Разобщающие белки (UCP) и их важная роль в организме человека
Сегодня хочу рассказать вам об особых белках под названием разобщающие белки, которые далее будем называть UCP (uncoupling proteins). Они играют важную роль в сжигании жира, термогенезе, устойчивости к холоду, а также к росту новых нервных клеток и продолжительности жизни. Давайте разберемся в этом процессе и как использовать холод в своих целях! Сейчас мы редко подвергаемся действию холода и постоянно живем в «теплице». И это вредно действует на наш метаболизм.
Что такое разобщающие белки?
Разобщающие белки UCP (uncoupling proteins) — белки внутренней мембраны митохондрий, которые пропускают через себя протоны без синтеза АТФ, с преобразованием энергии протонного градиента в тепло.
Таким образом, накопленная энергия превращается не в АТФ, а в тепло. Эти белки «разобщают» процесс накопления энергии (разобщают процессы окисления и фосфорилирования), способствуя ее выделению в виде тепла.
У человека известно пять типов разобщающих белков, главными из которых являются UCP1 (термогенин), UCP2, UCP3. UCP-1 находится преимущественно в бурой жировой ткани, UCP-2 - в бурой и белой, UCP-3 - в cкелетных мышцах.
В мозге также находятся разобщающие белки, которые играют свою особую роль. У человека UCP2 и UCP3 в мышцах и печени действуют как метаболические триггеры, способные переключать углеводный метаболизм на жировой, откачивая пируват из митохондрий. В целом, UCP2 и UCP3 очень похожи по строению. Эти участвуют в транспорте жирных кислот, поддержании гомеостаза глюкозы и нейтрализации реактивных форм кислорода, вызывающих липид-индуцированный оксидативный стресс и повреждение митохондрий.
Кроме этого, регулируя уровень активных форм кислорода, UCP участвуют как сигнал в регуляции метаболизма. Ведь уровень АФК, кроме всего прочего, это еще и мощный сигнал.
1. UCP-1 в бурой жировой ткани способствуют поддержанию нормального веса (улучшая чувствительность к инсулину и лептину, увеличивания жиросжигание и др.)
2. UCP-2 в гиппокампе улучшает нейрогенез и нейропластичность, а в гипоталамусе – влияет на общий уровень метаболизма и продлевает жизнь.
3. UCP-2 защищает от избытка активных форм кислорода, а UCP-3 в мышцах улучшает эффективность жиросжигания при физической активности.
4. Конечно, есть еще ряд замечательных эффектов, таких как снижение уровня воспалительных цитокинов, улучшение работы щитовидной железы, повышение репродуктивной активности, защита мозга от ишемических повреждений и др. Более того, холод даже может улучшить микрофлору!
Бурый и бежевый жир для поддержания нормального веса.
Разобщающие белки препятствуют отложению жира после еды. Конечно, их главная роль – это термогенез. Но также они регулируют обмен веществ. Небольшие количества бурой жировой ткани у здоровых взрослых людей осуществляют постпрандиальный термогенез, что в определенной степени препятствует отложению жира на фоне избытка пищи. При ожирении клетки бурой жировой ткани практически отсутствуют и, соответственно, процесс постпрандиального термогенеза не происходит.
При холоде и физической работе у человека появляется т.н. - бежевая жировая ткань, которая является переходной между белой и бурой жировыми тканями. Переход белой жировой ткани в бурую через бежевую жировую ткань является доказанным фактом и служит важным механизмом поддержания энергетического температурного гомеостаза.
При работе скелетных мышц в них повышается содержание особого FNDC5. У белка FNDC5 имеется две функции. Во-первых, он даже в очень низких концентрациях увеличивает синтез мРНК белка термогенина в 70-100 раз. И, во-вторых, при его расщеплении образуется гормон ирисин. Вырабатываясь в работающих мышцах, ирисин преобразует белую жировую ткань в бурую.
Ирисин вырабатывается мышечной тканью не только при физической работе, но и при действии на организм холода. Так, при дрожании от холода в течение 10-15 минут вырабатывается такое же количество ирисина, как и при часовой езде на велосипеде со средней интенсивностью.
Основываясь на животных моделях, исследователи подсчитали, что всего 50 граммов бурого жира (что меньше количества у большинства добровольцев исследования) могут сжигать около 20 процентов ежедневного потребления калорий — и даже больше, если жир «стимулировать».
Разобщающий белок второго типа UCP2, мозг и продолжительность жизни
От холода и физической активности повышается и нейропластичность. Так, при нагрузках у мышей FNDC5 экспрессируется также в гиппокампе. В свою очередь, это ведёт к повышению экспрессии ряда нейропротекторных генов в клетках головного мозга, в частности — повышается экспрессия мозгового нейротрофического фактора (BDNF).
Изменения в митохондриях гиппокампа, связанные с увеличением активности UCP2, приводят к существенному увеличению нейропластичности (Exercise-Induced Synaptogenesis in the Hippocampus Is Dependent on UCP2-Regulated Mitochondrial Adaptation. Marcelo O. Dietrich, Zane B. Andrews and Tamas L. Horvath. Journal of Neuroscience 15 October 2008, 28 (42) 10766-10771)
Кроме этого, изменение уровня UCP2 в мозге влияет на изменение обмена веществ и продолжительность жизни. Установлено, что снижение температуры тела приводит к увеличению продолжительности жизни мышей на 12–20%. Ученые создали трансгенных мышей в гипокретиновых нейронах латерального гипоталамуса которых происходил избыточный синтез разобщающего белка UCP-2. Этот белок обеспечивал выработку избыточной тепловой энергии, передающийся соседним структурам мозга, что, как и предполагали учёные, приводило к снижению температуры животных на 0,3–0,50 С.
Наблюдение за такими мышами показало, снижение температуры тела продлевало жизнь представителям обоих полов, однако влияние на самок было несколько более выражено. Так продолжительность жизни самцов в среднем увеличивалась на 12%, а самок – на 20%. Таким образом, увеличение экспрессии разобщающих белков в мозге является достаточно эффективным и безопасным способом продления жизни.
ContiB., et al. Science, 314 . 825 - 828 (2006). Дополнительный обзор: The role of mitochondrial uncoupling proteins in lifespan. Dietrich MO, Horvath TL. Pflugers Arch. 2009 Sep 17.
Разобщающие белки и теория Спикмена
Есть старая теория, которая гласит, что чем быстрее метаболизм организма, тем короче его продолжительность жизни. Первоначально считалось, что производство свободных радикалов было высоким, когда электрическая разность между мембранами митохондрий была высокой — то есть, чем выше скорость метаболизма, тем выше скорость образования высокореактивных молекул, которые приводят к повреждению и старению клеток.
Однако эта модель не учитывает присутствие «разобщающих белков» во внутренней мембране митохондрий. Благодаря функциям, среди которых выделение тепла, эти разобщающие белки запускают поток протонов через мембрану, чтобы уменьшить разность потенциалов в ней, когда она высока. Джон Спикмен из Университета Абердина в Великобритании утверждает, что только то, что животные с медленным метаболизмом живут дольше, не означает, что первое приводит ко второму.
«Традиционная идея заключается в том, что по мере того, как вы увеличиваете свой метаболизм, определенный процент потребляемого вами кислорода пойдет на производство свободных радикалов, но она принципиально не подтверждает то, что мы знаем о работе митохондрий», говорит Спикмен.
Казалось бы, замедленный, вялый обмен веществ должен продлевать жизнь, точно так же, как машина может проработать дольше, если крутится на пониженных оборотах. Однако Спикмен обнаружил, что это не так.
Джон Спикмен и его коллеги измеряли у 42 особей мышиного племени потребление кислорода, говорящее об активности обмена веществ. Результат: мыши, у которых обмен веществ повышен, жили более чем на треть дольше мышей с замедленным обменом веществ.
Спикмен полагает, что причина этого явления заключается в митохондриях - энергетических станциях живой клетки, где с использованием кислорода сжигаются органические вещества пищи. При высокой скорости обмена кпд сжигания выше и возникает меньше свободных радикалов, повреждающих тонкие механизмы клетки и тем способствующих старению.
Поскольку понижение производства свободных радикалов ассоциируется с продолжительностью жизни, эта гипотеза называется «разобщение ради жизни». Когда Спикмен испытывал ее в 2004 году, он обнаружил, что мыши в верхнем квартиле метаболической интенсивности потребляли больше кислорода и жили на 36% дольше, чем в нижнем квартиле — что поддерживает идею «разобщения ради жизни». Чем выше скорость метаболизма и чем больше разобщающих белков, тем лучше будут работать митохондрии и выше будет продолжительность жизни.
Разобщающие белки и защита от активных форм кислорода
Разобщая окисление и фосфорилирование, UCP минимизируют генерацию активных форм кислорода (АФК) митохондриального происхождения и выражены в тканях с высокой способностью к β-окислению, таких как бурый жир, скелетные мышцы и сердце.
При увеличении окисления жирных кислот, повышается и генерация активных форм кислорода. Дополнительная роль UCP заключается в экспорте анионов ЖК из митохондрий и избавления матрикса от потенциально вредных молекул.
Таким образом, чем выше уровень разобщающих белков, тем меньше повреждения от активных форм кислорода. Установлено, что UCP способствуют повышению устойчивости кардиомиоцитов и нейронов к действию гипоксии и реоксигенации, они же обеспечивают устойчивость клеток к окислительному стрессу.
Экспериментальные данные свидетельствуют о важной роли UCP в нейропротекторном и кардиопротекторном эффектах. Кроме этого, разобщающие белки защищают от множества болезней, связанных с перееданием (от атеросклероза до Альгеймера).
(Cell Metabolism Volume 2, Issue 2, August 2005, Pages 85-93 Physiological functions of the mitochondrial uncoupling proteins UCP2 and UCP3)
Мышцы и разобщающие белки
Чем выше уровень разобщающих белков в мышцах, тем интенсивнее жиросжигание. Как мы знаем, разобщающие белки встречаются не только в буром жире, но также и в других тканях, имеющих совершенно конкретные энергоемкие физиологические функции. Белок UCP-2 обнаруживается в скелетных мышцах, белой жировой ткани, легких и почках, а также в сердце и центральной нервной системе. Экспрессия UCP -3ограничена, главным образом, скелетными мышцами.
Имеются данные о том, что бурая жировая ткань (БЖТ), содержащая значительные количества белка UCP 1, способна поглощать молочную кислоту, и эта ее способность усиливается под влиянием физической тренировки.
В исследованиях установлено, что активация несократительного термогенеза за счет острого регионального холодового воздействия ведет к значительному (1,5-кратному) снижению уровня лактата в крови в условиях мышечного покоя.
Cледовательно, холодовые процедуры помогут вам восстановится! Также, активность UCP связана с тем, сколько вы сжигаете во время тренировки. Результаты исследования, в котором были задействованы здоровые добровольцы, подвергавшиеся физическому тестированию и лабораторному анализу мышечной ткани, показали, что эффективность работы мышц зависит от типа структуры мышечных волокон, а также от содержания в мышечной ткани специфического белка UCP3. Более высокий уровень содержания белка UCP3 соответствует более низкой эффективности мышечной работы.
Статья M. Mogensenet et al. «Cycling efficiency in humans is related to low UCP3 content and to type I fibers but not to mitochondrial efficiency» опубликована в Journal of Physiology.
опубликовано econet.ru Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь
Источники:
1. Andrews ZB, Horvath TL (2009) Uncoupling protein-2 regulates lifespan in mice. Am J Physiol Endocrinol Metab 296:E621–E627Arechaga I, Ledesma A, Rial E (2001) The mitochondrial uncoupling protein UCP1: a gated pore. IUBMB Life 52:165–173
2. J Exp Biol. 2002 Aug;205(Pt 15):2275-85. UCP2 and UCP3 in muscle controlling body metabolism. Schrauwen P1, Hesselink M.
3. McDonald RB, Hagopian K et al (2008) Effect of aging, caloric restriction, and uncoupling protein 3 (UCP3) on mitochondrial proton leak in mice. Exp Gerontol 43:1069–1076
4. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology January 2010, Volume 459, Issue 2, pp 269–275| The role of mitochondrial uncoupling proteins in lifespan
5. Exercise-Induced Synaptogenesis in the Hippocampus Is Dependent on UCP2-Regulated Mitochondrial Adaptation Marcelo O. Dietrich, Zane B. Andrews and Tamas L. HorvathJournal of Neuroscience 15 October 2008, 28 (42) 10766-10771; DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2744-08.200
6. Diabetes. 2014 Nov;63(11):3686-98. doi: 10.2337/db14-0513. Epub 2014 Jun 22. Temperature-acclimated brown adipose tissue modulates insulin sensitivity in humans. Lee P(1), Smith S(1), Linderman J(1), Courville AB(2), Brychta RJ(1), Dieckmann W(3), Werner CD(1), Chen KY(1), Celi FS(4).
Автор: Андрей Беловешкин
А ЧТО ВЫ ДУМАЕТЕ ОБ ЭТОМ?