Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Время вопроса на миллион долларов: как вы худеете на самом деле? Куда после сжигания девается жир? Если вы были достаточно внимательны, то обратили внимание на факт, что при сжигании АТФ мы выделяем углекислый газ. А это означает, что сжигаемые жиры, белки и углеводы выходят из вашего организма при выдохе.

Можете в это поверить? Вы выдыхаете продукты разложения жира. И худеете. Конечно, когда вы потеете или идете в ванную, жир выходит в виде пота. В остальных случаях вы буквально выдыхаете жир во время (и после) тренировки.

И хотя благодаря тренировкам вы можете получить подтянутое, стройное и здоровое тело, лучшая часть любой тренировки лично для меня – это прилив адреналина. Эпинефрин, обычно называемый адреналином, является гормоном, полученным из аминокислот. Он имеет молекулярную формулу C₉H₁₃NO₃. В молекуле находится одно шестичленное кольцо и три спиртовые функциональные группы, придающие эпинефрину уникальные свойства. В человеческом теле эпинефрин выделяется надпочечниками, расположенными, как вы уже догадались, над почками.

Любопытно, что при попадании в кровоток эпинефрин может по-разному взаимодействовать с тканями и органами нашего тела. Например, при выбросе адреналина увеличивается частота дыхания и происходит вазодилатация (открытие кровеносных сосудов). Но в других частях тела выброс адреналина может вызвать сужение сосудов или мышечные сокращения.

Благодаря этим свойствам адреналин часто спасает жизни. Например, если у человека на что-то внезапно возникает сильная аллергическая реакция, то можно использовать автоинъектор адреналина – эпипен – для инъекции во внешнюю часть бедра человека в состоянии анафилактического шока. Раствор адреналина сразу же проникает в мышцу и попадает в кровоток. Затем происходит сужение сосудов (повышается артериальное давление) и раскрытие легких, благодаря чему человек снова может дышать.

В тренажерном зале выброс адреналина происходит естественным образом. После интенсивной тренировки наш организм начинает вырабатывать адреналин, а также другой гормон – дофамин. Эта молекула является «наградой» для тела, когда достигается какая-то цель (например, час интенсивных тренировок).

Молекулы дофамина похожи на молекулы адреналина, однако у них есть только две спиртовые группы (OH). Эти молекулы растворимы в воде, так что они с легкостью перемещаются по всему телу, достигая дофаминовых рецепторов. А когда дофамин доходит до рецепторов, вы начинаете чувствовать эйфорию. У некоторых людей (как я) от этого чувства может выработаться зависимость. Зависимость может быть настолько сильной, что у человека формируется поведение, мотивированное вознаграждением: например, так себя ведут спортсмены, усердно тренирующиеся в тренажерном зале, или танцоры, практически живущие в студии. Одной мысли о награде достаточно для того, чтобы вызвать выброс дофамина. Именно поэтому ученые не могут точно сказать, что адреналиновые наркоманы ищут «дозу адреналина». Вместо этого они считают, что некоторые люди склонны идти на большой риск, не заботясь о физической или социальной безопасности, так как их тела требуют вознаграждения в виде дофамина. Мы должны называть таких людей «дофаминовыми наркоманами».

Адреналин – это настолько сильная и мощная молекула, что даже считается, будто он наделяет людей «суперсилой». В 2019 году 16-летний футболист из Огайо услышал крики о помощи. Оказалось, что мужа соседки придавила 3000-фунтовая машина. Парень бросился к месту происшествия и поднял машину, чтобы пострадавшего можно было переместить в другое место. И все из-за выброса адреналина!

Именно поэтому некоторые спортсмены используют препараты, в которых есть адреналин. Это связано с тем, что адреналин повышает выносливость и силу. В некоторых видах спорта сила, выносливость и реакция имеют огромное значение, из-за чего у недобросовестных спортсменов появляется преимущество перед конкурентами.

Но адреналин очень редко находится в нашем теле в одиночку. Вместе с ним организм выделяет другой гормон – кортизол. Эта молекула вызывает повышение артериального давления и сахара в крови, а также помогает преобразовать жир в энергию. По правде говоря, когда происходит выброс кортизола, наши мышцы подготовлены к быстрым и тяжелым движениям, например прыжкам в длину или берпи.

Кортизол – это стероидный гормон с типичной для стероидов структурой из четырех углеродных колец, соединенных между собой. С одной стороны молекулы к кольцам прикрепляется кетон (C=O), а с другой – спиртовые группы (OH). Так как атомы кислорода в молекуле распределены равномерно, кортизол неполярная молекула. Соответственно он будет образовывать дисперсионные взаимодействия с соседними молекулами.

В нашем организме кортизол выполняет несколько разных функций. В зависимости от расположения он влияет на работу той или иной части тела. Например, может повысить концентрацию сахара в крови или повлиять на работу вашего метаболизма. В отличие от адреналина или подобных ему гормонов, стероидные гормоны могут растворяться в жирах (но не растворяются в воде), так как они являются неполярными молекулами.

Кортизол играет главную роль в глюконеогенезе – процессе образования глюкозы из несахаров. Как мы уже говорили ранее, глюкоза – это идеальный источник энергии. Если в вашем организме «нет» сахара, то происходит глюконеогенез, в ходе которого образовывается глюкоза из жиров и белков.

Именно поэтому адреналин и кортизол – два основных гормона, которые выделяются во время стрессовой ситуации. Не важно, делаете ли вы утреннюю зарядку или убегаете от толпы плохих парней, ваше тело будет одинаково реагировать на обе ситуации.

А помните, что я говорила про то, что адреналин растворяется в воде, а кортизол – в жирах? Все из-за того, что они обладают разной полярностью. Адреналин – это полярная молекула, значит, он может перемещаться в теле по кровотоку. А вот кортизол – неполярная молекула, поэтому ему нужно использовать белки, которые переместят его к жировым клеткам.

Когда на своих лекциях я затрагиваю тему гормонов, мои студенты-спортсмены задают вполне логичный вопрос: бегуны чувствуют эйфорию из-за адреналина и кортизола? Я неохотно отвечаю типичным «Да, но…», ведь существует множество разных переменных. Например, если наше тело находится в состоянии стресса, например, при беге по пересеченной местности или игре в футбол, то оно в том или ином количестве выделяет адреналин и кортизол. Но оно также выбрасывает в кровь эндорфины.

Впервые эндорфины были выделены в 1960-х годах; тогда биохимик Чо Хао Ли занимался изучением высушенных гипофизов пятисот разных верблюдов. Он пытался найти особую молекулу, ответственную за метаболизм жира, но его исследования ничего не дали. Зато он открыл полипептид, который позже стал известен как бета-эндорфин. Но тогда Чо Хао Ли не был в нем заинтересован, так что просто поместил его в емкость и положил на хранение.

Спустя пятнадцать лет Ли услышал об исследованиях, проведенных биохимиком Гансом Костерлицем и нейробиологом Джоном Хьюзом. Они открыли пентапептид – молекулу с пятью связанными аминокислотами – под названием энкефалин. Узнав об этом, Ли достал сохраненный бета-эндорфин, чтобы проверить, есть ли в нем энкефалин. Да, энкефалин там был. Тогда Ли решил проверить болеутоляющие свойства энкефалина, сравнив его с героином и оксикодоном. Введя его в мозг, он приятно удивился: в зависимости от места инъекции эффект от энкефалина был от восемнадцати до тридцати раз сильнее эффекта от морфина. К сожалению, выяснилось, что энкефалин вызывал гораздо бо́льшее привыкание, чем морфин, так что Ли отказался от идеи использовать его для создания лекарства.

Со временем ученые начали называть энкефалин и остальные эндогенные нейропептиды общим термином эндорфины. Проще говоря, если молекула обладала обезболивающими свойствами и вызывала кайф, то это вещество можно было называть эндорфином.

Наш организм производит три различных типа эндорфинов: α-эндорфин (альфа), β-эндорфин (бета) и γ-эндорфин (гамма). Молекула α-эндорфина представляет собой цепь из шестнадцати связанных аминокислот. Молекула γ-эндорфина практически ничем не отличается от α-эндорфина, только в конце цепи у него есть дополнительная аминокислота лейцин.

β-Эндорфин представляет собой крупную молекулу, состоящую из тридцати одной аминокислоты. Первые шестнадцать аминокислот идентичны аминокислотам α-и γ-эндорфинов. Следующие пятнадцать аминокислот являются смесью лейцина, фенилалалина, лизина и глутаминовой кислоты. Однако, в отличие от других эндорфинов, β-эндорфин оказывает разные эффекты на человеческий организм. В ходе исследований, например, выяснилось, что β-эндорфин понижает уровень стресса в случае, если человек испытывает голод или боль. Он также активирует «систему вознаграждения» в нашей психике и отвечает на некоторые виды сексуального поведения.

В 1980-х годах ученые нашли связь между β-эндорфином и тем, что позже стало известно как «эйфория бегуна». Они обнаружили, что при интенсивных тренировках наш организм вырабатывает β-эндорфины, которые помогают нам справляться с болью. Если во время тренировки мы испытываем сильную боль, то болевые рецепторы используют особую молекулу – субстанцию Р – для отправки сигнала через спинной мозг в головной. В то же время тело посылает β-эндорфины – медиков на поле боя – для облегчения боли. Эндорфины образуют связь с опиоидными рецепторами в спинном мозге, не давая субстанции Р образовать связь с теми же рецепторами. Эта химическая реакция – один из важнейших шагов по уменьшению боли.

Когда мы выполняем действительно интенсивную тренировку, например бегаем или поднимаем большой вес, то значительная часть эндорфинов будет связана с опиоидными рецепторами в нашем мозгу. Благодаря этой химии мозга у нас появляется чувство эйфории, которое мы испытываем сразу после тренировки. Когда человек переживает особенно напряженный период или момент в жизни, то выброс эндорфинов может привести к сильной эмоциональной разрядке. Просто посмотрите видео, где гимнастка Эли Райсман заканчивает вольные упражнения на Олимпийских играх 2012 года. Когда она завершила последний элемент, то расплакалась, понимая, что стала первой американкой, получившей золотую медаль в вольных упражнениях.

В 2012 году я бы объяснила ее повышенную эмоциональность высокой концентрацией эндорфинов, связанных с опиоидными рецепторами. Но в 2015 году группа немецких ученых выяснила, что эндорфины не могут преодолеть гематоэнцефалический барьер. Несмотря на то, что эндорфины уменьшают чувство боли и тревогу, они не могут вызывать чувство эйфории после интенсивной тренировки. Эти результаты заинтересовали ученых, и в ходе дополнительных экспериментов они выяснили, что это молекула анандамида через кровоток попадает в мозг и вызывает повышение настроения.

А что такое анандамид?

Анандамид – это молекула жирной кислоты, которая связывается с каннабиноидными рецепторами. Это те же самые рецепторы, которые образуют связи с каннабисом, или коноплей (марихуана) при их употреблении. Название происходит от слова ананда, означающего «блаженство» и «счастье». Ее иногда так и называют – «молекула блаженства». Интересный факт: эта молекула была обнаружена совсем недавно, когда проводились исследования марихуаны. Ученые хотели выяснить, как «травка» (тетрагидроканнабинол, или ТГК) действует на человеческий организм; в итоге они узнали практически все о каннабиноидных рецепторах.

Оказывается, каннабис взаимодействует с каннабиноидными рецепторами точно так же, как опиоиды взаимодействуют с опиоидными рецепторами. Но есть одно большое различие. Если связь между опиодидом и опиодными рецепторами чрезвычайно сильная, то связь между каннабисом и каннабиноидными рецепторами очень легко разрушить. Связь конопли с рецепторами разрушается за довольно короткий период времени, так что рецепторы не могут создать зависимость от нее. Подобный характер взаимодействия и является причиной того, почему от «травки» не возникает настолько сильной зависимости, как от героина или оксиконтина.

Однако как это относится к тренировкам? Ну, причина, по которой бегуны чувствуют эйфорию небольшой период времени, – слабые связи между анандамидом и каннабиноидными рецепторами. Эти связи недостаточно прочные, так что они быстро ломаются; в этот момент чувство эйфории начинает уменьшаться. А после того, как оно пропадет вовсе, бегун чувствует кое-что другое: боль.

Я перенесла четыре операции на передней крестообразной связке на колене, так что после упражнений чаще всего я чувствую боль именно в коленях. С годами я перестала выполнять любые упражнения с прыжками, но иногда мои колени болят просто так. В таких случаях я принимаю безрецептурное обезболивающее.

Но что из себя представляет обезболивающее? Как именно их молекулы работают в нашем теле?