Для того, чтобы разобраться в хитросплетениях схемы регулирования обмена веществ и правильно понимать причины, побуждающие организм накапливать лишние килограммы, нам, прежде всего, необходимо обратить внимание на ряд особенностей «живой химии» (in vivo) и понимать её фундаментальные отличия от «химии лабораторной» (in vitro). Конечно же, по мере знакомства со всё новыми тематическими разделами книги, мы будем обращать внимание на то, что «живые» реакции обычно протекают не линейно, как в пробирке, а в виде сложных многоступенчатых замкнутых циклов*.
А также узнаем о том, что в организме существует сложная автоматическая операционная система (т.н. «динамический стереотип») и механизмы «индивидуального управления» (рефлексы и гормоны), которые существенно меняют направления химического взаимодействия, в зависимости от внешних условий, времени суток, изменившихся потребностей и других обстановочных и сезонных колебаний (биоритмы). Причем происходит это, зачастую, вопреки логике естественного течения химических реакций, характерной для условий неживой природы.
* - Именно циклический характер химических процессов с одной стороны придаёт открытым биоорганическим системам нужную реактивность, а с другой обеспечивает ту базовую устойчивость, которая, не смотря на короткие дисбалансы, в соответствии с законами термодинамики возможна лишь при стабильно низкой продукции энтропии за длительные промежутки времени. «Возвращаемость» большинства процессов к исходной точке после каких-то рассогласований или возбуждения линейных реакций (например, «жиросжигающими» или мочегонными средствами) – это одно из тех свойств «живой химии», которое, к сожалению, сравнительно редко берётся во внимание в попытках избавиться от лишних килограммов. (Подробнее в разделе 1.12. «Понятия «биохимический процесс» и «физиологический цикл»).
Вряд ли мы сможем добиться предсказуемых результатов в оптимизации обмена без понимания этих и многих других особенностей реагирования «in vivo». А начнем, пожалуй, с главной загадки биологической химии, принципиально отличающей эту науку от всех других познаний о межмолекулярном взаимодействии. С интриги, за которой стоят и невероятные по сложности, но уже достаточно изученные процессы, и то, что будет ещё долго будоражить умы исследователей непредсказуемой логикой и «запутанностью сюжета». Ведь учёных, которые столетиями познавали законы химических реакций в колбе и пробирке, после того как они, наконец, смогли заглянуть внутрь живых организмов на уровне «личной жизни молекул», поджидали не только восхищение сложностью биохимических циклов, но и… большое разочарование(!).
Оказалось, что это совсем другой мир, другая реальность, где привычные электролиты, соли, вода или органические соединения могут вести себя совершенно иначе! И теперь нужно заново изучать эти процессы с поправкой на «живой дух» (физиология живых организмов) и особенности факторов биохимического взаимодействия (свойства среды).
Пожалуй, главная особенность того, каким образом живой организм осуществляет необходимые ему биохимические взаимодействия, состоит в следующем:
привычные методы, которыми обычно пользуются химики для придания нужного направления и скорости реакциям синтеза, замещения, нейтрализации или распада (нагревание, охлаждение, изменение давления, перемешивание, встряхивание, воздействие светом и другими видами излучений, эмульгирование, фильтрация, осаждение, электрофорез и т.п.) в живой клетке практически неприменимы! Ведь нормальная жизнедеятельность организма протекает только при условии, что любые (в том числе и разнонаправленные), процессы проходят в одних и тех же условиях (зачастую одновременно и даже параллельно). То есть осуществляются в жидкой среде со стабильным химическим составом электролитов и основных органических соединений, неизменным кислотно-щелочным соотношением (рН)*, постоянными температурой и давлением и мн.др.
* - рН – обратный логарифм концентрации ионов водорода. Используется в качестве индикатора соотношения кислотных (Н+) и щелочных (ОН¯) компонентов в биоорганических средах. В норме рН артериальной крови человека составляет 7.38 - 7, 43, венозной – 7.32 - 7.42. Состояния, когда рН крови ниже 6.8 (ацидоз) и больше 7.8 (алкалоз) считаются смертельными.
Это резко ограничивает диапазон возможных форм воздействия. И означает, что при исследовании взаимных химических превращений, а также при попытках влиять на те или иные компоненты обмена веществ нужно исходить из того, что в химии живых организмов все сложные многоступенчатые молекулярные преобразования регулируются и обеспечиваются всего лишь двумя основными факторами** – созданием специфической локальной биоорганической среды (подробнее в разделе 1.16. «Пять ключевых свойств биологической химии») и системным направленным катализом***.
** - Нам остаётся лишь удивляться и восхищаться природе, которая при столь ограниченных степенях свободы смогла создать практически неисчерпаемые по разнообразию превращений саморегулируемые биологические системы! А затем вдохнула в них жизнь и дала способность чувствовать и мыслить!
*** - Ката́лиз (греч. Κατάλυσις, восходит к καταλύειν – разрушение) – избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий.
Обсуждение особенностей биологической химии, вовсе не означает, что объективные факторы, способные менять силу или направление реакций «в пробирке» перестают действовать в живом организме. Законы диффузии и осмоса, градиента концентраций и накопленных потенциалов, а также известный принцип обратимых реакций, по которому накопление продуктов прямой реакции способствуют замедлению её скорости и стимулирует обратную, и мн.др. – продолжают действовать. Другое дело, что в биологических системах подобные воздействия приобретают некий осмысленный интеллектуальный характер. То есть органически встроены в определённую (подчас очень сложную и многоэтапную) стратегию последовательных преобразований и уже не имеют самостоятельной роли.
В живом организме все химические процессы управляются особыми системами внешнего контроля и регулирования, благодаря которым любой естественный для неживой химии ход событий на определённом этапе может искусственно замедляться, блокироваться либо, наоборот, потенцироваться или направляться по другому пути. То, что мы называем физиологией, довлеет над всем, превращая естественные законы природы в её собственные эффективные инструменты управления.
Рассмотрим кратко некоторые из них, пока в отрыве от «управляющего начала физиологии». Чтобы потом, когда станем знакомиться с регулированием гомеостаза из главных центров, т.е. на уровне рефлексов и гормонов, уже не отвлекаться на «инструменты», а вникать в суть конечных эффектов. Прежде всего нас будут интересовать необратимые и обратимые реакции*, а также виды равновесия и способы его смещения в ходе восстановления привычных балансов или формирования новых. Начнём с биофизики, вернее, с вопроса химического обеспечения биофизических процессов.
* - Необратимыми называются такие химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ.Обратимые реакции – химические взаимодействия, способные протекать одновременно в двух противоположных направлениях – прямом и обратном. (Т.е. когда конечные продукты прямой реакции под воздействием тех или иных потенцирующих факторов могут снова вступать в химическое взаимодействие, приводящее к регенерации исходных).
Биофизические процессы, происходящие в живых организмах, являются необратимыми. При совершении работы в организме осуществляется превращение химической энергии, заключенной в макроэргических связях, в другие виды энергии: механическую (при мышечном сокращении), электрическую (при нервном возбуждении); тепловую (поддержание стабильной температуры тела, гипертермия для стимулирования синтеза антител при микробной атаке, сброс излишков энергии и естественный переход теплоты в окружающую среду).
Необходимо обратить внимание, что лишь меньшая часть энергии гидролиза АТФ используется непосредственно для совершения физической работы. Основное количество уходит на перемещение молекул в нужные места, а также поддержание их необходимых концентраций в растворах (своеобразная «логистическая функция») – то есть для создания различных градиентов*.
* - Градиент - векторная величина химического потенциала, направленная от большего уровня концентрации вещества к меньшему.
В живом организме на направленный транспорт молекул влияет сразу нескольких градиентов:
- концентрационный градиент (например, содержание ионов калия в цитоплазме в 15 раз выше, чем в межклеточной жидкости, поэтому концентрационный градиент калия направлен из клетки в окружающую среду; концентрационный градиент натрия имеет обратное направление);
- осмотический градиент, обусловленный наличием разности осмотического давления в клетке и омывающей жидкости (играет существенную роль в формировании тургора тканей и, в частности, клеток кожи, подкожной клетчатки и т.п.);
- ;электрический градиент возникает при неравномерном распределении ионов между клеткой и внеклеточной средой.
При реализации химического потенциала, за счет энергии которого осуществляется работа, происходит уменьшение градиента. При этом возникает градиент противоположного направления. В обратимых процессах возникающий градиент имеет ту же величину, что и исходный; при необратимых вновь образующийся градиент всегда слабее. Поэтому биологические процессы (диффузия ионов, передача теплоты) протекают в направлении уменьшения градиентов.
Таким образом, работоспособность живого организма, обусловленная наличием свободной энергии, определяется градиентами, которые являются результатом неравновесного распределения вещества в биологической системе и непрерывного переноса из одной части системы в другую. При отмирании клеток их градиенты уменьшаются, выравнивание градиентов означает смерть организма.
Теоретически состояние равновесия для обратимой биохимической реакции может длиться неопределённо долго. Но в живой биосистеме множество подобных реакций находится в постоянном движении под воздействием внутренних и внешних активаторов. Причем часть продуктов этих реакций подхватывается другими комплексами ферментов (распад) или гормонов (синтез) и используется в качестве субстрата следующих этапов многоступенчатых химических циклов, теряясь безвозвратно.
При рассогласованиях в пределах обычных значений в органоидах клеток всегда находится необходимое число катализаторов, а также поступает достаточное количество веществ, восполняющих утраченные ресурсы, чтобы вернуть исходное равновесие или поддержать существующее смещение процесса в ту или иную сторону*.
* - Живая клетка все время балансирует между процессами накопления и распада, тесно сопряженными как с текущими потребностями организма, так и с собственным алгоритмом развития. Поддержание гомеостаза контролируется нервной и гормональной системами (подробнее в следующем разделе). Тем не менее, и на низовом биохимическом уровне существуют собственные механизмы «оперативного регулирования», представленные особыми чувствительными молекулярными сенсорами.
Одним из наиболее эффективных типов таких сенсоров у живых организмов являются т.н. киназы, которые остаются практически одинаковыми и в дрожжах, и у растений, и у животных. Эти ферменты эффективно улавливают отклонение в ту или иную сторону и “переключают” системы на синтез или на сжигание.
У животных киназы имеют название AMПK (AMPK - activated metabolic protein kinase). Они способны улавливать энергетический статус клетки и активироваться при увеличении в ней продуктов распада энергетической молекулы АТФ. (И, соответственно, дезактивироваться при их уменьшении). Активные AMПK напрямую или через чувствительные рецепторы регулирующих систем более высокого порядка запускают машинерию всего организма для поставки топлива в клетку. И одновременно отключают энергоемкие процессы запасания жиров.
Это касается активации энзимов для мобилизации жирных кислот, включения каскада генов, которые кодируют белки, обслуживающие процесс энергопродукции, также активируются транспортные системы, которые поставляют топливо в энергетические станции клетки – митохондрии.
Если направленный катализ и следующие за ним специфические колебания внутренней среды стабильно меняют концентрацию конечных либо исходных веществ, то состояние равновесия нарушится уже на долговременной основе. Скорость одной из реакций станет больше по сравнению со скоростью другой. С течением времени система вновь займет термодинамически равновесное состояние, но новые балансирующие концентрации исходных и конечных продуктов будут отличаться от первоначальных. В этом случае говорят о смещении химического равновесия в ту или иную сторону.
Направление смещения химического равновесия определяется уже известным нам принципом Лё-Шателье в его «химической» интерпретации: Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление, концентрацию одного или нескольких веществ, участвующих в реакции), то это приведет к увеличению скорости той реакции, протекание которой будет компенсировать (уменьшать) оказанное воздействие. Так, при увеличении концентрации исходных веществ возрастает скорость прямой реакции и равновесие смещается вправо. При уменьшении количества исходных веществ, наоборот, возрастает скорость обратной реакции, а химическое равновесие смещается влево*.
* - Например, при регулярном всасывании в кровь продуктов лизиса кишечной флоры в результате частых запоров, одной из вынужденных ответных реакций организма становится активный синтез холестеринов и повышенное потребление жиров и сахаров из пищи. Это существенно влияет на состояние жировых запасов. Если поступление токсических агентов в кровь будет постоянным, соотношение расходования и накопления жиров сместится в сторону последнего. (Подробнее: Часть 1, разделы 2.3.8 «Липогенный эффект хронической интоксикации» и 2.3.9. «Синдром атаки на мембраны. Липогенный эффект внешних бродильных процессов»; Часть 2, Глава V, Правила 8, 27 и 39).
(продолжение следует)