Минулого разу ми говорили про енергію, яка надходить від Сонця у формі світла та інших видів випромінювання. Рослина має хімічні механізми і білки у клітинах, які витягують вуглець з вуглекислого газу в повітрі, поглинають світло, що змінює їхню форму, і, нагріваючись під дією світла, ці білки з’єднують два атоми вуглецю разом, фактично стискаючи пружину між ними. Насправді ці два атоми вуглецю ділять між собою пару електронів. Білок зближує ці атоми, і вони утримують енергію, що була витрачена на їхнє зближення, тобто потрібна енергія, щоб стиснути цю «пружину», яка «замикає» атоми разом. Після цього молекула може бути звільнена, і в результаті ми отримаємо двокомпонентний вуглець, який став частиною внутрішньоклітинної рідини, і тепер у ньому міститься енергія. Можна додати більше вуглецю, створити складніші молекули, але вся енергія залишатиметься зосередженою в цих ковалентних зв’язках.
Якщо розімкнути «замок», що з’єднує атоми разом, вони розлетяться й вивільнять енергію, яка тепер доступна для використання. Можна додати ще більше вуглецю і створити великі довгі ланцюги з різними зв’язками, і тоді ми отримаємо безліч джерел енергії різної потужності. Якщо взяти молекулу і підпалити її, тобто окислити, ми зруйнуємо зв’язки, розірвемо ковалентні зв’язки і випустимо енергію, яку ми відчуваємо у вигляді світла, тепла та інших форм. У клітинах відбувається цікава ситуація, адже в них «спалюються» різні компоненти, тобто практично все, що має ковалентний зв’язок, а це майже все всередині клітини, можна спалити. Можна спалити молекулу глюкози (C6H12O6), амінокислоти, що входять до складу білків, або жири, атоми яких також містять енергію своїх ковалентних зв’язків.
Усередині клітин можна спалювати майже все, іншими словами, майже все, що є в нашому тілі, потенційно можна спалити. Не можна спалити іони натрію, кальцію чи магнію. Єдине, що буде горіти, – це молекули з ковалентними зв’язками. Для нас важливо, що можна спалювати багато різних компонентів для отримання енергії. Але проблема в тому, що потрібно якось використати цю енергію розірваних ковалентних зв’язків, тобто клітинний механізм має вміти якось «зловити» цю енергію. Усередині клітини є білок, і неважливо, що саме він робить, але ми вставляємо туди двокомпонентний вуглець, «натискаємо» певний перемикач, молекули розлітаються, і в результаті інша частина білка виконує якусь корисну функцію, наприклад, насоси перекачують через мембрану різні речовини, або це м’язовий білок, частина м’язового механізму, і під час вивільнення енергії ми змушуємо м’язи скорочуватися.
Клітина має бути надзвичайно складною, щоб уміти переносити енергію з усіх цих різних «пального» до механізмів, що виконують роботу, тобто скорочення, перекачування іонів, синтез молекул, а також забезпечувати підтримання всіх видів діяльності клітини. Нам потрібне місце всередині клітини для окислення, спалювання та вивільнення цієї енергії, а потім потрібно якось передати цю енергію механізму, який її потребує. У вашому житті енергія потрібна всюди: щоб нагріти воду, щоб працював холодильник, щоб нагрівалися елементи в духовці, щоб лампочка давала світло. Десь є електростанція, де енергетичний субстрат спалюється, вивільняється енергія, яка потім перетворюється на електрику й доставляється до вас проводами. Клітина робить те саме: усередині клітини є місце, де виробляється енергія, прямо як на електростанції, і потім ця енергія доставляється до різних механізмів у клітині, які її потребують.
Яке місце в клітині є основним виробником енергії? Мітохондрія. Мітохондрія – це місце, де є потрібні механізми для спалювання різних речовин: вуглеводів, жирів, амінокислот. Вона спалює ці матеріали, виробляє енергію, а потім ця енергія доставляється до всіх енергозалежних процесів у клітині. У якій формі ми доставляємо цю енергію? У формі АТФ (аденозинтрифосфату). АТФ – це невелика молекула, що має три високоенергетичні фосфатні зв’язки. Я уявляю цю молекулу як маленьку заряджену батарейку, яку можна вставити в насос, що перекачує іони через клітинну мембрану, або в механізм м’язового скорочення, або в механізм, який рухає війки, або у механізм, що виробляє білки. Щойно ми вставимо молекулу АТФ у насос, і він перекачає іони натрію з клітини, енергія буде витрачена, і в цій ситуації молекула АТФ перетвориться на молекулу АДФ (аденозиндифосфат), тому що вона втратила одну зі своїх фосфатних зв’язків. Тепер у нас є розряджена батарейка, і ми відправляємо її в мітохондрію на зарядку, а потім вона знову прямує до насоса, і цикл повторюється. У шкільних підручниках біології про АТФ говорять як про енергетичну валюту клітини. Але краще думати про АТФ як про перезаряджувану батарейку, що циркулює між процесами виробництва й використання енергії.
Органічні молекули – це хімічні сполуки, створені живими організмами. Якби я взяв ваше тіло, подрібнив його і перетворив на кашу, у кінцевому підсумку вийшов би суп із безлічі органічних молекул. Коли кажуть «органічний», мають на увазі щось створене живими організмами, щось, із чого ці організми складаються. Ці сполуки складаються з вуглецю, водню, кисню та азоту. Іноді ми додаємо туди інші елементи, такі як залізо, олово, селен чи магній, але 99,9% компонентів органічних молекул становлять вуглець, водень, кисень і азот. Наприклад, якщо в молекулі є азот, то в її назві, найімовірніше, буде слово «аміно». Тож якщо ви бачите таку молекулу або чуєте фразу «ця амінокислота», то мається на увазі сполука вуглецю, водню, кисню плюс азоту. Якщо ми говоримо «аміноцукор», це означає, що це тип цукру, який містить азот.
Є інші молекули, які також можуть містити азот, і в їхніх назвах зазвичай використовується слово «амін» або схожий термін. Тож, якщо ви побачите це слово, ви одразу зрозумієте, про що йдеться. Чи це важливо? Так, дещо про азот вам обов’язково варто знати.
Під час росту рослинам потрібен азот для виробництва амінокислот. Наприклад, кукурудза використовує азот для свого зростання, і отримує його з ґрунту. Тому, якщо рослина не росте, виглядає млявою, з маленькими листками, її стебла зігнуті й зморщені, найімовірніше, їй не вистачає азоту. Саме тому фермери та садівники удобрюють ґрунт, додаючи азот у тій чи іншій формі.
Таким чином, щоб організм міг рости й виробляти необхідні амінні сполуки, йому потрібне джерело азоту. Це стосується і вас, чи не так? Вам необхідно вживати їжу, що містить азот, щоб ваш організм міг синтезувати сполуки, які його містять.
Коли ви думаєте про азот як про складову органічних молекул, слід розуміти, що цей азот потрібно звідкись отримати. І основним джерелом азоту є їжа, багата на амінокислоти. Це означає, що ваш раціон повинен включати білки. Оскільки білки складаються з амінокислот, вони стають джерелом азоту, який ваш організм вбудовує в інші потрібні йому сполуки.
Ще один важливий аспект, пов’язаний з азотом, полягає в тому, що він утворюється під час спалювання матеріалів, і від нього потрібно позбутися. Це дуже важливий момент.
Коли ми спалюємо щось для отримання енергії, незалежно від того, що саме, ми розриваємо ковалентні зв’язки. У процесі спалювання утворюються атоми згорілих молекул, а саме: вуглець, водень, кисень і азот. І нам потрібно щось робити з цими атомами, оскільки вони є реальними. Не думайте, що це якась абстракція, яка має значення лише на уроках хімії. Ці атоми реальні, і коли речовини горять, вони утворюють велику кількість атомів вуглецю, від яких потрібно позбутися, інакше ваше тіло наповниться вуглецем. Вуглець — це попіл метаболічного вогню всередині нас.
Щоб позбутися вуглецю, ми перетворюємо його на вуглекислий газ, додаючи до нього кисень. Потім цей газ транспортується кров’ю до легень і видихається. Таким чином ми позбавляємося від надлишку вуглецю.
Крім того, у процесі горіння утворюється певна кількість кисню. Його можна використовувати для інших «вогнищ», перетворити на вуглекислий газ або поєднати з воднем, утворюючи воду, яку можна вивести з організму через сечу, піт чи дихання. Позбавитися води зовсім не складно.
Тепер, коли ми позбулися вуглецю, водню й кисню, як бути з азотом? Нам потрібно видалити азот після того, як спалимо азотовмісні сполуки. Для цього азот перетворюється на сечовину.
Існують два основні азотовмісні відходи, які фізіологи називають азотистими. Отже, ми утворюємо азотисті відходи, і, як і з молекулою вуглецю, нам потрібно позбутися молекул азоту. Ми видаляємо їх у формі сечовини або сечової кислоти.
Як ми це робимо? Через сечу. Більшість цих сполук виходить з організму саме таким чином. Вони також виводяться через піт, слину або інші шляхи, але основний шлях — це сечовидільна система.
Якщо залишити калюжу сечі на підлозі, спочатку вона матиме слабкий характерний запах. Але через 12 годин запах стане різким і неприємним. Це результат розкладання сечовини на аміак (NH₃), який є леткою сполукою.
Якщо функція нирок порушена, сечовина почне накопичуватися в організмі. Аналіз залишкового азоту сечовини (Біохімічний аналіз крові) допомагає діагностувати такі проблеми. Коли нирки не працюють належним чином, сечовина виводиться через піт і дихання, що викликає характерний запах аміаку. Це симптоми ниркової недостатності, які вказують на важливість правильного функціонування цих процесів.
Щойно ви навчитеся уявляти, як усе працює, вам буде легко засвоювати нові ідеї та поняття. У принципі, це все, що вам потрібно знати про органічну хімію на цьому етапі. Запам’ятайте: сполуки, створені живими організмами, містять вуглець, водень, кисень і азот.
Далі обговоримо все, що вам потрібно знати про біохімію. Ви, мабуть, думаєте, що для розуміння тіла необхідно мати глибокі знання з біохімії. І зрозуміло, що чим більше ви знаєте, тим краще розумієте всі процеси, але є певні основи, які необхідно знати. Коли ми говоримо про біохімічні сполуки, то маємо на увазі молекулярні сполуки клітин, молекулярні компоненти клітин, тобто те, з чого складаються клітини. На щастя, існує три основні типи молекул, що входять до складу клітин: вуглеводи, жири та білки. Тож, коли говорять про біохімію, йдеться саме про це: вуглеводи, жири та білки.
Продовжимо розмову про вуглеводи.
Вуглеводи складаються з вуглецю, водню та кисню. Іноді, дуже рідко, можна зустріти аміносахариди, але, найімовірніше, у житті ви навряд чи зіткнетеся з ними, тому азот можна опустити й не зосереджувати на цьому увагу. Таким чином, спростимо наше визначення й скажемо, що вуглеводи — це молекули, що складаються з вуглецю, водню та кисню.
Усі вони знаходяться у співвідношенні один до двох до одного. Формула глюкози, базового вуглеводу, — C6H12O6. Співвідношення 1:2:1. І досить часто, коли йдеться про вуглеводи, просто використовують символи CHO — це скорочене позначення вуглеводів.
У повсякденному житті ми часто використовуємо поняття «цукри». Яскравий приклад цукру — це моносахариди. Коли говорять про моносахариди, зазвичай мають на увазі базову версію вуглеводів. Це не зовсім точно, але майже. Думаючи про моносахариди, уявляйте просту версію цукрів. Звісно, найвідомішою є глюкоза. До речі, глюкоза та декстроза — це одне й те саме. У лікарнях досить часто використовують декстрозу. Лікар може сказати, наприклад: «Введіть пацієнту Д5». Мають на увазі п’ятивідсотковий розчин декстрози у воді або п’ятивідсотковий розчин глюкози. Тож, коли говорять про декстрозу, фактично йдеться про глюкозу. Це так, для довідки.
Далі є й інші цукри. У повсякденному житті ви стикаєтеся з дисахаридами, такими як столовий цукор, що є дисахаридом, тобто складається з двох моносахаридів. Але в фізіології він трапляється нечасто, тож, у принципі, можна не розглядати дисахариди.
Є ще одна категорія цукрів, яка для нас важливіша, — це полісахариди. Полісахариди — це ланцюжок, зазвичай розгалужений, із моносахаридів. Іншими словами, якщо з’єднати разом багато моносахаридів, отримаємо полісахарид. Уявіть собі кільце — це моносахарид. Ми можемо приєднати до нього ще одне, і ще одне, і ще одне, і в результаті отримаємо довгий ланцюжок, що складається із сотень чи тисяч таких молекул глюкози. І десь тут можна зробити розгалуження й додати ще один ланцюжок, і так далі. Суть у тому, що можна взяти тисячі таких молекул, з’єднати їх разом і сформувати полісахарид.
Полісахарид, який ви маєте знати, — це глікоген. Глікоген — це спосіб зберігання моносахаридів у клітині, наприклад, у м’язових клітинах. Ви, можливо, чули, коли спортсмени говорять про «завантаження вуглеводів». Приблизно за день до змагань, наприклад перед марафоном, потрібно їсти їжу з високим вмістом вуглеводів. Макарони або рис містять багато вуглеводів. Ваше тіло поглинає ці моносахариди, усі ці прості цукри. Ваша травна система все одно розщеплює дисахариди на моносахариди. Тепер цей моносахарид, глюкоза, циркулює у вашому тілі, і ваше тіло з’єднує молекули глюкози в довгі ланцюжки й зберігає їх у м’язових клітинах або клітинах печінки. Звісно, цей запас досить обмежений. Ви можете зберігати вуглеводи у вигляді глікогену максимум на день-два.
Інший приклад полісахариду — це целюлоза. Що ви уявляєте, коли я кажу про целюлозу? Особисто я думаю про зерна попкорну. Коли ви готуєте попкорн, кожна частинка має жорстку оболонку зерна, яка зазвичай застряє між зубами. Це і є целюлоза. Целюлоза — продукт рослин.
Ваші клітини не мають клітинних стінок. Вони є у рослин, і вони жорсткі. Саме вони роблять рослини твердими. Якщо уявити кукурудзу чи іншу рослину, її стебло складається з маленьких прямокутних клітин, розташованих як кубики в ряд. Між цими клітинами й навколо них знаходиться шар клітинної стінки, що твердий як цегла. І якщо укласти їх один на одного, отримаємо жорстке стебло рослини. Ви споживаєте багато целюлози, тому що їсте рослини. Уся целюлоза у вашій їжі — це ніщо інше, як клітинні стінки рослин.
Чи можете ви перетравлювати целюлозу? Ні. Це так званий грубий корм або клітковина. Целюлоза проходить через ваш травний тракт у незмінному вигляді, виходячи у вигляді фекалій або як частина калової маси. Але є тварини, які можуть її перетравлювати, наприклад миші. Миша може харчуватися деревиною. Подумайте, що таке деревина? Це ніщо інше, як щільно упаковані клітинні стінки.
Якщо зрубати дерево, чи можна одразу його підпалити? Якщо у вас вдома є камін, і ви спробуєте запалити в ньому свіжі дрова, чи вдасться це зробити? Не так швидко, як здається. Тобто, вони загоряться, але для цього знадобиться багато енергії. Зазвичай свіжозрубану деревину зберігають у сараї протягом року або двох, де вона піддається так званому вивітрюванню або штучному старінню. Що фактично відбувається? Вода і всі розчинені в ній сполуки поступово випаровуються з деревини. У підсумку залишається лише клітинна стінка. І коли деревина достатньо просохне, її значно легше підпалити.
Повернемося до мишей. Миші можуть їсти деревину і перетравлюють її інакше, ніж наша травна система. У них велика сліпа кишка. Ви знаєте, що таке сліпа кишка? Це початкова частина товстого кишківника, широка частина, яка опускається вниз. У нас на її кінці знаходиться апендикс. Наша сліпа кишка дуже маленька і не виконує особливих функцій, але у миші вона відносно велика і наповнена бактеріями, здатними перетравлювати целюлозу. Ці бактерії розщеплюють целюлозу і виділяють компоненти, які миша може засвоїти. Окрім мишей, є й інші тварини, здатні перетравлювати деревину, але ви цього зробити не можете. І все ж це важливий аспект біології та фізіології. Коли говорять про целюлозу, слід розуміти, що це – неперетравлювані клітинні стінки, вуглеводи, що містяться в рослинах.
Це все, що вам потрібно знати про цукри. Наступні біохімічні компоненти в нашому списку – це жири, і вони бувають різні. Основний тип жиру, або базова форма жиру, називається жирними кислотами. Жирна кислота – це довгий ланцюжок атомів вуглецю. Типові жирні кислоти в нашому організмі мають довжину близько шістнадцяти атомів вуглецю – шістнадцять, вісімнадцять, двадцять, двадцять два, зазвичай це парні числа. До цих атомів вуглецю по боках приєднані атоми водню, і всі ці атоми з’єднані з вуглецем ковалентними зв’язками. Жири цього типу складаються переважно з вуглецю і водню, але на кінці ланцюжка атом вуглецю утворює подвійну зв’язок із киснем і гідроксильною групою, тому трохи кисню все ж є. Цей атом вуглецю з двома атомами кисню і атомом водню називається карбоксильною групою. Просто іноді цей термін може зустрічатися, і якщо ви знаєте його назву, вам не доведеться губитися.
Основна ідея жирних кислот полягає в тому, що вони містять багато ковалентних зв’язків, які можна розірвати. Тому, коли ми спалюємо жирні кислоти, ми можемо отримати з них багато енергії. Частина жирних кислот є, як кажуть хіміки, насиченими, а частина – ненасиченими. У насичених кислотах всі вільні зв’язки вуглецю займає водень. Ви, можливо, знайомі з медичними скороченнями? «c̅» означає латинське слово «cum» – «з», «s̅» означає «sine» – «без», «a̅» означає «ante» – «перед», «p̅» – «post» – «після», «q̅» – «quaque» – «будь-який» або «кожний». Це корисно знати для конспектування.
У насиченій жирній кислоті всі вільні зв’язки вуглецю заповнені воднем. У ненасичених жирних кислотах ситуація дещо інша. Тут атом вуглецю з’єднаний лише з одним воднем, в результаті чого утворюється вільний електрон, який формує подвійну зв’язок із сусіднім вуглецем. У результаті ланцюжок ненасиченої жирної кислоти дещо зігнутий у цьому місці, на відміну від прямого ланцюжка в насичених жирах. Якщо в ланцюжку є подвійний зв’язок, це означає, що він займає місце водню, тому така кислота ненасичена. Тобто ланцюжок не до кінця насичений воднем, його можна доповнити, додавши ще два атоми водню.
Цей термін часто зустрічається в повсякденному житті, і коли ви бачите на продуктах харчування позначення ненасичених жирів, але не знаєте, про що йдеться, вам може здаватися, що ви щось пропускаєте. Хіба не так буває з мовою? Це дійсно важливий аспект життя.
Чи був у вас знайомий, який повертався від лікаря і скаржився, що лікар пояснював щось складними, довгими словами, а він почувався дурнем, не розуміючи їхнього значення? Просто спілкуєтеся з кимось, хто постійно вживає складні терміни, а ви не знаєте їхнього значення і губитеся в думках. Чи обов’язково їм так говорити? Чи можна замінити складні терміни простими словами, зрозумілими кожному? Звичайно. Тож чому люди використовують ці довгі, складні слова, які вам невідомі? Це робиться, щоб продемонструвати перевагу, змусити вас почуватися ніяково і безпорадно. Яке ж рішення? Як вийти зі ситуації, коли хтось намагається справити на вас враження лише багатшим словниковим запасом? Розширювати свій словниковий запас, дізнаватися значення нових слів. Якщо ви знаєте їхнє значення, цей трюк на вас не спрацює.
Коли я навчався в магістратурі, доводилося постійно спілкуватися з професорами та докторами, які були справжніми експертами у своїй галузі. Вони знали набагато більше за тебе, і ти почувався чужинцем, тому що ти ним і був. У цьому немає нічого поганого. Я знав одного хлопця, який, що б йому не сказали, завжди мав що про це сказати, і всі вважали його найрозумнішим. Якось під час курсу з електронної мікроскопії, де йшлося про експлуатацію електронного мікроскопа, цей хлопець підійшов до мене й запитав: «Привіт, чув, ти взяв курс з електронної мікроскопії, який фіксатор використовуєте? Глутаральдегід?» Звідки він узагалі знає про глутаральдегід? Виявилося, це було майже єдине, що він знав. Він зовсім нічого не розумів у цій темі, все, що він знав, — це кілька слів. Але з допомогою цих кількох слів йому вдалося створити враження, що він дійсно розбирається в цій галузі. І з того часу я почав помічати, як люди постійно користуються цією тактикою. Вони хочуть показати, що розумніші за вас або знають більше, ніж ви, таким чином намагаючись підкреслити свою перевагу. Але це просто хитрість. У медицині це трапляється на кожному кроці.
Чи здатний лікар пояснити пацієнту хворобу у зрозумілій для нього формі? Звісно. Але за умови, що лікар сам розуміє цю хворобу. Неможливо пояснити те, чого не розумієш. Чи змогли б лікарі доносити інформацію до пацієнтів у зрозумілій для них формі? Безумовно. То чому ж вони цього не роблять? Ймовірно, їм просто не хочеться витрачати на це свій час. Лікар висипає купу складних термінів, пацієнт сидить у тумані, а потім лікар питає: «Ну що, все зрозуміло?» Пацієнт невпевнено відповідає: «Ну, думаю, так», і вже виходить за двері.
Рішення цієї ситуації — вивчити значення складних термінів. Вам потрібно знати ці терміни, щоб не потрапити в незручне становище. Тому, коли я говорю про насичені й ненасичені жирні кислоти, а ви не знаєте значення цих слів, вам здається, що ви щось важливе пропускаєте. Насправді це лише означає, що насичені жири насичені воднем, а ненасичені — ні, ось і все. Надалі я розповідатиму про подібні речі. Важливо знати ці слова, адже вони постійно зустрічаються не лише в професійній діяльності, але й у повсякденному житті. Можливо, вони не настільки важливі для вас, але все ж вам варто їх знати.