Детергенты
Жирные кислоты, а вернее их соли, с древних времен используются человеком в качестве моющих средств. Посмотрим, почему это так удобно.
Вот, например, стеариновая кислота: вещество с формулой CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−CH2−COOH, или попросту C17H35COOH. (Последний вариант, конечно, компактнее, но трудно отказать себе в удовольствии хоть раз написать эту формулу в развернутом виде.) Если заменить в этой кислоте атом водорода на атом натрия, получится соль — стеарат натрия C17H35COONa (см. рис. 5.1). В растворе такая соль легко диссоциирует, распадаясь на катион Na+ и анион C17H35COO−, который называется стеарат-ионом.
Как ведет себя стеарат-ион в воде? Его заряженная «головка» (−COO−) взаимодействует с водой отлично, а вот образующий большую часть молекулы углеводородный «хвост» — совсем никак. Этот «хвост» — воплощение гидрофобности, и он слишком длинный, чтобы заряженная «головка» могла затянуть его за собой в раствор целиком. Поэтому, если поблизости есть поверхность жидкости, то стеарат-ионы выстроятся по ней так, чтобы «головки» были направлены в воду, а «хвосты» — наружу, в сторону поверхностной пленки. Такое поведение молекул называется поверхностной активностью.
Иное дело, если на пути стеарат-ионов окажется капля какого-нибудь гидрофобного вещества — например, масла или жира. В этом случае стеарат-ионы выстроятся точно по поверхности, разделяющей воду и жир. Их «головки» будут обращены в воду, а «хвосты» погружены в жир. В результате капля жира будет разбита этими «хвостами» на мелкие капельки, которые по отдельности легко смоются водой. Вот почему стеарат-ионы и близкие к ним молекулы хороши в качестве моющих средств. Собственно говоря, именно так они и используются людьми последние несколько тысяч лет. Стеарат натрия — это не что иное, как обычное мыло.
Поверхностно-активные вещества, такие как мыло, часто называют детергентами (от латинского глагола detergere, одно из значений которого — «стирать»). Детергент — это вещество, в молекуле которого один конец растворим в воде, а другой — в липидах или углеводородах. Детергенты бывают анионными (с отрицательно заряженной «головкой»), катионными (с положительно заряженной «головкой») или неионными (у которых «головка» полярна, но не заряжена). Но в любом случае молекула детергента обязательно включает гидрофильную «головку» и гидрофобный «хвост». Мыло — это, как уже понятно из описания, типичный анионный детергент.
Великий химик Клод Луи Бертолле говорил, что «грязь — это вещество не на своем месте». Тут можно уточнить: грязь — это, как правило, гидрофобное вещество не на своем месте. Оно и понятно: гидрофильные вещества вроде сахара без проблем смываются водой, так что никакие дополнительные вещества для их удаления не нужны. А вот для удаления гидрофобных веществ людям, собственно, и пришлось придумать моющие средства.
Бывают и природные аналоги моющих средств. Например, желчные кислоты — полярные производные холестерина, которые вырабатываются у человека печенью и выделяются в двенадцатиперстную кишку. Это самые настоящие детергенты, необходимые в данном случае для того, чтобы разбивать поступающие с пищей капельки жира.
Еще одно красивое название, применимое к детергентам, — амфифильные вещества. Слово «амфифильный» можно буквально перевести как «двояколюбивый». Оно как раз и обозначает молекулу, одна часть которой «любит» воду, а другая — нет. Это более общий термин, чем «детергент», буквально означающий все-таки именно «моющее средство» (тем более что далеко не все амфифильные вещества подходят на эту роль).
Возвращаясь к началу этой главы, мы теперь можем уточнить, что липиды на самом деле довольно редко бывают полностью гидрофобными. Чаще они амфифильны. Многие их биологические свойства именно с этим и связаны.
Жиры
Теперь еще раз вспомним, что любая карбоновая кислота (в том числе и жирная) в принципе может образовать с любым спиртом сложный эфир. При этом от кислоты отщепится −OH, от спирта−H, они образуют воду, а остатки кислоты и спирта замкнутся в единую молекулу со сложноэфирной группой −CO−O− посредине (см. рис. 5.2). Спиртом, участвующим в этой реакции, вполне может оказаться и глицерин, у которого гидроксильных групп целых три (см. главу 1). Сложный эфир глицерина и трех жирных кислот называется жиром. Молекула жира имеет «головку» (остаток глицерина) и сразу три углеводородных «хвоста» (см. рис. 5.2).
На самом деле жиры стали известны людям гораздо раньше, чем их исходные компоненты. Например, желтый костный мозг, который наверняка извлекали древние люди из трубчатых костей крупных млекопитающих, — это в основном жир.
По опыту мы все знаем, что жир — это вещество животного или растительного происхождения, нерастворимое в воде, жирное на ощупь и оставляющее на бумаге характерные жирные пятна. Жиры, остающиеся при комнатной температуре жидкими, принято называть маслами.
Иногда в разговорах о химическом составе пищи понятие «липиды» для простоты заменяют понятием «жиры». Теперь мы знаем, что это неточность. Жиры — и вправду ценные питательные вещества, но это далеко не единственные липиды, которые важны в этой роли. Например, холестерин — липид, но никакой не жир.
С участием насыщенных жирных кислот образуются насыщенные жиры, а с участием ненасыщенных кислот, соответственно, ненасыщенные. В растительных маслах гораздо больше ненасыщенных жиров, чем в животных. Хотя в целом и там и там есть и те и другие, отличается только их вклад.
Жиры — очень ценные источники энергии. Молекула жира может дать в два раза больше энергии, чем молекула углевода, имеющая такой же размер. Объясняется это вот чем. Процесс, путем которого мы получаем энергию из питательных веществ, — это, в сущности, окисление, то есть присоединение кислорода ко всем атомам водорода и углерода, до которых можно дотянуться. Все другие связи, образуемые этими атомами, при окислении разрываются, а его конечными продуктами становятся вода (H2O) и углекислота (CO2). Проблема в том, что в молекулах углеводов значительная часть атомов уже соединена с кислородом, так что окислять их дальше некуда (ну, или почти некуда). В молекулах жиров, где есть длинные жирнокислотные «хвосты», таких атомов гораздо меньше. А потому и энергии из окисления жиров можно извлечь больше.
Кроме того, что жиры энергоемки, они еще и удобны для компактного хранения, поэтому животные (включая человека) часто используют их в качестве запасных веществ. Известно, что организм склонен реагировать на длительный стресс усилением отложения жира — это одна из причин так называемого стресс-индуцированного ожирения. Конечно, это эволюционно обусловленная реакция: с точки зрения нашего организма чем тяжелее и неопределеннее условия жизни, тем выше вероятность того, что запасные вещества в обозримом будущем пригодятся.
Мы уже знаем, что одним из конечных продуктов окисления питательных веществ является вода. Поэтому жировые отложения могут фактически служить запасом
