Введение в метаболизм. Черный ящик жизни. Перевод Ольги Озерной

Нельзя грамотно подойти к вопросу метаболизма, не осознав, что организм это сложная система. Возможно, не доступная для полного понимания в принципе. Людям свойственно желание находить объяснения всему, и реальные объяснения находятся, постоянно происходят потрясающие открытия в медицине и физиологии. Но скорее всего наше понимание физиологии живого тела остается все-таки упрощенной моделью этой сложной системы, только модели различается по сложности в зависимости от уровня знаний того, кто ее создает. Кто совсем мало понимает, находят для себя простые примитивные воображаемые объяснения. Рассуждения о калориях и попытка пристегнуть второй закон термодинамики к похудению или набору веса мне кажутся не побоюсь сказать редкой тупостью, но , к сожалению именно такое тупое объяснение превалирует в подходу к такой сложнейшей медицинской проблеме — как побороть действительно лишний вес. Считается логичным представление, что человеческое тело это как бассей в задаче учебника по физике — в одну трубу вода вливается, что калории в пище, из другой выливается, что калории, потраченные на физическую нагрузку. В результате человек худеет или поправляется. И на практике не работает подсчет калорий, номассы жаждут простоты и любят простые объяснения. Наверное, ценя ощущение понятности окружающего мира. Г.Л.

Introduction to Metabolism. The Black Box of Life.

Опубликовано: 2 февраля 2012

Автор: Доктор Ричард Фейнманн  PhD

(Richard David Feinman is Professor of Cell Biology (Biochemistry) at the State University of New York (SUNY) Downstate Medical Center  in Brooklyn, New York.)

https://feinmantheother.com/2012/02/02/648/

Сейчас я преподаю теорию питания и метаболизма студентам-медикам на первом курсе. Камнем преткновения этого предмета является обилие индивидуальных реакций, из-за чего многие студенты думают об этом предмете так, как иногда описывают изучение истории: просто одно дурацкое событие следует за другим. Я стараюсь продемонстрировать им общую картину, предлагая системный подход или же стратегию «черного ящика». Метод заключается в том, чтобы задаться вопросом: можем ли мы получить какую-то информацию просто рассматривая входящие и исходящие данные системы, даже если мы не имеем ни малейшего представления о том, что же происходит внутри системы. Этот метод любят инженеры, а это люди, которых очень расстраивает мысль о том, что они совсем ничего не знают. Итак, начнем с основных принципов.

Метаболизм: две цели, два источника питания.

У энергетического обмена человека существует две основные цели: во-первых, предоставить энергию жизненным процессам в форме молекул АТФ и, во-вторых, доставить глюкозу тем клеткам, которым она необходима (в частности, мозгу и центральной нервной системе) и удерживать уровень глюкозы в крови на относительно постоянном уровне: очевидно, что слишком низкий уровень — это нехорошо, но и слишком высокий также может стать проблемой, так как глюкоза химически реактивна и, при высокой концентрации, может взаимодействовать с веществами, составляющими тело, в частности, с белками. Естественно, метаболизм включает еще множество других процессов, но вышеназванные являются двумя главными целями, для которых предоставляется энергия.

Второе важное обобщение: в этом процессе используется два вида топлива: глюкоза и ацетил-коензим А (сокращенно acetyl-CoA или иногда еще пишут acetyl-SCoA; S не читается и обозначает, что в соединении содержится сера).

Черный ящик жизни.

Вы знали, что такое метаболизм еще до того, как начали читать эту статью. В терминах теории черного ящика, известно, что: мы доставляем в организм еду и кислород. Организм выделяет CO₂ и воду. Каким-то образом это дает нам как энергию для жизни, так и материалы для строительства тканей тела. Не надо иметь глубокое знание биохимии, чтобы сделать важный вывод: внутри черного ящика живые системы используют окисление, как горением используется в печи. Калориметр Лавуазье (Lavoisier’s whole animal calorimeter), который я описал в предыдущей статье, является прекрасной реалистичной демонстрацией этого черного ящика. С технической точки зрения, это окислительно-восстановительная реакция.

Окисление, в биохимическом контексте, означает реакцию соединения с кислородом или же потери водорода, а восстановление означает потерю кислорода или присоединение водорода; мы говорим, что (углеводы) в пище окисляются, и затем кислород восстанавливается (до воды). Как и другие окислительные реакции, знакомые вам (горение в печи или же работа автомобильного двигателя), этот процесс производит энергию, которую затем можно использовать для совершения работы. Некоторая работа является механической – например, движение мышц – но большая часть энергии используется для химических процессов: построения тканей тела и поддерживания целостности биологических структур, и вообще для поддержания общего порядка. Носителем энергии в обменных процессах является химическая реакция синтеза и распада молекулы АТФ (Аденозинтрифосфат или Аденозинтрифосфорная кислота).

Учебники часто называют АТФ «высокоэнергетичной молекулой», однако энергию приносит не само соединение, а скорее реакция (синтез и распад (гидролиз)). Мы можем воспринимать АТФ как единицу энергетической валюты метаболизма. Большой сложностью для биохимии было объяснить, как же энергия от окислительно-восстановительной реакции может быть использована для синтеза АТФ, у которого совершенно другой механизм (перенос фосфата). Процесс был назван окислительным фосфорилированием и был открыт только около полувека тому назад.

Итак, еще раз, две основные цели человеческого метаболизма: производить энергию в форме АТФ и поддерживать достаточно постоянный уровень глюкозы в крови для тех клеток мозга и центральной нервной системы, которым необходима глюкоза (мозг не может использовать жирные кислоты в качестве топлива). Давайте сначала взглянем на производство энергии, так как этот процесс проще понять. Когда мы заглядываем внутрь черного ящика, каждый видимый там процесс будет обладать собственным уровнем сложности. Для их понимания вам нужно делать то же, то делают ученые: продолжать попытки. Пропускайте то, что кажется сейчас слишком сложным и возвращайтесь к этому повторно позже.

Роль восстановительных коэнзимов

Итак, заглянув в черный ящик, первое, что мы замечаем – окисление пищи происходит поэтапно, и существует еще один игрок, участвующий в процессе, который соединяет отдельные детали: пища никогда не встречается с кислородом. Этот игрок – воздействие коэнзимов или коферментов. Самый важный окислительный коэнзим известен как NAD. Его всегда называют этой аббревиатурой, но, если вы немного изучали органическую химию и вам любопытно, NAD расшифровывается как никотинамидадениндинуклеотид (nicotinamide-adenine-dinucleotide); структура соединения и результат показаны на схеме. NAD-коэнзимы получаются из витамина ниацина (никотиновой кислоты). Итак, вот что происходит при метаболизме – пища окисляется при помощи NAD+ (окисленная форма NAD) и затем результат реакции, NADH (редуцированная форма), заново окисляется молекулярным кислородом. Несмотря на то, что это всего лишь то, что мы думаем (пища+кислород поступают внутрь, CO₂ +вода выводятся), кислород никогда не встречается с пищей. Почему так происходит? Если бы организм работал как автомобильный двигатель, у нас было бы слишком мало контроля над процессом, и мы не смогли бы уловить энергию в пригодной для использования химической форме.

Проще начать с глюкозы, соединения с шестью атомами углерода. Ранние стадии метаболизма включают процесс, который известен как гликолиз (расщепление сахара), что в итоге дает две молекулы соединения с тремя атомами углерода – пировиноградную кислоту. Пировиноградная кислота окисляется до производной уксусной кислоты, известной как ацетил-КоА (acetyl-CoA). КоА – сокращенно коэнзим А, молекула сложного строения, однако, как и многие другие коэнзимы, всегда называется сокращенно, так как ее детальная структура не слишком важна.

Это соединение часто также называют acetyl-SCoA, чтобы подчеркнуть, что это тиоэфир (серный эфир); S не произносится. Acetyl-SCoA служит топливом для основного процесса производства NADH, известного как цикл Кребса, названного так в честь ученого, сыгравшего ключевую роль в его открытии. Не слишком углубляясь в черный ящик, можно сказать, что ключевым компонентом цикла является лимонная кислота, которая с химической точки зрения является трикарбоновой кислотой (TCA), поэтому цикл Кребса еще называют циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот; сам Кребс называл процесс циклом трикарбоновых кислот, (TCA), поэтому я буду называть его так же.

Процесс, где NADH в конечном итоге повторно окисляется кислородом, известен как перенос электронов. Итак, большой черный ящик метаболизма:

Откуда же мы берем глюкозу и ацетил-КоА?

Что нам известно: преимущественно, энергия поступает от окисления ацетил-КоА, и большая часть глюкозы, которая предоставляет энергию, способна на это путем первичной конвертации в ацетил-КоА. Где же еще мы можем взять ацетил-КоА? Мы воспринимаем глюкозу как синоним пищи, однако можем ли мы получить глюкозу не пищевым путем?

Забегая вперед, основными результатами открытия черного ящика метаболизма будут: 1) Aцетил-КоА также приходит из жиров и, в незначительной степени, из белков, 2) Глюкозу возможно также сформировать из белков, 3) При условиях отсутствия пищевой глюкозы (голод, низкоуглеводная диета), глюкоза будет производится из белков или же высвобождаться из запасов гликогена, а альтернативный вид топлива в виде кетоновых тел предоставит ацетил-КоА; кетоновые тела являются фактически димером ацетил-КоА и печень производит и экспортирует кетоновые тела в другие клетки. Ацетил-КоА, и, соответственно, глюкоза, могут конвертироваться в жир, но важным нарушением симметрии является то, что 4) Глюкоза не может производиться из ацетил-КоА. Важность последнего утверждения вот в чем: мы все очень хорошо знаем, что жир может формироваться из глюкозы, но, за редкими исключениями, 5) глюкоза не может формироваться из жира. (Статья Криса Мастерджона «На самом деле мы можем синтезировать глюкозу из жирных кислот» (Chris Masterjohn’s post “We Really Can Make Glucose From Fatty Acids After All!”) описывает ряд исключений, однако основополагающим принципом, сильнее всего влияющим на метаболизм, является то, что глюкоза не синтезируется из жиров).
Вот и все.

Теперь у вас есть видение черного ящика метаболизма. Я постараюсь открыть и другие ящики в будущих статьях.

Подведем итог размышлений об источниках и синтезе топлива, и немного забежим вперед:

1. Грубо говоря, существует два вида топлива: глюкоза и ацетил-КоА.
2. Углеводы и другие макронутриенты, жиры (то есть жирные кислоты) и белки (аминокислоты) могут поставлять ацетил-КоА. Глюкоза не является необходимой для формирования ацетил-КоА и в условиях недостатка углеводов или же пищи в общем, жирные кислоты становятся основным источником ацетил-КоА.
3. Не все ткани могут пользоваться всеми видами топлива. Мозг, ЦНС и красные кровяные тельца, к примеру, не могут использовать жирные кислоты. Мозг и ЦНС могут использовать ацетил-КоА, но не могут получить их из жирных кислот. Красные кровяные тельца используют только глюкозу и, в первом приближении, метаболизм мозга и ЦНС также зависят от глюкозы.
4. В условиях голода или же ограничения углеводов, ацетил-КоА эффективно поставляется из печени в форме кетоновых тел. И затем, кетоновые тела становятся источником ацетил-КоА для мозга и ЦНС. Красные кровяные тельца все еще зависят от глюкозы, но потребность мозга в глюкозе значительно снижается при доступности кетоновых тел.
5. Не существует пищевой потребности в углеводах, аминокислоты также могут поставлять организму глюкозу путем глюконеогенеза.
6. Процесс формирования ацетил-КоА из жира работает и в обратную сторону: ацетил-КоА может конвертироваться в жир.
7. Тогда как глюкоза может конвертироваться в жир, за редким исключением, жир не может конвертироваться в глюкозу. И это является ключевой идеей ограничения углеводов.
8. Глюкоза может хранится также в виде полимеров гликогена.
9. Конечным выводом является ограничение убеждения «ты то, что ты ешь».

Метаболизм – это взаимные преобразования продуктов питания и метаболитов. И, напротив, критично, что не все является взаимно преобразующимся. В частности, мы акцентируем, что вы можете получать жир из углеводов, но, по большей части, не можете получить глюкозу из жира.

Забегая вперед по источникам глюкозы в крови:

1. Глюкоза из пищевых источников (речь о поступившей с пищей глюкозе; в питании, после приема пищи) истощается примерно через 8 часов.
2. Гликоген как хранилище / источник поставок глюкозы. Гликоген из печени может экспортировать глюкозу в кровь, таким образом, питая и другие ткани. Гликоген из мышц может поставлять глюкозу только самим мышцам. Гликоген практически полностью расходуется организмом в течении 24 часов, в зависимости от условий (к примеру, физических упражнений).
3. Третьим источником глюкозы в крови является глюконеогенез. Это процесс, как заметно по названию, формирования глюкозы заново из существующих метаболитов. В зависимости от условий, источником углерода могут быть аминокислоты, молочная кислота или же глицерол из метаболизма жиров. Несмотря на то, что в некоторых учебниках пишут, что для организма это уровень отчаяния, этот процесс постоянно происходит. Глюкоза, полученная путем глюконеогенеза, может быть использована для пополнения запасов гликогена и попасть в кровь только позже.