Еда как топливо

Для гурмана еда — источник удовольствия, а для его организма — топливо. Оно делится на три основных типа: углеводы, жиры и белки. Когда пища переваривается, сложные молекулы расщепляются до более простых: углеводы — до глюкозы, жиры — до жирных кислот, белки — до аминокислот.

Глюкоза — это простой сахар, который служит главным источником энергии для живых клеток.

Жирные кислоты — строительные блоки жиров. Они используются организмом для запасания энергии.

Аминокислоты — элементы, из которых строятся белки, важные для роста и восстановления живых тканей.

Почти во всех клетках человеческого организма есть свои «электростанции» — митохондрии. В этих крошечных «внутренних органах» клеток глюкоза и жирные кислоты превращаются в универсальную «валюту» энергии — молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Эти молекулы — как одноразовые батарейки: они хранят и раздают энергию на нужды организма, а когда «разряжаются», то разрушаются — и нужно запасти новые, обменяв на них питательные вещества из еды.

Главную роль в энергетическом обмене играет кислород. Взаимодействуя с ним, белки, жиры и углеводы превращаются в «батарейки» АТФ. Этот процесс похож на горение, только контролируемое, которое позволяет организму получать максимум энергии из пищи. Без кислорода расщепление питательных веществ тоже происходит, но неэффективно, вырабатывая в десятки раз меньше АТФ.

Например, при интенсивном беге мышцы способны получать энергию в режиме без кислорода — это называется анаэробным дыханием. Однако запас энергии при этом быстро истощается, а в тканях накапливается молочная кислота, вызывая ощущение жжения.

Куда уходит наша энергия

Энергия в организме циркулирует в разных формах: химической (АТФ), тепловой, механической, электрической. Она расходуется на работу внутренних органов, поддержание температуры тела, движение мышц и электрическую активность нервных клеток.

Базовый обмен. Даже если человек отдыхает, его организм работает. Мозг расходует около 20% всей энергии даже во время сна, печень — 25%, сердце — около 10%. Эти органы составляют всего 7% от массы тела, но на их работу уходит до 80% всей энергии.

Движение и мышцы. Мышцы не так «прожорливы», как кажется: они требуют лишь 20–25% энергии, а остальное рассеивается в виде тепла. При физической нагрузке мы разогреваемся и потеем — с помощью пота организм избавляется от излишков тепла, словно автомобиль при помощи радиатора.

Выработка тепла. Чтобы ферменты и клетки работали нормально, организм поддерживает температуру около 36,6 градусов. Если становится холодно, тело активирует механизмы согревания: мышцы незаметно сокращаются, а в мороз мы начинаем дрожать — это экстренный способ обогрева.

Нервные импульсы. Мысли тоже требуют энергии. Передача сигналов между нейронами — это электрический процесс, на который уходит до пятой части всей энергии организма. Когда мы напряженно думаем или решаем сложные задачи, потребление энергии мозгом возрастает иногда до 30%. Усталость после умственного труда связана не с потерей калорий, а с истощением психической энергии и снижением уровня глюкозы в крови.

Если бы вы подключились к собственному нервному сигналу, он выглядел бы как слабый электрический разряд. На этом основан метод электрокардиограммы — электроактивность организма позволяет увидеть биение сердца. Некоторые животные научились выдавать сильные электрические разряды. Например, электрический угорь генерирует разряд до 600 вольт — достаточно, чтобы оглушить добычу.

Эмоции тоже влияют на энергозатраты. В стрессовой ситуации организм вырабатывает гормон адреналин, ускоряя сердцебиение и высвобождая глюкозу, чтобы мгновенно мобилизовать силы: бей или беги! Однако хронический стресс, наоборот, заставляет организм запасать энергию — в том числе в виде жира.

Какое «топливо» лучше

После сытного обеда организм не всегда тратит всю полученную энергию — он умеет ее накапливать. Главный быстрый резерв — гликоген. Это соединение из группы простых сахаров, которое хранится в печени и мышцах. Если уровень сахара в крови падает, гликоген расщепляется до глюкозы и питает клетки. Его запасы невелики: человек расходует гликоген за несколько часов активной работы.

— Быстрые углеводы (сладости, белый хлеб) действуют как экстренная заправка: быстро повышают уровень сахара в крови и дают прилив бодрости. Однако это как топливо некачественное, ведь уровень сахара так же быстро падает — и мы снова становится голодны и вялы, — объясняет нутрициолог, президент Национального союза содействия формированию и развитию культуры здорового питания детей и подростков Ольга Панова. — Чтобы этого избежать, лучше выбирать сложные углеводы (цельнозерновые продукты, овощи) — они расщепляются постепенно, они обеспечивают длительную работоспособность.

Более масштабное хранилище энергии — жировая ткань. Жир запасает энергию эффективнее, чем углеводы, и в голодную пору питает организм дни и даже недели. Благодаря жировым запасам медведи впадают в спячку, верблюды обходятся без пищи в пустыне.

Жиры — самое энергоемкое топливо для организма: один грамм дает около девяти килокалорий, тогда как углеводы и белки — по четыре килокалории. Однако жир расщепляется медленно, поэтому организм использует его в последнюю очередь. Углеводы — это быстрое топливо: их энергия сразу поступает в кровь и дает мгновенный прилив сил.

С жирами организму приходится повозиться: их расщепление — процесс длительный и сложный, как сложить кубик Рубика. Жиры начинают усваиваться лишь в кишечнике. При этом переваривание углеводов начинается уже во рту — с фермента амилазы.

Ольга Панова, нутрициолог, президент Национального союза содействия формированию и развитию культуры здорового питания детей и подростков

При этом углеводы и углеводороды — химические родственники: оба состоят из углерода и водорода и выделяют энергию при соединении с кислородом. В этом плане человеческий организм работает по тому же принципу, что и двигатель внутреннего сгорания: мы «сжигаем» глюкозу в клетках, как машина — бензин в цилиндрах, и получаем энергию, углекислый газ и воду.

— Чтобы наша биомашина прослужила как можно дольше, главное — заправлять ее качественным «топливом» и вовремя проводить «техобслуживание», — добавляет Ольга Панова.

Флуоресцентная гибридизация и выявление бактерий

Ученые из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в Южной Корее представили новый метод диагностики известный как флуоресцентная гибридизация in situ (FISH), с использованием искусственных полимеров, в том числе и пептидной нуклеиновой кислоты (ПНК). Частицы кислоты действуют как зонды для связывания с различными генетическими последовательностями внутри бактерий. Когда две молекулы зонда связываются с целью, они испускают флуоресцентный сигнал, который, по сути, раскрывает присутствие конкретных патогенов.

Техника флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) позволяет быстро обнаруживать и идентифицировать микробы на основе их вариаций в геномной последовательности без трудоемкого культивирования или секвенирования. Однако недавний взрыв микробных геномных данных усложнил разработку подходящего набора зондов для микробных смесей. Мы разработали новый набор зондов FISH на основе пептидной нуклеиновой кислоты (PNA) с оптимальной целевой специфичностью, проанализировав вариации в последовательности рибосомальной РНК 16S у всех видов бактерий.

Из материалов исследования.

В лабораторных условиях FISH точно распознал семь видов бактерий, которые обычно живут в наших телах: Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa  Staphylococcus aureus. Тест оказался на 99% точным для всех видов бактерий, кроме S. aureus — патогена, который инфицирует кожную ткань, — его показатель успешности 96,3%.

Простой результат и титаническая работа за ним

Обнаружение основано на резонансном переносе энергии Фёрстера (FRET) между парами соседних связывающих зондов PNA, что исключает перекрестные помехи между видами. Быстрая последовательная идентификация видов была реализована с использованием химически расщепляемых флуорофоров без ущерба для точности обнаружения. Благодаря своей выдающейся точности и повышенной скорости этот набор методов демонстрирует большой потенциал для клинического использования.

Из материалов исследования.

Хоть решение может показаться довольно простым, но за разработкой технологии стоит титаническая работа. Команда проанализировала 19 885 известных генетических последовательностей 14 614 видов бактерий, затем разработала видоспецифичные последовательности PNA для нацеливания на рибосомальную РНК бактерии. Зонды PNA имеют явные преимущества по сравнению с традиционными зондами ДНК и могут проходить через клеточные стенки патогена. Наличие двух зондов, связанных с одним и тем же патогеном, повышает точность, особенно в случаях, когда болезнь вызвана несколькими патогенами.

FISH выдает результаты менее чем за три часа. Обычные диагностические инструменты — анализы крови и полимеразная цепная реакция (ПЦР) — могут занять от нескольких дней до нескольких недель. Для пациентов, борющихся с критически важными по времени, опасными для жизни инфекциями, такими как сепсис, критически важно диагностировать первопричину и начать лечение как можно скорее.

Быстрое получение результатов также может помочь избежать назначения пациентам неправильных антибиотиков.

Теперь команда проведет дополнительные испытания образцов крови, взятых у больных пациентов, чтобы оценить, насколько хорошо метод FISH может работать в клинических условиях.

Как всегда, больше материалов о биотехнологиях, мозге, природе нашего тела и возможностях организма – читайте в материалах Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие статьи!