Биохимия — сравнительно молодая дисциплина, официально возникшая только в начале прошлого века. Но как наука о химическом составе организмов и процессах, лежащих в основе их жизни, она уже успела ответить на многие интересующие человечество вопросы. Аспирантка лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, PhD-студентка Сколтеха Анастасия Наумова рассказала T&P, почему именно углерод считается основой жизни и может ли азот занять его место, а также объяснила, почему нет смысла избавляться от холестерина и заниматься спортом менее получаса.

Анастасия Наумова

Анастасия Наумова

Начнем с начала: вся жизнь на планете состоит из четырех основных типов веществ: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Примером такой кислоты служит всем известная молекула ДНК, которая является полимером. Самое простое объяснение структуры полимера — бусы. Как бусы состоят из бусинок, так и полимер состоит из мономеров. ДНК состоит из повторяющихся блоков — нуклеотидов, а они, в свою очередь, из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Всего существует четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин, при этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин — только с цитозином, это называется принципом комплементарности. Видовое разнообразие жизни на Земле, наши отличительные черты (цвет глаз, волос, состояние кожи и даже характер) зависят от взаимного расположения тех самых четырех азотистых оснований в цепочке ДНК. По странному стечению обстоятельств наша ДНК на 50% совпадает с ДНК банана, а на 35% — с ДНК нарцисса, но что это значит на практике для нас? Да ничего, в принципе. Сходство ДНК означает, что у нас и у банана есть определенное количество одинаковых кодирующих участков из нуклеотидов. Процессы передачи и реализации информации коротко описываются основной догмой молекулярной биологии: из ДНК синтезируется РНК, из РНК синтезируется белок. Синтез белка является одним из основных жизненно необходимых процессов: белок необходим нам для роста, развития, регенерации, и он также является ферментом.

Люди из азота

Как уже упоминалось, жизнь состоит из четырех основных типов веществ, один из которых — белок. В свою очередь, белок состоит из аминокислот. Структура аминокислоты достаточно простая: это углеродный каркас, на который крепятся атомы кислорода, азота, водорода, углерода и иногда серы. Аминокислоты крепятся одна к другой в порядке, закодированном в ДНК, составляют цепочки неограниченной длины, и получается белок. Итак: у каждой аминокислоты есть углеродный скелет, то есть белок состоит в основном из углерода, а без белка наша жизнь невозможна. Именно отсюда и появился тезис, что жизнь на нашей планете углеродная. Но в таблице Менделеева элементов больше, чем один, и возникает вопрос: может ли жизнь быть завязана на другом элементе? И если да, то на каком? Ответ напрашивается сам собой: логично было бы попробовать рассмотреть элемент, близкий к углероду, но с большим количеством электронов, а именно азот. Дополнительный электрон удобен тем, что азот имеет больше степеней окисления, — следовательно, на его основе можно создать больше соединений. Помимо этого, азот образует связи такого же типа, как и углерод. Что же будет, если мы попробуем составить из азота длинную цепочку? К сожалению, мы получим не новый тип жизни, а самую мощную из неатомных взрывчаток — ГНИВ (Гексанитрогексаазаизовюрцитан). Проблема в том, что полимеры азота нестабильны в условиях нашей планеты, для их стабильности необходимо гораздо более высокое давление, нежели атмосферное давление Земли. Но Вселенная огромна, и в большинстве мест давление больше, чем земное. Компьютерное моделирование атмосферы Юпитера показало, что полимеры из азота на этой планете будут даже стабильнее, чем из углерода. И таких мест с подходящими условиями гораздо больше, чем одно. Так что кто знает — может быть, во Вселенной уже давно существуют азотные люди.

Биология в быту

Помимо визионерских вопросов об азотной жизни, биохимия дает ответ на более насущные запросы — например, как правильно заниматься спортом и каким именно. Чтобы разобраться, обратимся к такой сложной схеме, как цикл Кребса. За ее открытие Ханс Кребс совместно с Фрицем Липманом в 1953 году получили Нобелевскую премию по медицине. Коротко суть схемы можно передать тезисом «жиры горят в пламени углеводов». Из этого объяснения следуют некоторые важные утверждения:

Нам необходимы углеводы

Если нет углеводов, а физическая нагрузка присутствует, организм начинает разрушать свой белок, чтобы добыть углеводы из него. Разрушение белка — это разрушение мышечной ткани, в то время как основная цель тренировок заключается в обратном. Стоит отметить, что углеводы нам нужны сложные, или медленные, состоящие из трех и более моносахаридов, единиц строения углеводов. Сложные углеводы содержатся в крупах, картофеле, печени, бобовых. Употребление этих продуктов постепенно повышает уровень глюкозы в крови, и организм успевает справляться с ее переработкой. В отличие от медленных углеводов, быстрые состоят из одного или двух моносахаридов. Они резко повышают уровень сахара в крови, а затем оседают в виде жира, потому что организм не может сразу переработать такое большое поступление глюкозы.

Для поддержания горения (а по факту — окисления) жиров нам необходим кислород

С точки зрения энергетических затрат аэробные нагрузки (то есть с поступлением большого количества кислорода) в 19 раз более эффективны для сжигания жира, чем анаэробные (то есть почти бескислородные), так что польза от присутствия кислорода очевидна. Если вы все еще сомневаетесь, что для сжигания жира лучше бегать, чем поднимать штангу, то вот еще одна причина, и имя ей — пировиноградная кислота, которая является конечным продуктом распада глюкозы. Дальнейший метаболизм кислоты зависит от наличия воздуха. При аэробном варианте она вовлекается в уже упомянутый нами цикл Кребса, крутится в нем, что каждый раз дает нам энергию для продолжения тренировки. Раньше считалось, что только в анаэробном варианте, то есть без доступа кислорода, пировиноградная кислота превращается в хорошо знакомую всем молочную кислоту — именно она вызывает боль в мышцах после тренировки. Согласно последним исследованиям, виноградная кислота может появляться и при анаэробной тренировке, но только при нагрузках, превышающих 50% от максимального уровня выносливости человека. При такой интенсивной нагрузке жир снова перестает сжигаться, и разрушаются уже углеводы, что приводит к появлению молочной кислоты. Хорошая новость в том, что большинство тренировочных программ построено так, чтобы пик нагрузки не превышал тот самый порог 50% от максимума возможностей.

По-настоящему аэробных вида спорта всего четыре: бег, плавание, бег на лыжах и гребля. Именно при занятии этими видами спорта задействовано более 70% от общего числа мышц, и в организм поступает достаточное количество кислорода. Помимо количества задействованных мышц, важна длительность нагрузки. В самом начале тренировки идет обратимая реакция расщепления креатинфосфата для поддержания энергии в организме. Креатинфосфат преимущественно содержится в мышечной и нервной ткани, и его запасов хватает примерно на первые 20 секунд тренировки. После разложения креатинфосфата самым простым с точки зрения организма вариантом получения энергии является расщепление глюкозы. В наших клетках глюкоза хранится в форме гликогена, который при нагрузке начинает расщепляться следом после креатинфосфата. Затем, когда организм израсходовал весь доступный запас гликогена, включается более сложная реакция расщепления жира. В среднем гликогена хватает на 20–30 минут, в зависимости от уровня подготовленности человека. Именно поэтому, если вы хотите похудеть, важно, чтобы тренировка была длительной, не менее получаса.

Хороший, плохой, злой холестерин

Довольно много внимания в статье мы обращали на основные четыре элемента, но ведь мир ими не ограничивается. Например, существуют такие вещества, как жирные кислоты. Они бывают насыщенные и ненасыщенные. Основное отличие заключается в том, что насыщенные находятся в твердом состоянии, и они синтезируются в организме, то есть у нас нет необходимости в получении их извне. Ненасыщенные же находятся в жидком состоянии, они полезны для организма, но им не синтезируются. Такие жирные кислоты содержатся в тех организмах, которые дышат не так, как мы. Например, в растениях или рыбе. Помимо жирных кислот есть еще жиры, или липиды, к которым относится холестерин. Бытует мнение, что от холестерина нужно полностью избавляться, но на самом деле это совсем не так. Во-первых, холестерин входит в состав клеточных мембран и именно благодаря ему стенки клеток эластичны, то есть более устойчивы к внешним воздействиям. А во-вторых, холестерин относится к стероидным липидам и является родоначальником всех стероидных гормонов, например половых. Но несмотря на это, допускать повышенное содержание холестерина в организме не стоит, ведь всем нам хорошо известно, к чему это приводит.

Не пропустите следующую лекцию:

Иконки: 1) Kris Brauer, 2) Creative Stall, 3) irene hoffman — from the Noun Project.