В организме животных и растений производятся растворимые каталитические вещества, коллоидные по своей природе и почти не подверженные воздействию высоких температур, которые используются в многочисленных процессах расщепления одних соединений и образования других. Для обозначения этих веществ и применяется термин «энзим». Науке известно множество энзимов, и все они, очевидно, имеют белковую природу. Но для нас интерес представляют лишь те, которые участвуют в переваривании пищи. Они ускоряют расщепление сложных пищевых веществ на более простые соединения, которые могут транспортироваться кровью и использоваться клетками организма для образования новых клеточных веществ.
Поскольку воздействие энзимов на пищевые продукты очень напоминает ферментацию (брожение), раньше эти вещества называли ферментами. Однако ферментация осуществляется организованными ферментами – бактериями. Продукты ферментации не идентичны продуктам энзиматической дезинтеграции пищевых продуктов и не могут служить материалом для питания организма. Более того, они ядовиты. Гнилостное разложение тоже является результатом воздействия бактерий и приводит к образованию ядов, причем некоторые из них чрезвычайно опасны. Каждый энзим специфичен по своему действию, то есть воздействует только на один класс пищевых веществ. Энзимы, которые воздействуют на углеводы, не действуют и не могут действовать на белки, соли и жиры. Во многих случаях степень специфичности их действия этим не ограничивается. Например, при переваривании близкородственных веществ, таких как дисахариды (сложные сахара), энзимы, которые воздействуют на мальтозу, не способны воздействовать на лактозу. Похоже, что каждому сахару требуется специфический энзим. Физиолог Уильям Хауэлл говорит, что неоспоримых доказательств способности отдельных энзимов производить больше одного вида ферментного действия не существует.
Это специфическое действие энзимов имеет большое значение, поскольку процесс переваривания пищевых продуктов включает несколько стадий, на каждой из которых должен действовать конкретный энзим, способный взяться за дело лишь после того, как вся предыдущая работа будет надлежащим образом выполнена другими энзимами. Например, если пепсин не превратит белки в пептоны, то энзимы, которые должны превращать пептоны в аминокислоты, ничего не сумеют сделать с белками, не прошедшими необходимую подготовку.
Вещество, на которое воздействует энзим, называется субстратом. Например, крахмал является субстратом птиалина. Доктор Филлип Норман, бывший преподаватель гастроэнтерологии из Нью-Йоркской медицинской школы, говорит: «Студентов, изучающих действие разных энзимов, поражает утверждение Эмиля Фишера о том, что у каждого замка должен быть свой ключ. Фермент – это замок, а его субстрат – ключ, и если ключ не будет идеально подходить к замку, то никакой реакции произойти не сможет. Учитывая данный факт, не будет ли логичным считать, что смешивание разных типов углеводов, жиров и белков в ходе одного приема пищи однозначно вредит клеткам пищеварительного тракта? А поскольку мы точно знаем, что клетки одного типа продуцируют родственные, но не идентичные ключи, то вполне логично считать, что смешивание пищи становится непосильным бременем для физиологических функций этих клеток». Выдающийся физиолог Эмиль Фишер предположил, что специфичность действия различных энзимов связана со структурой веществ, на которые оказывается воздействие. Каждый энзим, несомненно, адаптирован к строго определенной структуре.
Процесс пищеварения начинается во рту. Во время жевания все продукты измельчаются и тщательно насыщаются слюной. Что касается химической составляющей этого этапа, то во рту начинает перевариваться только крахмал. Слюна является преимущественно щелочной жидкостью и содержит энзим птиалин. Он воздействует на крахмал, расщепляя его до мальтозы – сложного сахара, который после попадания в кишечник подвергается воздействию мальтазы и превращается в простой сахар декстрозу. Действие птиалина является подготовительным, поскольку мальтаза не способна воздействовать на крахмал. Считается, что амилаза (энзим поджелудочной железы, расщепляющий крахмал) действует на крахмал почти так же, как птиалин, поэтому крахмал, который не переварился во рту и в желудке, может быть расщеплен на мальтозу и ахроодекстрин – при условии, конечно, что не подвергнется ферментации до того, как достигнет кишечника.
Слабые кислотные и сильные щелочные реакции разрушают птиалин. Он может действовать только в щелочной среде, причем она не должна быть сильнощелочной. Это функциональное ограничение необходимо учитывать при смешивании крахмалов, поскольку если смешать их с кислыми продуктами или продуктами, усиливающими секрецию кислоты в желудке, то птиалин перестанет действовать.
В зависимости от характера съеденной пищи состав желудочного сока может варьироваться от почти нейтрального до сильнокислого. Он содержит два энзима: пепсин, который действует на белки, и липазу, которая оказывает слабое воздействие на жиры. Из них мы особо хотим сказать о пепсине, который инициирует переваривание всех видов белков. Это важно, поскольку пепсин, похоже, единственный энзим, наделенный такой способностью. На разных стадиях переваривания на белки воздействуют разные расщепляющие энзимы. Возможно, что ни один из них не может воздействовать на белки на стадиях, предшествующих той, для которой он специально приспособлен. Например, эрепсин, обнаруженный в секретах кишечника и поджелудочной железы, не действует на сложные белки, только на пептиды и полипептиды, расщепляя их до аминокислот. Без предшествующего воздействия пепсина, расщепляющего белки до пептидов, эрепсин не будет действовать на белковые продукты. Пепсин действует только в кислотной среде и разрушается щелочами. Низкая температура, например при употреблении напитков со льдом, замедляет и даже прекращает действие пепсина. Алкоголь преципитирует (заставляет выпадать в осадок) пепсин.
Вид и запах продукта или мысль о нем могут вызвать выделение слюны и желудочного сока. Однако для выделения слюны важнее всего вкус пищи. Физиолог Антон Джулиус Карлсон безуспешно пытался вызвать выделение желудочного сока, заставляя испытуемых жевать различные вещества или раздражая нервные окончания во рту веществами, которые не являлись непосредственно пищей. Другими словами, когда в рот попадают вещества, которые невозможно переварить, секреторная реакция отсутствует. Нервные окончания ротовой полости реагируют селективно, и, как будет показано позже, различные виды продуктов вызывают разные виды реакций.
Эксперименты Павлова по изучению условных рефлексов показали, что, если нужно вызвать выделение желудочного сока, необязательно класть пищу в рот. Достаточно просто подразнить собаку вкусной едой. Павлов открыл, что поток секреции вызывают даже звуки или какие-то другие действия, ассоциирующиеся со временем приема пищи.
Сейчас самое время посвятить несколько абзацев краткому рассмотрению способности организма приспосабливать секрецию к различным видам потребляемых продуктов питания. В учебнике Маклеода «Физиология и биохимия в современной медицине» говорится: «Наблюдения Павлова за реакцией малых желудочков собак на мясо, хлеб и молоко широко цитируются. Они интересны, поскольку свидетельствуют о том, что работа механизма желудочной секреции способна в некоторой степени адаптироваться к материалам, предназначенным для переваривания».