Богиня глюкозы. Нормализуйте уровень сахара в крови, чтобы изменить свою жизнь

Миллионы лет назад поверхность нашей планеты была покрыта голыми скалами, водой и грязью. Единственными формами жизни на ней были бактерии и морские беспозвоночные. Никаких деревьев, птиц, млекопитающих или людей не существовало.

Но однажды в одном из уголков этой голубой планеты, возможно, там, где сейчас находится Южная Африка, произошло чудо. После миллионов лет проб и ошибок сквозь земную кору пробился нежный росток, который выпустил крошечный листочек и открыл новую главу в истории развития жизни.

Что это, если не чудо? Но как слабый росток смог его сотворить?

Когда-то люди называли растения пожирателями почвы, которые создавали сами себя из грязи. В 1640-х годах фламандский ученый Ян Баптиста ван Гельмонт попытался выяснить, так ли это на самом деле. Он провел пятилетний опыт, известный как эксперимент с ивой, в результате которого человечество узнало две вещи: во-первых, что ван Гельмонт обладал неистощимым терпением; во-вторых, что растения не создают себя из грязи.

Ван Гельмонт посадил ивовую ветвь весом в 5 фунтов (2,268 килограмма) в большую кадку, наполненную 200 фунтами (90,718 килограмма) почвы. В течение следующих пяти лет он поливал ветку дождевой водой и наблюдал, как она росла. За это время из ветки выросло дерево, которое он извлек из кадки и взвесил: вес растения составил 169 фунтов (76,657 килограмма), то есть увеличился на 164 фунта (74,389 килограмма). Но самое главное в том, что вес почвы практически не изменился[3]. Это означало, что 164 фунта древесной массы должны были взяться откуда-то еще.

Так как же растения создают свои… тела, если не из почвы? Давайте вернемся к крошечному ростку, который только что увидел лучи солнца, и дадим ему имя – Джерри.

Джерри стал первым, кто придумал очень элегантное решение: создавать ткани тела не из почвы, а из воздуха. Джерри соединил углекислый газ (взятый из воздуха) с водой (она была извлечена из почвы, но фактически не являлась почвой) и использовал солнечную энергию, чтобы синтезировать невиданное ранее вещество, которое он применил для строительства новых частей самого себя. Сейчас мы называем это вещество глюкозой. Без глюкозы не было бы ни растений, ни жизни.

Эксперимент с ивой доказал, что растения созданы не из грязи

На протяжении сотен лет после эксперимента с ивой орды исследователей, пытавшихся понять, как происходит развитие растений, проводили бесчисленные эксперименты со свечами, герметично закрытыми банками и множеством видов водорослей.

В конце концов разгадку нашли трое американских ученых: Мелвин Кальвин, Эндрю Бенсон и Джеймс Бассам. (За это открытие Кальвин в 1961 году получил Нобелевскую премию по химии.) Открытый ими процесс получил официальное название «цикл Кальвина – Бенсона – Бассама». Со временем вместо этого громоздкого названия в практику был введен термин «фотосинтез», означающий процесс превращения углекислого газа и воды в глюкозу с помощью солнечной энергии.

Я немного завидую тому, как растения это делают. Им не нужно тратить время на посещение продуктовых магазинов. Они сами создают себе еду. С точки зрения человека, это равнозначно способности вдохнуть молекулы воздуха, посидеть на солнышке и приготовить прямо в желудке чечевичную похлебку, без необходимости искать для нее ингредиенты, варить и глотать.

В процессе фотосинтеза растения превращают солнечный день в глюкозу и используют эту глюкозу для создания своих частей, таких как корни, листья и плоды

Растения могут либо расщеплять глюкозу, чтобы использовать ее как источник энергии, либо сохранять ее молекулы в нетронутом виде, как строительные кирпичики. Чтобы дать вам представление об их размере, скажу лишь, что в точке на конце этого предложения могло бы разместиться 500 тысяч молекул глюкозы. Ее можно использовать для формирования жесткого ствола растения, гибких листьев, тонких корней или сочных плодов. Точно так же, как из одного и того же химического элемента (углерода) могут быть созданы алмаз и карандашный грифель, растения могут производить из глюкозы множество разных вещей.

Сильный крахмал

В число веществ, которые растения могут создавать из глюкозы, входит крахмал.

Живые растения постоянно нуждаются в энергии. Но когда на небе не светит солнце – либо из-за облачности, либо в темное время суток, фотосинтез не может происходить и обеспечивать растения глюкозой, необходимой им для выживания. Чтобы справиться с этой проблемой, растения производят дополнительную глюкозу в светлое время суток и создают ее резервы для последующего использования.

Однако хранение глюкозы является непростой задачей. Глюкоза имеет обыкновение рассеиваться во всех направлениях, подобно детям на игровой площадке во время школьной перемены. Школьники разбегаются в разные стороны, как правило, бесконтрольно и непредсказуемо, но перед началом следующего урока учителю удается их собрать и заставить более или менее смирно сидеть за партами. У растений есть такие же надежные способы сбора «разбежавшейся» глюкозы. Для этого они мобилизуют микроскопические молекулы, которые называются ферментами и играют роль помощников учителя. Они захватывают молекулы глюкозы и заставляют их, словно детей, образно говоря, взяться за руки. В результате получается длинная цепочка из нескольких сотен или тысяч молекул, которые больше не носятся сломя голову в случайных направлениях.

Эти цепочки глюкозы называют крахмалом. В такой форме ее небольшие количества могут храниться в разных местах растений, но в основном в корнях и корнеплодах.

Чтобы сохранить глюкозу, растения собирают ее в длинные цепочки, именуемые крахмалом

Свекла, картофель, морковь, сельдерей, пастернак, турнепс, хикама[4] и ямс – все это корнеплоды, и все они содержат крахмал. Кроме того, много крахмала есть в семенах, чем обеспечивается запас энергии, необходимой им, чтобы прорастать и превращаться в растения. Рис, овес, кукуруза, пшеница, ячмень, фасоль, горох, чечевица, соевые бобы и нут – все это семена, и все они тоже содержат крахмал.

Молекулярные связи в цепочках крахмала очень сильны. Видимо, не зря английское слово starch (крахмал) происходит от немецкого Stärke, означающего «сила».

Корнеплоды и семена насыщены крахмалом

Однако сила этих связей не делает крахмал неразрушимым. С помощью подходящего инструмента его можно разделить на части. Всякий раз, когда растениям требуется глюкоза, они активируют фермент альфа-амилазу, который направляется к корням и вырывает из цепочек крахмала необходимое количество молекул глюкозы. Таким образом они высвобождают глюкозу, готовую к использованию в качестве источника энергии или строительного материала.

Прочная клетчатка

Еще один фермент (их существует довольно много) растения могут использовать для выполнения другой задачи: создания волокон клетчатки. Вместо того чтобы заставлять молекулы глюкозы соединяться, «взявшись за руки», и образовывать цепочки крахмала, этот фермент побуждает молекулы глюкозы держаться «руками» за «ноги» соседних молекул; полученная цепочка называется клетчаткой. Это вещество выполняет функцию цементного раствора, скрепляющего кирпичные стены дома. Оно позволяет растениям тянуться вверх, не падая на землю. Больше всего клетчатки содержится в стволах, ветвях, цветках и листьях, однако в корнях и плодах она тоже присутствует.

Больше всего клетчатки содержится в стволах, ветвях и листьях

Люди нашли клетчатке широкое практическое применение: еще в Древнем Египте ее собирали и перерабатывали в папирус. Сегодня ее извлекают из стволов деревьев, полимеризуют и превращают в листы и пачки бумаги. Если вы читаете эти слова в бумажной книге, значит, это книга о глюкозе, напечатанная на глюкозе.

Соблазнительная фруктоза

Если вы лизнете глюкозу, то почувствуете, что у нее сладкий вкус. Помимо этого, многие растения преобразуют некоторую часть производимой глюкозы в еще более сладкие молекулы фруктозы, которая примерно в 2,3 раза слаще глюкозы.

Растения насыщают фруктозой свисающие с их ветвей плоды – яблоки, вишни, киви и т. д. Предназначение фруктозы в том, чтобы сделать вкус этих плодов (фруктов и ягод) привлекательным для животных. Чем это объясняется? Тем, что в плодах находятся семена. В этом ключ к успешному расширению ареала произрастания: растения надеются, что животные съедят плоды, а семена останутся непереваренными. Через какое-то время они будут выведены из пищеварительной системы едоков и попадут в почву. Именно таким образом обеспечивается выживание и распространение различных видов растений.

Фрукты и ягоды насыщены фруктозой

Так используется основная часть производимой растениями фруктозы, но некоторое ее количество, с помощью другого фермента, на какое-то время соединяется с глюкозой, образуя вещество, называемое сахарозой. Последняя помогает растениям повысить концентрацию энергии (молекула сахарозы немного меньше, чем расположенные в ряд молекулы глюкозы и фруктозы, и это позволяет растениям накапливать больше энергии в меньшем пространстве). Для растений сахароза – оригинальное временное хранилище энергии, но для людей она тоже очень важна. Мы каждый день употребляем ее в виде столового сахара.

Крахмал, клетчатка, фруктоза и сахароза являются разными формами глюкозы и существуют благодаря фотосинтезу. Этот изобретенный Джерри элегантный процесс проложил путь для всех прочих форм жизни на нашей планете.

3

Семейное дело

Как глюкоза попадает в кровоток

Изобретенная растениями система сжигания глюкозы дала толчок к появлению всех живых существ, от динозавров до дельфинов и мышей. Через четыреста сорок девять миллионов лет после возникновения первого растения на Земле появился человек, существование которого тоже основано на сжигании глюкозы.

Для того чтобы жить, людям, животным и растениям требуется энергия, и приоритетным источником жизненной энергии является глюкоза. Ее использует каждая клетка организма для выполнения своей конкретной функции: клетки сердца – чтобы сокращаться, клетки мозга – чтобы активировать нейроны, клетки ушей – чтобы слышать, клетки глаз – чтобы видеть, клетки желудка – чтобы переваривать пищу, клетки кожи – чтобы заживлять порезы, красные клетки крови – чтобы доставлять кислород к вашим ногам, когда вам хочется танцевать всю ночь.

Каждую секунду ваше тело сжигает 8 квинтиллионов (квинтиллион = 1018) молекул глюкозы. Для наглядности представьте такую картину: если бы каждая молекула глюкозы была песчинкой, тогда вы за каждые десять минут сжигали бы все песчинки на всех пляжах планеты.

Другими словами, людям требуется огромное количество топлива.

Но тут есть одна маленькая загвоздка: мы не можем делать то, на что способны растения. Как бы мы ни старались, у нас не получится создавать глюкозу из воздуха и солнца. (Однажды я попробовала заниматься фотосинтезом на пляже – безрезультатно.)

Поэтому для нас самым распространенным (но не единственным) источником необходимой глюкозы является пища.

Крахмал

Когда мне было 11 лет, на уроке биологии мы провели эксперимент, который я помню по сей день. Каждому из нас вручили ломтик белого хлеба.

Пока мы озадаченно оглядывались по сторонам, учитель поставил перед нами задачу: ломтик нужно было положить в рот и жевать минуту, не поддаваясь желанию проглотить. Его предложение показалось странным, но заниматься этим было веселее, чем отвечать на вопросы, так что мы с энтузиазмом приступили к делу.

Произошло нечто удивительное: примерно 30 жевательных движений – и вкус хлеба начал меняться, он стал сладким!

Прямо во рту крахмал превращался в глюкозу.

Белый хлеб выпекается из пшеничной муки, которую получают путем измельчения зерен пшеницы. Как мы уже говорили, семена растений насыщены крахмалом. Поэтому любая пища, приготовленная из муки, содержит крахмал. Корочка пирога, печенье, пирожные, паста – все эти вещи готовятся из муки, следовательно, в них много крахмала. Употребляя эти продукты, мы расщепляем крахмал до глюкозы, используя альфа-амилазу – тот же фермент, с помощью которого растения выполняют такую же задачу.

Попадающий в наше тело крахмал преобразуется в глюкозу очень быстро. Основная часть этого процесса происходит в кишечнике, практически незаметно для нас. Фермент альфа-амилаза разрывает связи молекулярных цепочек и высвобождает молекулы глюкозы, которые «разбегаются» в стороны, словно дети на игровой площадке.

Ферменты, которые совершают эту жизненно важную работу, присутствуют и в нашей слюне. Когда мы достаточно долго пережевываем крахмалистую пищу, эти ферменты получают возможность приступить к выполнению своей функции. Этот процесс начинается у нас во рту и позволяет нам ощутить сладкий вкус глюкозы. В этом мы убедились в ходе эксперимента, проведенного в школе.

Фрукты

Что касается фруктов, то они изначально сладкие, поскольку содержат не только сладкие на вкус свободные молекулы глюкозы, но и еще более сладкую фруктозу, а также сахарозу, которая слаще глюкозы, но не такая сладкая, как фруктоза.

Глюкоза, которую мы получаем из фруктов, готова к использованию, и ее не нужно расщеплять. Сахарозу приходится расщеплять, и этим занимается фермент, который разделяет ее на молекулы глюкозы и фруктозы. С этой задачей он справляется очень быстро – за тысячные доли секунды.

С фруктозой дело обстоит немного сложнее. Частично она расщепляется на молекулы глюкозы в тонком кишечнике. Остальная часть остается в форме фруктозы. И те и другие молекулы проходят через слизистую оболочку кишечника и попадают в кровоток. Что происходит после этого, я расскажу немного позже, а пока хочу, чтобы вы запомнили одну вещь: наше тело может использовать в качестве топлива глюкозу, но не фруктозу. В рационе современного человека содержится очень много ненужной фруктозы, прежде всего потому, что мы употребляем слишком много сахарозы (которая, как уже говорилось, наполовину состоит из глюкозы и наполовину из фруктозы).

А как насчет клетчатки? У нее особая судьба.

Клетчатка

Ферменты успешно разрывают связи в молекулярных цепочках крахмала и сахарозы, но фермента, способного сделать то же самое с клетчаткой, не существует, поэтому она и не превращается в глюкозу. Съеденная нами клетчатка остается клетчаткой. Она перемещается из желудка в тонкий и толстый кишечник. И это хорошо. Хотя клетчатка не преобразуется в глюкозу и, следовательно, не может обеспечивать клетки энергией, она является неотъемлемой частью нашего рациона и играет очень важную роль в пищеварении, опорожнении кишечника, сохранении здоровой микробиоты и т. д.

Любая часть растения, которую мы съедаем, переваривается и превращается в глюкозу (и фруктозу), за исключением клетчатки, которая проходит через наш организм, не изменяясь

Один родитель, четверо детей

Крахмал, клетчатка, фруктоза и сахароза подобны четырем отпрыскам одного родителя – глюкозы. У каждого из них свой характер, но они остаются близкими родственниками, невзирая на яростные споры о том, кто у кого позаимствовал одежду.

Поэтому вполне логично, что ученые дали этому семейству родовое имя.

В 1969 году комиссия Международного союза теоретической и прикладной химии представила научному сообществу 20-страничный проект «Предварительных правил номенклатуры углеводов».

После опубликования данного документа было решено называть это семейство углеводами, или карбогидратами. Почему? Потому что эти вещества образуются путем соединения углерода (carbo) и воды (hydrate) в процессе фотосинтеза.

Углеводы = крахмал, клетчатка и сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза)

Как видите, в семействе углеводов (которое включает крахмал, клетчатку, глюкозу, фруктозу и сахарозу) ученые выделили отдельную подгруппу сахаров, в которую вошли самые мелкие молекулы углеводов (глюкоза, фруктоза и сахароза). Научный термин «сахара» не следует отождествлять с обычным столовым сахаром, хотя сахароза, из молекул которой состоит столовый сахар, тоже входит в группу сахаров.

В разных растениях представители семейства углеводов присутствуют в разных пропорциях. Например, брокколи содержит много клетчатки и немного крахмала, в картофеле много крахмала и немного клетчатки, а в персиках в основном присутствуют сахара и немного клетчатки (прошу отметить, что в каждом растении есть хотя бы немного клетчатки).

К сожалению, когда люди говорят о питании, они обычно включают в понятие «углеводы» только крахмал и сахара, упуская из виду клетчатку, потому что она не абсорбируется в кровь, как другие дети этого семейства. Этим объясняются привычные нашему слуху утверждения типа: «В брокколи мало углеводов, но много клетчатки». Хотя с научной точки зрения правильно говорить: «Брокколи содержит много углеводов, в основном клетчатки».

В этой книге я буду оперировать привычными большинству из нас понятиями, которые чаще всего используются в повседневной жизни. (Но все же прошу вас не забывать об их отличии от строго научных формулировок!) Например, под углеводами я подразумеваю продукты, богатые крахмалом (картофель, пасту, рис, хлеб и так далее) и сахаром (фрукты, пироги, пирожные и многое другое), но не овощи, потому что они преимущественно состоят из клетчатки и содержат очень мало крахмала. По той же причине обычный столовый сахар здесь фигурирует как просто сахар.

А если бы в нашем рационе не было глюкозы?

Утверждение о необходимости глюкозы для жизни может вызвать у вас вопрос о том, как выживают плотоядные животные, а также те, которые не питаются растениями (например, дельфины, которые едят рыбу, кальмаров и медуз). И как эволюция смогла создать людей в таких местах, как покрытые вечной мерзлотой районы Крайнего Севера, где фрукты и овощи вообще не растут – у них просто не было возможности употреблять в пищу растения.

Глюкоза настолько необходима нашим клеткам, что если мы по каким-то причинам не получаем ее извне, то организм находит способы вырабатывать ее внутри себя. Да, мы не наделены способностью к фотосинтезу и не производим глюкозу из воздуха, воды и солнечного света, но можем получать ее из тех продуктов, которые едим, а именно из жиров или белков. Эту задачу решает наша печень посредством процесса, который носит название глюконеогенез.

Кроме того, в арсенале нашего тела есть еще одно средство: когда доступ к глюкозе ограничен, многие клетки при необходимости могут переключаться на использование жира в качестве топлива. Эта способность называется метаболической гибкостью. (Всегда полагаются только на глюкозу лишь красные кровяные тельца, или эритроциты.)

Некоторые диеты, такие как диета Аткинса и кето-диета, предусматривают ограничение потребления углеводов для того, чтобы концентрация глюкозы поддерживалась на предельно низких уровнях, тогда тело вынуждено сжигать жир в качестве топлива. Это состояние называется нутриционным кетозом и служит ярким примером метаболической гибкости в действии.

Короче говоря, углеводы не являются биологической жизненной потребностью (то есть нам не нужно употреблять сахар, чтобы выживать), но служат источником быстрого получения энергии и вкусной частью рациона питания людей, которые потребляют их на протяжении миллионов лет. Ученые установили, что в рацион питания доисторических представителей человечества входили как животные, так и растения, что люди ели растения всегда, когда те были доступны. Их меню зависело от места проживания. Они адаптировались к уникальному ассортименту продуктов питания в окружающей их среде. Но в наши дни мы питаемся совсем не так, как планировала природа.

4

В поисках удовольствия

Почему мы употребляем больше глюкозы, чем раньше

Природой было задумано, чтобы мы употребляли глюкозу определенным образом – поедая растения. Все растения содержат клетчатку, помимо крахмала или сахара. Это важно, потому что клетчатка помогает организму замедлить процесс абсорбции глюкозы. Как использовать эту информацию в своих интересах, вы узнаете в части 3.

Однако сегодня полки подавляющего большинства супермаркетов заполнены продуктами, состоящими в основном из крахмала и сахара. Возьмите белый хлеб и мороженое, конфеты, кондитерские изделия, фруктовые соки и подслащенные йогурты – в них полностью отсутствует клетчатка. И это делается специально: в ходе переработки пищевых продуктов клетчатка часто удаляется потому, что ее очень трудно сохранить в течение длительного времени.

Возьмите ягоду свежей клубники и поместите ее на ночь в морозильную камеру. На следующее утро достаньте ее и положите на тарелку, чтобы разморозить. После оттаивания она приобретет кашеобразную консистенцию. Почему? Потому что процессы замораживания и оттаивания разорвут цепочки молекул клетчатки на мелкие части. Клетчатка не исчезнет (и все еще останется полезной для здоровья), но текстура продукта будет уже не та.

Свежая ягода клубники и то, во что она превратилась, когда ее заморозили на ночь, а потом разморозили

Клетчатку часто удаляют из переработанных пищевых продуктов для того, чтобы их можно было замораживать, размораживать и хранить на полках годами, не ухудшая текстуры. Возьмем, к примеру, белую муку: клетчатка содержится в зародышах и внешних оболочках пшеничных зерен, и поэтому во время помола эти оболочки (отруби) удаляются.

Помимо этого, чтобы мы с вами охотнее покупали в супермаркетах продукты питания, производители повышают степень их сладости. Суть промышленной переработки пищевых продуктов заключается в том, чтобы сначала удалить из них клетчатку, а затем повысить концентрацию крахмала и сахаров.

В процессе промышленной переработки продуктов питания насыщенные крахмалом части растений очищаются от клетчатки, в результате чего семена и корнеплоды превращаются в белый хлеб или чипсы (кроме того, в них обычно добавляется сахар)

К сожалению, когда мы, люди, находим что-то хорошее, нам свойственно доводить это до крайности. Запах свежих роз радует наше обоняние, и поэтому парфюмерная промышленность перегоняет тысячи тонн розовых лепестков в эфирное масло, а потом в красивых флаконах мы можем его купить в любом месте и в любое время. Пищевая промышленность дистиллирует и концентрирует самый востребованный природный вкус: сладость.

Вы можете спросить: «Почему мы так любим сладкое?» Потому, что в каменном веке сладкий вкус служил признаком того, что продукт не представляет опасности (ядовитые продукты не бывают сладкими) и насыщен энергией. В те времена, когда находить еду было трудно, преимущество получал тот, кто съедал все обнаруженные фрукты раньше, чем кто-либо другой, и мы привыкли испытывать удовольствие от поедания сладостей.

Когда мы это делаем, наш мозг захлестывает волна дофамина – химического вещества, которое высвобождается, когда мы занимаемся сексом, играем в видеоигры, общаемся в соцсетях или даже делаем что-то вредное для здоровья, например пьем спиртное, курим сигареты или употребляем наркотики. Это вещество вызывает ощущение удовольствия, которого нам никогда не бывает достаточно.

В 2016 году исследователи создали для мышей рычаг, с помощью которого животные могли стимулировать свои дофаминовые нейроны (благодаря специальному оптическому датчику). Ученые обнаружили одну странную модель поведения: когда они не ограничивали возможность развлекаться с этим устройством, мыши начинали посвящать ему все свое время, нажимая на рычаг снова и снова, чтобы активировать дофаминовые нейроны. Они пренебрегали едой и питьем – до такой степени, что в конце концов исследователям пришлось прекратить эксперимент, ибо в противном случае подопытные животные могли умереть. Одержимость дофамином заставила мышей забыть о своих основных потребностях. Дофамин очень нравится всем живым существам, включая людей. А одним из самых простых способов его высвобождения является употребление сладостей.