Sapiens на диете. Всемирная история похудения, или Антропологический взгляд на метаболизм

Давайте начнем с одной молекулы глюкозы, преобладающей формы сахара, которую тело использует для получения энергии (c галактозой и фруктозой все происходит точно так же). Одна молекула глюкозы может поступать непосредственно из углеводов, которые мы только что съели, или из запасенного гликогена, который был преобразован в это соединение. Как мы начали обсуждать в конце раздела, посвященного углеводам, сжигание сахаров для получения энергии происходит в два этапа. Во-первых, глюкоза (C₃H₄O₃) превращается в молекулу пирувата (C₆H₁₂O₆) — это уже процесс из 10 этапов, который подпитывается от двух молекул АТФ, но производит четыре, что приводит к чистому двойному выигрышу. Это относительно быстрый процесс, и именно он помогает при коротких всплесках энергии, когда, например, нужно пробежать 100 метровый спринт, или во время силовой тренировки в спортивном зале.

Первая стадия метаболизма называется анаэробной, потому что она не требует кислорода. Вы можете наблюдать ее, когда смотрите Олимпийские игры по телевизору: элитные спринтеры, кажется, вообще не дышат, а пауэрлифтеры[16] задерживают дыхание. Если кислорода недостаточно либо потому, что мы не дышим эффективно, либо (что более вероятно) потому, что мышцы работают слишком интенсивно, чересчур быстро для того, чтобы снабжение O₂ покрывало количество производимого пирувата, последний превращается в лактат. Лактат может быть преобразован в пируват для использования для выработки энергии, но если его накапливается слишком много, то он может превратиться в молочную кислоту, которая заставляет мышцы гореть, когда мы усердно работаем на пределах своих возможностей.

На второй стадии (аэробной) нам нужен кислород. Если в клетке достаточно вещества, то пируват, образующийся в конце первой стадии, попадает внутрь органеллы, которую мы называем митохондрией.

В обычной клетке есть десятки митохондрий, и они известны как энергетические станции клетки, потому что основная часть производства АТФ происходит внутри них. Именно здесь начинается волшебство, которое поддерживает в нас жизнь.

В митохондриях пируват превращается в ацетил-коэнзим А, или ацетил-КоА (см. Рис. 2.1), который соперничал бы с АТФ за звание самого важного химического вещества, о котором вы, вероятно, никогда не слышали или полностью забыли. Ацетил-КоА подобен вагону поезда, набитому пассажирами, — атомами углерода, водорода и кислорода — без двигателя. Параллельно этому составу едет еще один — оксалоацетат, который присоединяется к ацетил-КоА и начинает тянуть его по круговому пути, который мы называем циклом Кребса. Поезд делает восемь остановок, и на каждой из них входят или выходят пассажиры с углеродом, водородом и кислородом. Миграция этих атомов порождает два АТФ. К конечной остановке остается только оксалоацетатный двигатель. Он подсоединен к другому ацетилу-КоА, и цикл повторяется.

15 калорий энергии содержится в каждом грамме АТФ. Его молекулы заряжаются путем добавления фосфата к АДФ.

Важно отметить, что некоторых пассажиров грабят: когда они входят и выходят из поезда цикла Кребса, никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) крадут их электроны (см. Рис. 2.1). Эти молекулы снуют по задворкам митохондрий и выгружают украденные электроны в специальный рецепторный комплекс в мембране — дверь в стене. Митохондрии — это структуры с двойными стенками, как термос: между внутренней и внешней мембранами есть небольшое пространство, называемое межмембранным. Когда украденные электроны обосновываются во внутреннем мембранном комплексе, положительно заряженные ионы водорода (которых там достаточно) преследуют отрицательно заряженные электроны и в итоге попадают в ловушку в межмембранном пространстве. Ионы водорода подобны рыбам, пойманным в сеть: они пытаются проплыть через внутреннюю мембрану, притягиваемые электронами, только чтобы оказаться в ловушке и тесниться в межмембранном пространстве.

Поскольку все положительно заряженные ионы водорода соединены вместе, существует электрохимическая сила, выталкивающая их, чтобы уравновесить заряд по обе стороны внутренней мембраны. Но для ионов водорода есть только один способ покинуть эту западню: специальный портал во внутренней мембране, который работает как турникет. Ионы водорода проходят через турникет, приводимые в движение электрическим зарядом. Когда он вращается, то заставляет вместе молекулы АДФ и фосфата образовывать АТФ. Это настоящий мотор, производящий тридцать два АТФ. Сложная хореография электронов и ионов водорода, танцующих вдоль внутренней мембраны, называемая окислительным фосфорилированием, — это основной генератор энергии, который питает тело.