Просто про складне нічого, що наша ДНК наполовину збігається з ДНК банана

Біохімія - порівняно молода дисципліна, офіційно виникла лише на початку минулого століття. Але як наука про хімічний склад організмів та процесах, що лежать в основі їх життя, вона вже встигла відповісти на багато що цікавлять людство питання. Аспірантка лабораторії комп'ютерного дизайну матеріалів МФТІ, PhD-студентка Сколтеха Анастасія Наумова розповіла TP, чому саме вуглець вважається основою життя і чи може азот зайняти його місце, а також пояснила, чому немає сенсу позбавлятися від холестерину і займатися спортом менше півгодини.

Почнемо з початку: все життя на планеті складається з чотирьох основних типів речовин: білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Прикладом такої кислоти служить всім відома молекула ДНК, яка є полімером. Найпростіше пояснення структури полімеру - намиста. Як намиста складаються з намистин, так і полімер складається з мономерів. ДНК складається з послідовності блоків - нуклеотидів, а вони, в свою чергу, з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи. Всього існує чотири типи азотистих основ: аденін, гуанін, тимін і цитозин, при цьому аденін з'єднується тільки з тиміном, а гуанін - тільки з цитозином, це називається принципом комплементарності. Видове різноманіття життя на Землі, наші відмінні риси (колір очей, волосся, стан шкіри і навіть характер) залежать від взаємного розташування тих самих чотирьох азотистих основ в ланцюжку ДНК. За дивним збігом обставин наша ДНК на 50% збігається з ДНК банана, а на 35% - з ДНК нарциса, але що це означає на практиці для нас? Та нічого, в принципі. Подібність ДНК означає, що у нас і у банана є певна кількість однакових кодують ділянок з нуклеотидів. Процеси передачі і реалізації інформації коротко описуються основний догмою молекулярної біології: з ДНК синтезується РНК, з РНК синтезується білок. Синтез білка є одним з основних життєво необхідних процесів: білок необхідний нам для росту, розвитку, регенерації, і він також є ферментом.

Люди з азоту

Як уже згадувалося, життя складається з чотирьох основних типів речовин, один з яких - білок. У свою чергу, білок складається з амінокислот. Структура амінокислоти досить проста: це вуглецевий каркас, на який кріпляться атоми кисню, азоту, водню, вуглецю і іноді сірки. Амінокислоти кріпляться одна до одної в порядку, закодованому в ДНК, становлять ланцюжки необмеженої довжини, і виходить білок. Отже: у кожної амінокислоти є вуглецевий скелет, тобто білок складається в основному з вуглецю, а без білка наше життя неможливе. Саме звідси і з'явилася теза, що життя на нашій планеті вуглецева. Але в таблиці Менделєєва елементів більше, ніж один, і виникає питання: чи може життя бути зав'язана на іншому елементі? І якщо так, то на якому? Відповідь напрошується сам собою: логічно було б спробувати розглянути елемент, близький до вуглецю, але з великою кількістю електронів, а саме азот. Додатковий електрон зручний тим, що азот має більше ступенів окислення, - отже, на його основі можна створити більше з'єднань. Крім цього, азот утворює зв'язки такого ж типу, як і вуглець. Що ж буде, якщо ми спробуємо скласти з азоту довгий ланцюжок? На жаль, ми отримаємо не новий тип життя, а найпотужнішу з неатомних вибухівок - гніву (гексанітрогексаазаізовюрцитан). Проблема в тому, що полімери азоту нестабільні в умовах нашої планети, для їх стабільності необхідно набагато більш високий тиск, ніж атмосферний тиск Землі. Але Всесвіт величезна, і в більшості місць тиск більше, ніж земне. Комп'ютерне моделювання атмосфери Юпітера показало, що полімери з азоту на цій планеті будуть навіть більш стабільною, ніж з вуглецю. І таких місць з відповідними умовами набагато більше, ніж одне. Так що хто знає - може бути, у Всесвіті вже давно існують азотні люди.

Біологія в побуті

Крім візіонерських питань про азотної життя, біохімія дає відповідь на більш насущні запити - наприклад, як правильно займатися спортом і яким саме. Щоб розібратися, звернемося до такої складної схеми, як цикл Кребса. За її відкриття Ханс Кребс спільно з Фріцем Ліпманом в 1953 році отримали Нобелівську премію з медицини. Коротко суть схеми можна передати тезою «жири горять у полум'ї вуглеводів». З цього пояснення йдуть деякі важливі твердження:

Нам необхідні вуглеводи

Якщо немає вуглеводів, а фізичне навантаження присутній, організм починає руйнувати свій білок, щоб добути вуглеводи з нього. Руйнування білка - це руйнування м'язової тканини, в той час як основна мета тренувань полягає в зворотному. Варто відзначити, що вуглеводи нам потрібні складні, або повільні, що складаються з трьох і більше моносахаридів, одиниць будови вуглеводів. Складні вуглеводи містяться в крупах, картоплі, печінки, бобових. Вживання цих продуктів поступово підвищує рівень глюкози в крові, і організм встигає справлятися з її переробкою. На відміну від повільних вуглеводів, швидкі складаються з одного або двох моносахаридів. Вони різко підвищують рівень цукру в крові, а потім осідають у вигляді жиру, тому що організм не може відразу переробити таку велику надходження глюкози.

Для підтримки горіння (а по факту - окислення) жирів нам необхідний кисень

З точки зору енергетичних витрат аеробні навантаження (тобто з надходженням великої кількості кисню) в 19 разів ефективніші для спалювання жиру, ніж анаеробні (тобто майже безкисневі), так що користь від присутності кисню очевидна. Якщо ви все ще сумніваєтеся, що для спалювання жиру краще бігати, ніж піднімати штангу, то ось ще одна причина, і ім'я їй - пировиноградная кислота, яка є кінцевим продуктом розпаду глюкози. Подальший метаболізм кислоти залежить від наявності повітря. При аеробному варіанті вона втягується в уже згаданий нами цикл Кребса, крутиться в ньому, що кожен раз дає нам енергію для продовження тренування. Раніше вважалося, що тільки в анаеробному варіанті, тобто без доступу кисню, піровиноградна кислота перетворюється в добре знайому всім молочну кислоту - саме вона викликає біль у м'язах після тренування. Згідно з останніми дослідженнями, виноградна кислота може з'являтися і при анаеробної тренуванні, але тільки при навантаженнях, що перевищують 50% від максимального рівня витривалості людини. При такій інтенсивної навантаженні жир знову перестає спалюватися, і руйнуються вже вуглеводи, що призводить до появи молочної кислоти. Хороша новина в тому, що більшість тренувальних програм побудовано так, щоб пік навантаження не перевищував той самий поріг 50% від максимуму можливостей.

По-справжньому аеробних виду спорту всього чотири: біг, плавання, біг на лижах і веслування. Саме при занятті цими видами спорту задіяно понад 70% від загального числа м'язів, і в організм надходить достатня кількість кисню. Крім кількості задіяних м'язів, важлива тривалість навантаження. На самому початку тренування йде оборотна реакція розщеплення креатинфосфату для підтримки енергії в організмі. Креатинфосфат переважно міститься в м'язової і нервової тканини, і його запасів вистачає приблизно на перші 20 секунд тренування. Після розкладання креатинфосфату найпростішим з точки зору організму варіантом отримання енергії є розщеплення глюкози. У наших клітинах глюкоза зберігається у формі глікогену, який при навантаженні починає розщеплюватися слідом після креатинфосфату. Потім, коли організм витратив весь доступний запас глікогену, включається більш складна реакція розщеплення жиру. В середньому глікогену вистачає на 20-30 хвилин, в залежності від рівня підготовленості людини. Саме тому, якщо ви хочете схуднути, важливо, щоб тренування була тривалою, не менше півгодини.

Хороший, поганий, злий холестерин

Не пропустіть таку лекцію:

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