Величезну роль в житті клітини грають так звані жирні кислоти (fatty acid [ 'fætɪ' æsɪd]). Ми обговорювали вже пристрій молекул таких кислот, коли говорили про молекулах мила. Їх структура виглядає однотипно:
1. На одному кінці - хімічно активна, гідрофільна група (hydrophilic group [hʌɪdrə'fɪlɪk gruːp]) COOH. Терміном «група» називається частина молекули, структурно і функціонально виділяється з решти маси складових молекулу атомів. «Гідрофільний» означає, що ця частина молекули притягується до молекул води і легко утворює з нею хімічні зв'язки. Як ми вже знаємо, якщо група гідрофільна, то це означає, що вона повинна бути полярна, тобто мати позитивно і негативно заряджені частини. Гідрофільна група COOH зустрічається настільки часто в різних органічних молекулах, що має власну назву: «карбоксильная група», або, коротше, «карбоксил». Ми вже зустрічалися раніше з нею в цій книзі.
2. З протилежного боку будь-якої жирної кислоти - довга гидрофобная (hydrophobic [ˌhɪdrə'fɔbik]) ланцюжок. Вона хімічно слабоактивними і являє собою довгу нитку атомів вуглецю з нанизаними на неї атомами водню. Термін «гідрофобний» означає «не притягають до молекул води». Це означає, що гідрофобні групи неполярних, тому-то вони і не утворюють зв'язків з молекулами води.
Поширена помилка, згідно з якою термін «гідрофобний» розуміють як «відштовхується від молекул води». Це абсолютно невірно. Гідрофобна група неполярна, тому вона не може ні притягуватися до полярних молекул, ні відштовхуватися від них. Звідки така помилка росте, цілком зрозуміло: якщо ми помістимо краплю жиру в воду, то виникне повна ілюзія того, що молекули жиру саме відштовхуються від молекул води, збиваючись в купу десь на поверхні. Насправді, це саме ілюзія. Уявімо собі, що у нас є дві молекули води, між якими поміщена молекула жиру. Молекула жиру неполярна, тобто гидрофобна, тобто не притягується до молекул води. Але дві молекули води притягуються один до одного за рахунок своєї полярності, і притягуються з великою силою, і просто виштовхують молекулу жиру в сторону, прагнучи приєднатися один до одного. Якщо тепер позаду відтісненою молекули жиру виявиться ще одна молекула води, то і вона зробить те ж саме - відштовхне в сторону жир і кинеться на возз'єднання з іншими молекулами води. В результаті і виходить ситуація, при якій молекули жиру витісняються на периферію водяного обсягу, так що здається, що вони самі, з власної ініціативи, «відштовхуються» від води.
Можна розглянути найпоширенішу в природі жирну кислоту: пальмітинову кислоту (palmitic acid [pæl'mɪtɪk 'æsɪd]), див. Малюнок зліва.
У правій частині молекули ми бачимо карбоксильну групу: атом вуглецю, до якого приєднані два атома кисню, до одного з яких приєднаний атом водню. А зліва - довгий ланцюжок атомів вуглецю з приєднаними атомами водню. У цьому ланцюжку до всіх проміжним атомам вуглецю прикріплено по два атома водню - більше неможливо, оскільки валентність вуглецю дорівнює чотирьом, і оскільки кожен проміжний атом в цьому ланцюжку з'єднаний з попереднім і наступним атомами вуглецю, у нього залишається тільки два вільних електрона для утворення зв'язків. Крайній зліва атом вуглецю має три прикріплених атома водню з тієї ж причини. Таким чином, формулу пальмітинової кислоти можна записати так: CH3 (CH2) 14 COOH. що і відображає той факт, що між кінцевими групами CH3 і COOH розташовані чотирнадцять груп CH2.
Ту ж саму молекулу можна намалювати в більш спрощеному вигляді. З такою формою запису ми також вже стикалися: кожен злам означає один атом вуглецю, а кількість приєднатися до нього атомів водню легко розрахувати, враховуючи, що ці злами з'єднані одним, а не здвоєним відрізком, що позначає, що атоми вуглецю з'єднані не подвійний, а одинарним зв'язком, а значить ми завжди легко можемо сказати, скільки вільних валентностей є у кожного з них і скільки до них прикріплено атомів водню.
Вуглеводневий хвіст пальмітинової кислоти містить максимум атомів водню, наскільки це можливо. Такі, максимально насичені воднем жирні кислоти, називаються насиченими кислотами (saturated acid [ 'sæʧəreɪtɪd' æsɪd]). Існують і ненасичені кислоти (unsaturated acid [ən'sæʧəreɪtɪd 'æsɪd]), в яких якісь атоми вуглецю утворюють між собою подвійну зв'язок, а значить кожен з них може причепити до себе тільки один атом водню. Приклад: олеїнова кислота (oleic acid [əʊliːɪk 'æsɪd]). Ми бачимо, що два центральних атома вуглецю утворили між собою подвійну зв'язок, яка стягує два атома набагато сильніше, ніж одинарна зв'язок. Тому в цьому місці відсутня атом водню і, крім того, молекула утворює злам. Формулу олеїнової кислоти можна написати так: СН3 (СН2) 7 СН = СН (СН 2) 7 СООН. Олеїнова кислота також дуже широко поширена в природі і в великій кількості міститься в багатьох рослинних і тваринних жирах.
Як ми бачимо, конфігурація ненасичених кислот така, що їм набагато складніше щільно пакуватися разом, ніж насиченим. Це призводить до того, що ненасичені кислоти утворюють рідкі масла, а тверді утворені в основному насиченими.
Тепер ми знаємо, що з жирних кислот складаються жири і масла. Але ми ще не знаємо - як саме ці жирні кислоти при цьому скомпоновані. Жирні кислоти запасаються в цитоплазмі багатьох клітин не у вигляді окремих молекул, а у вигляді більш складної конструкції - в вигляді молекул тригліцеридів, зібраних в дрібні крапельки. Тригліцерид (triglyceride [trʌɪ'glɪsərʌɪd]) - це молекула, що складається з трьох жирних кислот, приєднаних до однієї молекулі гліцерину, і саме з таких молекул і складаються тваринні жири і рослинні масла.
Я розумію, що ми поки що не знаємо - що таке гліцерин (glycerin [ 'glɪs (ə) rɪn]) і які його властивості, але все в одну купу валити неможливо, тому просто можна подивитися на зовнішній вигляд гліцерину - см. На малюнку - і уявити собі, що на цій «вішалці» висить три жирні кислоти, що і є молекулою тригліцеридів. Не забуваємо про атоми водню, приєднані до атомів вуглецю, так що формула гліцерину (стеж за зображенні зліва направо по мірі читання хімічної формули): HOCH2 -CH (OH) -CH2 OH
Якщо клітці потрібна енергія, то вона бере молекули тригліцеридів зі свого запасу і розриває їх, відриваючи жирні кислоти і розщеплюючи їх на дрібні шматочки, що містять два атоми вуглецю. Ці дрібні шматочки представляють собою таке ж паливо, яке утворюється з молекул глюкози: вони вступають в хімічні реакції, в результаті яких клітина і отримує енергію. Але тригліцериди є більш серйозний запас енергії: з них клітина отримує в 6 разів більше енергії, ніж вона могла б отримати з глюкози тієї ж маси.
Жирні кислоти і різні жироподібні речовини, одержувані з них, мають назву «ліпіди» (lipid [ 'lipid]). Також замість терміна «ліпіди» іноді говорять «жири», але треба кожен раз розуміти - що саме мається на увазі: та чи інша жирна кислота або тригліцериди або ще більш складні комплекси.
Ліпіди відіграють в клітинах величезну роль - зокрема, вони є основним будівельним матеріалом мембран клітин. Якби не було мембран, то клітини просто не могли б існувати: всі їхні вміст вільно спливало б в різні боки. Мембрана утворює міцну плівку, всередині якої і ви побачите уміст клітини.
Для побудови мембрани використовується досить складні ліпіди: фосфоліпіди (phospholipid [fɒsfə'lɪpɪd]). Для того, щоб побудувати молекулу фосфолипида, необхідно для початку взяти молекулу тріглецеріда і відірвати від неї одну з жирних кислот. Потім до гліцерину треба причепити фосфатну групу - вже знайоме нам сполука фосфору і атомів кисню - см. На зображенні зліва. І вже до фосфатной групі приєднуємо ще одну групу молекул, азотовмісних, звану «холін» (choline [ 'kəʊliːn]). Я не думаю, що варто зараз вдаватися в структуру і властивості холіну, оскільки нашим завданням зараз є лише загальне розуміння того, як влаштована молекула фосфолипида. Роль холіну в роботі нашого організму дуже велика крім його участі в структурі фосфоліпідів. Треба тільки віддавати собі звіт в тому, що і фосфат, і холін є гідрофільними, і таким чином разом вони утворюють «гидрофильную головку» фосфолипида, і в підсумку молекула фосфолипида представляє собою об'єкт, один кінець якого гідрофобний, а інший - виражено гідрофільний. Саме ця якість фосфоліпідів і робить їх такими зручними для побудови мембран.
Я думаю, що якщо тепер подивитися на зображення фосфоліпідів, то можна вже без праці зрозуміти і запам'ятати те, як вони влаштовані. Нижче розміщені дві картинки спеціально для цієї мети.
На наступних картинках видно - яким чином два шари, що складаються з фосфоліпідів, утворюють мембрану клітини. Своїми гідрофільними головками фосфоліпіди спрямовані, зрозуміло, всередину і зовні клітини, оскільки всередині клітини - цитоплазма, що складається в основному з води, а зовні - позаклітинна рідина, теж складається в основному з води.
Своїми гідрофобними хвостами фосфоліпіди спрямовані всередину мембрани.
Молекули, що мають в своєму складі як гідрофільні, так і гідрофобні області, називаються амфіфільних (amphiphilic [amfə'filik]). Таким чином, фосфоліпіди є амфіфільних молекулами. Молекули мила - теж. Фосфоліпіди є набагато більш вираженими амфіфільних молекулами, ніж тригліцериди, оскільки комплекс «фосфат + холін» є набагато більш гідрофільних, ніж гліцерин. Коли фосфоліпіди розтікаються по поверхні води, їх гідрофільні кінці сильно притягуються до води, так що вони відразу ж розташовуються так, що їх головки занурені в воду, а хвости стирчать назовні. Так утворюється жирна плівка - щось схоже на жир, плаваючий на поверхні води в процесі її перетворення у смачний курячий бульйон.
Гідрофобні хвости хоча і не сильно, але все ж притягуються один до одного, і крім того молекули води відтісняють їх, так що в результаті група фосфоліпідів легко згортається в кульку з стирчать назовні головками - і така жирова крапля (відзначена цифрою 2 на малюнку) може спокійно плавати в товщі води, сховавши хвости всередину. У клітці виникає подвійний ліпідний бішар (відзначений цифрою 1), який служить відмінною перепоною, що заважає безконтрольно змішуватися рідин, що знаходяться всередині і зовні клітини.