Дело в химии. Как все устроено?

Аналогичные примеры, в которых один и тот же элемент может проявлять самые разные качества в зависимости от способа соединения с другими элементами, мы встретим в этой книге и далее, но уже сейчас понятно, что на это надо постоянно обращать внимание. Запутаться во всех этих сведениях очень просто, если не разделять химический элемент и его соединения.

Конечно, весьма часто мы используем названия химических элементов, говоря на самом деле об их соединениях. Даже в этой книге я часто упоминаю такие выражения, как «нехватка железа»: но при этом я совсем не предлагаю закусить металлической стружкой, чтобы восполнить запасы железа в организме. Как правило, это распространенная и приемлемая форма упрощения. Главное – это видеть суть и понимать, что стоит за подобными сокращениями при обсуждении острых вопросов.

Щепотка натрия и гималайская соль

– Е-е-е-е-есть тут кто-ни-и-и-и-будь?

Герой рекламного ролика – частица натрия, одиноко и безнадежно плавающая в минеральной воде[4 - Реклама минеральной воды Acqua Lete, в которой одинокий ион натрия, плавая в стакане воды, спрашивает, есть ли еще там ему подобные. В Италии этот рекламный ролик стал распространенным мемом: https://www.youtube.com/watch?v=D9wrpmAwAzM], – служит прекрасным примером фундаментального для химии понятия, к сожалению, часто игнорируемого: концентрации.

Концентрация – способ показать, какое количество определенного вещества содержится в смеси, содержащей несколько видов молекул разных веществ. Например, типичная концентрация натрия в минеральной воде составляет 5 мг/л.

Короче говоря, это означает, что два литра воды содержат 10 мг ионов натрия (один миллиграмм соответствует тысячной доли грамма, то есть 0,001 г).

Понятие концентрации является фундаментальным для ориентации в мире, что нас окружает, и умения выделять важное в том массиве информации, который на нас ежедневно вываливают массмедиа и социальные сети. Кто из нас не видел в Интернете сообщения типа: «Ученые открыли, что продукт Х вызывает рак/ожирение/диабет/чесотку, потому что содержит вещество Y»? Или: «Ученые обнаружили, что продукт Х защищает от рака/приводит к похудению/омолаживает/приводит к выигрышу в лотерее, поскольку содержит вещество Z».

Увы, речь, как правило, идет о таких небольших количествах, что они не могут оказать вообще никакого влияния или их положительный эффект будет сведен на нет вредным влиянием других веществ. И с этой точки зрения, наша частица натрия служит прекрасным примером. Как мы уже говорили ранее, натрий является важнейшим элементом для нашего здоровья и участвует во многих важных физиологических процессах. Он входит не только в состав поваренной соли, но и почти всех продуктов питания, он присутствует и в рыбе, и в мясе, во фруктах и овощах. Натрий входит и в состав так называемых минеральных солей, соединений элементов, совершенно необходимых для выживания: натрий, калий, магний, марганец и т. д.

Таким образом, натрий определяет и наше физическое состояние. И тем не менее, все знают, что из-за него повышается давление, он вреден, поэтому рекомендуется ограничить содержание соли в пище. Так натрий вреден или полезен? Ответ зависит от количества. Гипонатриемия, при которой содержание натрия в крови становится слишком низким, сопровождается, в зависимости от тяжести заболевания, разными симптомами: от простого недомогания до брадикардии, комы и даже смерти. По этой причине, когда в больнице врач решает, что нам нужна гидратация посредством капельницы, нам вливают сначала не просто воду, а физраствор с содержанием 0,9 % хлорида натрия, и только потом очищенную воду. При дегидратации человек может иметь и повышенную концентрацию натрия в крови (гипернатриемия): и в этом случае симптомы тоже могут быть очень серьезными, вплоть до смерти.

Еще более ярким примером служит калий. Он необходим для жизни, в основном для передачи нервных импульсов, но при этом используется для остановки сердца приговоренных к смертной казни. Как писал Парацельс: «Всё есть яд, и всё есть лекарство. Только доза делает лекарство ядом и яд лекарством».

Поэтому при покупке продуктов всегда следует помнить о концентрации, чтобы не стать жертвой рекламных слоганов, использующих присутствие или отсутствие той или иной молекулы.

Например, в последние годы на полках супермаркетов появились упаковки разноцветной соли из разных источников: розовая гималайская, серая из Бретани или какая-нибудь желтая из тьмутаракани.

Этим продуктам приписываются чудодейственные лечебные свойства, связанные с содержанием минеральных солей, глины, растительных углей и еще чего-нибудь эдакого. Эти вещества содержатся в этой «экзотической» соли и отсутствуют в обычной поваренной. Например, глина придает соли из Бретани характерный цвет. Но проблема в том, что эти элементы присутствуют в столь малых количествах, что, чтобы получить необходимую для организма порцию, нужно поглотить такое количество соли, что плохо станет непременно.

Во всех этих случаях мы говорим о солях, которые больше чем на 95 % состоят из хлорида натрия. Некоторые производители осмелились даже продавать цветную соль с примечанием «пониженное содержание натрия», хотя вместо 99 % они содержали 95 % хлорида натрия. Делать подобные заявления не считается мошенничеством, но покупатель должен остерегаться обмана!

И еще один пример: согласно данным Общества человеческого питания Италии (SINU), каждому из нас необходимо в день потреблять от 10 до 18 мг железа. Розовая гималайская соль, которая своим цветом обязана именно железу, содержит не более 30 мг железа на килограмм соли. Попробуйте подсчитать, сколько соли вам нужно съесть, чтобы достичь дневной нормы железа; также вы можете проверить, сколько железа содержится в шести граммах соли, представляющих собой нашу ежедневную нормальную порцию NaCl.

Аналогичные дискурсы можно встретить в самых разных областях человеческого существования. Коричневый тростниковый сахар, с химической точки зрения, почти не отличается от обычного рафинированного. Единственная разница – дополнительный 1 % «нутриентов»: это смешное количество. А некоторые производители просто добавляют немного патоки в рафинированный сахар, чтобы «превратить» его в тростниковый. В этом приеме нет ничего противозаконного – конечный продукт соответствует всем требуемым характеристикам и не несет риска для здоровья.

От неорганических соединений к органике: что нам нужно для жизни?

Выражение «минеральные соли» нельзя назвать правильным с точки зрения химии, но оно используется для идентификации около пятнадцати неорганических элементов, необходимых для жизни. Термин неорганический, наоборот, весьма точен: он обозначает соединения, которые не содержат цепочек из атомов углерода, в противоположность соединениям органическим. Сахароза (кулинарный сахар), протеины, ДНК, витамин Е и жиры являют собой примеры органических соединений. В их составе углерод служит строительными лесами для молекулы – и эти строительные леса могут быть огромными. Самыми простыми органическими молекулами являются так называемые углеводороды, они состоят из углерода и водорода. В качестве примера можно привести метан (CH

) и бутан (C

H

), но существуют и намного более сложные молекулы, сформированные десятками и сотнями атомов углерода. Иные молекулы содержат и другие элементы. Например, кислород присутствует в составе сахаров и спиртов (этиловый спирт CH

CH

OH), азот – в белках и многих натуральных продуктах.

Неорганические соединения, как правило, намного проще и состоят всего из нескольких атомов: сульфат-ион содержит серу и кислород (SO

), нитрат-ион – азот и кислород (NO

), аммиак – азот и водород (NH

) и т. д.

Органическая химия представляет собой отдельную ветвь химии как науки и изучает самые сложные молекулы, их состав и синтез. Специалисты по органической химии занимают позицию между учеными и художниками: сложность молекул, которые они синтезируют, требует от них творческого подхода и открытости сознания новому. Это не простые «упражнения», в которых достаточно воплотить некую формулу, чтобы прийти к результату. Даже те молекулы, что состоят всего из десятка атомов углерода, могут быть очень сложными образованиями, в основе которых лежат многие десятки соединений; пусть на бумаге они и могут быть синтезированы множеством способов, на практике, в большинстве случаев, рабочим оказывается всего лишь один. Сверх того, часто возникает необходимость в процессе синтеза выполнять несколько переходных этапов очищения нужных для удаления примесей или нежелательных побочных продуктов, и не так уж редко эти переходные процессы оказываются по своей химической сути чуть ли не сложнее, чем основная реакция. По этой причине химики относятся к живым организмам крайне уважительно: чудеса, которые происходят в организме за секунду, требуют для воспроизведения дней, месяцев и даже лет напряженного труда в лаборатории.

И на самом деле в нашем организме за секунду происходит невероятное количество химических превращений, необходимых нам для получения энергии, для восстановления тканей или избавления от лишнего, для передачи сигналов и тому подобного.

Всякая из этих реакций начинается с реагентов, исходных веществ, которые проходят преобразования. Какие же реагенты нужны для этих процессов и которые нам необходимо получать с питанием? Мы уже говорили о минеральных солях, но надо упомянуть также белки, углеводы, жиры и витамины.

Белковые молекулы очень длинные, они состоят из тысяч атомов, и выполняют множество важных ролей в нашем организме. Например, коллаген – белок, присутствующий в телах всех млекопитающих, – служит основным материалом для кожи, сухожилий, костей и кровяных сосудов; гемоглобин «связывает» кислород и помогает ему распространяться по организму или покидать его в случае необходимости; актин и миозин необходимы для сокращения мышц.

Белки состоят из множества небольших молекул, соединенных друг с другом и называемых аминокислотами. Наибольшее распространение в природе имеют всего двадцать аминокислот, и из их комбинаций состоят практически все белки, существующие в природе. Аминокислоты можно сравнить с конструкциями из деталек лего, в которых каждая деталь важна для конечного результата. К примеру, серповидноклеточная анемия – результат генетического дефекта в процессе синтеза гемоглобина, который провоцирует на определенном этапе синтеза белка замену глютаминовой кислоты другой аминокислотой, валином. И одна-единственная неправильная аминокислота среди десятков сотен, формирующих молекулу, приводит к очень тяжелому заболеванию.

Из этих двадцати аминокислот девять считаются жизненно важными, поскольку наше тело не способно их синтезировать и должно получать их с пищей, в то время как остальные синтезируются организмом из питательных веществ. Именно поэтому нужно не только соблюдать сбалансированную диету, содержащую правильную дозу протеинов, но и обращать внимание на качество этих протеинов, на их биологическую ценность, то есть на то, какие и сколько аминокислот содержат эти белки. Животные продукты, такие как молоко, яйца, мясо и рыба, не только богаты протеином, но также служат нам пищей, снабжающей нас наибольшим разнообразием жизненно важных аминокислот. Некоторые продукты растительного происхождения, бобовые и злаки, содержат значительные количества протеинов, однако их биологическая ценность ниже, чем у животных белков. Это очень деликатная тема. Я знаю, что все большее количество людей переходит по этическим причинам на вегетарианскую или даже веганскую диету. Избежать потребления животных белков и одновременно обеспечить себе диету, содержащую все необходимые протеины, возможно: но надо обязательно быть внимательным и следовать советам профессионала.

К другой категории жизненно важных питательных веществ относятся углеводы и сахара. Как и белки, углеводы выполняют множество разных функций в нашем теле, и их самая главная задача – снабжать нас энергией. Глюкоза, фруктоза, кулинарный сахар, крахмал, целлюлоза служат топливом для наших клеток. Как и белки, сложные углеводы состоят из множества небольших одинаковых молекулярных единиц, моносахаридов. Глюкоза, фруктоза (фруктовый сахар) и лактоза (молочный сахар) представляют собой примеры таких моносахаридов. Сахароза, то есть обычный кулинарный сахар, образована из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы, соединенных между собой. Как крахмал, который содержится в макаронах, рисе и картошке, так и целлюлоза, присутствующая в овощах, представляют собой длиннющие цепочки глюкозы и отличаются только способом соединения молекул между собой – линейным в целлюлозе или ветвистым в крахмале.

В отличие от глюкозы и сахарозы, которые быстро перевариваются нашим организмом, более сложные углеводы, такие как крахмал, требуют на переваривание больше времени, поскольку наше тело должно «разбить» их на множество оснований, которые клетки потом «сожгут» для получения энергии.

Самым энергоемким органом нашего тела является мозг: само по себе мышление потребляет до 100 г глюкозы ежедневно. В то время как другие клетки нашего тела могут использовать для получения энергии жиры и белки, нейроны способны питаться почти исключительно глюкозой. По этой причине глюкоза должна всегда присутствовать в крови, и нашему организму приходится делать запас на случай дефицита. После того как сложные углеводы демонтируются на отдельные молекулы глюкозы, часть из них используется немедленно, другая превращается в жир для образования запасов, а третья отправляется в мускулы и в печень, где откладывается в форме гликогена, молекулы, чрезвычайно схожей с целлюлозой или крахмалом и образованной из множества оснований глюкозы, связанных между собой. В то время как крахмал требует для переваривания времени и энергии (целлюлозу мы просто не перевариваем), гликоген, наоборот, всегда готов явиться по запросу организма и представляет таким образом замечательный резерв глюкозы для экстренных ситуаций, и может быстро включиться в процесс, как только возникнет нужда. Этот цикл загрузки-выгрузки регулируется двумя маленькими гормонами – курьерами, несущими химические «сообщения»: инсулином и глюкагоном. Первый производится, когда в крови образуется избыток глюкозы и можно отложить его на потом, про запас. Глюкагон играет противоположную роль: в случае необходимости посредством глюкагона организм «приказывает» гликогену разложиться, чтобы увеличить концентрацию глюкозы в крови, одновременно заставляя клетки тела питаться жиром вместо сахара, оставив драгоценный запас сахара мозгу.

Проблема этого механизма в том, что его иногда «заклинивает»: обильная еда может вызвать гликемический всплеск, который приведет, в свою очередь, к выбросу инсулина. А переизбыток инсулина ведет к резкому падению содержания глюкозы в крови… что вызывает новое обострение чувства голода и усталости. Этот механизм побуждает нас есть гораздо больше, чем нужно, и чувствовать себя изможденным и усталым, вместо того чтобы полниться энергией. По этой причине разумнее избегать редких лукулловых пиров, а, наоборот, есть пять-шесть раз в день понемногу, равномерно распределив еду в течение дня. По этой же причине нам следует предпочитать сложные сахара – как в хлебе или макаронах – сахарам простым, что содержатся в сладостях. Последние, перевариваясь быстрее, способствуют возникновению гликемического пика и более раннему наступлению чувства голода.

Говоря о простых сахарах, следует прежде всего развеять мифы, циркулирующие вокруг невероятных «белых ядов». Мы исходим из предположения, что, как уже было сказано, простые сахара надо употреблять в скромном количестве. Но это не значит, что рафинированный сахар прямо-таки «токсичен» сам по себе и что его надо непременно чем-то заменить. Я бы хотел также остановиться на термине «рафинированный»: «рафинад» означает всего-навсего «очищенный». Любой сахар должен быть очищен для продажи, даже тот, который называется «нерафинированный», а иначе его невозможно было бы использовать – это было бы месиво из свеклы или тростника. Процесс очистки служит для удаления всех примесей и загрязнений, чтобы получить в конце концов чистую сахарозу. Прежде всего это относится к коричневому тростниковому сахару: несмотря на его цвет, он тоже состоит из чистой сахарозы, как уже было сказано в главке про концентрацию. Нет у них никакой разницы во вкусе, пищевых свойствах или влиянии на здоровье с обычным белым сахаром. Если вы предложите химику кофе с рафинированным сахаром и кофе с тростниковым коричневым, он не сможет никакими способами отличить один напиток от другого, разве что только ему повезет и он сможет использовать очень высокотехнологичное оборудование, чтобы обнаружить 0,001 % примесей.

В продаже сейчас можно найти разные варианты сахара, такие, к примеру, как мусковадо – он на самом деле очищен в меньшей степени, чем белый. Тем не менее количество сахарозы в нем велико и, хотя вкус такого сахара может немного отличаться, на его питательность это совершенно не влияет.

Точно так же и вера в то, что дети от сахара становятся гиперактивными, лишена каких-либо оснований. Если у вашего ребенка нет серьезных проблем со здоровьем, в его мозг поступает одно и то же количество глюкозы (благодаря инсулину и глюкагону). Максимум, что может меняться, – это количество жира на бедрах и животе, именно он влияет на здоровье.

Ключевой момент: из того факта, что рафинированный сахар с химической и с пищевой точек зрения эквивалентен коричневому, не следует, что мы можем поглощать его в промышленных количествах. Чрезмерное потребление сахара заметно влияет на наше здоровье и увеличивает риск возникновения диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Именно поэтому следует обращать внимание на еду, в которой много сахара, – сладкие напитки и кондитерские изделия.

Осторожность надо бы соблюдать и с продуктами, на которых написано «без добавления сахара» или «содержит только фруктовые сахара». Ведь можно подумать, что эта еда здоровая, однако она может быть так же вредна: влияние оказывает только концентрация, а не происхождение сахара, и домашнее варенье может содержать столько же сахара, что и магазинное.

Под конец я хотел бы рассказать о липидах, или жирах. В противоположность тому, что думают многие, жиры необходимы для нашего существования. Они не только служат запасниками для энергии, но и играют множество важнейших ролей в физиологии. Некоторые из них представляют собой важнейшие гормоны, другие служат главными составляющими клеточной мембраны: это отнюдь не мало! Липиды могут быть образованы из разных молекул, но все должны обладать одним главным свойством: не растворяться в воде. Если бы они растворялись – увы, жизнь бы не возникла. Мы еще поговорим об этом в лекции 4.

Если ограничиться только питательными свойствами жиров, то можно сказать, что самыми распространенными липидами служат триглицериды. Они представляют собой молекулу глицерина, соединяющую вместе три молекулы жирной кислоты: четвертая молекула, глицерин, удерживает вместе длинные цепочки из множества атомов углерода.

Очень важно понять различие между насыщенными жирными кислотами и ненасыщенными жирными кислотами.

Я уверен, что многие из вас уже слышали эти термины, однако что они означают? Термин «ненасыщенный» в химии имеет уникальное, особое значение: он подразумевает, что молекула содержит одну или несколько двойных групп углерод-углерод. Следующий рисунок поможет понять принцип. Каждый атом углерода может образовать четыре химических связи. Пропан (C3H8), распространенный в быту газ, представляет собой насыщенный углеводород, и его молекулы состоят из трех атомов углерода, соединенных между собой атомами водорода. А конкретно вот так: внешний атом углерода связан с тремя атомами водорода и одним углерода. Внутренний атом углерода связан с внешними атомами углерода и двумя водорода. Последний атом углерода всегда связан с центральным углерода и тремя водорода. А пропен (пропилен), наоборот, – углеводород ненасыщенный, потому что один из трех атомов углерода образует двойную связь с ближайшим углеродом. Тот факт, что каждый атом углерода в органической молекуле образует четыре связи и что в большинстве случаев это связи с водородом, позволяет создавать упрощенные схемы-формулы органических соединений.

Цепи можно изображать в виде зигзагов, в которых вершины соответствуют атомам углерода, а атомы водорода просто опущены. Поскольку углерод всегда образует четыре связи, достаточно сосчитать только количество нарисованных связей, а недостающие будут соответствовать связям с водородом. К тому же на самом деле расположение атомов в пространстве имеет весьма строгую геометрию, хотя в этой книге мы больше внимания уделим четкости структуры, чем геометрии. Атомы углерода с двойными связями имеют плоскую геометрию, и все связанные с ними атомы расположены в одной плоскости, образуя угол в 120° в соединении С-С. А атомы углерода, связанные одиночными связями, образуют тетраэдр с углами, равными 109,5°. В форме клина мы изображаем одиночную связь, которая не лежит в плоскости листа, но направлена прямо к читателю, а штрихом – связь, которая расположена прямо на плоскости листа, как можно убедиться, сравнив ее с трехмерной фигурой.

Вернемся же к нашим насыщенным и ненасыщенным углеводородам, стараясь не вдаваться слишком в детали. Знайте, что эта, казалось бы, небольшая разница меняет полностью химическую реакцию. Например, насыщенные углеводороды химически более стабильны и плавятся при более высоких температурах, чем ненасыщенные. Простым способом понять, состоит масло из насыщенных или ненасыщенных жирных кислот, служит проверка его состояния при комнатной температуре – жидкое оно или твердое. Например, оливковое масло жидкое, как и большинство растительных масел, оно богато ненасыщенными жирными кислотами, а кокосовое и сливочное масла, содержащие много насыщенных жирных кислот, – твердые. Маргарин – случай особый, потому что его производят, промышленным образом превращая ненасыщенные жирные кислоты и насыщенные посредством процесса «гидрогенизации», применяемого для изготовления так называемых гидрогенизированных жиров.