Глава 12 Двуфазная система

Глава 12

Двуфазная система

Растения самостоятельно вырабатывают углеводы из углекислого газа и воды, как я уже вскользь упоминал в начале книги. Этот процесс требует больших затрат энергии, поэтому растения должны ее где-то черпать.

Сложный химический механизм, ключевым компонентом которого является хлорофилл, использует солнечный свет и его энергию. Поскольку хлорофилл поглощает красный и желтый свет лучше других, он в основном отражает зеленую и синюю области спектра солнечных лучей, которые представляют собой смесь цветов. По этой причине растения имеют зеленую окраску.

Процесс производства углеводов из углекислого газа и воды называется фотосинтезом (в переводе с греческого «соединение воедино с помощью света»). В результате фотосинтеза от каждой молекулы углекислого газа и воды остается пара атомов кислорода. Эти атомы образуют молекулу кислорода, попадающую в атмосферу.

Таким образом, жизнь протекает в двух противоположных направлениях. С одной стороны, животные и растения получают энергию, соединяя углеводы и другие органические вещества, получаемые из пищи, с кислородом, при этом помимо энергии образуются углекислый газ и вода. С другой стороны, зеленые растения в присутствии солнечного света совершают нечто совершенно противоположное. Они соединяют углекислый газ, воду и энергию, получая углеводы и другие органические вещества и высвобождая кислород.

Эти два противоположных процесса находятся в равновесии. Кислород из атмосферы никогда не используется, не используется также и углекислый газ. В итоге благодаря зеленым растениям энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию, управляющую живыми тканями.

Растения могли бы создавать только необходимый для себя запас углеводов, как, например, человек, который зарабатывает деньги для удовлетворения своих самых насущных запросов. Однако это рискованный процесс.

Растения должны создавать больший запас углеводов, чтобы пережить ночь, когда из-за отсутствия солнечного света они должны использовать углеводы для поддержания всех процессов. Поэтому в тканях растений откладываются запасы углеводов сверх необходимого количества. Так и человек может копить деньги на банковском счете на случай непредвиденных обстоятельств.

При определенных условиях растению необходимо запасать значительное количество питательных веществ. Семена могут развиваться довольно долго, прежде чем появятся молодые зеленые листья и хлорофилл начнет свою работу. Чтобы выжить в это время, растение должно пользоваться энергией, создаваемой в процессе расщепления углеводов, хранящихся в семенах, почках или клубнях.

Именно эти запасы углеводов составляют основную часть рациона питания человека. Мы едим горох и бобы. Мы вырабатываем муку и хлеб из семян пшеницы, кукурузы и других злаков. Мы едим картофель, капусту и морковь.

Запасая энергию для следующих поколений и, таким образом, для нас, растения не заботятся о размере и весе, поскольку они неподвижны. По этой причине запасы обычно откладываются в виде крахмала, который легко перерабатывать, несмотря на его громоздкость.

Животные также должны откладывать запасы питательных веществ. Они не могут делать это в любое время и пользуются возможностью, чтобы взять запасы растений или других животных, которые также взяли их у растений. Поэтому промежутки между приемами пищи у животных могут быть нерегулярными и довольно длительными. Значит, в хорошие времена необходимо накапливать как можно больше запасов энергии.

То же самое происходит, когда наша печень запасает гликоген, который мы используем в промежутках между приемами пищи.

Однако у гликогена есть один недостаток. Гликоген — разновидность крахмала, и он достаточно громоздкий. Некоторое его количество откладывается для немедленного использования, возможно граммов двести — двести пятьдесят, но не более того. Животные много двигаются, и часто их жизнь зависит именно от физической активности. Для этого масса и объем запасов энергии должны быть небольшими, но достаточными, чтобы чувствовать себя более уверенно.

Решение проблемы заключается в поиске наиболее концентрированного вида пищи, каждый грамм которой содержит много энергии. Где найти такую пищу?

Ответ на вопрос кроется в устранении из нее кислорода. В обычном углеводе содержится один атом кислорода на каждый атом углерода и два атома водорода. При расщеплении углеводов важную роль играет объединение атомов водорода с кислородом из атмосферы. Именно в результате этого процесса происходит высвобождение энергии. Однако, поскольку некоторые атомы водорода уже связаны с атомами кислорода, энергетический потенциал углеводов относительно невелик.

Это можно сравнить с покупкой наполовину сгоревшего угля для обогрева дома. Половина топлива уже превратилась в пепел, обладающий значительным весом, который потребует от печи таких же затрат энергии, как и на сжигание хорошего угля, и займет почти столько же места. Однако тепла от него не будет.

Очевидно, что от пепла необходимо избавиться. Если говорить о молекуле углевода, то это означает избавление от атомов кислорода.

И тут мы подходим к очередной группе веществ, последней из упомянутых мною в главе 10, — жирам, или липидам.

Это жировые вещества, имеющие твердую или жидкую форму. Твердые жиры так и называются жирами, жидкие — маслами. Жиры значительно беднее кислородом, чем углеводы. В главе 10 уже говорилось, что в них всего один атом кислорода на десять атомов углерода и двадцать атомов водорода.

Почти все эти атомы водорода не связаны с кислородом, поэтому липиды являются более концентрированным топливом, чем углеводы. Они представляют собой уголь, почти не содержащий пепла.

Исследования показывают, что 600 граммов углеводов или белков при расщеплении на углекислый газ и воду высвобождают 2400 килокалорий энергии — достаточно, чтобы поддержать среднего человека в течение дня. Однако 600 граммов липидов высвобождают не менее 5400 килокалорий, обеспечивающих для человека запас на два с половиной дня при обычных условиях.

Другими словами, жиры выделяют в два с половиной раза больше энергии, чем углеводы или белки. В целях эффективности животное откладывает запасы питательных веществ в виде жиров. В организме животных, в том числе и человека, содержится очень мало углеводов, зато в избытке липидов. Толстяки, работающие в цирке, могут носить в себе десятки килограммов жира и всего от 20 до 35 граммов углеводов.

В основном наш запас липидов располагается прямо под кожей. Это подкожный жир. У женщин больше подкожного жира, и он распределяется более равномерно, чем у мужчин. Хотя женщинам это может и не нравиться, но им следует радоваться. Именно равномерное распространение подкожного жира и создает округлые, нежные и, я бы сказал, восхитительные женские формы.

Жир выступает не только в роли накопителя питательных веществ, но и как защитник организма. Часть жира откладывается в органах, таких, как почки и сердце, защищая их от механических повреждений. Подкожный жир делает нас более устойчивыми, защищая от воздействия окружающей среды. Он также является плохим проводником тепла, поэтому защищает нас от холода зимой.

Однако избыток жира может представлять опасность. К сожалению, в организме нет предела накоплению жира, и его может отложиться столько, что тело станет бесформенным и тяжелым, мешая передвижению. Жизненно важные органы, особенно система кровообращения, стонут под тяжестью ненужного жира и рано выходят из строя.

Если липиды могут откладываться в организме, то возникает вопрос: зачем нам тогда гликоген? Почему организм не может существовать исключительно за счет липидов?

К несчастью, это непрактично. Конечно, липиды являются более концентрированной пищей из-за отсутствия кислорода, но именно по этой причине они не растворяются в воде. Жиры — это классический пример нерастворимых в воде веществ.

С одной стороны, это свойство полезно, поскольку позволяет организму запасать жиры, не опасаясь, что они растворятся и помешают работе организма. Я уже упоминал об этом ранее в случае с гликогеном. Однако превратить гликоген в растворимую глюкозу легко, а превратить липиды в растворимые вещества, чтобы они могли попасть в кровь и добраться до различных органов, довольно сложно.

Поэтому организм откладывает два типа запасов питательных веществ: небольшой запас гликогена для моментального использования и более крупный запас липидов для медленной переработки.

Обычно в доме есть небольшой запас наличных денег для мелких покупок, а в банке, будем надеяться, имеется более крупная сумма, которую не легко сразу снять, потому что для этого требуется определенное время.

Поэтому жидкие компоненты организма являются примером двуфазной системы. То есть они принадлежат к двум разным, не смешивающимся друг с другом жидкостям, между которыми проходит четкая граница раздела. Такую систему можно создать, добавив к воде любое растительное масло. Вы увидите, что оно будет плавать на поверхности воды. Появятся две различные жидкости, четко разделенные между собой.

Если смесь растительного масла и воды поместить в закрытый контейнер и энергично потрясти, две эти части как будто смешаются, превратившись в смесь пузырьков растительного масла и воды. Однако через некоторое время пузырьки разделятся. Наверху будет растительное масло, внизу вода, а между ними — граница.

Жидкое содержимое тканей организма состоит из водной фазы и липидной фазы. Водная фаза представляет собой не только одну воду, но и растворимые в ней вещества, такие, как неорганические ионы, сахара, белки и многое другое. В липидной фазе содержатся не только жиры, но и растворимые в них вещества: стероиды и некоторые витамины.

Тем не менее, несмотря на то что эти две фазы отделены друг от друга, организм представляет собой единое целое и при необходимости должен объединять обе эти фазы. Один из таких случаев возникает при пищеварении.

Жиры — ценная часть нашей диеты. Поскольку это концентрированный источник энергии, продукты, в которых содержатся жиры, такие, как масло, бекон или жареная пища, в каждом грамме содержат больше килокалорий, чем продукты без жира, например тощие сорта мяса, снятое молоко или картофель. Людям с избыточным весом, к которым, к сожалению, относится и автор этой книги, не рекомендуется употреблять в пищу жирные продукты. Они необходимы людям, чей вес ниже нормы или которые живут в холодном климате и регулярно занимаются физическим трудом. (Кроме того, некоторое количество жира улучшает вкус пищи и облегчает процесс ее приготовления.)

Но вот жир попал в организм, как же он будет там усваиваться? Пищеварительные соки находятся в водной фазе. В основном это вода и пищеварительные ферменты, легко растворимые в воде, но не в жире. Обычно то, что растворяется в водной фазе, не растворяется в липидной, и наоборот.

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.

В организме млекопитающих, в том числе и человека, такой процесс тоже происходит. Олеиновая кислота может превращаться в стеариновую и наоборот. Поэтому не важно, входит ли в наш рацион питания большое количество насыщенных или ненасыщенных жирных кислот. Мы всегда можем установить их баланс.

Однако есть одно исключение. Хотя наш организм в состоянии брать пару атомов водорода у стеариновой кислоты и создавать олеиновую, по какой-то причине он не может брать вторую пару для создания линолевой кислоты. Если в нашем рационе питания нет линолевой кислоты, мы не можем вырабатывать ее самостоятельно, в результате происходит нарушение равновесия в организме, видимыми следствиями которого являются кожные воспаления и экзема. Линолевая кислота — пример диетически незаменимой жирной кислоты. (Это не столь серьезная проблема, как в случае с незаменимыми аминокислотами, потому что практически в любом рационе присутствует линолевая кислота.)

Линолевая кислота необходима нам не сама по себе, а потому, что она может превращаться в другую кислоту, более редкую — арахидоновую. Ее молекула представляет собой цепочку из двадцати атомов углерода, в которой не хватает четырех пар атомов водорода.

После завершения процесса пищеварения глицерин и жирные кислоты всасываются стенками тонкой кишки. Возможно, что всасывание происходит еще до окончания процесса пищеварения; молекулы глицерина, к которым остались прикреплены одна или две жирных кислоты, могут усваиваться и в таком виде.

В любом случае, оказавшись в клетках стенок тонкого кишечника, глицериды преобразуются и попадают в кровь в виде полноценных молекул. Хотя в большинстве случаев они попадают в кровь не напрямую.

В каждой ворсинке тонкого кишечника находится не только капилляр, но и крошечный лимфатический сосуд. В то время как продукты переваривания углеродов и белков попадают в капилляры в виде глюкозы или аминокислот, большая часть продуктов усвоения жиров попадает в лимфатические сосуды.

При попадании мелких частиц жиров лимфа приобретает белый цвет и называется хилусом, или млечным соком. Из-за сходства их содержимого с молоком эти лимфатические сосуды получили название млечных сосудов.

Частицы жира путешествуют по лимфатической системе и попадают в кровь. По пути они вступают в контакт с различными клетками, и большая часть жиров усваивается.

Жиры, попавшие непосредственно в капилляры ворсинок, переносятся в печень. Различные жирные кислоты подгоняются под необходимую для человека структуру посредством укорачивания или удлинения цепочки или прибавлением и удалением атомов водорода.

Как только жир усваивается клетками, он при необходимости в результате серии реакций, представляющих цикл окисления жирных кислот, расщепляется с образованием энергии. При прохождении этого цикла от жирной кислоты отделяются атомы углерода, по два за один цикл, и каждый двууглеродный фрагмент распадается на углекислый газ, воду и энергию.

Цикл может проходить и в обратном порядке, и это целесообразно, поскольку углеводы также могут расщепляться на аналогичные двууглеродные фрагменты. Таким образом, если усваивается слишком много глюкозы для образования запасов гликогена, ее всегда можно расщепить на двууглеродные фрагменты, которые, пройдя восемь или девять раз цикл окисления жирных кислот, станут молекулами жирных кислот. Затем те прикрепятся к молекулам глицерина, которые легко образуются в организме, и отложатся в виде жира.

Расщепление двууглеродных фрагментов на углекислый газ и воду зависит от образования некоторых промежуточных соединений, особенно одного — щавелево-уксусной кислоты. Она обычно образуется в процессе расщепления углеводов, но не образуется при расщеплении жиров.

Если по какой-то причине двууглеродные фрагменты образуются только из жиров, а не углеводов, быть беде. Щавелево-уксусная кислота может образовываться и другими путями, но не столь быстро при отсутствии расщепления углеводов, и двууглеродные фрагменты жирных кислот не успевают перерабатываться.

Образуется затор, и некоторые двууглеродные фрагменты объединяются парами, образуя четырехуглеродный компонент — ацетоуксусную кислоту. Она может отдать два атома водорода и превратиться в бета-гидроксимасляную кислоту или потерять молекулу углекислого газа, образуя ацетон. Эти три молекулы называются кетоновыми телами.

Предположим, вы голодаете. Запасы гликогена будут израсходованы в течение первого дня. После этого вы будете жить на запасах жиров. Это вас поддержит. Организм сможет вырабатывать достаточно глюкозы (расщеплением молекул жиров на двууглеродные фрагменты и объединением их по три) для поддержания уровня сахара в крови на надлежащем уровне.

Однако из-за невозможности расщеплять углеводы в крови начнут накапливаться кетоновые тела (кетоз голодания). Они накопятся в крови (кетонемия) и попадут в мочу (кетонурия).

Это не очень серьезное состояние, оно быстро проходит после приема пищи, содержащей необходимое количество крахмала или сахара. Конечно, если ваша диета будет богата жирами и бедна углеводами, кетоз продолжится. Такая диета носит название кетогенной, то есть «дающей жизнь кетозу».

Более серьезная форма кетоза развивается, когда организм не в состоянии расщеплять углеводы, как при диабете. При нелеченном диабете кетоновые тела накапливаются в крови (диабетический кетоз) в значительно большем количестве, чем у голодающего человека. Они скапливаются в крови быстрее, чем их успевают выводить почки, а поскольку кетоновые тела обладают выраженной кислотностью, то развивается диабетический ацидоз, ведущий к развитию комы и смерти.

Двуфазная система жиров и воды идеально функционирует, как я уже говорил, в тонкой кишке при помощи солей желчных кислот. Однако, оказавшись в крови и клетках, жиры вступают в другую фазу, водную. Как же эти водостойкие жиры проникают в клетки сквозь оболочки? Как они передвигаются в крови? Как исключительно водорастворимые ферменты расщепляют их внутри клетки?

Организму все это удается при помощи еще одного соединения двойного действия, напоминающего триглицериды.

Триглицериды состоят из глицерина и жирных кислот — это простые липиды. Но представьте себе молекулы, состоящие из глицерина, к которому прикреплены всего две жирных кислоты. Третья гидроксильная группа глицерина присоединена к совершенно иной группе атомов, содержащей кислород, азот и фосфор, каждый из которых создает электрическую полярность молекулы. Из-за наличия атомов фосфора такие глицериды обычно называют фосфолипидами или фосфатидами.

Фосфолипиды — молекулы двойного действия. Жирная кислота растворяется в жире, а фосфорсодержащая группа — в воде. Это создало предпосылку для возникновения интересной теории, касающейся поведения клеточных мембран.

В мембранах клеток находятся как фосфолипиды, так и белки. Это известно точно. Фосфорсодержащая часть фосфолипидов, растворяясь в воде, вероятно, прочно присоединяется к белкам, также растворимым в воде, оставляя жирные кислоты на свободе.

Таким образом получается, что клеточная мембрана состоит из однородного вещества, возможно, с «водными» участками, через которые могут проходить растворимые в воде соединения, и «липидными» участками для прохождения растворимых в липидах веществ.

Если это так, то теория может объяснить действие различных гормонов. Некоторые из них, например инсулин и гормоны гипофиза, представляют собой естественные белки, растворимые в воде. Другие, например половые гормоны и гормоны коры надпочечников, являются липидорастворимыми веществами. В любом случае их молекулы способны связываться с клеточными мембранами и изменять их проницаемость.

Внутри клеток также присутствуют фосфолипиды, особенно в маленьких образованиях, расположенных в цитоплазме, в митохондриях. Именно в них углеводы и жиры расщепляются для получения энергии, и мне кажется вполне вероятным, что фосфолипиды помогают взаимодействию растворимых в воде ферментов и растворимых в жирах жирных кислот.

Фосфолипиды составляют всего 1 % или около того в организме. Однако их важность можно показать на следующем примере: организм никогда, ни при каких чрезвычайных обстоятельствах не прикасается к запасу фосфолипидов. Во время голодания организм сначала использует углеводы, затем жиры, а потом начинает жить на запасе белков. Но фосфолипиды остаются нетронутыми, хотя их энергетическая ценность выше ценности белков или углеводов. Вероятно, сжигание даже малой части фосфолипидов вызовет такие нарушения в работе организма, что если он выживет, то это уже будет хорошо.

Из вышесказанного ясно, как фосфолипиды помогают жирорастворимым веществам проникать сквозь клеточные мембраны и как они способствуют переработке этих веществ в клетке. Но как жирорастворимые вещества путешествуют в крови?

В конце предыдущей главы я подчеркнул важность плазменных белков как средства переноса витаминов, гормонов и других веществ с одного места в другое. Но плазменные белки растворяются в воде, поэтому они должны растворяться и в плазме. Как же тогда они переносят жирорастворимые гормоны и витамины?

Так же как фосфолипиды и белки объединяются при помощи фосфорсодержащей группы в фосфолипидной молекуле для создания клеточной мембраны, обладающей двойными свойствами, так же они могут соединяться в крови, образуя молекулу двойного действия. Соединения, образованные фосфолипидами и плазменными белками, называются липопротеинами.

Растворимые в жирах вещества легко объединяются с липидной частью липопротеинов и с ними переносятся кровью. Белки же растворяются в водной части крови — плазме.

Таким образом, липопротеины, составляющие всего от 3 до 5 % плазменных белков, являются важной частью транспортной системы крови. За последние двадцать лет ученые неожиданно с испугом и восторгом обратили взор к этим веществам, о которых раньше мало знали и роль которых недооценивали.

Чтобы объяснить, почему так произошло, я должен сказать, что одним из важных веществ, растворимых в жирах, является холестерин. Молекула холестерина состоит из четырех колец атомов углерода, ко всем атомам углерода, кроме одного, присоединены исключительно атомы водорода, к одному углероду прикрепляется еще и единственная гидроксильная группа. С ее помощью холестерин может соединяться с жирной кислотой.

В организме более 200 граммов холестерина. Он частично необходим как сырье для образования половых гормонов и гормонов надпочечников, молекулярное строение которых напоминает строение холестерина. Однако для этого требуется совсем мало холестерина.

Большая его часть находится в клеточных мембранах, особенно в липидных оболочках, защищающих нервные волокна. Из-за них сухое вещество мозга (за исключением водного содержимого) на одну пятую состоит из холестерина.

Зачем там нужен холестерин и почему не подходят другие липиды, пока неясно. Однако, какая бы причина ни была, его присутствие очень важно. В крови холестерин связывается с липопротеинами плазмы.

Липопротеины можно разделить на две основные группы. Одна состоит из относительно маленьких молекул, содержащих фосфоглицериды и небольшое количество холестерина. Это альфа-липопротеины. Молекулы, принадлежащие к другой группе, более крупные, причиной больших размеров по крайней мере частично является холестерин, так как на него приходится большая часть липидной доли молекулы. Это бета-липопротеины. («Альфа» и «бета» — первые две буквы греческого алфавита.)

И наконец, мы подходим к самой драматической части. Даже липопротеины не всегда являются идеальным решением проблемы переноса жирорастворимых веществ. В процессе циркуляции крови иногда происходит «отрыв» некоторых веществ. По неизвестной причине это чаще наблюдается у мужчин, чем у женщин, причем у некоторых мужчин чаще, чем у других, причины этого также неизвестны.

Чаще всего от липопротеинов отделяется холестерин, возможно, потому, что он присутствует в крови в довольно большом количестве. После отделения плазма не в состоянии переносить его, и холестерин откладывается на внутренних оболочках кровяных сосудов, где прикрепляется к фосфолипидам. Обычно это происходит в артериях, возможно, из-за того, что в них кровь течет быстрее всего, поэтому и холестерин легко отрывается.

Когда холестерин покрывает внутреннюю поверхность артерий, он сужает их, что ведет к увеличению давления крови на этом участке сосуда. Более того, холестерин вызывает снижение эластичности артериальных стенок — еще одна опасность их разрыва под возросшим давлением. Но и это не все. Внутренняя поверхность артерии становится грубой и неровной, на ней образуются сгустки крови (о них я буду говорить в последней главе), которые могут полностью заблокировать сосуд. Это состояние называется тромбозом.

Если тромбоз происходит в коронарных артериях, питающих сердце, развивается сердечный приступ. Закупорка мелких артерий мозга приводит к голоданию какого-либо участка мозга и вызывает инсульт. В том и другом случае возможен летальный исход.

Отложение холестерина на внутренних стенках артерий называется атеросклерозом. Когда человечество при помощи вакцинации, выработки правил гигиены и антибиотиков победило инфекционные заболевания, атеросклероз стал убийцей номер один для жителей западных стран, преимущественно мужчин.

С атеросклерозом нельзя справиться, когда артерии уже заблокированы, но было бы неплохо заранее знать, кто в большей степени подвержен этой болезни, а кто меньше. Лица, принадлежащие к группе риска, могли бы принять меры предосторожности и прожить дольше. Например, они могли бы раньше снизить интенсивность физической нагрузки.

Поскольку львиную долю холестерина переносят бета-липопротеины, в группу риска могут входить люди, в чьей крови обнаруживается высокое содержание этой группы липопротеинов. Сообщалось, что в крови больных диабетом, которые более других подвержены атеросклерозу, также содержится больше бета-липопротеинов, чем у здоровых людей.

После Второй мировой войны, когда исследования ученых направлены на мирные цели, начался поиск средств, которые позволяли бы более подробно исследовать липопротеины. Были разработаны новые методы изучения этой группы соединений.

Обычно молекулы белков, хотя они и плотнее воды, не оседают в ней, как частицы песка. Сила притяжения заставляет их опуститься вниз, но, оседая, они сталкиваются с молекулами воды и белков, поэтому находятся во взвешенном состоянии. Частицы песка также сталкиваются с молекулами воды, но они настолько крупны, что слабые удары молекул не ощущают. Однако столкновения с молекулами воды имеют значение для более мелких молекул белков.

Мы могли бы заставить молекулы белка осесть на дно, если бы замедлили движение молекул воды, но это можно сделать, только охладив раствор, который замерзнет задолго до того, как движение молекул воды существенно замедлится.

Альтернативным решением будет увеличение силы тяжести молекул белка. Мы не в состоянии усилить земное притяжение, но можно создать силу, похожую на нее. Если поместить белковый раствор в маленький контейнер и начать быстро вращать его, центробежная сила будет давить на содержимое в направлении от центра вращения. Чем больше скорость вращения, тем мощнее эта сила.

В 1930-х годах шведский ученый Т. Сведберг создал центрифугу, которая могла вращаться так быстро, что создавала центробежную силу, в сотни тысяч, даже миллионы раз превосходящую силу земного притяжения. Такое устройство получило название ультрацентрифуги. (Слово «центрифуга» произошло от латинского «бегство от центра».)

В ультрацентрифуге молекулы белка, «пробираясь» сквозь молекулы, движутся от центра вращения. Происходит их оседание, или седиментация.

Скорость седиментации отдельной белковой молекулы зависит от ее размера и формы. Изучение поведения белка при ультрацентрифугировании легло в основу метода определения размера белковой молекулы.

Скорость седиментации измеряется в единицах Сведберга, названных так в честь изобретателя ультрацентрифуги, которые обычно обозначаются S₂₀. Число 20 означает, что температура раствора в центрифуге составляет 20 °C.

В ультрацентрифуге липопротеины ведут себя точно так же, как и обычные белки, за одним важным исключением. Обычно плотность липидов составляет от 75 до 80 % от плотности воды. Низкая плотность липидов в составе липопротеинов с избытком компенсирует повышенную плотность белков. Поэтому липопротеины легче воды, и чем больше в них липидов, тем меньше их удельная масса.

Под воздействием ультрацентробежной силы липопротеины движутся не от центра, а к центру вращения. Скорость их всплытия измеряется в отрицательных единицах Сведберга, или в единицах флотации S_f.

Плазменные липопротеины в зависимости от скорости всплытия при ультрацентрифугировании были разделены на фракции. Фракция липопротеинов, всплывающих медленнее всего (S_f 3–8), может различаться у разных людей, но у одного и того же человека она постоянная. На количество липопротеинов в этой фракции не влияет ни характер питания, ни состояние здоровья.

Самого пристального внимания заслуживает фракция S_f 12–20. Именно ее связывают с возникновением атеросклероза. Если доля липопротеинов в этой фракции у человека высока, увеличивается риск его заболевания атеросклерозом.

Возникает вопрос: можно ли снизить количество липопротеинов S_f 12–20? Существует ли какая-то особая диета? Кажется, что мы не должны употреблять холестерин вовсе, потому что именно в этой фракции холестерина содержится особенно много и именно он причиняет наибольший вред внутренней оболочке артерий. Но к сожалению, организм может легко сам вырабатывать холестерин, и даже при низкохолестериновой диете, когда из нее исключаются масло, яйца и животный жир, уровень липопротеинов фракции S_f 12–20 может сохраняться высоким.

Пока решение проблемы не найдено. Ученые интенсивно работают в этом направлении, поэтому посмотрим, что произойдет в течение нескольких следующих лет.