§ 52. Пищеварение с точки зрения химика

Определения и обозначения

Пищеварение — химическое и механическое превращение пищи в вещества, которые организм может всасывать и использовать. Механическая обработка измельчает пищу, а химическая изменяет состав её молекул. Благодаря этому питательные вещества становятся доступными для организма.

Ферменты — белковые катализаторы, ускоряющие реакции пищеварения и действующие избирательно на определённые вещества. Катализатор увеличивает скорость реакции, но сам не становится её исходным веществом. Избирательность означает, что фермент подходит лишь к определённым молекулам и реакциям.

Гидролиз — расщепление сложного вещества водой. В ходе реакции вода участвует в разрыве химических связей, поэтому образуются более мелкие молекулы. Гидролиз позволяет превратить пищевые вещества, слишком крупные для всасывания, в доступные организму продукты.

Мономеры — небольшие молекулы, из которых состоят биополимеры, то есть природные вещества с крупными молекулами. Некоторые продукты переваривания похожи на такие исходные звенья, например аминокислоты — составные части белков. Небольшой размер позволяет продуктам пищеварения всасываться и использоваться организмом.

Как это устроено

Молекулы многих питательных веществ слишком велики, чтобы пройти сквозь стенку кишечника. Через неё могут всасываться более мелкие продукты, которые затем попадают в организм и используются клетками. Поэтому пищеварение не ограничивается измельчением пищи зубами и перемешиванием: оно должно изменить размер и состав молекул. Для этого организм расщепляет сложные вещества на более простые.

Расщепление многих пищевых веществ происходит посредством гидролиза. Вода участвует в реакции и помогает разорвать связи, соединяющие части крупных молекул. Такие превращения идут достаточно быстро благодаря ферментам: они снижают затраты, необходимые для протекания реакции, и ускоряют её. Фермент при этом не расходуется как реагент, хотя его работа зависит от подходящих условий.

У каждого фермента есть избирательность: его строение позволяет взаимодействовать с определёнными молекулами и ускорять определённый тип реакции. Поэтому фермент, расщепляющий белок, не заменит фермент, действующий на крахмал. Сложные углеводы, например крахмал, постепенно превращаются в простые сахара, которые организм может всасывать. Белки расщепляются до аминокислот — небольших молекул, из которых состоят белковые цепи.

Жиры при переваривании дают глицерин и жирные кислоты. Жир не смешивается с водной средой пищеварительного тракта, поэтому желчь помогает разделить его на мелкие капли; этот процесс называют эмульгированием. Так увеличивается поверхность контакта жира с ферментами, но сама желчь ферментом не является и химические связи не расщепляет. Расщепление жиров выполняют ферменты, в частности липазы.

Ферменты действуют эффективно только при подходящих условиях, включая температуру и кислотность среды. В разных отделах пищеварительного тракта условия различаются, поэтому там работают разные ферменты и происходят разные этапы превращения пищи. Если среда не подходит ферменту, реакция замедляется или может остановиться. Такая последовательность позволяет постепенно переваривать разные компоненты пищи, не смешивая все реакции в одну.

Химические превращения основных питательных веществ при пищеварении

Читайте таблицу по строкам: так можно увидеть, что именно расщепляется, какие продукты образуются и какую роль играют ферменты. Сравнение строк показывает, что разные питательные вещества дают разные продукты и требуют разных ферментов. Для жиров отдельно указана роль желчи: она помогает подготовить жир к действию фермента, но не заменяет его.

Разбор задач

Задача 1. Назовите тип реакции, благодаря которому крупные молекулы крахмала и белка расщепляются при пищеварении. Нужно определить не название фермента, а общий тип химического превращения, в котором участвуют сложные пищевые молекулы. Оба вещества расщепляются с участием воды.

1. Крахмал и белок — крупные молекулы, которые при пищеварении распадаются на более мелкие продукты.
2. Проверяем, участвует ли вода в расщеплении химических связей: такой процесс соответствует определению гидролиза.
3. Следовательно, для обоих веществ называют один общий тип реакции, хотя ферменты, действующие на них, различаются.

Ответ: гидролиз.

Задача 2. Сопоставьте крахмал, белок и жир с веществами, до которых они расщепляются при пищеварении. Сначала определяем, к какому классу относится каждое исходное вещество, а затем вспоминаем характерные продукты его гидролиза. Важно не переносить продукты одного класса на другой.

1. Крахмал относится к углеводам, поэтому среди продуктов ищем простые сахара, например глюкозу.
2. Белок состоит из звеньев-аминокислот; при расщеплении белковых молекул образуются аминокислоты.
3. Жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, поэтому эти продукты нужно сопоставить с жиром.

Ответ: крахмал — простые сахара; белок — аминокислоты; жир — глицерин и жирные кислоты.

Задача 3. Объясните, почему фермент, расщепляющий белок, не заменит фермент, действующий на крахмал, и почему изменение условий среды может замедлить пищеварение. Вопрос объединяет два свойства ферментов: избирательность и зависимость работы от условий. Чтобы ответить, нужно связать каждое свойство с ходом химической реакции.

1. Ферменты избирательны: белковый фермент распознаёт подходящее ему вещество и ускоряет реакцию его расщепления.
2. Молекула крахмала устроена иначе, поэтому белковый фермент не может эффективно заменить фермент, действующий на углеводы.
3. Работа фермента зависит от условий среды, в том числе кислотности; при неподходящих условиях его действие ослабевает.
4. Если реакция идёт медленнее, пищевые молекулы расщепляются медленнее, поэтому замедляется и пищеварение.

Ответ: ферменты действуют на определённые вещества, а изменение условий может снизить их активность и замедлить расщепление пищи.

Типичные ошибки

Ошибка — считать пищеварение только механическим измельчением. Так думают, потому что измельчение заметно и его легко представить, а химические превращения не видны. Но одних мелких кусочков недостаточно: крупные молекулы должны расщепиться до меньших. Проверьте себя вопросом: изменился ли только размер куска или также состав молекул пищи?

Ошибка — называть фермент веществом, которое расходуется при реакции. Это заблуждение возникает потому, что фермент участвует в процессе и ускоряет его. Однако он не является исходным веществом гидролиза и действует как катализатор. Чтобы проверить себя, отделите реагенты, меняющиеся в реакции, от вещества, которое ускоряет её протекание.

Ошибка — путать гидролиз с простым растворением. При растворении вещество распределяется в растворителе, но химическое расщепление связей не обязательно происходит. При гидролизе вода участвует в химическом превращении, а крупная молекула распадается на более мелкие продукты. Проверьте себя: появились ли новые вещества в результате реакции?

Ошибка — полагать, что все питательные вещества расщепляются одним ферментом. Такое предположение кажется удобным, если воспринимать пищеварение как одну общую реакцию. На деле ферменты действуют избирательно, и для углеводов, белков и жиров нужны разные ферменты. Проверить себя можно по таблице: у разных исходных веществ различаются и продукты расщепления.

Связь с другими темами

Для понимания пищеварения пригодятся знания о составе и строении углеводов, белков и жиров: по ним можно предсказать, какие вещества участвуют в реакции и какие продукты образуются. Также нужно понимать, что такое химическая реакция и катализатор. Эти понятия помогают отличить гидролиз от растворения, а роль фермента — от роли реагента.

Представление о ферментативном гидролизе связано с изучением обмена веществ: после всасывания продукты пищеварения используются организмом в дальнейших превращениях. Те же знания помогают понять процессы пищевой промышленности, где ферменты применяют для изменения сырья. Они также встречаются при рассмотрении биохимических процессов в живых организмах.

Что запомнить

• Пищеварение включает механическую обработку пищи и химические реакции.
• Большинство крупных пищевых молекул расщепляется гидролизом.
• Ферменты ускоряют реакции пищеварения.
• Ферменты действуют избирательно на определённые вещества.
• Углеводы, белки и жиры расщепляются до более мелких молекул.
• Условия среды влияют на действие пищеварительных ферментов.