Перезагрузка метаболизма. Как открыть секрет устойчивого похудения и энергии на весь день

Медицинская основа

Мы живем в меняющемся мире, который требует от организма постоянной готовности к адаптации. По задумке природы, несмотря на перемены снаружи, внутри мы способны поддерживать относительную стабильность. Для этого через сложную сеть биохимических реакций непрерывно происходит обмен веществ и энергии. Мы активно отвечаем на внешние изменения, сопротивляемся им и поддерживаем равновесие. Наше состояние тоже постоянно меняется и не застывает ни на минуту.

Каждую секунду в организме что-то строится, а что-то рушится. Этот бесконечный цикл – основа нашей жизни и здоровья. Кто-то сказал: «Повергая все в хаос, метаболизм поддерживает порядок». Метаболизм – это комплексная система физических и химических процессов в организме, которые позволяют выполнять две функции:

• получать энергию из пищи путем расщепления сложных молекул на более простые – этот процесс называется катаболизм;

• использовать энергию для образования сложных молекул из простых элементов и обновления структурных частей клеток, а также для выполнения жизненно важных функций регенерации, роста и развития – этот процесс называется анаболизм.

Катаболизм и анаболизм противоположны друг другу, но тем не менее взаимосвязаны и гармонично действуют как единое целое. Это тонко устроенная и точно скоординированная система – сотни и тысячи реакций, которые незаметно глазу составляют основу нашей жизни.

Для образования клеток, тканей и органов и для производства энергии люди, как и микробы, растения и животные, используют одни и те же вещества. Основные три – белки, жиры и углеводы. Но они устроены и работают по-разному.

Строение углеводов похоже на бусы или браслет из бусин разного размера. Каждая из них – простейшая молекула сахара, моносахарид (например, глюкоза, галактоза или фруктоза). Молекула моносахарида тоже похожа на замкнутую цепочку – кольцо (иногда встречается и в разомкнутом виде простой цепочки). Основное назначение углеводов – давать энергию, но иногда они становятся и строительным материалом: например, формируют целлюлозу растений и содержатся в составе хитинового покрова насекомых, который выполняет роль наружного скелета.

Жиры тоже служат источником энергии, входят в состав ключевых структур (клеточных мембран, мозга, миелиновой оболочки нервов) и служат сырьем для производства жизненно важных веществ в организме (например, тестостерона и витамина D).

Белки по строению похожи на углеводы: они состоят из аминокислот, соединенных в цепочку пептидной связью. В процессе сворачивания эта цепочка укладывается в более компактную структуру уникальной формы, которая определяет широту их функций: белки входят в состав мышц и костей, ускоряют метаболические реакции, обеспечивают защиту (формируя антитела), отвечают за передачу сигналов между клетками, тканями и органами (например, о воспалении), регулируют клеточные циклы, адгезию и другие процессы. А вот в качестве источника энергии организм использует белки только в крайних случаях.

Так или иначе, три этих основных элемента в разных пропорциях содержатся во всех продуктах.

• Углеводы. Содержатся в сахарном песке, меде, фруктах, зерновых (рис, пшеница, полба, рожь, камут) и всем, что из них производят (хлеб, макароны, пицца, пироги, пирожные, печенье, хлопья для завтрака), в овощах и зелени.

• Жиры. Ими богаты некоторые плоды (оливки, авокадо, кокос), орехи (грецкие, миндаль, фундук, пекан, макадамия), семечки (подсолнечника, тыквы, льна, кунжута), некоторые бобовые (кешью и арахис), растительные масла (оливковое, подсолнечное, кокосовое, льняное, сафлоровое) и животные жиры (сливочное масло, масло гхи, сливки, сало).

• Белки. Их мы получаем из мяса, рыбы, морепродуктов, яиц, молочных продуктов (молоко, йогурт, сыр, творог) и бобовых (фасоль, чечевица, нут, соя).

Итак, во время каждого приема пищи белки, жиры и углеводы поступают в организм и запускают процесс катаболизма, чтобы извлечь из них все необходимые питательные вещества и энергию. Это топливо, необходимое нам для жизни.

На первом этапе крупные молекулы расщепляются до более мелких. Так они проще усваиваются и вступают в метаболические реакции. Обработка начинается с самой первой остановки – во рту. Тщательной подготовки требует как твердая, так и жидкая пища. Наша задача – хорошо ее прожевать и смочить слюной, чтобы на нее могли воздействовать соответствующие ферменты. Так, переваривание углеводов начинается под действием ферментов слюны, поэтому для таких продуктов, как хлеб, макароны, картофель, фрукты, подготовка особенно важна.

Помимо механического измельчения, во рту начинают действовать ферменты (например, слюнная амилаза) – белки, которые ускоряют химические реакции в организме, в некоторых случаях до нескольких миллионов раз. Именно благодаря ферментам весь сложнейший комплекс реакций метаболизма работает с идеальной математический точностью и огромной скоростью, чтобы моментально реагировать на все запросы клеток. Их роль в организме настолько велика, что сбой в работе даже одного фермента может вызвать серьезное заболевание (например, фенилкетонурия связана с дефицитом фермента печени фенилаланина).

Чаще всего названия ферментов оканчиваются на «-аза». Ферменты могут называться по названию элемента, на который они действуют, например лактаза принимает участие в расщеплении лактозы, а амилаза – крахмала (от др. – греч. ἄμυλον «амилон» – крахмал). Еще названия могут формироваться по типу химической реакции, в которой они участвуют, например полимераза синтезирует полимеры.

Ферменты могут выполнять свои функции только при взаимодействии со своим субстратом – так называется исходное вещество, которое вступает с ними в реакцию. Но это не обычная реакция: субстрат связывается с ферментом, как ключ входит в замочную скважину. Для этого белковая цепь фермента сворачивается таким образом, чтобы на ее поверхности образовалась впадина, по форме соответствующая нужному субстрату. Этот процесс требует настолько ювелирной точности, что даже после связывания фермента и субстрата некоторые тонкие внутренние настройки фермента могут меняться, чтобы еще больше оптимизировать ход реакции. Последний биохимический штрих.

Это свойство ферментов называется специфичностью. Несмотря на то что существуют и ферменты с низким уровнем специфичности, чаще всего каждый из них предназначен только для одного, «своего» субстрата – то есть вступает только в конкретную химическую реакцию только с конкретным веществом. Это позволяет достичь результата, задуманного природой, и снизить частоту ошибок в процессе метаболизма. И ферменты почти никогда не ошибаются, даже если участвуют в нескольких процессах одновременно.

Вне зависимости от уровня специфичности они могут создавать собственные метаболические пути, где субстрат первого фермента в результате реакции превращается в новый элемент, который служит субстратом для следующего фермента, получившийся новый элемент становится субстратом третьего фермента и так далее,

ступенька

за

ступенькой

в

цепочке

реакций,

в которых участвуют все новые и новые ферменты.

Все ферменты работают в единой системе и проводят целую сеть взаимосвязанных реакций в параллельных метаболических путях, чтобы достичь максимально эффективного результата. Это до нескольких миллионов реакций в секунду!

Одни и те же ферменты могут одновременно проводить даже противоположные реакции в разных частях клетки. Например, жирные кислоты (составные элементы жиров) синтезируются в цитоплазме, а затем расщепляются в митохондриях и сжигаются для выработки энергии. Все процессы четко отлажены, как на конвейере. Работа ферментов – залог нашего здоровья. Но им тоже нужны благоприятные условия.

Активность ферментов может снижаться из-за отсутствия нужного субстрата, сбоя в работе генов, которыми они кодируются, нарушения трехмерной конфигурации конечного белка, нехватки кофакторов, например минералов (цинк, железо) или витаминов (группы B), аномалий внутренней среды, например резких скачков температуры или кислотности. Все эти сбои – результат тонких внутренних настроек клетки, которые меняются в зависимости от внешних условий.

Что же происходит, когда мы едим? Если конечная цель питательных веществ – клетка, как они попадают туда изо рта?

Сначала они должны попасть в кровь – через стенку кишечника. Но так как клетки оболочки желудочно-кишечного тракта не могут усваивать питательные вещества в их исходном состоянии, пища должна пройти через процесс переваривания. Только после этого белки, жиры и углеводы смогут выполнять свои функции питательных элементов.

Еда переваривается стараниями наших ферментов – сначала через слюну во рту, а затем через желудочный сок в желудке. Все, что мы едим – тушеные овощи, хлеб, нут, куриная грудка, запеченная рыба, – постепенно расщепляется до более удобных для переработки элементов.

В этом участвует не только химия, но и физика: сначала движения зубов и языка, а затем – сокращения желудка и кишечника.

В желудке выделяются ферменты протеиназы, которые расщепляют пептидную связь между аминокислотами в белках, и амилазы, которые продолжают воздействовать на углеводы. Пища измельчается до состояния кашицы и спускается в кишечник.

Здесь, в первой половине тонкой кишки, продолжается переваривание и начинается всасывание питательных веществ через слизистую оболочку. Сюда же из печени и желчного пузыря попадает желчь, которая дробит крупные капли жира на множество мелких, а из поджелудочной железы – панкреатический сок, богатый ферментами для переваривания углеводов, белков и (наконец-то!) жиров. Ферменты для расщепления жиров называются липазы (по названию жиров и жироподобных веществ – липидов).

Второй половины тонкой кишки пища достигает уже полностью расщепленной до основных компонентов:

• углеводы – до моносахаридов (например, глюкозы);

• жиры – до жирных кислот;

• белки – до аминокислот.

Начинается второй этап всасывания. Здесь командуют клетки кишечника – энтероциты, которые отлавливают питательные вещества. Верхушки энтероцитов покрыты ворсинками, а основания плотно прилегают к сети тончайших кровеносных и лимфатических сосудов стенки кишечника.

Из-за ворсинок площадь всасывания многократно увеличивается. Питательные вещества проходят через энтероциты и попадают в сосуды – в кровеносную систему.

В этом отделе кишечника всасываются моносахариды, аминокислоты, жиры, вода, пищевые волокна, витамины и минералы (натрий, хлор, бикарбонат, калий, магний, фосфаты, кальций). При необходимости катаболизм продолжается и дальше до тех пор, пока каждый элемент не достигнет сосудов и кровеносная система не доставит его в те части организма, где он нужен.

По кровеносной или лимфатической системе питательные вещества наконец достигают своей конечной цели – клеток. Для некоторых элементов здесь начинается третья фаза пути: в тысячах клеточных костров из каждой питательной молекулы высвободится максимально возможное количество энергии, которая пойдет на жизнь и поддержание здоровья нашего организма.

Глюкоза в крови активирует выброс инсулина. Он вырабатывается клетками поджелудочной железы. Основное назначение этого гормона – открыть шлюзы клеточной оболочки и тем самым помочь глюкозе попасть в клетку. Глюкоза и инсулин достигают «ворот», и та попадает внутрь с помощью своего сурового телохранителя.

Основная функция глюкозы – служить топливом. Для этого внутри клетки она вступает в цепочку метаболических реакций, которые, как в котельной, превращают ее в энергию.

Первый этап – гликолиз. Это процесс из десяти последовательных шагов, в ходе которого генерируется всего две молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты – универсальной энергетической валюты клеток) и важный промежуточный продукт – две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата).

Затем, если в клетке достаточно кислорода, пируват может войти в цикл Кребса (назван по имени Ханса Адольфа Кребса, который за его открытие получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1953 году). Это цикл химических реакций, который проводят восемь ферментов. Продукт заключительного этапа становится сырьем для первого, и глюкоза генерирует сразу несколько составляющих:

• большее количество энергии – от тридцати шести до тридцати восьми молекул АТФ;

• полезное сырье для других метаболических процессов;

• отходы – безвредные (например, вода и углекислый газ) и более опасные (например, свободные радикалы кислорода, которые требуют нейтрализации, как искры: если их не погасить, может начаться пожар).

Чтобы этот цикл начался и митохондрии смогли выработать такое количество энергии, в клетку должен поступать кислород.

Обычно так и бывает. Но на случай его нехватки существует альтернатива: клетка может использовать энергию, которая выделяется в результате ферментации (брожения) глюкозы. При этом получается всего две молекулы АТФ. Это менее эффективный процесс, но иногда и он лучше, чем ничего.

Брожение абсолютно естественно и контролируется определенными бактериями. Так производят некоторые продукты. Например, в процессе ферментации виноградного сахара получается вино, в процессе ферментации ячменя – пиво, в процессе ферментации молока – сыр.

Однако по возможности в первую очередь клетка будет активировать цикл Кребса – ключевой метаболический путь, при котором вырабатывается максимально возможное количество энергии, а также промежуточные продукты (например, аминокислоты), необходимые для последующих этапов метаболизма.

Если после расщепления белков остались аминокислоты, из которых нельзя синтезировать новые белки и которые нельзя хранить или вывести, они трансформируются в топливо и тоже вступают в цикл. Однако их совсем немного, поэтому энергетическая функция белков считается резервной.

Так или иначе, цикл Кребса объединяет все три способа получения энергии: два основных и один второстепенный – из углеводов, жиров и белков.

Второй основной способ получения энергии – сжигание жиров.

Жирные кислоты попадают в клетки другим путем: не через кровь, а через лимфу в виде крошечных капель. Со всех сторон каждая из них окружена белками, которые облегчают транспортировку, сохраняют стабильное состояние и предотвращают прилипание к стенкам лимфатических сосудов.

В этой «упаковке» жирные кислоты путешествуют по главному лимфатическому протоку вдоль грудной клетки и у основания шеи попадают в венозную кровь, а по венам перемещаются в жировую ткань и печень.

Если мы едим мало или только продукты, богатые жирами, именно их клетки будут сжигать для получения энергии. Для этого питательные вещества в жирах подвергаются процессу окисления, в результате которого образуются жирные кислоты, – их основные составляющие и есть наше «топливо». Затем жирные кислоты могут войти в цикл Кребса и высвободить огромное количество энергии: ни много ни мало сто сорок шесть молекул АТФ!

В этом смысле сжигать жиры очень выгодно. Однако у этого способа получения энергии есть и некоторые недостатки.

• Жиры достигают клеток гораздо позже глюкозы.

• Они не могут путешествовать по кровеносной системе без «сопровождения» – тех самых белков, которые обволакивают капельки жира и не дают им слипаться и закупоривать сосуды.

• Без кислорода жиры сжечь нельзя (в отличие от глюкозы, которая может вырабатывать энергию через ферментацию).

Чтобы жиры выработали энергию, они должны вступить в цикл Кребса. Именно реакции этого цикла дают 36–38 единиц энергетической клеточной «валюты» при сжигании глюкозы и 146 – при сжигании жирных кислот. Потому глюкоза и жир и считаются самыми эффективными источниками энергии.

Однако клетки не могут сжигать и глюкозу, и жиры одновременно. Рост уровня глюкозы блокирует процесс окисления жиров, а при сжигании жиров прекращается сжигание глюкозы.

Наши клетки могут выбрать тот или иной путь в зависимости от множества внутренних и внешних переменных. Для этого в них предусмотрен специальный орган.

Цикл Кребса и весь метаболизм был бы невозможен без клеточных электростанций – митохондрий. Приготовьтесь к увлекательной экскурсии. Сюда стоит заглянуть не только из научного любопытства: именно здесь мы найдем подсказки, как выстроить свое питание и образ жизни, чтобы использовать возможности своего организма самым эффективным образом.

Роль митохондрий настолько велика, что митохондриальная дисфункция считается основной причиной множества болезней, включая нейродегенеративные.

Нарушения в работе митохондрий могут вызвать множество проблем, например:

• нехватку энергии, усталость, апатию;

• болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, расстройства аутистического спектра, мигрени, эпилепсию;

• трудности в порождении речи;

• ухудшение зрения и (или) слуха;

• сердечно-сосудистые заболевания;

• нарушения работы печени и (или) почек;

• нарушение работы поджелудочной железы и сахарный диабет;

• гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь, нарушения всасывания питательных веществ, запоры, диарею, рвоту;

• повышенную склонность к инфекциям;

• нарушения походки, потерю координации и равновесия, мышечные судороги, нарушение подвижности суставов (контрактуры), скованность и слабость мышц, мышечные боли;

• повреждения генов и рак.

Можно сказать, что митохондрии полностью программируют весь жизненный цикл клетки: производят энергию, координируют обмен веществ и управляют ее жизненными процессами. Именно митохондрии определяют, когда и как клеткам выполнять свои функции, делиться и умирать. Логично, что если они работают неправильно, то возникают проблемы. Митохондрия – это машинное отделение, в котором вырабатывается энергия, необходимая для выполнения всех функций клетки.

Митохондрии есть во всех клетках, поэтому станции по переработке питательных веществ в энергию работают повсюду. Митохондриальная сеть – двигатель не только каждой отдельной клетки, но и всего организма. Именно митохондрии дают энергию, без которой тело не смогло бы работать, а мы – жить.

Эту энергию используют для корректной работы мозг, нервы, глаза, уши, сердце, легкие, печень, поджелудочная железа, пищеварительный тракт, почки, репродуктивные органы, опорно-двигательный аппарат, иммунная система и весь комплекс органов и тканей, вырабатывающих гормоны. Весь наш организм существует таким, какой он есть, только благодаря митохондриям!

И это поистине уникальные структуры…

Форма митохондрии напоминает круглое или овальное кофейное зерно в двойном «мешочке». Это ее оболочка, которая называется двойной мембраной.

Внешний слой гладкий и проницаемый, через него могут проходить все необходимые вещества: вода, кислород, глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты.

Внутренняя мембрана шероховатая и морщинистая. Шероховатая поверхность нужна для того, чтобы к ней крепились ферменты, а морщинки – чтобы увеличить площадь, на которой эти ферменты могут контактировать со своими субстратами (питательными веществами, из которых можно получать энергию).

Митохондрии впервые обнаружили в конце девятнадцатого века и дали название по их внешнему виду: от греческих слов mitos («митос» – нить) и chondros («хондрос» – зернышко, крупинка).

Внутри митохондрий, помимо ферментов, содержится их собственный генетический материал – устроенная особым образом митохондриальная ДНК, которая служит для программирования части их функций. Эта ДНК защищена гораздо меньше, чем основная в ядре клетки, а потому гораздо более уязвима. Из-за этого многие генетические заболевания напрямую связаны с ее повреждением.

Похожим образом устроены бактерии, и это сходство неслучайно. Митохондрия имеет уникальное происхождение: она возникла в результате вторжения бактерии в более развитую клетку. Так начался симбиоз: бактерия, укрывшаяся внутри клетки, получила защиту от враждебной среды, а та, в свою очередь, – приток кислорода и возможность использовать его для выработки большего количества энергии. Поскольку сосуществование оказалось взаимовыгодным, со временем бактерия не исчезла, а адаптировалась и эволюционировала в те самые митохондрии, которые сегодня есть во всех клетках.

Любопытный факт: митохондрии наследуются только по материнской линии. То есть мы получили их от матерей, а наши родители – от наших бабушек.

Но в клетках могут сформироваться и новые митохондрии. Это еще одно наследие бактерий: помимо формы и собственной ДНК, они сохранили способность к самовоспроизведению. Они могут размножаться путем деления, увеличивая или восстанавливая свое количество в клетке.

Некоторые заболевания обусловлены врожденным нарушением митохондриальной ДНК, однако наиболее распространенная причина повреждения митохондрий кроется в питании и образе жизни.

Мы можем это остановить!

С помощью физических нагрузок и потребления продуктов, богатых омега-3, или добавок коэнзима (кофермента) Q10 можно создать условия, благоприятные для здорового размножения митохондрий. А с помощью кетогенной диеты или интервального голодания облегчить аутофагию (точнее, митофагию, если говорить о митохондриях) – процесс переработки отслуживших свой срок митохондрий. Но вместе с тем можно и невольно навредить, создав условия для выработки избыточного количества свободных радикалов.

В процессе генерации энергии из питательных веществ образуются отходы – как искры и пепел от костра.

•Вода и углекислый газ CO2 легко выводятся из митохондрии и клетки и, при необходимости, из организма с воздухом или мочой (через дыхательную или выделительную систему).

• Свободные радикалы нужно нейтрализовывать. Эти активные молекулы очень опасны для здоровья митохондрий.

За счет свободного электрона на внешней электронной оболочке, свободные радикалы очень легко вступают в реакции, тем самым повреждая митохондрии, клетки, ткани, органы и все тело. Эти реакции могут вызвать преждевременное старение, дегенеративные расстройства и развитие рака.

Если бы мы наблюдали за процессом выработки энергии, свободные радикалы показались бы нам искрами, летящими во все стороны от трения механизмов рабочей цепи на протяжении всего цикла метаболических реакций. Выглядит совсем нездорово – лучше бы их обезвредить.

Как нейтрализовать избыток свободных радикалов?

Во-первых, во внутренней мембране митохондрии есть свои механизмы для захвата и нейтрализации тех самых свободных электронов: это сложные белки цитохромы, кофермент Q10 и сложный липид кардиолипин.

Во-вторых, митохондрии генерируют тепло: часть энергии идет на повышение температуры, при которой избыток свободных радикалов рассеивается.

И в-третьих, митохондрии используют антиоксиданты.

Для предотвращения вредных реакций свободных радикалов в организме ежедневно вырабатываются тысячи эндогенных (внутренних) антиоксидантов, например супероксиддисмутаза (СОД), кофермент Q10, липоевая кислота, глутатион (главный антиоксидант организма) и мелатонин.