Эти же ткани и молекулы со временем разрушаются. В итоге они превращаются обратно в аминокислоты и перемещаются по кровотоку в печень. Там все становится немного сложнее. Аминогруппа в аминокислоте имеет очень схожую структуру (NH2) с аммиаком (NH3) (обратите также внимание на сходство в названиях). Точно так же, как употребление домашнего чистящего средства на основе аммиака наверняка убьет вас, накопление этого соединения от расщепления аминокислот будет смертельным. К счастью, у нас развился механизм его превращения в мочевину, которая затем проходит через кровоток в почки и выводится с мочой. Именно это вещество придает моче тот пикантный запах, от которого слезятся глаза, что очень логично, ведь в ней содержится аммиак.
Каждый день мы выводим с мочой около пятидесяти граммов белка. При физических упражнениях расход увеличивается (а вместе с ним ускоряется и мышечный распад). Нужно потреблять достаточное количество этого макронутриента, чтобы восполнить то количество, которые мы теряем каждый день, чтобы не возникло его дефицита. Если мы едим больше белка, чем нужно, лишние аминокислоты превращаются в мочевину и выводятся с мочой. А если переусердствовать с протеиновыми добавками, то ваша моча просто будет очень дорогой.
Последняя остановка на линии белкового поезда — сжигание аминокислот для получения энергии (см. Рис. 2.1). После того как азотсодержащая головка отрубается, превращается в мочевину и отправляется в путь, хвосты используются для производства глюкозы (процесс, называемый глюконеогенез, что буквально означает создание нового сахара) или кетонов, которые могут быть использованы для получения энергии, как мы увидим ниже. Белки, как правило, составляют незначительную часть ежедневного энергетического бюджета, обеспечивая около 15 % калорий каждый день. Но они являются жизненно важным аварийным источником топлива, если мы голодаем (это, как если бы мы сожгли мебель, чтобы протопить дом). Скелетообразные фигуры жертв концлагерей являются ужасающим примером этого процесса, доведенного до крайности: их тела поглощают себя в отчаянной попытке остаться в живых.
Сжигай, детка, сжигай
Все дороги на нашей карте метаболических поездов ведут в конечном счете к одной цели — созданию энергии (топлива для организма). Углеводы, жиры и белки содержат запасенную химическую энергию в связях, которые удерживают их молекулы вместе. Их разрыв высвобождает энергию, которую мы используем для того, чтобы наши тела правильно функционировали.
Во всех биологических системах, включая человеческий организм, энергия имеет одну фундаментальную, общую форму — аденозинтрифосфат (АТФ). Молекулы АТФ подобны микроскопическим батарейкам, которые «заряжаются» путем добавления фосфата к аденозиндифосфату (АДФ). Обратите внимание на приставки «три» и «ди», что означает три фосфата у АТФ и два — у АДФ. Один грамм АТФ содержит пятнадцать калорий энергии (это калории, а не килокалории), а человеческое тело содержит только около пятидесяти граммов аденозинтрифосфата в любой момент времени. Это означает, что каждая молекула проходит путь от АДФ к АТФ и обратно более трех тысяч раз в день для того, чтобы мы получали достаточно энергии. Таким образом, сжигание белков, жиров и углеводов — это процесс передачи химической энергии в молекулах сахара, жира и аминокислот к химической связи, которая удерживает третий фосфат в молекулах АТФ. Когда мы используем пищу для производства энергии, то получаем аденозинтрифосфат.
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.
