Каковы основные причины снижения уровня энергии? Их несколько, но основной является плохая регуляция сахара в крови, в том числе плохая усвояемость сахара организмом. Другая причина неэффективная работа митохондрий. Когда митохондрии не производят требуемого количества энергии, возникает ощущение усталости, теряется ясность мысли, снижаются когнитивные возможности. О том, почему митохондрии не вырабатывают достаточного количества энергии и как сделать работу митохондрий более эффективной, будет сказано далее. И наконец, третьей основной причиной низкого уровня энергии является все то, что отнимает у мозга много энергии, перенаправляя ее в другие части тела, приводя к ощущению чувства усталости, или, другими словами, любые токсичные для мозга вещества.
Вернемся к работе митохондрий. Их основная функция получение энергии из пищи, объединенной с кислородом, и производство аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Поскольку практически все клетки нашего организма не могут выжить без АТФ, следовательно выработка энергии внутри митохондрий является наиболее критически важной функцией организма, а если еще учесть, что эффективность умственной деятельности, являющаяся предметом исследования данной работы, зависит главным образом от достаточного количества энергии, вырабатываемой митохондриями, то следует несколько подробнее рассмотреть процесс производства энергии.
Когда энергетическая молекула АТФ разрушается внутри митохондрии, возникают два побочных продукта: аденозиндифосфат (АДФ) и фосфат (Ф). АТФ содержит три фосфатные связи, но как только две из них разрываются и возникают АДФ и Ф, происходит высвобождение энергии, которая и питает все органы и ткани организма. Но это еще не все. После завершения этого процесса происходит снова присоединение молекулы фосфата (Ф) к АДФ, воссоздавая АТФ, которая, вновь разлагаясь на АДФ и Ф, производит энергию. Это значительно более продуктивный способ производства энергии, чем создание каждой молекулы АТФ с нуля. Остается только восхищаться столь изящным способом производства энергии митохондриями, которые по существу являются своеобразными молекулярными двигателями, многократно использующими одни и те же молекулы для получения энергии.
В каждой клетке организма образуется примерно миллиард молекул АТФ и любая из них перерабатывается около трех раз в минуту. Цикл митохондриального АТФ способен производить примерно шестьсот молекул АТФ в секунду при максимальной нагрузке. Как уже приводилось ранее, клетки мозга, сердца и сетчатки глаз имеют на порядок больше митохондрий, чем остальные клетки, за исключением клеток яичников. Это обусловлено тем, что они первыми подвергаются риску при нехватке энергии. А когда энергии у нейронов мозга недостаточно, возникают когнитивные расстройства и страдает весь комплекс умственной деятельности. Причем следует обратить внимание, что поскольку мозг содержит значительно большее количество митохондрий, им требуется и большее количество кислорода для производства энергии из АТФ. Следовательно, если митохондрии в сердце не производят достаточной энергии для перекачивания крови, а именно с ней поступает кислород к органам тела, то мозг первым начнет страдать от недостатка энергии, вырабатываемой митохондриями сердечных клеток. Это лишний раз подтверждает взаимозависимость процессов, происходящих в организме.
Описывая причины снижения выработки энергии митохондриями, мы пропустили одну самую очевидную старение. Известно, что в семьдесят лет у человека в среднем вырабатывается примерно вдвое меньше клеточной энергии по сравнению с тридцатипятилетним. В настоящее время это принято считать неизбежным. Это в среднем, а скорость снижения производства энергии каждого конкретного человека зависит от его генетики, образа жизни и тех мер, которые он будет принимать в дальнейшем. Вообще говоря, теоретически возможно сохранить эффективность митохондрий и в старости, для чего необходимо избежать ранней митохондриальной дисфункции (РМД), открытой немецким профессором Фрэнком Шелленбергом, который определил ее как ухудшение функции митохондрий у людей моложе 40 лет, причем по его оценкам примерно 46% людей имеют РМД.
Сложность заключается в том, что РМД протекает бессимптомно и ее, как правило, не замечают, ведь человек не болеет, хотя и испытывает периодически упадок сил и перепад настроения. Но в дальнейшем ранняя митохондриальная дисфункция становится причиной снижения общего количества клеток из-за их ранней ускоренной гибели, уменьшения гидратации клеток, увеличения числа свободных радикалов, ухудшения способности тела выводить токсины и митохондриального спада, приводящего к снижению умственных возможностей. Следует отметить, что митохондриальный спад необратим, а вот РМД, что очень важно, обратима, и надо постараться использовать это обстоятельство, ибо в противном случае, при пренебрежительном отношении к РМД, в пожилом возрасте вряд ли удастся полностью сохранить когнитивные функции, так как РМД представляет собой очень серьезную, и в сравнительно молодом возрасте недооцененную опасность. Именно поэтому чем раньше начать заботиться о здоровье митохондрий, тем с большей вероятностью можно будет наслаждаться полноценной жизнью в более позднем возрасте, так как жизнь в буквальном смысле зависит от здоровья митохондрий.
Поскольку выработка энергии митохондриями критически важна для организма, в том числе для мозга, кратко остановимся на этом процессе. Процесс, который происходит в клетках для выработки энергии, называется циклом Кребса. Это крайне сложный, многоэтапный процесс, и для целей данной работы будет достаточно описать его очень упрощенно.
Организм трансформирует полученный с пищей сахар в глюкозу или превращает жир в кетоновые тела, которые называются бета-гидроксимасляной кислотой (БОМК). Оба этих вещества могут обеспечить сырье для создания энергии в виде углерода и электронов. Эти исходные материалы формируют молекулу ацетил-КОА, и с этого момента начинается цикл Кребса. Правда перед этим жиры (глицерин), белки и углеводы в цитоплазме клетки превращаются в пируват (пировиноградную кислоту), которая из цитоплазмы поступает в митохондрию, где и превращается в ацетилкоэнзим А. Далее митохондрии окисляют ацетилкофермент А, в результате чего образуются углекислый газ и электроны. Затем электроны заряжают молекулу NAD (никотинамидадениндинуклеотид) превращая ее в восстановленный NADH. Молекулы NADH передают электроны электронно-транспортной сети, в которой молекулы перемещают электроны и протоны (положительно заряженные частицы) через внутреннюю мембрану митохондрии (по разные ее стороны), создавая энергетический потенциал для синтеза АТФ. Электроны и протоны работают совместно, но если по какой-либо причине протон исчезает, организм начинает использовать кислород для связывания одиноких электронов. Чем больше утечка протонов, тем больше кислорода использует организм на связывание одиноких электронов и тем менее эффективен синтез АТФ в митохондриях. Если митохондрии не обеспечены достаточным количеством кислорода, они не могут перезарядить NAD, превратив его в восстановленный NADH, и в итоге образуется избыток молекул NAD и дефицит NADH, в результате чего значительно снижается скорость транспортировки электронов, уменьшается количество вырабатываемого АТФ, энергии образуется меньше и мозг страдает первым.
В процессе цикла Кребса образуется не только NADH, но и FADH2 (флавинадениндинуклеотид плюс молекула водорода), и эти два вещества играют очень важную роль в клеточном дыхании, перенося электроны в дыхательную цепь клетки. В результате цикла Кребса образуется АТФ, имеющий две связи, разрыв которых, как приведено ранее, происходит с выделением большого количества энергии, а также происходит выделение воды и углекислого газа.
Особенностью цикла Кребса является то, что он совмещает в себе процессы катаболизма и анаболизма, т. е. он и разрушает, и создает. Так, некоторые продукты цикла Кребса способны частично участвовать в создании новых веществ, например в производстве глюкозы из веществ, не являющихся углеводами. Итак:
цикл Кребса реализуется в митохондриях клеток;
реакции цикла Кребса осуществляются каскадно, одна за другой, и каждая предыдущая инициирует последующую;
продукты реакций цикла Кребса частично участвуют в синтезе новых сложных веществ;
в результате цикла Кребса образуются энергетические молекулы АТФ, коферменты NADH и FADH2, переносящие электроны для клеточного дыхания, а также вода и углекислый газ.
Условная схема цикла Кребса приведена на рисунке69:
Еще одной причиной недостаточно эффективной работы митохондрий является то, что они иногда могут использовать АТФ быстрее, чем те успевают восстановиться из АДФ. Когда это происходит, возникает избыток АДФ, который создает узкое место в выработке энергии. В этом случае клетка теряет энергию, и ей необходимо время, чтобы восстановить запасы АТФ из АДФ.
Следующая причина ослабления митохондриальной функции заключается в производстве митохондриями избыточного количества свободных радикалов, которые, попадая внутрь клетки, создают основу многих дегенеративных болезней. Отметим, что эффективно функционирующие митохондрии продуцируют значительно меньшее количество свободных радикалов и к тому же синтезируют антиоксидантные ферменты, нейтрализующие свободные радикалы до того как те успевают нанести вред. Правда эти ферменты также вырабатываются с использованием АТФ. Но когда митохондриальная функция снижена, этих ферментов производится недостаточно для противодействия свободным радикалам, и те наносят вред, что в конечном счете еще больше снижает производство энергии.
Существует еще одна важная причина снижения митохондриальной функции нарушение метилирования. О процессе метилирования достаточно подробно описано в работе70, и мы не будем на нем останавливаться. Отметим только, что если процесс метилирования нарушен, то снижается и производство энергии. Здесь налицо порочный круг: для метилирования необходим АТФ, а для создания АТФ требуется метилирование. При метилировании организм производит аминокислоту карнитин, требуемую для переработки жирных кислот, которые могут быть использованы в качестве источника энергии. Когда процесс метилирования нарушен, снижается возможность производства энергии из жиров, и организм начинает накапливать жир, что приводит к увеличению веса.
5. Дефицит сна
Известно, что мозг потребляет 20% всей глюкозы, находящейся в организме, а во сне это потребление усиливается. Во сне увеличивается уровень лептина гормона, вызывающего снижение аппетита. Сон улучшает память и усвоение нового материала. Недостаток сна приводит к снижению продуктивности мозга и неблагоприятно влияет на настроение. Технические достижения последних лет в области сканирования мозга выявили, что многие области мозга во сне так же активны, как и в периоды бодрствования, а некоторые даже более активны.
Например повышенная активность в фазе быстрого сна, занимающего около четверти времени, проводимого в этом состоянии, характерна для миндалевидного тела, отвечающего за сильные эмоции, такие как страх. Во сне мозг продолжает обработку зрительных образов, хотя понятно, что их источником глаза быть не могут. Интересное заявление сделал недавно Дж. Аллан Хобсон из Гарвардской медицинской школы, осуществлявший исследования мозга с применением технологии ПЭТ: «Результаты, полученные с помощью ПЭТ, согласуются с идеей Фрейда о том, что сны имеют значение». Проведенное в Гарвардской медицинской школе исследование показало, что сон способствует нам в оценке новой информации и обработке нашего опыта посредством процесса, называемого консолидацией памяти. С использованием технологии сканирования мозга можно наблюдать, как процесс создания воспоминаний и представлений из информации, полученной в течение дня, сопровождается созданием новых связей в мозге. В настоящее время почти не вызывает сомнений, и в научном мире уже имеется консенсус, что сон не хаотичный процесс возбуждения нейронов и что он жизненно необходим для умственного и физического здоровья.
6. Сосудистые нарушения
Хотя патологические процессы, лежащие в основе болезни Альцгеймера и инсульта, различны, и те, и другие приводят к снижению когнитивных возможностей. Если кровь не поступает в какую-то область мозга, она не получает кислорода и отмирает, что и обуславливает 90% всех инсультов, которые называются ишемическими. Другой тип инсульта геморрагический составляет небольшой процент инсультов и вызывается кровоизлиянием в мозг из разорвавшегося сосуда. Зона повреждения зависит от области мозга, в которой произошло кровоизлияние и длительности отсутствия в ней кислорода. Нередко закупорка артерии бывает лишь мгновение и ее можно даже не заметить, но она все равно уничтожает небольшую часть мозга. Когда эти так называемые асимптомные инсульты множатся, они постепенно снижают когнитивные функции и рано или поздно приводят к деменции.
Когда проснувшись после глубокого сна мы чувствуем себя хорошо и бодро, многие считают, что это обусловлено полноценным отдыхом и тела, и разума. На самом деле, это не совсем так. Возможно, тело и отдыхает, но мозг занят он, кроме всего прочего, осуществляет тотальную уборку внутри себя, и в этом ему помогает глимфатическая система. Как уже говорилось ранее, глимфатическая система особенно активна ночью, это объясняется тем, что ей требуется много энергии для прокачки жидкости через мозг71. Если бы глимфатическая система работала днем, у организма не хватило бы энергии на осуществление ежедневных действий. Именно вследствие этого мозг ночью потребляет огромное количество энергии, даже при отсутствии умственной деятельности и принятии решений. Если митохондрии будут функционировать эффективно, энергии будет вырабатываться больше, то и очистка будет осуществляться быстрее. А чем качественнее сон, тем лучше функционируют митохондрии и больше вырабатывается энергии. Почему так важен качественный, полноценный сон? Существует несколько причин:
во время сна производится гормон роста, стимулирующий рост как клеток, так и митохондрий72;
сон усиливает связь между клетками и улучшает память;
сон стимулирует рост дендритов, которые формируют новые связи, способствующие закреплению новых навыков;
полноценный сон способствует поддержанию стабильного уровня сахара в крови и т. д.
Достаточно хорошо известно, что полноценный сон усиливает возможности мозговой деятельности, укрепляет память, увеличивает силу воли и т. д. Сравнительно недавно было выявлено, что недосыпание негативно влияет на процесс выработки энергии митохондриями73, а это значит, что вы еще хуже спите. В работе74 даже показано, что одна-единственная ночь недосыпа вызывает у здоровых добровольцев повышение на 20% двух маркеров повреждения нейронов. Учитывая, что почти половина людей в возрасте 2555 лет в будние дни спит меньше семи часов, это довольно тревожный симптом, так как у них повреждаются очень важные клетки мозга.