Биохимическая основа питания
Изучая биологию в школе, вы, наверное, некоторое время заучивали фрагменты схемы аэробного дыхания – цикл Кребса. Если вы не заснули сразу, она должна была оставить у вас впечатление, что питание – линейный процесс. На входе мы имеем углеводы, жиры и белки, а клетки тела предсказуемо извлекают из них энергию, вырабатывают полезные метаболиты и выделяют углекислый газ и воду. Стрелки кажутся непререкаемыми, как если бы этапы процесса происходили всегда одинаково. Хотя эта модель полезна для понимания основ, она слабо соответствует реальности. Питание – намного более сложный комплекс, чем может показаться при изучении статической диаграммы.
Попав в триллионы клеток нашего организма, питательные вещества, как правило, не следуют по одному предсказуемому пути. В большинстве случаев их дороги ветвятся, прямо или косвенно, на множество путей продуктов (метаболитов), каждый из которых может ветвиться дальше. Более того, они могут вести к различным действиям и функциям, например к мобилизации энергии и восстановлению поврежденных клеток. Доминирующий путь во многом определяет, здоровы мы или нет. Однако понимание метаболизма – не только отслеживание большого количества независимых путей, по которым проходит вещество. Когда они ветвятся, их комбинации выглядят бесконечными.
Карты этих лабиринтов метаболизма украшают стены многих исследовательских лабораторий. Школьный цикл Кребса – сильно упрощенная часть одной из них. Я долго занимался этим и мог наблюдать возникновение одной из самых сложных карт, зародившейся много лет назад как сеть реакций метаболизма глюкозы, которые ведут к выработке энергии. Самая ранняя версия этой карты мне очень пригодилась, когда в 1960–1970-е годы я преподавал биохимию в Виргинском политехническом институте. Чтобы описать серию реакций, ведущих от глюкозы к циклу Кребса внизу схемы (извлечение энергии из глюкозы), нужно было не меньше дюжины лекций по основам биохимии.
Сложно, правда? Но карта, которой я пользовался на занятиях, – ничтожная часть наших современных знаний о путях метаболизма глюкозы. Со временем в нее добавились новые кластеры реакций, включая метаболизм белков, жиров и нуклеиновых кислот. Вскоре реакций стало столько, а шрифт так уменьшился, что стало ясно: если добавить что-то еще, схему нельзя будет прочесть невооруженным глазом. Картографы стали создавать целые атласы метаболизма глюкозы, чтобы учесть новые открытия. То, что когда-то было простыми реакциями, сейчас занимает несколько страниц схем.
Эти карты делались все более детальными, пока не стали символом того, как редукционизм, в погоне за подробной и конкретной информацией, потерял из виду целое. Ученые годами и десятилетиями работали над одной-двумя реакциями. На карте появлялись вкладки, на вкладках – вклейки, и, по мере того как мы углублялись в клеточный метаболизм, все меньше сил оставалось на то, чтобы увидеть мудрость и мощь системы в целом (рис. 7.1).
Рис. 7.1.
Слово «редукционизм» – одного корня с латинской фразой reductio ad absurdum, «доведение до абсурда». Помните простую, но в то же время сложную схему метаболизма глюкозы? Вот ее обновленная версия (рис. 7.2).
Рис. 7.2.
Ученые, однако, пошли дальше. Оцените сложность очень маленького кусочка карты, увеличенного для разборчивости (рис. 7.3).
Рис. 7.3.
А более полная метаболическая карта на рис. 7.2 – малая часть всех реакций в каждой из сотни триллионов клеток нашего организма.
Я подчеркиваю сложность метаболизма, чтобы вы увидели: невозможно до конца понять, как наш организм реагирует на продукты, которые мы едим, и содержащиеся в них нутриенты. Объяснение функции питательных веществ всего одной или даже парой этих реакций недостаточно. После потребления они взаимодействуют друг с другом и другими веществами в лабиринте метаболических реакций, происходящих в этой сотне триллионов клеток. За действие конкретного питательного вещества не отвечает какая-то отдельная реакция или механизм. Все они и многие другие связанные с ними вещества участвуют в клеточном метаболизме и преобразуются в многочисленные продукты высокоинтегрированными путями – не менее сложными, чем на рис. 7.1–7.3.
Каждое вещество проходит лабиринт реакций, поэтому оно может быть фактором влияния на самочувствие. Связь «одно вещество – одна болезнь», которую подразумевает редукционизм, популярна, но неверна. Каждое вещество, входящее в сложную систему реакций, оставляет «круги на воде», которые могут расходиться по озеру метаболизма. А в каждом кусочке пищи – десятки, а то и сотни тысяч веществ, которые попадают в организм более-менее одновременно.
