Отже, подивимось. Минулого разу ми говорили про біохімічні сполуки. Я намагаюся стисло викласти основні аспекти біохімії, які вам потрібно знати. Основна ідея полягає в тому, що біохімія — це хімія живих організмів. Коли біохіміки говорять про це, вони зазвичай обговорюють одну з трьох категорій: вуглеводи, жири й білки. Більшість тем у цій галузі науки так чи інакше стосується однієї з цих категорій. Тож, коли ви думаєте про біохімію, уявляйте собі вуглеводи, жири й білки.
Ми обговорювали вуглеводи минулого разу й зазначили, що основна абревіатура для них — CHO, оскільки вуглеводи складаються з вуглецю, водню й кисню. Ми також згадували, що співвідношення цих елементів становить один до двох до одного. Звісно, можуть бути винятки, але, як правило, це співвідношення не порушується. Формула глюкози — C6H12O6 (один до двох до одного). Я десь читав, що співвідношення може бути один до одного до одного, але один до двох до одного зустрічається найчастіше. Отже, це короткий опис того, що таке вуглеводи, іншими словами — цукри.
Далі ми перейшли до обговорення жирів. Ми сказали, що коли йдеться про жири, зазвичай маються на увазі довгі ланцюги атомів вуглецю з воднем по боках і парою атомів кисню на кінці. Ми також згадували, що базовою одиницею жирів у нашому тілі є жирна кислота. Коли говорять про жирну кислоту, мається на увазі маленький ланцюжок із шістнадцяти, вісімнадцяти, двадцяти або двадцяти двох вуглеців. Майже всі атоми вуглецю в цьому ланцюжку з’єднані між собою, а вільні зв’язки зайняті воднем уздовж усього ланцюжка. У результаті маємо довгий ланцюжок вуглеводнів. На його кінці знаходиться карбоксильна група, яка складається з вуглецю, що перебуває у подвійній зв’язці з киснем, а також зі спиртовою групою (COOH). Це і є карбоксильна група. Так виглядає жирна кислота в нашому тілі.
Хіміки визначають вуглеводи як молекули складу CHO у співвідношенні один до двох до одного. Але як вони визначають жири або ліпіди? Варто зазначити, що найчастіше їх називають жирами, але іноді й ліпідами або маслами. Один із видів цих жирів — стероїди. Ви, напевно, чули про стероїди, зокрема про анаболічні стероїди. Це такі маслянисті маленькі молекули. Або, можливо, ви чули про кортикостероїди, такі як гідрокортизон, наприклад. Іншими словами, усі терміни зі словом «кор», наприклад гідрокортизон, кортизол, кортикостероїди, вказують на стероїд, який виробляється в корі надниркових залоз. Над вашими нирками розташовані залози, які називаються наднирковими. Їх так називають, бо вони розташовані над нирками. Від латинського «адренал» («ад» — «над» або «біля», «ренал» — «нирки»). Надниркові — це ті, що знаходяться над верхнім полюсом нирки. Тому ми й говоримо «надниркові залози». У цих залоз є кора. А що таке кора або кортекс? Коли я кажу, що щось є кортикальним або корковим, що я маю на увазі? Кортекс — це щось на зразок кори дерева, зовнішньої оболонки або панцира. Таким чином, кора надниркових залоз — це зовнішній шар, сформований клітинами надниркової залози. Отже, коли ми говоримо про продукти клітин цих залоз, ми маємо на увазі кортизол, гідрокортизон або будь-яку речовину з частинкою «кор». Ця частинка вказує на походження цих речовин.
Отже, ці стероїди є жирами або маслами. Це лише один приклад часто зустрічаються жирів. Знову ж таки, іноді їх називають «ліпідами», іноді «жирами», іноді «маслами», але по суті це одне й те саме. Говорячи про вуглеводи, хіміки визначають їх як молекули з певними співвідношеннями вуглецю, водню й кисню. А як же вони визначають жири? Тобто як вони класифікують жир і відокремлюють його від інших категорій? За зовсім іншою ознакою. Масла або жири визначаються їхньою розчинністю в неполярних розчинниках. Тож жир, масло або ліпід — це речовина, яка розчиняється в неполярному розчиннику.
Наступне питання: що таке неполярний розчинник? Що означає «неполярний»? У ньому немає заряджених частинок. Чи буде вода неполярним розчинником? Ні, тому що молекули води частково заряджені. Це дуже важливий аспект. Уявіть собі молекулу води. Атом кисню має частковий негативний заряд, який позначається маленькою грецькою літерою дельта й мінусом. Це і є частковий заряд. У той же час два атоми водню в молекулі води мають частковий позитивний заряд. Ця молекула за формою нагадує частково заряджений бумеранг. У результаті молекули води взаємодіють одна з одною, як магніти: південний полюс до північного. Ці маленькі магніти води вирівнюються, і якщо їх заморозити, фіксуючи їхнє розташування, утворюється лід. Чим тепліша вода, тим вільніше ці молекули рухаються й більше відскакують одна від одної, внаслідок чого лід тане.
Повертаючись до полярності: дуже важливо розуміти природу води. Уявляйте воду як полярний, тобто заряджений, розчинник. Якщо розташувати молекули води поруч одна з одною, вони будуть слабко притягуватися. Це утворює тривимірну сітку таких молекулярних магнітів. Дуже часто воду порівнюють із рідким кристалом, і мені подобається ця аналогія. Вода має певну структуру, але вона не фіксована, адже вода, як відомо, є рідкою.
Якщо додати у воду цукор або сіль, вони розчиняться. Це відбувається тому, що молекули вуглеводів частково заряджені.
Або та ж сіль, наприклад: натрій має позитивний заряд, а хлор – негативний, тому молекула солі заряджена. А що відбувається із зарядженими молекулами у воді? Молекули води обволікають молекулу солі з усіх боків. Іншими словами, молекули солі вбудовуються в сітку рідкого кристала води, ніби проникаючи в її структуру. Уявіть собі воду як мішечок із магнітами. Уявіть, що я тримаю мішечок із маленькими, плоскими магнітами для холодильника. Що станеться, якщо його струсити? Магніти з’єднаються в упорядковану структуру: північ-південь, північ-південь і так далі. Утворюється чітка структура. Якщо я додам ще один магніт іншої форми чи розміру, що відбудеться? Інші магніти одразу почнуть його обволікати, взаємодіяти з ним. Так само, якщо полярна молекула, наприклад, вуглевод, потрапить у воду, вона вбудується в структуру молекул води, як магніт у мішку. Полярна молекула опиниться в оточенні молекул води. Можете уявити цей процес?
Отже, якщо помістити у воду молекулу глюкози, молекули води щільно оточать її, створюючи певну оболонку. І це важливий момент. Молекула цукру змінює свої властивості, адже стає більшою за рахунок водної оболонки. Уявіть, що ця молекула цукру рухається кровоносною системою, і її об’єм, а отже, і радіус впливу більший, ніж у звичайної молекули без такої оболонки.
Тепер уявіть мішечок із магнітами, у який кладуть кульку для пінг-понгу. Якщо струсити мішечок, де виявиться кулька, коли струшування припиниться? Не між магнітами, а на поверхні. Чому на поверхні? По-перше, тому що магніти, притягуючись один до одного, витіснять кульку, адже вона зроблена з пластику і не є магнітною. По-друге, вона легша за магніти. Якщо наповнити кульку піском, вона стане щільнішою і, можливо, опуститься на дно. Більш щільні об’єкти опиняються на дні. Щільність визначається як відношення маси до об’єму. Тобто кулька з піском важча, ніж така сама кулька з повітрям.
Жири – це речовини, що розчиняються у неполярних розчинниках. Вода – полярний розчинник, тому жир не розчиняється у воді чи інших полярних рідинах. Уявімо, що ви набрали каструлю води і додали трохи рослинної олії. Олія утворить великі пласкі краплі на поверхні. Чому на поверхні? Тому що вона легша за воду. Якщо взяти густішу олію, вона може осісти на дно і утворити краплі внизу каструлі.
А якщо покласти туди вершкове масло? Вершкове масло – це тваринний жир, той самий, який є у вашому тілі як енергетичний резерв. Його можна побачити у м’ясі, фарші чи ковбасі. Цей жир – те, що багато хто намагається позбутися. При температурі тіла масло напіврідке. Якщо покласти брикет масла у руку, воно почне танути. В організмі воно виконує функцію енергетичного резерву. Масло отримують із молока, відокремлюючи жир. Як це робиться? Фермери використовують сепаратори – центрифуги, які обертають молоко, змушуючи густіші частини осідати на дно, а жир піднімається нагору. Потім його збивають у маслобійці, охолоджують, і так отримують вершкове масло.
Ваш жир – це те саме вершкове масло. Якщо ви худнете, то втрачаєте буквально кілограми такого “масла”. Один кілограм жиру містить близько 7200 калорій. Для порівняння, середньостатистична людина спалює близько 2000 калорій на день. Отже, якщо хтось обіцяє втрату 0,5 кг на день завдяки диво-дієті, це малоймовірно. Щоб спалити таку кількість калорій, потрібно подвоїти свої витрати енергії. Тому зниження ваги потребує часу та зусиль.
Пам’ятаю, як дванадцять років тому я серйозно захворів. Мені видалили велику ділянку шкіри навколо ока і пересадили туди свіжий епітелій. У мене була інфекція, яка в науковій термінології називається некротичний фасціїт. Можливо, ви чули про неї. Це той тип інфекції, яку в пресі називають “бактерією, що поїдає плоть”. Скажу так: не існує такого поняття, як “бактерія, що поїдає плоть”. Це всього лише один із видів бактеріальної інфекції. Ця бактерія проникає під шкіру, між шкірою і сполучною тканиною, яка називається фасція. Некроз — це смерть, відмирання. Некротичний фасціїт — це відмирання тканин фасцій. Тобто йдеться про бактерію, яка викликає відмирання тканин у проміжку між шкірою та фасцією.
Під час цієї хвороби я провів у лікарні шість тижнів, з яких три тижні був непритомним, тобто взагалі не приходив до тями. У наступні три тижні я не розумів, де я і що відбувається. Я просто ходив по палаті, мов овоч. Я нічого не їв. Хвороба повністю зруйнувала мій апетит, і на смак усе здавалося, як металева фольга. Я не міг їсти і не їв мінімум шість тижнів. За цей час я схуд на двадцять кілограмів. Ось як можна втратити вагу, якщо взагалі нічого не їсти і до того ж спалювати величезну кількість калорій через хворобу. Просто хочу підкреслити, що якщо взагалі не їсти, можна дуже швидко схуднути. Це реальний спосіб швидко втратити вагу.
Отже, ми називаємо жирами ті речовини, які розчиняються у неполярних розчинниках. Жири не розчиняються у воді, але вони розчинні, тобто розчиняються у неполярному розчині. Що ж таке неполярний розчин? Це рідина, яка складається з незаряджених молекул. Якщо я попрошу розчинити пів кілограма масла у неполярному розчиннику, де б ви шукали такий розчинник і що б ви використали в першу чергу? Щось, що дуже добре очищує жир. Якщо вам потрібно змити густе мастило з поверхні, чим би ви скористалися? Наприклад, якоюсь олією. Скажімо, вам потрібно очистити мастило з деталей двигуна, чим би ви скористалися? Мило цілком підійде. Молекули мила заряджені на одному кінці і незаряджені на іншому. Незаряджений кінець молекули мила обгортає молекулу жиру і формує навколо неї оболонку. Полярний кінець молекули мила взаємодіє з молекулами води, а неполярний кінець взаємодіє з молекулами жиру чи масла. Таким чином утворюються дуже маленькі краплі жиру, і ці краплі мікроскопічні.
Спробуйте такий експеримент: наберіть у банку чистої води, налийте трохи рослинної олії і спостерігайте, як вона збирається на поверхні великими краплями. Закрийте банку кришкою, добре струсіть, і ви побачите, як великі краплі розпадуться на дрібніші. Потім додайте трохи миючого засобу, знову перемішайте, і жир зникне. Але насправді він нікуди не подівся. Якщо придивитися, вода стане трохи мутною, з легким сірим відтінком. Це означає, що жир розділився на мікроскопічні краплі, оточені молекулами мила. Усі ці краплі тепер зависли у воді, і через це вода виглядає мутною.
Однак мило не є неполярним розчинником. Якщо я попрошу вас очистити мастило або жир, використовуючи неполярний розчинник, що б ви взяли? Бензин. Це неполярний розчинник. Молекули бензину змішуються з молекулами мастила, розчиняють його, і мастило легко видаляється.
Тепер щодо зняття лаку з нігтів. Для цього використовують ацетон або спеціальну рідину для зняття лаку. Лак для нігтів — це масляна фарба. Щоб зняти її, використовують ацетон, толуол чи ксилол — органічні розчинники. Вони неполярні й розчиняють олії та жири.
У вашому тілі також є ацетон. Він утворюється при спалюванні жирів і належить до кетонових тіл. Це органічні молекули. Жири визначаються їхньою здатністю розчинятися у неполярних розчинниках, а не за складом хімічних елементів, як, наприклад, вуглеводи. Якщо речовина не розчиняється у воді, то це, скоріш за все, жир або ліпід. Запам’ятайте, це важливо.
Добре, далі. Третій пункт у нашому списку — це, звісно, білки. Білки — це довгі нерозгалужені ланцюжки амінокислот. Нерозгалужені ланцюжки амінокислот. Це означає, що якщо взяти амінокислоти і з’єднати їх разом ковалентними зв’язками, ми отримаємо довгі прямі ланцюжки. Нерозгалужені означає прямі. Зараз, якщо б я був на вашому місці, у мене виникло б питання: що таке амінокислота? Адже визначення білка не має жодного сенсу, якщо не знати, що таке амінокислота.
Амінокислота — це маленька молекула, яка складається з вуглецю, водню, кисню і, звісно ж, азоту. Її молекулярна маса — десь у межах кількох сотень. Отже, білки — це комплекси багатьох різних амінокислот. Ви, мабуть, чули про них. Якщо б я попросив вас прямо зараз назвати знайомі назви амінокислот, змогли б? Чи знайомі вам такі назви, як лізин, метіонін, валін тощо? Вони зазвичай закінчуються на «-ін». Усього існує, звісно, залежно від того, як рахувати, двадцять дві амінокислоти, які використовуються для створення білків. Ми беремо молекули окремих амінокислот, додаємо одну до іншої, і до третьої, і до четвертої, і так утворюється потрібний білок.
Деякі амінокислоти заряджені, тобто полярні, інші — незаряджені, або неполярні. Це означає, що одні розчиняються у воді, а інші — ні. І це все ті ж амінокислоти.
Якщо ви раніше не чули про білки чи амінокислоти і не розумієте різниці між ними, подумайте ось про що. У нас є ланцюжок амінокислот. Деякі з них полярні, інші неполярні, або, інакше кажучи, одні заряджені, а інші ні. Що ми бачимо? Наприклад, ця амінокислота негативна, а ця позитивна, і в результаті взаємодії ланцюжок згинається. Залежно від типу амінокислот ланцюг складається у певну форму. У результаті взаємодії позитивних і негативних амінокислот ланцюжок набуває певної форми. Є й інші сили, що впливають на процес складання, або, науковою мовою, фолдингу білка, але зараз для нас це неважливо. Важливо лише те, що під час створення ланцюга амінокислот він складається у специфічну форму. Зазвичай білки складаються із сотень чи тисяч амінокислот, тому ланцюг може бути досить довгим, і він складається у дуже специфічний спосіб, утворюючи тривимірний об’єкт. Ось цей об’єкт і є білком, і він має певну тривимірну форму.
Пам’ятаєте, я згадував про зберігання енергії у ковалентних зв’язках? Я казав, що в листку рослини є ферменти. Уявіть, я як білок тримаю атом вуглецю однією рукою і ще один атом вуглецю іншою. Уявіть цю картину. Ось я, схожий на скручений канат, маю унікальну тривимірну форму, а молекула вуглекислого газу ідеально підходить до мене, як ключ до замка. З іншого боку приєднується інша молекула, і білок змінює свою форму під впливом ультрафіолету, тепла чи інших факторів. У процесі зміни форми білок поєднує молекули, замикаючи їх у ковалентний зв’язок, що накопичує енергію.
У ваших клітинах білки виконують безліч функцій. Наприклад, якщо білок взаємодіє з молекулою глюкози, він зв’язується з нею, змінює форму, і це приводить до її розпаду, звільняючи енергію. Ця енергія може використовуватись для синтезу АТФ (аденозинтрифосфат) — основного джерела енергії в організмі. Унікальна форма білка визначає його унікальні властивості.
Білки також синтезують інші білки, додаючи амінокислоти одну до одної. Використовуючи енергію молекули АТФ, білок поєднує амінокислоти у ланцюг, створюючи дипептид, трипептид чи поліпептид. Усі ці ланцюги — це і є білки.
Один із видів білків — це ферменти. Що таке фермент? Біологічний каталізатор. Каталізатор — це речовина, яка прискорює темп хімічних реакцій. Згадайте: наш листок рослини і сонце, яке світить на нього. Як ви думаєте, чи можуть дві молекули вуглецю, молекула вуглекислого газу номер один і молекула номер два, самостійно з’єднатися? Адже все навколо постійно рухається. Це один із фундаментальних законів фізики. Усі атоми і молекули постійно рухаються: ця молекула в русі, і інша теж. Чи можуть вони випадково зіткнутися у правильний спосіб і утворити вуглецеву молекулу? Чисто випадково? Звісно, можуть. Але якщо в нас є фермент, то ми можемо бути впевнені, що ці дві молекули знайдуть одна одну й обов’язково з’єднаються, утворивши вуглецеву молекулу. Таким чином, фермент може прискорити цю реакцію. Ось що роблять каталізатори. Вони збільшують ймовірність зіткнень або, навпаки, створюють напругу в молекулах, розриваючи певний зв’язок.
Тож каталізатор у хімії — це речовина, яка контролює швидкість хімічних реакцій, а ферменти — це органічні каталізатори, що регулюють хімічні реакції в клітині. Більшість ферментів — це білки. Чому? Тому що білки мають унікальну форму. З білків можна створити різноманітні конфігурації, зокрема ті, які формують дві молекулярні кінцівки, що захоплюють дві молекули вуглецю та з’єднують їх.
А скільки білків у клітині? В одній клітині може міститися мільярди, трильйони білкових молекул. Який розмір клітини? Печінкова клітина має розмір приблизно 20 мікронів. Якщо покласти перед вами білий аркуш паперу з точкою розміром 20 мікронів, чи побачите ви її? Занадто маленька. Який розмір повинна мати ця точка, щоб бути помітною? 100 мікронів — це діаметр людської яйцеклітини. Це одна клітина, найбільша в тілі людини. Якщо пофарбувати її в чорний колір і покласти на білий аркуш, то, придивившись, ви ледве помітите цю точку. Середній розмір клітини в організмі — 20 мікронів, що становить п’яту частину видимої точки.
У цій клітині плавають мільярди білкових молекул. Хочу, щоб ви уявили ці масштаби. Коли ми говоримо про білки чи малюємо їх, це не дає справжнього розуміння того, наскільки вони надзвичайно маленькі.
Скільки різновидів білків у клітині? Приблизно сто тисяч. І ці білки працюють не лише всередині клітини. Вони — механізми клітини, що регулюють хімічні реакції. Наприклад, у мітохондріях білки взаємодіють із молекулою глюкози: клац — розривають її на дві частини, потім ще — клац. Ці білки працюють як ножиці, розрізаючи специфічні зв’язки в молекулі глюкози, видобуваючи з них енергію. Кожен білок має свою специфічну форму, яка дозволяє йому виконувати свою функцію.
У мітохондріях білки утворюють своєрідний конвеєр, по якому молекула глюкози розщеплюється на дрібніші частини, доки вже нічого не залишиться для розщеплення. У кінці цього процесу залишаються лише атоми вуглецю, водню й кисню.
Отже, у біохімічних процесах клітини працює приблизно сто тисяч білкових механізмів уздовж складного конвеєра. Це неймовірно складна система, де кожен компонент рухається та виконує свою функцію. Ось що таке клітина. Саме таку картину я хочу донести до вашого розуміння.