close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Конкурсная документация;doc

код для вставкиСкачать
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Факультет общей и прикладной физики
Кафедра физики и технологии наноструктур
Институт Биохимической физики им. акад. Н. М. Эмануэля РАН
Научно-Клинический центр «Геронтология» РАМН
“Возрастные изменения основных параметров
энергетического гомеостаза организма”
Дипломная работа на степень
магистра
студента 825н гр.
Закиева Э.Р.
Научные руководители
Стар. науч. сотр., к.б.н. Мамаев В. Б.
Глав. науч. сотр., д.б.н. Терешина Е. В.
Долгопрудный,
2014 г.
Содержание
Введение ............................................................................................................................................... 2
Литературный обзор ........................................................................................................................... 3
Глюкоза и ее свойства ....................................................................................................................... 3
Параметаболические реакции........................................................................................................... 3
Система дегликирования .................................................................................................................. 4
Элевационная теория В.М. Дильмана .............................................................................................. 5
Общий холестерин ............................................................................................................................ 6
Материалы и методы ......................................................................................................................... 7
Результаты ........................................................................................................................................... 8
Глюкоза ............................................................................................................................................. 8
Инсулин ........................................................................................................................................... 15
Общий холестерин .......................................................................................................................... 20
Обсуждение результатов .................................................................................................................. 24
Список использованной литературы ............................................................................................. 25
1
Введение
Ни для кого сегодня не секрет, что любой живой организм – открытая система с
точки зрения термодинамики и для поддержания необходимого для существования
энергетического гомеостаза нам нужно употреблять в пищу жиры, белки и углеводы. С
другой стороны, в процессе старения гомеостаз основных энергетических субстратов
нарушается, что ведет к сахарному диабету, метаболическому синдрому и болезням
сердечно-сосудистой системы. В связи с этим особый интерес представляет выяснение
популяционной динамики этих параметров в процессе старения. Поэтому данная работа
посвящена исследованию возрастных изменений энергетического гомеостаза.
Актуальность выбранной темы не подлежит сомнению, так как взаимное влияние
и возрастные изменения содержания энергетических метаболитов в крови, таких как
глюкоза и инсулин несмотря на огромное внимание научной общественности
(кардиологов, геронтологов и онкологов) не выяснены до конца.
В нашем исследовании мы рассматривали такие параметры энергетического
гомеостаза, как уровень содержания в крови глюкозы, инсулина, общего холестерина, а
также свободных жирных кислот. Новизна предлагаемого в данной работе подхода
состоит в предположении о едином гомеостазе энергетических метаболитов и
рассмотрении распределений уровней метаболитов по частотам в каждой возрастной
группе целиком, в отличие от предыдущих работ, (например, [3]) в которых в качестве
характеристики распределения того или иного энергетического субстрата использовалось
только математическое ожидание. Недостатком прежнего подхода была потеря ключевой
информации, необходимой для оценки гомеостаза и приводила к ложным выводам.
2
Литературный обзор
Глюкоза и ее свойства
Глюкоза – это основной энергетический субстрат организма. Природная глюкоза
состоит из обычной циклической пиранозной формы на 99,99%. Меньше 0,1% –
ациклическая форма. Последняя, в отличие от циклической формы, обладает ярко
выраженным альдегидными свойствами и способна в процессе метаболизма после
внутренней молекулярной перегруппировки (перегруппировка Амадори) связывать белки,
образуя т.н. «сшивки».
Рис. 1. Различные формы глюкозы
Параметаболические реакции
Параметаболические реакции – это «побочные» химические реакции,
сопровождающие реакции расщепления глюкозы (рис. 2). Механизм заключается в
образовании под действием глюкозы ациклической формы (составляющей
приблизительно 0.0001% от глюкозы в целом) т.н. белковых «сшивок». Коллаген, к
примеру, под действием глюкозы теряет эластичность и приобретает буроватый оттенок,
что характерно для диабетиков и престарелых. Помимо того, что в результате образования
сшивок белки инактивируются, в процессе реакции гликирования выделяются активные
формы кислорода, стимулирующие перекисное окисление липидов (рис. 2). Несмотря на
кажущуюся токсичность глюкозы, другие гексозы, а тем более и углеводы с меньшей
длиной углеродного остова гораздо более реакционно способны в указанных выше
аспектах, поэтому отсюда ясно, почему природа выбрала именно этот субстрат для
3
метаболизма: глюкоза представляет из себя наименьшее из зол. Например, если вместо
глюкозы «кормить» пекарские дрожжи трехатомными углеводами, то в процессе
метаболизма у них вырабатывается соединение под названием метилглиоксаль, который
образует аддукты с ДНК.
Рис. 2. Параметаболические реакции глюкозы и их продукты ([1])
Система дегликирования
Сравнение скорости накопления белковых сшивок у человека и мышей показало,
что в организме явно наличествует система, противодействующая гликированию белков.
Система работает как внутри клеток, так и во внеклеточном пространстве. Она состоит из
нескольких ферментов, а также специфических мембранных белков. Глиоксалазная
система, глутатион и дипептид карнозин препятствуют гликированию внутри клеток
принимая на себя карбонилирующие агенты, и даже способны восстанавливать исходное
состояние уже поврежденных аминокислот. Во внеклеточной же среде гликированные
белки распознаются специализированными рецепторами на плазматических мембранах
4
многих клеток. Однако неизбежно со временем происходит повышение уровня
гликирования в не обменивающихся белках внеклеточной среды, например в стенках
кровеносных сосудов. Это подтверждается обнаружением высокого содержания
гликированных белков в атеросклеротических бляшках [1]. В целом ациклическая форма
глюкозы считается виновницей ускоренного старения.
Система регуляции концентрации углеводного обмена; инсулин
Инсулин вырабатывается бета-клетками областей поджелудочной железы под
названием «островки Лангерганса» в ответ на повышение уровня глюкозы после приема
пищи. Именно с помощью инсулина глюкоза и аминокислоты попадают в клетки.
Инсулин также способствует накоплению триглицеридов адипоцитами. В целом можно
сказать, что инсулин – это анаболический гормон. Инсулин также обладает и
паракринным действием. Это значит, что он, будучи выделяем бета-клетками
поджелудочной железы ингибирует выработку глюкагона альфа-клетками поджелудочной
железы.
В процессе старения увеличивается доля жировой ткани в организме, достигая
своего пика в 45-55 лет. Гипоталамус, регулирующий пищевое поведение индивидуума,
теоретически должен был бы изменить пищевое поведение в сторону уменьшения
потребления пищи и, таким образом, вернуть объем жировой ткани в нормальное
состояние. Однако почему-то этого не происходит. Большинство современных
исследователей [4] склоняются к мнению о том, что причина кроется в понижении
чувствительности гипоталамических центров регуляции аппетита в ответ на повышение
уровня глюкозы и липидов в крови. Однако, как и в случае с глюкозой, наши данные
свидетельствуют об обратном: уровни инсулина с возрастом у людей старшей возрастной
группы не повышаются, а если и повышаются, то, скорее всего, приводят к смерти.
Элевационная теория В.М. Дильмана
Согласно элевационной теории Дильмана [2] старение начинается с возрастания
порога чувствительности гипоталамуса к уровню энергетических субстратов и гормонов в
крови. Как результат, при приеме пищи человек неосознанно переедает, что ведет к
ожирению и увеличению уровня, на котором поддерживается концентрация глюкозы в
крови. Иначе говоря, согласно данной теории, зависимость между уровнем глюкозы в
крови и возрастом прямая (рис. 3)
5
Рис. 3. Возрастная зависимость уровня глюкозы согласно [4]
Общий холестерин
Уровни содержания холестерина в крови регулируются с помощью так называемого SREBP
Pathway [4]. Когда уровня экзогенного холестерина не хватает, клетка начинает вырабатывать
холестерин сама (рис. 4)
Рис. 4. Путь регуляции уровня холестерина в клетке
6
Материалы и методы
Данные были получены от биохимического анализа состава крови 2877 пациентов
(711 мужского и 2166 женского пола) в возрасте от 16 лет до 101 года, проведенного на
базе Республиканского Клинического Центра «Геронтология», г. Москва. Содержание
глюкозы в крови определялось с помощью иммуноферментного анализа; уровни общего
холестерина, ХС ЛПВП, ХС ЛПНП, ХС ЛПОНП определялись с помощью спектрального
биохимического анализатора, а для определения уровней триглицеридов и свободных
жирных кислот была использована оригинальная методика тонкослойной хроматографии.
Рис. 4 Объемы выборок по параметрам в каждой возрастной и гендерной
группе
Все пациенты были поделены на девять возрастных групп (15-24 года, 25-34 года,
35-44 года, 45-54 года, 55-64 года, 65-74 года, 75-84 года, 85-94 года, 95-104 года) внутри
которых было еще и разделение на две подгруппы по гендерному признаку. Мы строили
распределения плотности вероятности для всех параметров, сравнивали средние значения
применяя t-тест Стьюдента, а также использовали методы регрессионного анализа. На
рисунке 3 видны объемы выборок в зависимости от пола и возраста различных
параметров, таких как глюкоза, инсулин и т.д.
7
Результаты
Глюкоза
В нашей работе мы обнаружили, что в любой возрастной категории всегда
существует «ядро» распределения, проходящее сквозь все возрастные категории без
существенных изменений. На рисунках 5, 6 и 7 изображены частоты появления значений
уровня глюкозы в крови для женщин всех возрастных групп. Методом полиномиальной
регрессии мы формировали полином, описывающий экспериментальное распределение.
На полученном полиноме (красная линия на рисунках 5,6 и 7) можно выделить отдельные
гауссовы пики в распределениях (линии обозначены синим цветом). Из сопоставления
графиков на рисунках 5, 6, 7 и таблицы 1 становится ясно, что сквозь все возрастные
группы с минимальными изменениями проходит первый и самый большой гауссов пик
(«ядро» распределения) со средним значением, колеблющимся около 5,1-5,45 ммоль/л.
А. Для возрастов 15-24 лет
Б. Для возрастов 25-34 лет
Рис. 5. Сравнение распределений уровня глюкозы в крови пациентов женского пола
возрастных интервалов 15-24 лет (А), 25-34 лет (Б)
8
Рис. 6. Сравнение распределений уровня глюкозы в крови пациентов женского пола
возрастных интервалов 35-44 лет, 45-54 лет, 55-64 лет, 65-74 лет
9
Рис. 7. Распределение уровня глюкозы в крови пациентов женского пола возрастного
интервала 95-104 лет
Главным отличием же между этими возрастными интервалами является наличие или
отсутствие «хвостов» распределения. По нашему предположению на рисунках 5 и 6
второй и третий (считая слева) пики представляют собой некоторые «стационарные»
состояния на пути к разрушению гомеостаза, конечной точкой которого является смерть.
Видно, что на рис. 6В этих пиков уже нет, что может свидетельствовать о том, что люди
со значениями уровня глюкозы как на втором и третьем пике не доживают до 85 лет. Все
вышесказанное может свидетельствовать в пользу того, что система гомеостаза глюкозы
поддерживает уровень последней на одной и той же величине, и те люди, которые в силу
привычек питания превышают этот уровень, не доживают до 85 лет (см. рис.6Г).
Аналогично и для мужчин (рис. 9, 10).
10
Таблица 1. Характеристики отдельных гауссовых пиков для распределений глюкозы
для женщин
Женщины
Глюкоза
15-
25-
35-
45-
55-
65-
75-
85-
24
34
44
54
64
74
84
94
95-104
1ый
μ
4.67
4.73
4.73
5.45
5.35
5.5
5.3
5.1
4.2/5.35
пик
σ
1.4
0.64
0.64
0.8
0.85
0.84
0.9
0.9
0.4
множ
0.85
0.79
3.5
3.1
3.1
3.5
2.57
2.35
2.05
вклад
0.99
0.99
0.77
0.74
0.63
0.71
0.64
0.77
0.94
2ой пик μ
-
-
8.65
9
9
9.3
9.2
10.5
-
σ
-
-
0.8
1
0.8
0.9
1.2
0.9
-
множ
-
-
20
20
17
15
8.8
38.8
-
вклад
-
-
0.15
0.12
0.12
0.17
0.21
0.04
-
3ий пик μ
-
-
12.2
12.6
13.0
13.3
12
-
-
σ
-
-
0.37
0.7
0.75
0.62
0.62
-
-
множ
-
-
44.5
38.5
24.5
33.5
30.5
-
-
вклад
-
-
0.05
0.06
0.09
0.08
0.05
-
-
Вклад пиков в распределения глюкозы;
женщины
100
80
60
%
1ый пик
40
2ой пик
20
3ий пик
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Возраст, лет
Рис. 8. Вклад каждого пика в площадь распределения глюкозы в зависимости от
возраста
11
Рис. 9. Сравнение распределений уровня глюкозы в крови пациентов мужского пола
возрастных интервалов 15-24 лет, 25-34 лет, 35-44 лет, 45-54 лет, 55-64 лет, 65-74 лет
12
Рис. 10. Сравнение распределений уровня глюкозы в крови пациентов мужского
пола возрастных интервалов 75-84 лет, 85-94 лет, 95-104 лет
13
Таблица 2. Характеристики отдельных гауссовых пиков для распределений глюкозы
для мужчин
Мужчины
Глюкоза
15-
25-
35-
45-
55-
65-
75-
85-
95-
24
34
44
54
64
74
84
94
104
1ый
μ
5.3
4.65
6.3
5.1
5.3
5.02
4.85
5.4
4.8
пик
σ
0.4
0.4
1
0.7
0.7
0.85
0.85
1.07
1.65
множитель 1.05
2.32
3.65
2.35
4.75
2.15
2.1
0.985 1.15
вклад
0.94
0.75
0.62
0.55
0.57
0.67
0.71
0.95
0.98
2ой
μ
-
6.8
11.8
9.3
8.6
8.9
8.9
-
-
пик
σ
-
0.35
1.25
1.4
1.4
1
1
-
-
множитель -
12.3
7.3
6.5
10.5
10.5
11.5
-
-
вклад
-
0.14
0.31
0.24
0.27
0.14
0.15
-
-
3ий
μ
-
-
-
12.65 12.25 -
-
-
-
пик
σ
-
-
-
0.6
0.57
-
-
-
-
множитель -
-
-
26.5
34.5
-
-
-
-
вклад
-
-
0.05
0.08
-
-
-
-
%
Вклад пиков в р-ния глюкозы. Мужчины
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1ый пик
2ой пик
3ий пик
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Возраст, лет
Рис. 11. Вклады различных пиков в распределения глюкозы в зависимости от
возраста у мужчин
14
Инсулин
Графики распределения инсулина ведут себя схожим с глюкозой образом,
формируя «ядра». Однако существенное отличие от графиков распределений глюкозы в
том, что с возрастом уровень инсулина неизбежно падает (рис. 11, 12) почти до нуля. В
самом деле, если у возрастной категории 45-54 лет первый пик имеет среднее значение 8,4
мме/мл, то в группе 55-64 этот пик приходится уже на 6,8 мме/мл, а в возрастной группе
85-94 значение падает до 1 мме/мл.
Рис. 12. Сравнение распределений уровня инсулина в крови пациентов женского
пола возрастных интервалов 35-44 лет, 45-54 лет, 55-64 лет, 65-74 лет, 75-84 лет, 85-94
лет
15
Рис. 13. Графики распределения уровня инсулина в крови пациентов женского пола
возрастных интервалов 75-84, 85-94, 95-104 лет
Данные графики вкупе с графиками распределения для глюкозы прекрасно иллюстрируют
нашу гипотезу о том, что глюкозно-инсулиновая система гомеостаза строго поддерживает
заданный нам природой уровень. Ниже на рисунках 14 и 15 представлены аналогичные
графики инсулина для мужчин.
16
Таблица 3. Характеристики отдельных гауссовых пиков для распределений
инсулина для женщин
Инсулин
15-
25-
35-
45-
55-
65-
75-
85-
95-
24
34
44
54
64
74
84
94
104
1ый пик μ
-
-
7
8.4
6.8
6
6.8
1
-
σ
-
-
2.95
3.9
3.9
2.6
4.9
3.9
-
множитель
-
-
2.6
2.95
2.88
5.1
1.7
1.67
-
вклад
-
-
0.55
0.68
0.59
0.36
0.69
-
-
μ
-
-
18.5
23
21
13
-
30
-
σ
-
-
4.2
6.5
6.5
7.5
-
6.5
-
множитель
-
-
2.75
11
9.5
3.6
-
9.5
-
вклад
-
-
0.49
0.22
0.21
0.56
-
-
-
μ
-
-
-
45
44.5
-
-
-
-
σ
-
-
-
3
3.5
-
-
-
-
множитель
-
-
-
42.5
20.5
-
-
-
-
вклад
-
-
-
0.05
0.09
-
-
-
-
2ой пик
3ий пик
Вклад пиков в распределения инсулина женщины
100
90
80
70
%
60
50
1ый пик
2ой пик
40
3ий пик
30
20
10
0
20
30
40
50
60
70
Возраст, лет
17
80
90
100
Рис. 14. Вклады различных пиков в распределения инсулина в зависимости от
возраста у женщин
Вклад пиков в распределения инсулина.
Мужчины
100
90
80
70
%
60
50
1ый пик
40
2ой пик
30
20
10
0
30
40
50
60
70
80
90
100
Возраст, лет
Рис. 15. Вклады различных пиков в распределения инсулина в зависимости от
возраста у мужчин
Рис. 16. Сравнение распределений уровня инсулина в крови пациентов мужского
пола возрастных интервалов 25-34 лет, 35-44 лет
18
Рис. 17. Сравнение распределений уровня инсулина в крови пациентов мужского
пола возрастных интервалов 45-54 лет, 55-64 лет, 65-74 лет, 75-84 лет и 85-94 лет
19
Таблица 4. Характеристики отдельных гауссовых пиков для распределений
инсулина для мужчин
Инсулин
15-
25-
35-
45-
55-
65-
75-
85-
95-
24
34
44
54
64
74
84
94
104
1ый пик μ
-
8
5.5
5.6
5.6
3.2
4.2
1.5
-
σ
-
5.35
1.65
3.35
3
3.35
3
3.35
-
множитель
-
1.3
2.25
2.2
4
2.41
1.75
4.2
-
вклад
-
0.95
0.55
0.76
0.6
0.73
0.88
-
-
μ
-
-
13.8
17
22
16.5
-
9.5
-
σ
-
-
2.7
4.2
4.2
4.2
-
2.7
-
множитель
-
-
3.1
9
11
7.5
-
12.9
-
вклад
-
-
0.36
0.2
0.24
0.28
-
-
-
μ
-
-
-
-
-
-
-
52
-
σ
-
-
-
-
-
-
-
3
-
множитель
-
-
-
-
-
-
-
25.5
-
вклад
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2ой пик
3ий пик
Общий холестерин
Графики уровней концентрации общего холестерина ведут себя очень схожим
образом, также образуя главные пики и несколько побочных.
[ОХ] (М, 25-34)
[ОХ] (М, 15-24)
0.303
0.41
0.253
Частота
Частота
0.31
0.21
0.11
0.203
0.153
0.103
0.053
0.003
0.01
0
5
10
0
15
5
10
15
Уровень в крови (ммоль/л)
Уровень в крови (ммоль/л)
Рис. 18. Уровни распределения общего холестерина для мужчин 15-24 и 25-34 лет
20
[ОХ] (М, 35-44)
[ОХ] (М, 45-54)
0.353
0.305
0.303
0.255
Частота
Частота
0.253
0.203
0.153
0.205
0.155
0.105
0.103
0.053
0.055
0.003
0.005
0
5
10
0
15
[ОХ] (М, 55-64)
15
[ОХ] (М, 65-74)
0.255
0.305
0.205
0.255
0.155
Частота
Частота
10
Уровень в крови (ммоль/л)
Уровень в крови (ммоль/л)
0.105
0.055
0.205
0.155
0.105
0.055
0.005
0.005
0
5
10
15
0
Уровень в крови (ммоль/л)
5
10
15
Уровень в крови (ммоль/л)
[ОХ] (М, 75-84)
[ОХ] (М, 85-94)
0.305
0.355
0.255
0.305
0.255
Частота
0.205
Частота
5
0.155
0.105
0.205
0.155
0.105
0.055
0.055
0.005
0.005
0
5
10
15
0
Уровень в крови (ммоль/л)
5
10
Уровень в крови (ммоль/л)
Рис. 18. Уровни распределения общего холестерина для мужчин
21
15
[ОХ] (М, 95-104)
0.305
0.255
Частота
0.205
0.155
0.105
0.055
0.005
0
5
10
15
Уровень в крови (ммоль/л)
Рис. 19. Уровни распределения общего холестерина для мужчин
Интересно также было бы взглянуть на распределения средних значений (рис. 20,
21).
Среднее значение уровня холестерина
ммоль/л
7
6
5
4
3
2
1
0
лет
Возраст
Рис. 20. Средние значения уровня общего холестерина в крови в зависимости от
возраста для мужчин
22
Среднее значение уровня холестерина
ммоль/л
7
6
5
4
3
2
1
0
Возраст
Рис. 21. Средние значения уровня общего холестерина в крови в зависимости от
возраста для женщин
Если рассмотреть графики, изображенные на рис. 20-21, то станет ясно, что
применяемый ныне норматив в 5.2 ммоль/л, выше которого ставят диагноз
гиперхолестеринемия, автоматически переводит бОльшую часть пациентов,
проинспектированных нами в категорию больных людей. Причем, как видно из рисунков
18 и 19, первые пики всех распределений так или иначе группируются около значения
уровня холестерина 5 ммоль/л. Это означает, что значительная часть пациентов первого
пика также попадают в зону риска. Выходит, что критерий в 5.2 ммоль/л не выполняет
своего предназначения – отделять «здоровых» от «больных», то есть тех у кого есть
гиперхолестеринемия от тех, у кого её нет.
23
Обсуждение результатов
Наши результаты показывают, что система гомеостаза работает над поддержанием
почти постоянного уровня глюкозы даже до глубокой старости. Если рассматривать
только среднее значение глюкозы (как, например, в [3]) по всем пациентам для данной
возрастной группы, легко прийти к ложному выводу о том, что с возрастом уровень
глюкозы в крови растет у всех людей, как собственно и утверждал Дильман, однако
видно, что это не так. Те люди, которые по каким-то причинам имели повышенный
уровень глюкозы в крови, скорее всего, не доживают до долгожительства, выбывая из
наших выборок и оставляя только людей с «нормальным» уровнем глюкозы в крови. В
самом деле, глюкоза вызывает ускоренное старение при повышенных уровнях её
содержания в крови [1], в частности, из-за наличия в составе последней небольшого
количества молекул ациклической формы, провоцирующих белковые «сшивки».
Инсулин тоже имеет тенденцию к формированию «ядер» распределений. Эти ядра
в старших возрастных группах смещаются практически к нулевой отметке, что вполне
логично, учитывая, что анализы проводились натощак.
Если говорить о наших результатах по общему холестерину, то здесь тоже выборки
имели склонность образовывать ядра. Также интересным, например, для врачебной
практики наблюдением стало то, что «нормальные» (средние) уровни концентрации
общего холестерина зависят от пола и возраста, и недопустимо применять общий
норматив в 5.2 ммоль/л для диагностики дислипидемий у пациентов разных возрастных и
гендерных групп. Мало того, правые половины первых пиков всех распределений,
формирующие «ядра» (т.е. основная масса людей возрастных групп) тоже попадают за грань в
5.2 ммоль/л, что также ставит под сомнение обоснованность данного диагностического критерия.
24
Список использованной литературы
[1] А. Г. Голубев. Биология продолжительности жизни и старения. «Н-Л», СанктПетербург 2009. Гл 4.6, сс. 75-80.
[2] В. М. Дильман. Старение, климакс и рак. Медицина, 1968
[3] Х. Г. Алиджанова, Б.А. Кауров. Особенности гендерных различий некоторых факторов
риска сердечно-сосудистых заболеваний у лиц пожилого и старческого возраста II.
Метаболические факторы риска. Альманах "Геронтология и гериатрия", вып. 9, Москва,
2010. с. 117, Табл. 2
[4] А. А. Кишкун. Биологический возраст и старение: возможности определения и пути
коррекции: Руководство для врачей. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – Гл. 5.1-5.3
[5] J. Ye and R.A. DeBose-Boyd. Regulation of Cholesterol and Fatty Acid Synthesis. Cold
Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a004754 – p.1
25
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа