон, который изучили уже вдоль и поперек. Инсулин – один из гормонов вырабатываемых поджелудочной железой в ответ на поступление Глюкозы в организм человека. Ага, значит Инсулина в крови должно становиться больше, когда пища, содержащая Глюкозу попадает в организм.

Что же происходит со спортсменом, который съедает спортивный батончик перед тренировкой? Точнее из “какого бака” будет расходоваться топливо на тренировке?

Съели батончик – > вырос Инсулин. Выросший Инсулин спровоцирует энергообеспечение из углеводов. Если тренировка короткая, то на углеводах мы ее и закончим.

Другой вариант:

Ничего не съедаем -> начинаем бежать -> углеводов нет -> энергия из жиров!

Чем полезны тренировки на энергии из жиров

На длинных забегах энергообеспечения только за счет углеводов не выйдет. Скорость вырабатывания энергии из только что потребленных углеводов значительно меньше скорости их сгорания.

Если вы хотите бежать далеко и долго, скажем марафон, то даже с гелями организм на 30-35 км переключится на получение энергии из жиров.

При беге на жирах организму требуется на 30% больше кислорода для получения 1 ккал, чем при беге на углеводах.

Теперь представьте себе, как вы будете чувствовать себя на последних километрах марафона, если во время подготовки не было длительных кроссов (2+ часа) или вы запихивались кучей углеводов перед тренировкой и бежали на них.

Глюкоза

Глюкоза считается одним из основных видов энергии. Гликоген , дальше о нем немного подробнее – это форма хранения Глюкозы . Поступающая Глюкоза соединяясь в цепочке формирует полисахарид – Гликоген. Которые хранится в мышцах и печени.

На интенсивную мышечную работу в условиях недостатка кислорода, энергии хватает примерно на 60-120 секунд. В это время в результате механизма Анаэробного гликолиза происходит расщепление Глюкозы до лактата или молочной кислоты. После этого включается механизм Аэробного гликолиза (расщипление Глюкозы до конечных продуктов распада с выделением максимального количества энергии). Чем тренированнее спортсмен – тем раньше включается процесс Аэробного гликолиза, и тем меньше в печени скапливается лактата или молочной кислоты. А значит процесс закисления мышц происходит ПОЗЖЕ и бежим мы ДОЛЬШЕ.

Гликоген

Гликоген образует энергетический запас. Если смотреть на него линейно, то 1 единица гликогена содержит меньше калорий, чем, например, энергия высвобожденная с 1 единицы сгоревшего жира . Да, мы уже помним, что для 1 ккал из жира нужно на 30% больше кислорода. Но тем не менее!

Запас Гликогена есть в печени, но мышцы тоже умеют запасать Гликоген , да и в больших его количествах. Спустя несколько часов бега запасы Гликогена заканчиваются и Инсулин в крови падает.

Но наш организм всегда имеет план Б!

Глюкагон

План Б – поджелудочная железа вырабатывает еще один мощный гормон под названием Глюкагон . Он является антагонистом Инсулина, а соответственно повышает уровень Глюкозы в крови. Глюкагон умеет преобразовывать аминокислоты (белок) в Глюкозу !

Мозгу тоже нужна энергия для работы. Здесь Глюкоза также пригодится! Мозг не умеет получать энергию из жиров, но умеет из Глюкозы и при этом ему даже не нужен Инсулин.

Улавливаете цепочку?

Глюкагон -> рост Глюкозы -> Зарядка батарейки мозга

Хорошо, мозг работает. Но Инсулина как не было, так и нет, как бежать? На жирах!

Глюкагон стимулирует переработку жиров. Глюкагон воздействует на рецепторы, которые способствуют получению энергии из жиров, и чем более тренирован человек, тем больше у него этих рецепторов. Именно развитие и рост количества рецепторов, на которые может воздействовать Глюкагон и направлены длительные тренировки. Большее количество рецепторов позволяет сохранить углеводы на последние километры марафонских дистанций.

Схема взаимодействия Глюкозы и Инсулина :

Как работает Глюкагон

на фото: Кристиан Де Дюв

Еще в далекие 1950-е годы Кристиан Де Дюв исследуя Глюкагон и Инсулин проводил эксперименты на клетках крыс и заметил, что под воздействием Глюкагона в клетках печени начинали появляться неизвестные ранее органеллы, которые в будущем он назвал Лизосомы . Также он предположил, что эти самые Лизосомы предназначены для получения энергии из мусора, содержащегося в клетках.

Оказалось, что пока клетке хватает энергии – Лизосомы не занимаются сбором мусора. Маркер наличия энергии для клетки все тот же – Инсулин . Есть Инсулин – Лизосомы спят. Как только Инсулин заканчивается – Глюкагон дает сигнал Лизосомам начать сбор мусора в клетках. Так происходит воздействие аутофагасомы и Кристиан Де Дюв назвал этот процесс Аутофагией .

Мусором Кристиан Де Дюв называет поврежденные субклеточные компоненты и неиспользуемые белки.

В нашем организме ежедневно создается огромное количество клеток, которые могут содержать в себе больные, слабые, ошибочные, нестандартные и лишние клеточные компоненты. В результате этого клетки начинают функционировать некорректно и могут привести к болезням Альцгеймера, Паркинсона или онкологическим заболеваниям. Поэтому очень важно избавляться от мусора, а Аутофагия помогает организму быть здоровее. Получается такой себе аутоканнибализм.

Как запустить Аутофагию

Есть два способа запустить Аутофигию :

Голодание

Бег

Давайте вернемся к бегу на голодный желудок. Вероятно, вы уже понимаете связь. Выходя на тренировку утром, без приема пищи перед бегом Инсулина в организме очень мало. А значит Глюкагон с Лизосомами начнут свое дело значительно раньше, чем если бы мы закинулись овсяночкой или парой бутербродов перед тренировкой. Можно, конечно, инициировать Аутофагию и при тренировке перед которой вы поели. Но в тогда бежать придется значительно дольше, пока Инсулин , опять-таки, не закончится.

Голодание

Тоже может вызвать рост Глюкагона , но это происходит значительно медленнее чем при беге. Частые приемы пищи, о которых нам постоянно твердят изо всех источников наоборот способствует удержанию уровня Инсулина в крови, что не позволяет запустить процессы Аутофагии. Необходимо дополнительно и углубленно изучать, как правильно голодать, чтобы от голодания была польза.

Марафон и Аутофагия

Давайте соберем все вышеизложенное в последовательный сценарий участия в марафоне.

Примерно через 2 часа после старта заканчиваются запасы Глюкозы и Гликогена , начинает расти уровень Глюкагона , начинают разлагаться жиры превращаясь в энергию. Глюкагон запустит процесс Аутофагии , мусор горит, клетки счастливы! Вы, как марафонец, через пару дней после старта – как новенький!

Возвращаясь к началу своей статьи, хочется сказать – да, возможно и нужно мне запасаться Гликогеном, но я и мой организм будут счастливы когда он закончится.

Безопасны ли длительные тренировки при инсулинорезистентности

Для начала, инсулинорезистентность – это проблемность попадания Инсулина в клетки организма.

Причин проблем попадания Инсулина в клетки может быть несколько. Если посмотрели видео выше, то уже знаете минимум про 3:

Проблемы с выработкой Инсулина
Проблемы с движением Глюкозы
Что-то не так с рецепторами клеток

Причин которые могут спровоцировать причины проблем попадания Инсулина в клетки (простите за тавтологию, надеюсь понятно) еще больше. Но прошу представить, что вы регулярно и без надобности открываете и закрываете дверцу кухонного шкафчика. Согласны, что скрипеть он начнет гораздо раньше, чем если бы он открывался в случаях надобности?

В завершении, возвращаясь к безопасности бега на низком Инсулине хочу сказать, что не только безопасно, но и как оказывается полезно. На всякий случай , всегда с собой большой гель Nutrend.