Реакции гидролитического расщепления молекул крахмала, белков и жиров протекают с участием особых ферментов. Каждый такой фермент катализирует только определенные реакции: например, фермент, расщепляющий белки, не действует на молекулу крахмала. Чтобы понять химию пищеварения, нужно изучить действие нескольких ферментов, участвующих в расщеплении субстрата каждого типа (табл. 9).
Полисахариды (например, крахмал и гликоген) составляют важную часть пищевого рациона человека и большинства животных. Глю-козные остатки этих больших молекул соединены гликозидными связями — ангидридными связями, соединяющими 4-й (или 6-й) углеродный атом одной молекулы глюкозы с 1-м углеродным атомом соседней молекулы. Эти связи гидролизуются особыми ферментами — амилазами, которые расщепляют полисахариды до дисахарида (мальтозы), но не способны расщеплять связь между двумя глюкозными остатками, образующими мальтозу. Амилазы расщепляют а-гликозидные связи в молекуле крахмала или гликогене, но не действуют на Р-гликозидные связи целлюлозы. Пищеварительный сок улитки содержит $-гликозидазу, которая может гидролизовать целлюлозу. У большинства позвоночных амилазу секрети-рует только поджелудочная железа; у человека и некоторых других млекопитающих амилаза содержится также в слюне.
Содержание амилазы в слюне различно у разных людей; поэтому переваривание слюной одного и того же количества крахмала у разных людей занимает разное время. Нетрудно определить амилазную активность своей собственной слюны. Для этого надо приблизительно определить содержание крахмала в растворе, добавляя к нему стандартное количество раствора йода, который образует с крахмалом (но не с сахаром) соединение синего цвета. Отмерив 10 мл разбавленного раствора сваренного крахмала в пробирку, надо добавить к нему 1 мл слюны и тщательно перемешать. Затем через каждую минуту берут по одной капле смеси и добавляют к ней каплю раствора йода. Сначала образующаяся смесь приобретает синюю окраску, затем получается лиловая или красная смесь и, наконец, смесь будет оставаться желтой, что указывает на полное расщепление крахмала. Красная окраска образуется в результате реакции йода с определенными промежуточными продуктами расщепления крахмала до сахара. Все ферменты представляют собой белки и при нагревании денатурируются, теряя свою активность. Можно доказать, что переваривание крахмала слюной связано с действием ферментов; для этого надо повторить описанный опыт, но с прокипяченной слюной.
Дисахариды расщепляются до моносахаридов ферментами, специфичными для определенных дисахаридов. Мальтоза расщепляется малътазами, которые содержатся в слюне и в кишечном соке, выделяемом железами кишечника. Кишечный сок содержит также сахаразу, которая расщепляет дисахарид сахарозу на ее составные части — глюкозу и фруктозу, и лак-тазу, которая расщепляет лактозу (молочный сахар) на глюкозу и галактозу. Конечными продуктами переваривания углеводов являются гексозы — глюкоза, фруктоза и галактоза, которые всасываются в кровяное русло через стен-ку кишечника. Моносахариды всасываются не путем простой диффузии, а в результате активного переноса, который требует затраты энергии на перемещение молекул против градиента концентрации. Разные гексозы всасываются с различной скоростью: галактоза быстрее, чем глюкоза; глюкоза в свою очередь быстрее, чем фруктоза. Между тем все эти гексозы должны были бы всасываться с одинаковой скоростью, если бы их всасывание было обусловлено одной только диффузией. В течение многих лет считали, что всасывание Сахаров связано с процессом ферментативного фосфорилирования — с превращением глюкозы в глюкозо-6-фосфаты на одной поверхности клетки и с обратным превращением в свободную глюкозу на другой ее поверхности, примыкающей к капиллярам. Но галактоза всасывается быстрее, чем глюкоза, хотя фосфорилируется она значительно медленнее. Согласно современным данным, глюкоза проходит через слизистую кишечника, не подвергаясь фосфорилированию, посредством процесса направленного переноса, требующего затраты энергии.
Пептидные связи белков расщепляются различными ферментами, каждый из которых специфичен для определенного рода пептидных связей. Ферменты, называемые экзопептида-зами, расщепляют только связи, соединяющие концевые аминокислоты с остальной пептидной цепью. Карбоксипептидаза отщепляет аминокислоту со свободной концевой карбоксильной группой; аминопептидаза — аминокислоту со свободной концевой аминогруппой. Ниже приведена формула пептида, на которой указаны места действия пепсина (П), трипсина (Т), химотрипсина (X), аминопептидазы (АП) и карбоксипептидазы (КП).
Другие ферменты, называемые эндопептида-зами, расщепляют только пептидные связи внутри пептидной цепи. Пепсин, выделяемый слизистой желудка, трипсин и химотрипсин, секретинусмые поджелудочной железой,— все это эндопептидазы. Каждая эндопептидаза расщепляет пептидные связи, соседние с определенными аминокислотами: пепсин расщепляет пептидные связи, соседние с тирозином или фенил-^аланином; тришин — с лизином и аргинином; а химотрипсин, так же как и пепсин, расщепляет пептидные связи, соседние с тирозином или фенилаланином, но, кроме того, он действует также на связи, соседние с триптофаном, метио-нином и лейцином. Под действием эндопептидаз пептидная цепь разрывается на фрагменты, которые могут затем подвергаться действию экзо-пептидаз. Совместное действие эндо- и экзопеп-тидаз ведет к полному расщеплению молекулы белка на свободные аминокислоты. Эти аминокислоты всасываются через стенку кишечника в кровь в результате активного переноса.
Фермент химозин (реннин), выделяемый слизистой желудка, действует на специфический белок молока — казеин, переводя его из растворимой формы в нерастворимую, т. е. створаживает молоко. Он гидролизует также некоторые другие белки, но его специфичность в от-ношеьии тех или иных пептидных связей не установлена. Свернувшееся молоко задерживается в желудке дольше, чем жидкое, и, таким образом, пепсин может начать переваривание казеина. На протяжении многих веков препараты химозина экстрагировали из желудков телят и использовали для приготовления некоторых сортов сыра. Пепсин, трипсин и химотрипсин выделяются не в готовом виде, а в форме неактивных предшественников — пеп-синогена, трипсиногена и химотрипсиногена,— по-видимому, чтобы предотвратить переваривание ими белков тех клеток, которые их выраба-
тывают. В пищеварительном тракте от этих предшественников отщепляются неактивные фрагменты, и они превращаются в активные ферменты. Пепсиноген (мол. вес 42 500) превращается в пепсин (мол. вес 34 500) под действием имеющейся в желудке соляной кислоты, а также самого пепсина. Превращение трипсиногена в трипсин катализируется ферментом энтерокиназой, а также самим трипсином. Хи-мотрипсиноген превращается в химотрипсин под действием трипсина, но не химотрипсина.
Переваривание жиров происходит под действием эстераз, которые разрывают эфирную связь между глицерином и жирной кислотой. У млекопитающих главной эстеразой является липаза, выделяемая поджелудочной железой. Липаза, подобно другим ферментам, растворима в воде, но ее субстраты нерастворимы; поэтому она может действовать только на молекулы жира, находящиеся на поверхности жировой капли. Желчные кислоты представляют собой поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение жиров; они разбивают крупные капли жира на очень мелкие капельки, тем самым сильно увеличивая поверхность, доступную действию липазы, что резко повышает скорость переваривания жира.
Поджелудочная железа выделяет также ри-бонуклеазу — эстеразу, расщепляющую фос-форно-эфирные связи между соседними нуклео-тидами в рибонуклеиновых кислотах, и дез-оксирибонуклеазу, расщепляющую фосфорно-эфирные связи между нуклеотидами в дезок-сирибонуклеиновых кислотах.
Следует отметить, что в образовании связей, расщепляемых гидролитическими ферментами, эти ферменты обычно не участвуют. Амилаза не участвует в синтезе крахмала, пепсин или трипсин — в синтезе белка, и только липаза катализирует синтез жиров. Синтез полисаха-ридной цепи связан не с отнятием воды от молекулы глюкозы, а с отнятием фосфата от молекул глюкозофосфата. Как общее правило органические соединения синтезируются в клетке ферментными системами, отличающимися (во всяком случае, по некоторым основным ферментам) от тех систем, которые их расщепляют.
Таблица. Пищеварительные ферменты. Фермент Место образования Оптимальная реакция среды (рН) Расщепляемые связи Продукт реакции Амилаза слюны(птиалин) Слюнные железы Нейтральная а-Гликозидные связи Мальтоза Мальтаза -/--/- -/--/- -/--/- Глюкоза Пепсин Желудок Кислая Пептидные связи внутри цепи, в образовании которых участвуют лизин или аргинин Пептиды Реннин (химозин) -/--/- -/--/- Пептидные связи в казеине Коагулированный казеин Трипсин Поджелудочная железа Щелочная Пептидные связи внутри цепи, в образовании которых участвуют лизин или аргинин Пептиды Химотрипсин То же -/--/- Пептидные связи внутри цепи, в образовании которых участвуют лизин или аргинин -/--/- Липаза -/--/- -/--/- Эфирные связи жиров Глицерин и жирные кислоты Амилаза -/--/- -/--/- а-Гликозидвые связи Мальтоза Рибонуклеаза -/--/- -/--/- Фосфорно-эфирные связи РНК Нуклеотиды Дезоксирибонуклеаза -/--/- -/--/- Фосфорно-эфирные связи ДНК -/--/- Карбоксипептидаза Железы тонкой кишки -/--/- Пептидные связи, примыкающие к свободным карбоксильным группам Свободные аминокислоты Аминопептидаза То же -/--/- Пептидные связи, примыкающие к свободным аминогруппам То же Энтерокииаза -/--/- -/--/- Пептидные связи трипсиногена Трипсин Мальтаза -/--/- -/--/- сс-Глюкозидные связи мальтозы Глюкоза Сахараза -/--/- -/--/- а-Глюкозидные связи сахарозы Глюкоза и фруктоза Лактаза -/--/- -/--/- Р-Галактозидные связи лактозы Глюкоза я галактоза
