Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
В случае с углеводами и белками расщепление не представляет проблемы. Они либо полностью растворяются в воде, либо хорошо смачиваются ею. В любом случае молекулы ферментов могут свободно подобраться к молекулам углеводов или белков и заняться их расщеплением.
Однако жир находится в липидной фазе. Он не смешивается с пищеварительным соком. При соединении с ним он образует крупные пузырьки. Ферментам удается переработать лишь те молекулы, которые находятся на поверхности этих пузырьков.
Необходим какой-то посредник, который смог бы объединить обе фазы. И такой посредник есть.
Все молекулы состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц. Некоторые из этих субатомных частиц, несут электрический заряд. Существует два вида таких зарядов: положительный и отрицательный.
У некоторых молекул распределение этих заряженных частиц асимметрично. С одного конца молекулы наблюдается избыток положительно заряженных частиц, а с другого — отрицательно заряженных. Такая молекула обладает положительным и отрицательным полюсами и называется полярной молекулой. Самым известным примером такой молекулы является молекула воды.
Есть молекулы, у которых положительный и отрицательный заряды расположены равномерно и симметрично. В этих молекулах нет точек, в которых доминирует тот или иной заряд, поэтому и нет электрических полюсов. Это неполярные молекулы, самым ярким примером которых являются молекулы липидов.
Обычно полярные молекулы разных типов легко смешиваются. Так, свободно смешиваются вода и этиловый спирт, молекулы которых полярны. Неполярные молекулы различных типов также легко смешиваются, например, четыреххлористый углерод (обычная жидкость, используемая в химчистках) легко растворяет липиды.
Однако полярные и неполярные молекулы не смешиваются между собой.
Кстати, что, если найдется молекула, концы которой будут иметь различный химический состав: на одном конце симметричное распределение электрического заряда, а на другом — несимметричное? Один конец будет неполярным, а другой — полярным.
Такая молекула будет «разрываться» между двумя фазами. Полярная часть ее легко смешается с водой, а неполярная с липидами. Если такие молекулы попадут в двухфазную систему липид — вода, то они локализуются на границе раздела фаз: полярная часть окажется в воде, а неполярная — в липиде.
Представьте, что такую смесь взболтают. Получится смесь пузырьков воды и липида. Каждый пузырек будет окружен границей раздела фаз, на которую быстро попадет наша двойная молекула.
Можно предположить, что через некоторое время после встряхивания произойдет разделение двух компонентов; так бы и случилось, если бы не было двойной молекулы. Однако пузырьки липидов (это касается и пузырьков воды) не могут объединиться между собой, не вытеснив сначала с границы раздела фаз двойную молекулу, а это требует затрат энергии.
Таким образом, двойные молекулы предотвращают воссоединение пузырьков. Каждое встряхивание расщепляет их на еще меньшие пузырьки, которые также не могут объединиться. Процесс продолжается, а пузырьки становятся все меньше и меньше, пока обе части не смешаются настолько, что будут представлять собой практически одно целое.
Такая мелкодисперсная двуфазная система называется эмульсией, самым ярким примером ее является молоко, в котором частицы жира со временем объединяются и отделяются в виде тонкого слоя сливок.
Молекулы, ускоряющие процесс образования эмульсии, называются эмульгаторами; пример — мыло. Грязь труднее всего смыть, когда она смешана с жиром. Мыло эмульгирует жир и легко удаляет грязь.
Этот же принцип действует и в организме. Как только пища попадает в тонкую кишку, она смачивается поджелудочным соком и желчью, выделяемой печенью. Поджелудочный сок содержит фермент — липазу, которая быстро расщепляет молекулы жира.
К счастью, желчь, хотя в ней совсем нет ферментов, содержит молекулы желчных кислот и желчных солей, представляющие собой молекулы двойного действия, уже описанные мной. Они заполняют границы между частицами жира и водой, содержащейся в пищеварительных соках. Когда сокращения мышц стенок кишечника размельчают эти частицы, желчные соли занимают новые границы раздела фаз и предотвращают воссоединение глобул.
Таким образом содержимое кишечника быстро эмульгируется. Липаза окружает образовавшиеся микроскопические капельки. Теперь она может добраться до большего числа молекул жира, которые расщепляются и усваиваются организмом.
Под воздействием липазы молекула жира расщепляется на четыре части. Три из них состоят из длинных цепочек атомов углерода, к которым прикрепляются атомы водорода: обычно по два атома водорода к каждому атому углерода. К атому углерода в конце цепочки прикреплены два атома кислорода, а также атом водорода — все вместе они образуют карбоксильную группу.
Карбоксильная группа передает слабые кислотные свойства длинной молекуле, которая имеет некоторые общие свойства с молекулой жира. Она жирная на ощупь и на бумаге оставляет прозрачное жирное пятно. Сочетание свойств жиров и кислот дало название этой молекуле — жирная кислота.
Четвертая часть молекулы жира — глицерин. Это маленькая молекула, в основе которой лежит цепочка, состоящая из всего трех атомов углерода. К каждому из них присоединена гидроксильная группа (атом кислорода и атом водорода). Жирная кислота может прикрепляться к молекуле глицерина при помощи карбоксильной группы, которая взаимодействует с гидроксильной группой глицерина. Вторая и третья жирная кислоты могут соединяться со второй и третьей гидроксильными группами глицерина.
Таким образом появляется триглицерид, состоящий из трех длинных углеродных цепочек, связанных с одной стороны. Такая молекула полностью состоит из атомов углерода и водорода, кроме тех участков, где находится связь жирной кислоты с глицерином. На каждом из таких участков есть два атома кислорода: всего их в молекуле шесть.
Молекулы триглицеридов различаются в зависимости от природы жирных кислот. Отдельные жирные кислоты могут отличаться, например, длиной углеродной цепочки. Существует жирная кислота, цепочка которой состоит из шестнадцати атомов углерода, это пальмитиновая кислота. Стеариновая кислота состоит из восемнадцати атомов углерода.
Жирные кислоты могут также отличаться количеством атомов водорода в молекуле. Пальмитиновая и стеариновая кислоты содержат максимально возможное количество атомов водорода. Они называются насыщенными жирными кислотами (то есть насыщенными водородом).
У одной из жирных кислот цепочка состоит из восемнадцати атомов углерода, как и у стеариновой кислоты, но в самом центре цепочки не хватает двух атомов водорода. Это олеиновая кислота — ненасыщенная жирная кислота. Линолевая кислота также имеет цепочку из восемнадцати атомов углерода, но в ней недостает уже двух пар атомов водорода.
Различные жирные кислоты могут соединяться с глицерином в любой комбинации. Триглицерид может состоять из пальмитиновой кислоты и двух олеиновых кислот, или олеиновой, стеариновой и линолевой кислот, или трех пальмитиновых кислот. В состав триглицерида может входить любая комбинация из дюжины или более жирных кислот. Жиры состоят из смеси сотен различных молекул триглицеридов.
Ненасыщенные жирные кислоты имеют меньшую температуру плавления, чем насыщенные. Жиры с относительно большим количеством ненасыщенных кислот, таким образом, также имеют более низкую температуру плавления. Ненасыщенные жиры остаются жидкими при комнатной температуре (масла), более насыщенные — твердыми (жиры).
В живом организме жиры должны находиться в жидкой форме, и за этим организм следит. Растения и холоднокровные животные, подвергающиеся воздействию низких температур, поддерживают жиры, чтобы те не замерзали в ненасыщенном состоянии. Поэтому масло печени трески и хлопковое масло остаются жидкими даже в холодный день.
Теплокровные животные могут позволить себе иметь более насыщенные жиры, поскольку они должны оставаться жидкими только при температуре крови. По этой причине масло, сало и жир остаются твердыми при комнатной температуре, но при нагревании легко тают.
Смешивая газообразный водород с молекулой масла при необходимых условиях, можно добиться того, что атомы водорода занимают недостающие места в молекулах жирных кислот. Ненасыщенные жирные кислоты становятся насыщенными: масла становятся жирами. Поэтому относительно дешевые растительные масла, неподходящие для использования в пищу, можно переработать в маргарин и растительные жиры.
