Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Глава 10
Сахар и островки
Теперь нам нужно рассмотреть органические компоненты пищи, которые не могут всасываться стенкой кишечника, пока не будут расщеплены на мелкие молекулы при помощи пищеварительных ферментов. Именно эти органические соединения обеспечивают организм топливом, они содержат атомы углерода и водорода, которые, объединяясь с кислородом, высвобождают энергию.
Органические компоненты в пище можно разделить на три группы: 1) углеводы, 2) белки и 3) жиры. Это разделение было придумано еще до того, как химикам стало известно строение молекул, и строилось оно главным образом на поведении веществ в воде, нежели на других их признаках.
Углеводы легко растворяются в воде или, по крайней мере, в кислоте. Жиры не растворяются в воде, и расщепить их можно только длительным нагреванием с щелочью. И жиры, и углеводы лучше растворяются в горячей воде, чем в холодной. Белки обычно растворимы в холодной воде, но могут совершенно не растворяться в горячей.
Простой химический анализ также выявляет различия между ними. Молекулы углеводов состоят из атомов углерода, водорода и кислорода в приблизительной пропорции 10:20:10. Молекулы жиров состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, но в пропорции 10:20:1, то есть в них намного меньше кислорода. Белки также состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, но, кроме того, содержат азот и часто серу.
В наше время можно с большей точностью обнаружить структурные изменения, однако это не учебник по химии, и двух предыдущих параграфов будет вполне достаточно.
Начнем с углеводов.
Самым распространенным углеводом является крахмал. Это белое порошкообразное вещество, безвкусное и нерастворимое в холодной воде. В качестве основного органического компонента крахмал присутствует во многих растительных продуктах питания, таких, как картофель, рис, кукуруза, пшеница, морковь, бананы и так далее. В пище животного происхождения крахмала практически нет.
Крахмал может различаться по величине гранул в разных растениях и даже по химическому составу. Однако у всех видов крахмала есть нечто общее. Во-первых, все они состоят из крупных молекул из тысяч и даже миллионов атомов. Во-вторых, их молекулы состоят из шестиуглеродных элементов, объединенных между собой иногда в виде прямых цепочек, а иногда разветвленных.
Крахмал, нагретый в воде, с добавлением небольшого количества кислоты, расщепляется в местах соединения шестиуглеродных элементов, сами элементы при этом сохраняются. Этот процесс называется гидролизом, от латинских слов, означающих «расщепление в воде». Отдельным элементом, одинаковым во всех видах крахмала, является глюкоза.
Процесс гидролиза ускоряется пищеварительными ферментами, но это происходит в два этапа. В слюне находится фермент — слюнная амилаза, а в соке поджелудочной железы фермент — панкреатическая амилаза, обе амилазы очень похожи. Они производят постепенное расщепление крахмала на фрагменты, состоящие из двух элементов. (Слово «амилаза» происходит от латинского «крахмал».) Этот двуэлементный фрагмент глюкоза-глюкоза называется мальтозой.
Когда пища попадает в тонкую кишку, почти весь крахмал представляет собой мальтозу, и на этом заканчивается первый этап переваривания крахмала. Но даже молекула мальтозы слишком велика, чтобы пройти сквозь оболочки кишечника. Наступает вторая стадия пищеварения, когда в дело вступает еще один фермент пищеварительного сока. Этот фермент — мальтаза вызывает гидролиз молекулы мальтозы на две молекулы глюкозы. (Суффикс «аза» характерен для названий всех ферментов, кроме тех, которые были открыты и названы до того, как этот суффикс ввели в употребление.)
С образованием глюкозы начинается ее всасывание, крахмал достаточно расщепился и может теперь поступать в организм.
Когда крахмал при помощи кислоты или деятельности ферментов расщепляется на маленькие молекулы глюкозы, происходит два вида изменений его свойств: он становится более растворимым в воде и сладким на вкус. Мальтоза и глюкоза растворяются в воде и обладают умеренно сладким вкусом. Слово «глюкоза» происходит от греческого «сладкий». Маленькие молекулы углеводов, сладкие на вкус и растворимые в воде, обычно называются сахарами.
Еще одной гигантской углеводной молекулой, встречающейся в растениях и в нашей пище, является целлюлоза, о которой в предыдущей главе я говорил, что она не переваривается. Странно, но и она, подобно крахмалу, состоит из длинных цепочек, состоящих из молекул глюкозы. Однако в целлюлозе они соединяются, говоря языком химии, конденсируются, несколько иным способом. В организме животного нет ферментов, способных переварить целлюлозу, поэтому ее молекула прочнее, чем молекула крахмала.
Это пример многогранности проявления живой природы: объединенные одним способом строительные блоки могут служить пищей для растений и животных, а объединенные по-другому становятся надежной опорой для деревьев высотой несколько метров и крепкими конструкциями для наших домов.
Существует два вида сахаров, играющих важную роль в питании человека. Во-первых, это обычный столовый сахар — сахароза, выражаясь терминами профессиональных химиков. Как и мальтоза, сахароза состоит из двух шестиуглеродных молекул, которые отличаются одна от другой. Одна из них — глюкоза, а другая — фруктоза, еще один шестиуглеродный сахар, похожий на глюкозу, но с расположенными в ином порядке двумя атомами водорода. Свойства соединения зависят не только от вида атомов и их количества, но и от их точного расположения в молекуле. Нечто подобное наблюдается в нашей системе исчисления: сразу заметна разница между двумя числами — 120 и 210.
Сахароза, как и мальтоза, не усваивается в тонкой кишке, она также должна подвергнуться расщеплению. В пищеварительном соке существует фермент — сахараза, который расщепляет сахарозу на отдельные молекулы — легко усваиваемые глюкозу и фруктозу.
Иногда для выявления небольших изменений в расположении атомов не требуется сложный химический анализ. Даже незначительные изменения могут ярко проявляться. Например, фруктоза, хотя почти и не отличается от глюкозы, однако вдвое слаще ее. Порошок фруктозы, поглощая воду из воздуха, превращается в твердый конгломерат, а глюкоза в порошке остается относительно сухой и рассыпчатой. Поэтому их можно отличить и по виду.
Второй вид сахара находится только в молоке и называется лактозой (от латинского «молоко») или иногда молочным сахаром. Как и сахароза, он состоит из двух молекул, одной из которых является глюкоза. Однако вторая — галактоза (от греческого «молоко») — еще один шестиуглеродный сахар, лишь слегка отличающийся от глюкозы и фруктозы расположением атомов. Лактоза сама по себе не усваивается, однако пищеварительный фермент лактаза расщепляет ее на глюкозу и галактозу.
Лактоза является необычным сахаром: она почти безвкусна. Возможно, потому, что это одна из важнейших составных частей молока, где ее содержится до 4 %. Молоко — основной продукт питания детенышей млекопитающих и, возможно, должно быть почти безвкусной пищей, чтобы в дальнейшей жизни у детеныша не выработалось вкусовых ассоциаций, связанных с молоком.
Прежде чем я закончу разговор об углеводах в нашей пище, нужно сказать, что глюкоза и фруктоза в виде отдельных молекул находятся в некоторых фруктовых соках. Иногда глюкозу называют виноградным сахаром, а фруктозу — фруктовым сахаром. После сбора нектара пчелы расщепляют сахарозу на глюкозу и фруктозу и превращают эту смесь в мед. Во фруктах и меде содержится некоторое количество глюкозы и фруктозы, которые, как вода и ионы минералов, могут проходить сквозь стенки кишечника без изменений.
Все сводится к одному: хотя в пищеварительный тракт углеводы попадают в разных видах, только фруктоза, глюкоза и галактоза проникают сквозь стенки кишечника. Оказавшись внутри клеток, фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу (организм может легко изменять расположение атомов водорода), и только она попадает из клеток в кровь.
В итоге весь процесс переваривания и усвоения углеводов заканчивается следующим образом: в кровь попадает исключительно глюкоза. По этой причине ее иногда называют сахаром крови.
Оказавшись в крови, глюкоза растворяется в плазме и переносится к клеткам организма, так же как и кислород переносится эритроцитами. Клетки берут необходимые им глюкозу и кислород и, объединяя их, вырабатывают углекислый газ, воду и энергию. Глюкоза является топливом клеток, а кровь — конвейером, переносящим это топливо и кислород клеткам, каждая из которых может брать то, что нужно, и столько, сколько нужно, но не больше.
