Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Поддержание баланса глюкозы в организме — на самом деле процесс очень тонкий. Он осуществляется с помощью двух гормонов — инсулина и глюкагона, каждый из которых производится определенными клетками поджелудочной железы и выделяется напрямую в кровь. (Таким образом, поджелудочную железу можно рассматривать как железу двойного назначения — она является и пищеварительной, выделяя соки в тонкий кишечник через проток, и эндокринной, выделяя гормоны непосредственно в кровь.)
Наличие в крови инсулина стимулирует реакцию анаболизма, то есть превращение глюкозы в гликоген, что приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Глюкагон же, наоборот, стимулирует реакцию катаболизма, то есть превращение гликогена в глюкозу, и повышает уровень последней в крови.
Если, по какой-либо причине, баланс реакций в организме смещается в сторону катаболизма так, что печень выпускает в кровь слишком много глюкозы, то, попадая в клетки поджелудочной железы, кровь с высоким содержанием глюкозы начинает стимулировать производство инсулина, что, в свою очередь, приводит к моментальному снижению уровня глюкозы. Если снижение заходит слишком далеко, то кровь с низким содержанием глюкозы стимулирует производство уже глюкагона, что приводит к повышению ее уровня. Таким образом, постоянный уровень глюкозы обеспечивается благодаря тому, что сейчас принято называть «механизмом обратной связи».
Случается так, что поджелудочная железа человека оказывается не в состоянии производить инсулин. В результате мы имеем дело с заболеванием под названием «сахарный диабет». Если действие глюкагона не сдерживается антагонистом, то уровень глюкозы в крови начинает повышаться сверх нормы и достигает опасных значений. Организм начинает пытаться избавиться от лишней глюкозы через почки—и появление глюкозы в моче свидетельствует уже о достаточно далеко зашедшем диабете.
До начала XX века лечить это заболевание не умели. Да, врачи и биологи XIX века сумели с помощью вакцин и антитоксинов победить множество инфекционных заболеваний, но перед диабетом они оставались бессильными. Его ведь вызывает не микроб и не яд — он является следствием сбоев в работе внутренней химии организма, расстройства обмена веществ.
Доказательство тому было получено в 1889 году, когда двое немецких физиологов, Й. фон Меринг и О. Минковски, обнаружили, что для того, чтобы вызвать у собаки диабет, достаточно просто удалить у нее поджелудочную железу. Ученые пустились в поиски содержащегося в поджелудочной железе вещества, которое могло бы произвести противоположное действие, будучи введенным в кровоток, но первые двадцать лет исследований ни у кого ничего не получалось.
В 1921 году канадский врач Фредерик Грант Бентинг предположил, что причина неудач может крыться в белковой природе искомого вещества, благодаря чему после извлечения поджелудочной железы из организма оно могло очень быстро разлагаться под воздействием протеаз поджелудочной. С помощью молодого студента по имени Чарльз Герберт Бест Бентинг попробовал извлечь поджелудочную железу для исследования по-новому — перевязав предварительно проток. Это помогло исключить из общей картины действие пищеварительных соков железы — производящие их части железы атрофировались. После этого уже была извлечена оставшаяся часть железы, и из нее было извлечено вещество, впоследствии названное инсулином.
С помощью инсулина, изготавливаемого из поджелудочной железы забитого скота — коров и свиней, можно сдерживать проявления диабета (но, увы, добиться полного излечения, то есть научить организм снова вырабатывать инсулин, — нельзя), и сейчас диабетики могут вести полноценную жизнь.
Вернемся к балансу глюкозы. Печень может содержать лишь ограниченный объем гликогена. Когда количество гликогена доходит до 10—15 процентов от ее общего веса, то больше она принять на хранение уже не может. Кроме того, гликоген может храниться и в мышцах — до количества не более 1 процента. Мышц в организме гораздо больше, чем печени, так что общее количество гликогена, содержащегося в мышцах, гораздо больше, чем содержащегося в печени, несмотря на более низкую концентрацию. В целом печень может хранить около 250 граммов гликогена, а мышцы — около 350. То есть всего в организме может храниться около 600 граммов гликогена.
Теперь давайте вспомним содержание главы 14, где я писал, что энергетическая ценность углеводов при превращении их в углекислоту и воду составляет около 4 килокалорий на грамм. Таким образом, если все 600 граммов гликогена израсходовать, организм получит 2400 килокалории. В принципе этого может хватить на день обычного энергорасхода, но ведь известно, что человек может не есть несколько недель и не только не умирает при этом, но и уровень глюкозы в его крови остается на допустимом уровне.
Возникает и еще один вопрос, близкий по сути к предыдущему: известно, что можно постоянно съедать больше крахмала, чем его расходуется на энергетические цели. Куда же девается при этом вся глюкоза, на которую этот крахмал распадается, если организм может хранить ее лишь в таких скромных объемах?
Ответ на эти вопросы кроется в веществах другого класса — в жирах. Всем нам известно, что от картошки, да и вообще от любой насыщенной крахмалом пищи толстеют, а что это может означать, кроме того, что организм умеет превращать углеводы в жиры? Очевидно, глюкоза тоже расщепляется на какие-то более мелкие единицы, которые превращаются организмом в жирные кислоты, из которых в дальнейшем строятся жиры. Это вполне экономичный подход с точки зрения организма, поскольку один грамм жиров содержит 9 килокалорий, а не 4, как углеводы. Соответственно, при одном и том же весе жир является в два с четвертью раза более вместительным хранилищем энергии, чем углевод. Переедающие и располневшие люди выглядели бы куда более страшно, если бы хранили весь своей энергетический запас не в жировом, а в углеводном виде, например в виде крахмала, как это делают картошка или рис.
Более того, этот процесс обратим. Известно, что при длительном голодании вес теряется. Поскольку жировой запас, в отличие от углеводного, не ограничен в объеме, то и голодать человек может неделями.
Если же ситуация совсем критическая и даже жировые запасы исчерпаны, то в энергетическую топку идут уже белки. От аминокислот отрезается азотная часть, а все остальное превращается организмом в глюкозу. В результате при затянувшейся голодовке ткани начинают пожирать сами себя.
Все это наталкивает на мысли о том, что на каком-то уровне катаболизма все виды питательных веществ приходят к одним и тем же структурным единицам. У глюкозы и жирных кислот должны быть какие-то общие «кирпичики», более простые, чем оба этих вещества. И аминокислоты, избавленные от азотной части, тоже должны в процессе катаболизма распадаться на те же «кирпичики», чем бы они ни оказались (рис. 43).
То есть создается впечатление полной универсальности биохимии в организме. Кажется, что из одних и тех же «кирпичиков» он может анаболичес-ки создавать все, что угодно.
Но надо иметь в виду и ограничения. Организм не может подменять один химический элемент другим, значит, эти «кирпичики» могут состоять только из углерода, водорода и кислорода, поскольку при их формировании из белков удаляется азот.
Рис. 43. Общий строительный «кирпичик»А если азота в этом веществе не содержится, значит, и аминокислоты из него создавать уже не получится без привлечения дополнительного источника азота, каковым в общем случае может служить только белковая пища.
Отсюда вывод: можно прожить на диете с низким содержанием углеводов и жиров, поскольку при достаточном поступлении белков некоторые аминокислоты будут анаболизированы в белки организма, а остальные — очищены от азота, низведены до состояния общего «кирпичика», а затем анаболизированы в необходимые организму жиры и углеводы.
А вот без белков прожить не получится. Диета с низким белковым содержанием приведет к тому, что организм начнет расщеплять собственные ткани, и в конце концов человек умрет, сколько бы ни было в его пище жиров и углеводов. В отсутствие источника азота собрать из общих «кирпичиков» полноценный белок невозможно.
Но ограничения на гибкость биохимии организма не исчерпываются необходимостью источника азота. Как я уже говорил в предыдущей главе, организм не способен самостоятельно вырабатывать некоторые витамины. Да, они не требуются в больших количествах, и организму можно было бы простить подобную ограниченность, просто не обращая на нее внимания, но в более крупном масштабе она сказывается и на самих белках.
В начале XIX века во Франции было предпринято много попыток добиться получения дешевой пищи путем варки костей и соединительной ткани (неперевариваемой в общем случае) для получения желатина, который вполне хорошо усваивается организмом. Единственная проблема заключалась в том, что желатин, будучи единственным присутствующим в пище белком, не может поддерживать жизнедеятельность.
