Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий

Как только кровь в воротной вене наполняется глюкозой после завершения процесса пищеварения, печень начинает забирать глюкозу из крови. Какую-то часть она использует для своих нужд, но основное количество просто запасает. Печень не может хранить глюкозу в том виде, в каком она есть, то есть как растворимое соединение, потому что в таком случае глюкоза будет как входить, так и выходить из клеток печени, что сделает невозможным протекание нормальных химических процессов.

Для того чтобы остаться в клетке, глюкоза должна превратиться в нерастворимое вещество, которое можно, так сказать, положить куда-нибудь в уголок, чтобы оно никому не мешало. Для этого клетки печени соединяют молекулы глюкозы в большую цепочку, как у крахмала. Тогда получается новое соединение, которое иногда называют животным крахмалом, но гораздо чаще — гликогеном.

Пока продолжается пищеварение, в клетках печени откладывается много гликогена в виде маленьких крахмалистых гранул. Но наступает время, когда вся пища переварена и усвоена и кишечник временно опустел. Кровь, проходящая из кишечных капилляров по воротной вене, уже не насыщена глюкозой, потому что она обошла весь организм, и все его клетки забрали свою долю глюкозы.

Когда такая кровь начинает проходить по синусоидным сосудам печени, начинается обратный процесс превращения гликогена. Молекулы гликогена расщепляются, образуется глюкоза, которая выходит в кровь через мембрану клеток печени. Таким образом, уровень глюкозы в крови увеличивается до необходимого значения — не больше и не меньше. Кстати, слово «гликоген» в переводе с греческого означает «производящий сладость».

Итак, после каждого приема пищи печень создает запасы гликогена, в промежутках между едой гликоген расщепляется, и в результате уровень глюкозы в крови остается на постоянной отметке. Правда, есть кое-что еще, но об этом мы поговорим позднее.

Создание и расходование запасов гликогена происходят в несколько этапов, каждый протекает под управлением определенного фермента. Деятельность всех ферментов часто так слажена, что мы принимаем сложные химические процессы в организме как должное. Однако в редких случаях, когда не хватает одного из ферментов, последствия могут быть ужасными.

Например, одним из ключевых ферментов при расщеплении гликогена в глюкозу является фермент под названием глюкозо-6-фосфатаза. Очень редко рождаются дети, у которых не вырабатывается этот фермент. Организм такого ребенка может легко запасать гликоген, но не в состоянии его расщеплять. Постепенно печень переполняется гликогеном, и развивается состояние под названием «гликогеновая болезнь».

Организм ребенка пытается справиться с этим состоянием. Он использует глюкозу, поступающую прямо из кишечника. Глюкоза вырабатывается из запасов гликогена, не расположенных в печени, например из мышц. Но все равно обычно такие дети раньше или позже умирают, в зависимости от степени дефицита фермента. Если его недостаточность умеренная, то больной может дожить до зрелого возраста. Обычно смерть наступает еще до достижения подросткового возраста.

Другой пример редких заболеваний этого типа — это врожденный дефицит фермента, отвечающего за превращение галактозы в глюкозу в клетках кишечника. Поскольку младенцы питаются в основном молоком, отсутствие этого фермента вызывает большие затруднения. Молочный сахар — лактоза расщепляется на две части — глюкозу и галактозу, обе из которых усваиваются организмом. Неспособность переваривать галактозу приводит к тому, что этот сахар попадает в кровь в первозданном виде. Это состояние называется галактоземией.

Когда галактоза наполняет кровь и попадает в клетки, происходит беда. Галактоза очень похожа на глюкозу, и ферменты, предназначенные для усваивания глюкозы, могут по ошибке прикрепиться к галактозе. Такое сочетание бесполезно, однако в этом случае фермент уже не может присоединиться к глюкозе, как и полагается. Галактоза, опередив глюкозу, уменьшает или сводит на нет действие фермента. Этот процесс называется конкурентным ингибированием.

Таким образом, вы видите, что отсутствие одного фермента ведет к нарушению деятельности остальных, поэтому симптомы галактоземии различны. Например, по непонятной причине развивается катаракта. Более легко объяснить воздействие галактоземии на мозг. Из всех тканей мозг больше зависит от глюкозы, и его деятельность нарушается вследствие неправильной работы ферментов. Поэтому при галактоземии часто происходит снижение умственной активности.

К счастью, при раннем обнаружении этих симптомов, если устранить из рациона молоко, можно исправить ситуацию. Галактоза содержится только в молоке.

Это очень редкие заболевания. У большинства людей в организме есть все ферменты. Но даже при наличии всех ферментов необходима их слаженная работа. Что управляет согласованностью их действия? Что заставляет их работать как единое целое, вызывая при необходимости отложение запасов гликогена или его расщепление?

Как обычно бывает в таких случаях, ключом к разгадке служат гормоны.

Поджелудочная железа — сравнительно большой орган, о котором я уже упоминал в связи с пищеварением. Она вырабатывает поджелудочный сок, выделяющийся по специальному протоку в тонкую кишку. Если поджелудочную железу удалить, то можно подумать, что будет нарушено только пищеварение и ничего более серьезного не произойдет. Однако в 1899 году два немецких физиолога, удалив поджелудочную железу у собаки, обнаружили, что, кроме расстройства пищеварения, у животного начались смертельно опасные сбои в работе организма, очень напоминающие одну болезнь человека, известную с древних времен.

Эта болезнь относится к группе заболеваний, объединенных названием «диабет», потому что вызывает усиленное мочеиспускание (см. главу 8). Моча больных этой разновидностью диабета имеет необычно сладкий вкус, и 1500 лет назад индийский врач заметил, что она привлекает пчел и мух. Поэтому болезнь стала называться сахарным диабетом. Это самая распространенная разновидность диабета, и именно ее, как правило, имеют в виду, говоря слово «диабет».

Больные сахарным диабетом испытывают повышенное чувство голода и жажды, однако быстро теряют вес, слабеют, становятся уязвимы для инфекций, имеют множество других неприятных симптомов и в конце концов умирают. Голодание удлиняет продолжительность их жизни, и тридцать лет назад оно было единственной надеждой для таких больных.

Когда выяснилось, что удаление поджелудочной железы вызывает диабет у собак, внимание обратилось к этой железе, в особенности к одной ее части.

Еще в 1869 году немецкий физиолог Пауль Лангерганс обнаружил в поджелудочной железе необычные клетки, расположенные в виде отдельных «островков», окруженных со всех сторон обычными клетками. Каждый островок был маленький, всего около ста микронов в диаметре, поэтому если в среднем поджелудочная железа содержит примерно два миллиона таких островковых клеток, то они составляют всего 1 % от массы всей железы. Сегодня название этих островков звучит романтически — островки Лангерганса.

Причиной всех бед оказались именно островки, остальные клетки не играли в развитии диабета никакой роли. Можно было перекрыть проток, чтобы прекратилось выделение поджелудочного сока, в то время как сама железа оставалась в теле животного. Это препятствовало пищеварению, но не вызывало диабета. При этом от бездействия со временем большая часть поджелудочной железы дегенерировала, по островки оставались нетронутыми. Они по-прежнему выполняли свою функцию.

В начале 1900 года было высказано предположение, что островки представляют собой железу в железе, так сказать, и что эта внутренняя железа, в отличие от основной, не имеет протоков и выделяет гормон, который контролирует переработку углеводов в организме. Этот гормон получил название «инсулин» от латинского слова, означающего «остров».

Это предположение было с готовностью принято. Тогда казалось очевидным то, что диабетом страдают люди, неспособные вырабатывать достаточное количество инсулина. Если инсулин удастся получить из поджелудочной железы домашних животных, то его можно будет вводить больным диабетом.

Проблема заключалась в том, чтобы успеть выделить инсулин из клеток до того, как он расщепится под действием других пищеварительных ферментов. В 1922 году это удалось сделать двум канадским ученым Ф. Бантингу и Ч. Бесту, которые перевязали протоки поджелудочной железы, дождались, когда дегенерируют те ее участки, которые вырабатывают пищеварительный сок, чтобы пищеварительные ферменты не разрушили инсулин, и выделили этот гормон. Таким образом, инсулин стал доступен, а в 1923 году Бантинг и Бест получили Нобелевскую премию в области медицины.

Инсулин является самым важным регулятором химических реакций, поддерживающих баланс глюкозы в крови. Выделение в кровь инсулина островками Лангерганса вызывает снижение концентрации глюкозы, потому что часть ее откладывается в клетках печени в виде гликогена, а часть поглощается другими клетками для получения энергии. Если островки не выделяют инсулина, происходит обратный процесс. Печень и другие клетки снижают поглощение глюкозы, и уровень глюкозы в крови повышается.

Мы вновь сталкиваемся с примером обратной связи (см. главу 9). Высокий уровень глюкозы в крови стимулирует выделение инсулина для уменьшения уровня глюкозы. И наоборот, слишком низкий уровень глюкозы сдерживает выделение инсулина, и тогда глюкозы в крови становится больше.

Чтобы это равновесие регулировалось еще более тонко, в процессе участвует второй гормон, также выделяемый островками Лангерганса. Островки состоят из двух видов клеток — альфа-клеток и бета-клеток, по первым двум буквам греческого алфавита. Инсулин вырабатывают бета-клетки. Альфа-клетки вырабатывают гормон глюкагон.

Глюкагон обладает противоположным инсулину эффектом, поэтому на концентрацию глюкозы в крови реагируют две противоположные силы. Клетки островков отвечают на уровень глюкозы выделением того или иного гормона, и тогда концентрация глюкозы изменяется в нужном направлении.

Почему же из этих двух гормонов именно инсулин является самым важным регулятором этого баланса? (Возможно даже, что не один из двух, а один из трех, поскольку есть еще гормон гипофиза, обладающий сходными с глюкагоном свойствами.) Причина — трудно сказать какая, но при диабете сбои происходят именно в выработке инсулина, а не других гормонов, и поэтому именно он в данном случае так важен для человека.

У больных диабетом островки теряют способность вырабатывать инсулин. Снижения уровня глюкозы не происходит, поэтому ее концентрация в крови все время возрастает. Если этот уровень доходит до определенного значения (обычно на 50 % выше обычного), то достигается почечный порог. Через почечные канальцы проходит так много глюкозы, что она не успевает всасываться обратно в кровь. С одной стороны, это хорошо, поскольку слишком высокий уровень содержания глюкозы в крови может нанести вред. Однако глюкоза начинает выделяться с мочой, и, хотя почки действуют как защитный клапан, это показатель неспособности организма перерабатывать глюкозу.

В крайних случаях в моче содержится столько глюкозы, что она становится сладкой на вкус. Поэтому вполне оправдано название диабета — «сахарный».

При некоторых обстоятельствах можно проверить наличие диабета, взяв анализ мочи на сахар. Например, несколько капель мочи нагреваются с раствором Бенедикта (он среди всего прочего содержит сульфат меди и имеет насыщенный голубой цвет). Если в моче нет сахара, цвет раствора не изменится. Если же в ней присутствует глюкоза, через несколько минут при нагревании сульфат меди перейдет в закись меди. Это кирпично-красное вещество не растворяется в воде, поэтому оно выпадает в осадок, опускающийся на дно пробирки. Голубой цвет исчезает, что свидетельствует о «положительном» результате.

Сегодня существует еще более доступный метод. Выпускаются специальные полоски длиной около пяти сантиметров, пропитанные двумя ферментами — дегидрогеназой глюкозы и пероксидазой, а также органическим веществом, которое называется ортотолидином. Если такую полоску опустить в мочу, не содержащую глюкозы, полоска сохранит свой исходный желтоватый цвет.

Что случится, если в моче есть глюкоза? Из-за присутствия на полоске дегидрогеназы глюкоза в моче вступит в реакцию с кислородом в воздухе, вследствие чего образуется перекись водорода. В присутствии пероксидазы перекись водорода присоединится к ортотолидину и образуется насыщенно-голубое вещество. Все это звучит очень запутанно, однако если опущенная в мочу полоска станет синей, значит, у человека далеко не все в порядке со здоровьем.

Результаты этой пробы более надежны, чем анализ с помощью раствора Бенедикта. Иногда в моче содержатся вещества, не имеющие отношения к диабету, которые переводят сульфат меди в закись меди. В итоге получается ложный положительный результат. Шансы появления такого результата при проверке полоской практически равны нулю.

Обычно моча проверяется на сахар, когда человек хочет получить медицинскую страховку или его призывают в армию. Врачи должны постоянно проводить такие анализы. Диабет — самое распространенное нарушение обмена веществ, которое может настигнуть каждого человека в любом возрасте, хотя часто оно передается по наследству.

Слово «метаболизм» обозначает все химические реакции, происходящие в живых тканях, поэтому нарушения метаболизма вызывают расстройство деятельности всего организма. В отличие от инфекционных заболеваний, при которых химические процессы задействованы косвенно в результате внедрения в организм чужеродных микроорганизмов, нарушениями метаболизма нельзя «заразиться». С другой стороны, против них также нельзя сделать прививку. С появлением антибиотиков и современных инсектицидов количество инфекционных болезней уменьшилось, но на смену им пришли нарушения обмена веществ.

Диабет, как и многие другие заболевания, намного легче лечить, если он обнаружен на ранней стадии. В этом случае велики шансы, что при помощи диеты и упражнений удастся избежать применения инсулина. Для этого недостаточно одних анализов мочи. Когда содержание глюкозы в крови переходит почечный порог и сахар попадает в мочу, диабет находится уже в запущенном состоянии.

Более точным анализом является тест на переносимость глюкозы. У здорового человека уровень глюкозы в крови несколько поднимается после еды, когда глюкоза попадает в воротную вену, но быстро снижается до нормального уровня, когда глюкоза стимулирует выделение инсулина. Однако у человека с начальной стадией диабета повышенный уровень глюкозы после еды понижается значительно медленнее, потому что выработка инсулина идет более вяло.

Этот эффект можно сделать более ярко выраженным, если на голодный желудок дать человеку выпить раствор глюкозы. Содержание глюкозы в крови быстро поднимается, и островки должны работать активнее, чтобы снизить ее уровень. Перед анализом, а также после него через определенные промежутки времени берутся пробы крови. У здорового человека содержание глюкозы в крови опустится до нормального уровня в течение двух часов. Если через три часа и более уровень глюкозы остается высоким, вероятно, у пациента начальная стадия диабета.

Иногда такие показатели наблюдаются у тучных людей и приходят в норму после снижения веса. С другой стороны, случаи возникновения диабета у полных людей встречаются намного чаще, чем у людей с нормальным весом. Это одна из опасностей, подстерегающих людей, любящих поесть, и еще не самая страшная.

Диабет нельзя вылечить. Невозможно заставить островки Лангерганса функционировать нормально. Однако больной может вести обычный образ жизни и не иметь неприятных симптомов, если в его организм инсулин будет поступать извне.

У инсулиновой терапии есть и свои сложности. Опасно введение слишком большой или слишком маленькой дозы гормона, поскольку нельзя допускать слишком сильного снижения уровня глюкозы в крови. Слишком большое количество инсулина и, как следствие, падение концентрации глюкозы ниже нормальных значений вызывает потерю сознания (инсулиновый шок), поэтому больной диабетом должен всегда носить с собой сахар, чтобы быстро восстановить уровень глюкозы при первых признаках недомогания.

Количество инсулина зависит от степени активности ослабленных островков и должно определяться врачом. Обычно используются специальные препараты инсулина, чтобы он не слишком быстро оказывал свое действие. В сочетании с неактивным белком он будет оказывать более длительное воздействие, так как для отделения инсулина от белка необходимо время. Такие препараты пролонгированного действия можно вводить реже.

Больной должен тщательно следить за своей диетой и даже взвешивать то, что он ест, поскольку если он съест слишком много или мало, то изменит свою потребность в инсулине. Переедание еще опаснее, и в странах с низким уровнем жизни, где обычно полуголодное существование, диабет встречается реже. В странах с высоким уровнем жизни, где происходило временное снижение качества жизни из-за войны, как в Великобритании в начале 1940-х годов, также снижалось и количество случаев заболевания диабетом. Диабет — одно из немногих заболеваний обмена веществ, которые чаще поражают женщин, чем мужчин, и причина этого неизвестна.

Все вышесказанное свидетельствует о хрупкости нашего организма и о его совершенстве, когда он работает правильно. У здорового человека секреция инсулина регулируется островками, с тем чтобы содержание гормона в крови соответствовало уровню глюкозы. Если мы попробуем контролировать этот процесс, так сказать, вручную, когда отказывают естественные механизмы, то результат обычно бывает непредсказуемым, хотя, конечно, это лучше, чем ничего.

Одним из недостатков инсулиновой терапии является то, что препараты инсулина необходимо вводить в виде инъекций. Это неизменно влечет за собой наличие шприца, необходимость делать укол и прочие неудобства. Дела обстояли бы намного проще, если бы инсулин выпускали в виде порошка или таблетки и его можно было проглотить. К сожалению, это исключено. Молекула инсулина представляет собой белок, который в пищеварительном тракте быстро переваривается, не оказывая воздействия.

Пока также отсутствуют заменители инсулина, которые бы не разрушались в желудке и выполняли непосредственные функции инсулина. Более пятидесяти лет назад группа британских химиков под руководством Фредерика Сенгера занялась изучением молекулы инсулина, пытаясь определить ее точную структуру. Они использовали те же общие методы, которые описаны в главе 7 в связи с определением аминокислотного состава гемоглобинов. Именно группа Сенгера довела эти методы до совершенства.

К 1953 году исследования увенчались успехом. Самый маленький вариант инсулиновой молекулы состоит из сорока восьми аминокислот, положение каждой из них точно установлено. К сожалению, на этом работа застопорилась. Ничто в молекулярной структуре не говорило о том, что можно создать нечто более простое. Любые изменения молекулы инсулина, даже не нарушающие ее сложное строение, полностью лишали ее активности. Биохимики зашли в тупик.

Однако существовал совершенно иной подход к этой проблеме, который возродил надежду на возможность внутреннего использования препарата. Гормон должен не только быстро вырабатываться по мере необходимости, но и столь же быстро уничтожаться. Если уровень глюкозы в крови падает и островки снижают выработку инсулина, концентрация глюкозы восстанавливается. Однако скорость реакции сдерживается тем, что в крови и тканях еще есть инсулин, выделенный островками. Если этот «старый» инсулин можно уничтожить одновременно с выделением «нового», быстрота и точность реакции будут увеличены.

Инактивация «старого» инсулина производится при помощи фермента — инсулиназы. Больные, чей организм вырабатывает недостаточно инсулина, не могут вырабатывать его больше при помощи известного нам лечения, но можно сдерживать инактивацию инсулина, если будет найдено вещество, уменьшающее активность инсулиназы, но не препятствующее работе других ферментов.

Такие инсулиназы, снижающие активность вещества, были найдены. Они в неизменном виде усваиваются организмом с пищей, поэтому их можно принимать внутрь. Их можно синтезировать без особых трудностей, поэтому нет необходимости убивать животных, у каждого из которых только одна поджелудочная железа. Остается только убедиться, что организму не будет нанесен вред.

Конечно, чтобы такие «таблетки от диабета» действовали, организм должен вырабатывать хотя бы ничтожное количество инсулина. Обычно так происходит с людьми, у которых диабет развивается в зрелом возрасте. У детей диабет протекает более тяжело, и часто у них вовсе не вырабатывается инсулин. Снижение активности инсулиназы у детей ни к чему не приведет, и пока ничто не может заменить им инъекций инсулина.

Я уже упомянул, что инсулин вызывает поступление глюкозы из крови в клетки. Существует два взгляда на то, как это удается инсулину. Согласно одному из них инсулин воздействует на определенный фермент.

Например, сразу после проникновения глюкозы в клетку она превращается в соединение, которое носит название глюкозо-6-фосфата. Эта реакция протекает под управлением фермента — глюкокиназы. Если ткань, содержащую этот фермент, снабдить глюкозой и другими необходимыми веществами, глюкоза исчезнет, а ее место займет глюкозо-6-фосфат. Если добавить немного инсулина, реакция пройдет еще быстрее.

Очевидно, инсулин ускоряет действие глюкокиназы или нейтрализует воздействие другого гормона, снижающего активность глюкокиназы, в любом случае результат один и тот же. Как только в клетке печени образуется глюкозо-6-фосфат, он, пройдя несколько этапов химических преобразований, превращается в гликоген и откладывается про запас. Если он формируется в других клетках, то может распасться до углекислого газа и воды с высвобождением энергии для нужд клетки.

В любом случае глюкоза быстро исчезает из клетки, и туда из крови должны поступать новые порции глюкозы.

Если инсулина недостаточно, глюкокиназа малоактивна и глюкозо-6-фосфат образуется медленно. Глюкоза из клетки исчезает также очень медленно, и так же вяло протекает процесс поступления ее в клетки. Глюкоза накапливается в крови, и возникают симптомы диабета.

В настоящее время больше принята другая точка зрения, согласно которой инсулин выполняет более общую функцию. Дело в том, что клеточная мембрана — не просто пассивная граница между клеткой и внешним миром, не просто барьер с микроскопическими отверстиями, через которые могут проникнуть одни молекулы и не могут другие.

В предыдущей главе, рассказывая об ионах натрия и калия, я заметил, что большинство ионов калия сосредоточены в клетке, а большинство ионов натрия остаются за ее пределами, хотя оба вида ионов свободно проникают сквозь клеточные мембраны.

Очевидно, у клетки есть какой-то механизм, позволяющий одним молекулам или ионам проникать сквозь мембрану, в то время как другие такого же размера через нее не проходят. Более того, молекулы или ионы могут проходить через мембрану только в одном направлении. Такой процесс, неизбежно влекущий за собой затраты энергии, не может выполняться мертвой клеткой, и называется он активным транспортиртом. Некоторые ученые считают, что в мембране существуют особые белки — пермеазы, которые обеспечивают односторонний транспорт ионов через мембрану.

Точно установлено, что глюкоза попадает в клетки при помощи активного транспортирта. Она проникает в клетки кишечника из пищеварительного тракта намного быстрее подобных ей сахаров даже меньшего размера. С такой же быстротой и легкостью она попадает из крови в клетки.

Правда, средством, используемым для этой цели, может быть снижение концентрации глюкозо-6-фосфата в клетке, что приведет к дополнительному захвату ею глюкозы. Однако биохимики, придерживающиеся второй точки зрения, утверждают, что быстрое проникновение глюкозы в клетку зависит от клеточной мембраны. Они утверждают, что молекулы инсулина, взаимодействуя с клеточной мембраной, изменяют ее свойства.

Лично мне больше по душе вторая точка зрения: если она верна, то можно объяснить деятельность гормонов вообще. Каждый гормон, взаимодействуя с мембраной клетки, способен управлять скоростью прохождения различных веществ через нее и тем самым контролировать функции всего организма.

Глава 11

Эти подвижные белки

В начале предыдущей главы я упомянул, что органические компоненты пищи делятся на три группы. Я рассказал об одной из этих групп: углеводах. Далее логично было бы перейти к белкам, потому что их метаболизм в организме происходит параллельно с метаболизмом углеводов.

Как правило, молекулы белков крупные и расщепляются при помощи кислот или ферментов. Таким же образом претерпевают изменение крупные молекулы крахмала или целлюлозы. Однако углеводы расщепляются на один тип молекул — глюкозу. Белки же расщепляются на несколько разных типов молекул. В основном это аминокислоты, о которых уже говорилось в главе 7. В белках содержатся девятнадцать различных аминокислот.

Аминокислоты, встречающиеся в природе, кроме углерода, водорода и кислорода, содержат атомы азота. В три из них включены также атомы серы. Все аминокислоты обладают сходными свойствами, различающимися только в деталях. Молекула каждой аминокислоты содержит центральный атом углерода, к которому с одной стороны прикреплена аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода и обладающая щелочными свойствами, а с другой стороны — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода, обладающая кислотными свойствами. Отсюда происходит название «аминокислота». К центральному атому углерода также прикреплен один атом водорода, а четвертую и последнюю связь соединяет центральный атом углерода с более или менее сложной группой атомов — боковой группой. Именно она различается у каждой из девятнадцати аминокислот.

Различные аминокислоты можно связать в цепь, соединив аминогруппу одной с карбоксильной группой другой. «Двойная аминокислота», полученная в результате слияния двух кислот, будет с одной стороны иметь свободную карбоксильную группу, а с другой — аминогруппу. Удлинение цепи может продолжаться с обеих сторон. Это не зависит от того, сколько аминокислот вступают в реакцию, если только оба конца аминокислотной цепочки не соединяются, образуя круг.

Серии аминокислот образуют единую цепочку, от которой отходят боковые группы. Каждая боковая группа обладает индивидуальными химическими свойствами, и общие свойства аминокислотной цепи зависят от распределения этих групп вдоль цепи. Это, в свою очередь, зависит от того, в каком порядке соединяются аминокислоты. Изменение последовательности порядка аминокислот в цепи неизменно приводит к иному распределению боковых групп и, как следствие, к изменению свойства всей аминокислотной цепи.

Количество вариантов соединения сотен и тысяч аминокислот поистине невероятно. Молекула белка, состоящая всего из девятнадцати различных аминокислот, может создаваться 120 000 000 000 000 000 различными путями. В действительности же в единые белковые молекулы соединяются не девятнадцать, а сотни и тысячи аминокислот.

Неудивительно, что существует бесчисленное множество разновидностей белков. У каждого живого существа есть свой набор белков, у каждого человека в тысячах реакций могут принимать участие тысячи различных белков. Сложность строения белков и некоторых родственных им соединений обусловливает всю подвижность и многообразие жизни. Даже мельчайшее различие в расположении аминокислот в белковой молекуле, как я уже отмечал в главе 7, может оказать важное воздействие на организм.

Даже если бы белки из пищи усваивались организмом в неизменном виде, чего не происходит, поскольку их молекулы слишком крупны, то они не принесли бы нам пользы. Белки быка не похожи на белки человека, а белки травы не имеют ничего общего с белками быков. Проникновение из желудочно-кишечного тракта в кровь чужеродных белков может нанести вред организму и даже вызвать смерть. Об этом будет подробнее рассказано в следующих главах.

Однако если белковые молекулы, присутствующие в пище, разрушаются до аминокислот, а те, попав в организм человека, соединятся в иной последовательности, образуя белки человека, то все будет в порядке. Именно так и происходит.

Оказавшись в желудке, пища смешивается с кислым желудочным соком. Кислота вызывает медленный гидролиз белковых молекул, но в желудочном соке также содержится фермент пепсин, который ускоряет процесс гидролиза.

Соседние аминокислоты в цепи объединены пептидными связями. Обычная кислота, находящаяся в желудке, может вызвать гидролиз любой пептидной связи, но пепсин вызывает гидролиз лишь связей между определенными аминокислотами.

Подвергнувшись воздействию пепсина и кислоты, молекулы белков, будучи расщепленными на пока еще довольно крупные фрагменты, покидают желудок и попадают в тонкую кишку. Эти фрагменты представляют собой также аминокислотные цепочки, только эти цепочки относительно малы по сравнению с цепями белков. В отличие от белков они называются пептидами.

В двенадцатиперстной кишке пептиды смешиваются с соком поджелудочной железы, который содержит два фермента — они, как и пепсин, являются протеазами, то есть ферментами, ускоряющими гидролиз пептидных связей. Это трипсин и химотрипсин. Каждый из них вызывает гидролиз только определенных пептидных связей. Однако пептидные связи, расщепляемые трипсином и химотрипсином, отличаются от тех, которые подвластны пепсину. Более того, даже эти два фермента также расщепляют разные пептидные связи.

В итоге пептидные связи, устоявшие перед пепсином и медленно действующим желудочным соком, быстро разрушаются под воздействием трипсина и химотрипсина. Прежде чем пища пройдет в глубь тонкой кишки, она уже будет представлять смесь пептидов, состоящих из двух, трех или четырех аминокислот.

Кишечный сок содержит многообразие катепсинов — специальных ферментов для гидролиза этих мелких пептидов, и на этой стадии белки наконец-то полностью расщепляются на отдельные аминокислоты, которые усваиваются организмом.

Помните, что все ферменты, упомянутые в этой книге, а также тысячи других, о которых не было сказано, являются молекулами белков. Они состоят из одних и тех же аминокислот, но в различных пропорциях и расположенных по-разному. Это прекрасный пример многообразия белковых молекул, о котором я уже говорил в этой главе.

Всосавшись в кишечнике, аминокислоты, так же как и глюкоза, попадают в воротную вену. После приема пищи содержание аминокислот в крови удваивается по сравнению с обычным уровнем. Примерно через шесть часов после еды этот уровень восстанавливается.

Однако в течение этого времени количество аминокислот в крови остается довольно низким по сравнению с их количеством, попавшим в воротную вену, потому что в печени аминокислоты, как и глюкоза, усваиваются и изменяются. Так же как из молекул глюкозы образуются гигантские молекулы гликогена, из молекул аминокислот в печени образуются гигантские молекулы белков.

Правда, аналогия не полная. Если большая часть глюкозы откладывается в печени про запас в виде гликогена, белки в печени не откладываются. В организме нет места, где бы мог запастись белок в ожидании непредвиденных ситуаций. Все белки постоянно так или иначе работают.

Белки, созданные печенью из аминокислот, попавших в нее через воротную вену, переходят обратно в кровь и растворяются в плазме. Это так называемые плазменные белки. Они не единственные протеины крови. Вспомните гемоглобин, тоже являющийся частью крови. Однако гемоглобин содержится в красных клетках. Плазменные протеины передвигаются свободно, растворившись в водной части крови. Их не ограничивают клеточные мембраны.

Плазменные белки подходят ко всем клеткам организма, и, как и глюкоза, захватываются ими. Клетки усваивают белки, расщепляют их до аминокислот и соединяют аминокислоты, образуя многообразие белков, которые необходимы нашему организму.

Но если белки не откладываются в печени, то как удается предотвратить попадание в кровь слишком большого количества плазменных белков? Где находится тонкий механизм, управляющий этим процессом, как в случае с глюкозой? Избыточная выработка белка происходит не столь часто, как избыточная выработка глюкозы, поскольку в пище обычно меньше белков и больше углеводов. Обычно богатая белками пища дороже, и ее употребляют реже.

Реакция организма на избыточное потребление белков проста. Печень может принять избыток аминокислот и подвергнуть их химическим изменениям, в результате которых удалятся атомы азота и образуется мочевина. Она попадает в кровь, оттуда в почки и выводится ими из организма, о чем говорилось в главе 8.

После удаления азота от аминокислоты остается фрагмент, содержащий атомы углерода, водорода и кислорода. Этот фрагмент расщепляется на углекислый газ, воду, при этом выделяется энергия, или сначала превращается в глюкозу, затем в гликоген, в виде которого и хранится в организме. Этот процесс называется гликонеогенезом (от греческого «рождение нового сахара», потому что представляет собой образование из вещества, не являющегося сахаром, гликогена, который дает начало сахару).

С другой стороны, предположим, что в организм поступает недостаточно белка. Что тогда происходит?

Все белки в организме работают, но в каждой ткани трудится чуть-чуть больше белковых молекул, чем этой ткани необходимо. В чрезвычайном случае, когда не хватает еды, каждая ткань жертвует частью своих белковых молекул. Причем отдаются менее важные белки, а сохраняются самые важные.

В этом процессе уменьшается масса тканей, но организм настолько аккуратно использует запасы белка и сохраняет то, что важно, что люди могут не есть в течение недель или жить, потребляя белки в количествах существенно меньших, чем минимальные, месяцами. Некоторые люди, обнаруженные в нацистских концлагерях войсками союзников, были похожи на живые скелеты, однако они выжили и вернулись к относительно нормальному образу жизни.

Естественно, если организм слишком долго не получает белков, то гибель неизбежна.