Кава як погнутий ключ

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 65

Всім відомо, що чай і кава володіють збуджувальною дією на нервову систему. І напевно ви знаєте, що головна діюча речовина кави і чаю викликається кофеїном. Так-так, і кава, і чай діють на нас однією і тією ж речовиною. Його відкрили ще 1819 року, виділивши з кави, і назвали відповідно. Активну речовину чаю виділили трохи пізніше і незалежно, так що перший час називали її теїном (від наукової назви чайного куща — Thea), поки хіміки не встановили, що молекули теїну і кофеїну влаштовані однаково — це одна і та ж речовина.

До речі, крім чаю і кави, кофеїн міститься і в багатьох інших рослинах: какао, мате («парагвайському чаї»), коле — тій самій, з якої роблять кока-колу. Тому напої з цих рослин мають подібну бадьорливу дію.

Отже, кава і чай містять кофеїн, який збуджує нервову систему. Але як він діє? Почнемо… з середини. Ви напевно чули про гормон адреналін — біологічно активну речовину, що збуджує нервову систему. Як всі гормони, адреналін виробляється в самому організмі, конкретно — в наднирках.

Адреналін — гормон стресу. Він виділяється в ситуації небезпеки (ось чому про любителів небезпечних пригод кажуть, що вони «жити не можуть без адреналіну»), готуючи організм до боротьби: активує нервові клітини, знімає сонливість, посилює скорочення серця, стимулює м’язи (на випадок, якщо доведеться тікати або битися), підвищує кров’яний тиск (тоді до м’язів і мозку притікає більше крові — корисно і при втечі, і в бою).

Чи не правда, кофеїн чинить подібну дію? Можливо, його молекула схожа на молекулу адреналіну? Ні, але «тепло». Особливість адреналіну в тому, що плавати в крові він може, але потрапити всередину клітини — ні, мембрана його не пропускає. Тоді гормон викликає «привратника» і просить його передати повідомлення «господареві» всередині «будинку». Цими «привратниками» виявляються молекули циклічної аденозинмонофосфорної кислоти. Щоб не зламати язика, ми краще так і будемо називати ці молекули привратниками. І ось на привратника молекула кофеїну дійсно схожа!

Ага, значит, кофеин проникает в клетку и под видом привратников передаёт сигнал якобы «от имени» адреналина? І знову ні, хоча ще «тепліше».

Одна молекула адреналіну, прикріпившись до мембрани клітини, викликає утворення сотні привратників. По сто молекул кофеїну на одну молекулу адреналіну в крові бути не може (а якщо виявиться, то це буде смертельна доза). Отже, впливати на клітку замість привратників кофеїн не в змозі — його концентрація в багато разів менша, клітина просто не відчує різниці.

Подумаємо ось про що. Припустимо, небезпека минула, ворог переможений або замаявся за нами ганятися (для військової слави це важливо, а для організму — ні). Час заспокоїтися і відпочити. Але як тут відпочинеш, якщо в кожній нервовій клітці повно привратників, які «кричать» хімічною мовою: «Тривога! Тривога! «? Значить, має бути якась речовина, яка б руйнувала ці молекули, що стали непотрібними. Така речовина є — це фермент фосфодіестеразу.

Ферменти — це біологічно активні речовини, що здійснюють біохімічні реакції, але самі в ході цих реакцій залишаються незмінними. Ферменти можуть руйнувати складні молекули на прості (травні ферменти), з’єднувати прості в складні (в процесі фотосинтезу, наприклад), перетворювати одні речовини в інші (робити жири з вуглеводів) тощо. Фактично всі процеси в нашому організмі управляються ферментами, причому майже кожна біохімічна реакція — своїм.

Але повернемося до фосфодіестерази. Як усі ферменти, вона захоплює привратника і перетворює його на іншу речовину, переробляє. Що означає «захоплює»? Це означає, що між ферментом і молекулою, що перетворюється ним, на короткий час встановлюється тісний зв’язок. Для цього молекули речовини-реагенту і ферменту повинні підходити один до одного, як ключ до замку. Або як рука до рукавички. Саме так підходять один до одного привратник і фосфодіестераза.

А тепер уявіть, що буде, якщо в замок всунути ключ, схожий на правильний, але трішки інший або просто погнутий. Або невідповідну за розміром рукавичку з силою натягнути на занадто широку руку. Ключ і рука в такому випадку можуть надовго застрягти в «чужих» замку або рукавичці! Саме це і відбувається з кофеїном: його молекула досить схожа на привратника, щоб увійти в контакт з ферментом, але не настільки схожа, щоб фермент міг її обробити і «виплюнути».

У результаті кофеїн просто блокує фермент фосфодіестеразу, і та не може зруйнувати привратника, і привратники все накопичуються і накопичуються, чому клітинам нервової системи та інших органів «здається», що на них впливає адреналін. Ось вони і збуджуються, налаштовуючись на активну роботу.

Цікаво, що різниця в дії кави і чаю теж заснована на ефекті «застряглого ключа». У чаї молекула кофеїну пов’язується з молекулами танінів (це рослинні отрути, що надають листям гіркий смак, — ними рослини намагаються захиститися від травоїдних тварин). Як кофеїн злипається з ферментом, не даючи йому працювати, так і танини в чаї заважають працювати кофеїну. Заодно, правда, частково захищають його від інших ферментів (уявіть, що на ключ наліпили жуйку!) і виведення з організму через нирки. В результаті кофеїн чаю діє на нервову систему м’якше, але довше.

Завдання

За тим же механізмом «застрягаючого ключа» розвивається отруєння чадним газом. Молекула чадного газу з’єднується з гемоглобіном подібно молекулі кисню. Але якщо кисень, що приєднався в легких, легко відривається від гемоглобіну в тканинах-споживачах, то чадний газ зв’язується набагато міцніше: «застряє». Природно, заблокована молекула гемоглобіну переносити кисень вже не здатна — і людина, яка надихалася чадним газом, задихається.

Виходячи з того, що молекули чадного газу зв’язуються з гемоглобіном в 200 разів міцніше, ніж молекули кисню (іншими словами, молекула чадного газу відчепляється від гемоглобіну в 200 рідше, ніж молекула кисню, при тому, що з’єднуються вони з однаковою швидкістю), розрахуйте концентрацію чадного газу (за обсягом) в повітрі, при якій половина гемоглобіна виявиться заблокованою вже заблокованою (це).

Нагадаємо, що об’ємна концентрація кисню в повітрі — 21%, а також те, що при однакових умовах в рівному обсязі будь-яких газів міститься приблизно рівне число молекул.

Відповідь

Оскільки чадний газ зв’язується в 200 разів міцніше, то рівна кількість гемоглобіну, пов’язаного з киснем і з чадним газом, досягається при концентрації останнього в 200 разів меншою. (Приймемо, що в нормі весь гемоглобін, проходячи через легені, зв’язується з киснем.) 1/200 від 21% — це 0,105%. При такій концентрації чадного газу настає важке отруєння.

Художник Інга Коржнєва