Важные функции маленькой молекулы
Что же это за вещество, которое столь сильно повлияло на устранение белых пятен с карты мира? Слово витамин образовано от вита (жизнь) и амин (азотсодержащее органическое соединение; раньше считалось, что в каждом витамине должен присутствовать атом азота). Латинская буква C в названии этого витамина означает, что витамин C был третьим идентифицированным витамином.
Структура аскорбиновой кислоты (витамина С)
Такая система обозначений имеет множество недостатков. На самом деле атомы азота содержатся только в молекулах витаминов B и H. Кроме того, то, что когда-то назвали витамином B, как выяснилось, не индивидуальное вещество, а целая группа веществ: витамин B1, B2 и так далее. А некоторые витамины, которые когда-то считались разными веществами, оказались одним и тем же, поэтому витаминов F и G не существует.
Среди млекопитающих только приматам, морским свинкам и индийским летучим лисицам нужна аскорбиновая кислота. Организм всех остальных позвоночных, в том числе собак и кошек, способен синтезировать ее из глюкозы в результате четырех последовательных реакций, каждую из которых катализирует отдельный фермент. Поэтому этим животным не нужно получать аскорбиновую кислоту с пищей. Вероятно, на каком-то этапе в процессе эволюции люди потеряли способность синтезировать аскорбиновую кислоту из глюкозы, скорее всего в связи с потерей генов, необходимых для синтеза фермента гулонолактоноксидазы, который катализирует последнюю стадию этого превращения.
Похожая серия реакций (выполняющихся в другом порядке) сейчас используется для промышленного синтеза аскорбиновой кислоты (также из глюкозы). Первая стадия процесса — реакция окисления, в которой происходит присоединение атома кислорода, удаление атома водорода или оба процесса одновременно. В обратной реакции (восстановления) происходит удаление атома кислорода, присоединение атома водорода (или и то, и другое разом).
На второй стадии происходит восстановление другого конца молекулы глюкозы, в результате чего образуется гулоновая кислота. На третьей стадии процесса в молекуле гулоновой кислоты образуется циклическая структура, называемая лактоном. Заключительная окислительная стадия приводит к образованию двойных связей в молекуле аскорбиновой кислоты. Именно этот фермент, катализирующий последнюю стадию процесса, как раз и отсутствует в организме человека.
Первые попытки выделить витамин С и определить его химическую структуру оказались безуспешными. Одна из основных проблем заключалась в том, что, хотя аскорбиновая кислота присутствует в соке цитрусовых в достаточно большом количестве, кроме нее там находится множество других сахаров и родственных им веществ, и это сильно затрудняет разделение. Поэтому неудивительно, что первый чистый образец аскорбиновой кислоты был выделен не из растительных, а из животных тканей.
В 1928 году Альберт Сент-Дьерди, американский врач и биохимик венгерского происхождения, который в то время работал в Кембриджском университете, выделил из коры надпочечников быка чуть меньше грамма кристаллического вещества. В этом веществе, которое составляло лишь около 0,03 % массы исходной ткани, сначала не узнали витамин C. Сент-Дьерди думал, что выделил новый гормон со структурой сахара, и предложил назвать его игнозой: суффикс “оза” используют для обозначения сахаров (вспомните глюкозу и фруктозу), а корень “игн” означал, что структура этого вещества неизвестна (англ. ignorant — незнающий). Второе название, предложенное Сент-Дьерди, годноза (от англ. God — бог), также не понравилось редактору “Биохимического журнала” (он, по-видимому, не любил подобных шуток), так что ученому пришлось выбрать для нового соединения нейтральное название: гексуроновая кислота. Выделенное вещество было достаточно чистым, чтобы химический анализ мог точно установить наличие в его молекуле шести атомов углерода (C6H8O6) (приставка гексо — означает шесть). Через четыре года было показано, что гексуроновая кислота и витамин С — одно и то же вещество (Сент-Дьерди, впрочем, это подозревал).
Следующим этапом изучения аскорбиновой кислоты было определение ее структуры. Сегодня эту процедуру выполнить достаточно просто, даже имея в руках немного материала, однако в 30-х годах XX века для этого требовалось много чистого вещества. Сент-Дьерди вновь повезло. Он обнаружил, что венгерский перец содержит очень много витамина С и (что очень важно) почти не содержит других сахаров, затрудняющих выделение. Всего за неделю работы он смог выделить более килограмма кристаллов чистого витамина С, так что его коллеге Норману Хоуорсу, профессору химии из Бирмингемского университета, этого количества вполне хватило для успешного определения структуры вещества, которое теперь они назвали аскорбиновой кислотой. В 1937 году важную роль этой молекулы признало научное сообщество. Сент-Дьерди был удостоен Нобелевской премии в области медицины, а Хоуорс — в области химии.
Несмотря на то, что исследования аскорбиновой кислоты продолжаются более шестидесяти лет, мы до сих пор не знаем всех ее функций в организме. Известно, что она необходима для синтеза коллагена — самого распространенного животного белка, который формирует соединительные ткани, поддерживающие и связывающие все другие ткани организма. Понятно, что недостаток коллагена объясняет некоторые ранние симптомы цинги: отеки конечностей, размягчение десен, потерю зубов. По-видимому, всего десять миллиграммов аскорбиновой кислоты в день устраняют симптомы цинги, по крайней мере, видимые симптомы (возможно, этой дозы недостаточно, чтобы восполнять дефицит аскорбиновой кислоты на клеточном уровне). Исследования в таких разных областях, как иммунология, онкология, неврология, эндокринология и диетология продолжают поставлять новые данные об участии аскорбиновой кислоты во многих биохимических процессах в организме.
Скандалы долго сопутствовали этой маленькой молекуле. Британский ВМФ целых сорок два года игнорировал рекомендации Джеймса Линда. Ост-Индская компания, по-видимому, намеренно воздерживалась от введения в рацион питания моряков противоцинготных средств, чтобы ослаблять людей и удерживать их под контролем. В настоящее время продолжаются дебаты относительно полезности высоких доз витамина С при различных заболеваниях. Американский химик Лайнус Карл Полинг получил Нобелевскую премию по химии в 1954 году за изучение природы химической связи и Нобелевскую премию мира в 1962 году за кампанию против проведения ядерных испытаний. В 1970 году этот дважды лауреат Нобелевской премии выпустил первую серию публикаций о роли витамина С в медицине, рекомендуя высокие дозы витамина С для лечения и предотвращения гриппа, простуды и рака. Несмотря на авторитет Полинга, медицинское сообщество не восприняло эту гипотезу всерьез.
Рекомендованная суточная норма (РСН) витамина С для взрослого человека обычно составляет 60 мг — примерно столько витамина С содержится в апельсине среднего размера. Однако в разные периоды времени и в разных странах значение РСН сильно варьировало, что, скорее всего, отражает отсутствие полного понимания роли этого не такого уж простого вещества. Общепризнано, что при беременности и грудном вскармливании РСН повышается. Еще более высокая РСН установлена для пожилых людей, поскольку в этом возрасте потребление витамина С с пищей сокращается из-за потери аппетита и нежелания готовить пищу. В наши дни у пожилых людей достаточно часто наблюдаются признаки цинги.
Суточная доза 150 мг обычно соответствует насыщению, так что прием более высоких доз не приводит к повышению содержания аскорбиновой кислоты в плазме крови. Поскольку избыток аскорбиновой кислоты выводится через почки, употребление больших количеств этого вещества выгодно только фармацевтическим компаниям. Однако в некоторых ситуациях, например, при инфекции, простуде, ранениях, диарее и многих хронических заболеваниях повышение дозы может оказаться полезным.
Продолжаются исследования роли витамина C при лечении сорока различных заболеваний (бурсит, подагра, болезнь Крона, рассеянный склероз, язва желудка, ожирение, остеоартрит, вирус простого герпеса, болезнь Паркинсона, анемия, поражение коронарных сосудов, аутоиммунные заболевания, невынашивание беременности, ревматическая лихорадка, катаракта, диабет, алкоголизм, шизофрения, депрессия, болезнь Альцгеймера, бесплодие, простуда, грипп, рак и другие). Когда смотришь на этот список, становится понятно, почему витамин C иногда называют “молодостью в бутылке”, хотя исследования не всегда подтверждают приписываемые ему чудодейственные свойства.
Ежегодно в мире производится свыше пятидесяти тысяч тонн аскорбиновой кислоты. Синтетический витамин C, производимый из глюкозы, ничем не отличается от природного вещества. Между природным и синтетическим веществом нет никакого физического или химического различия, поэтому нет причины покупать более дорогой “натуральный витамин C, бережно выделенный из очищенных лепестков розы редкого вида Rosa macrophylla, произрастающей на первозданных склонах Малых Гималаев”. Даже если продукт действительно происходит из этого источника, он содержит абсолютно такой же витамин C, который тоннами синтезируют из глюкозы.
При этом нельзя сказать, что витамины в таблетках заменяют витамины, получаемые с пищей. Прием 70 мг аскорбиновой кислоты в виде таблетки приносит меньше пользы, чем среднего размера апельсин. Вполне возможно, что другие вещества в составе овощей и фруктов, в частности, те, что ответственны за их яркую окраску, способствуют всасыванию витаминов или каким-либо образом усиливают их действие.
Основным применением витамина C на сегодняшний день является предохранение пищевых продуктов от порчи, поскольку это вещество действует как антиоксидант и антимикробный агент. В последние годы усилилось негативное отношение к использованию консервантов. На упаковках продуктов часто можно увидеть надпись: “Без добавления консервантов”. Заметим, однако, что без консервантов многие продукты имели бы неприятный вкус и запах, да и просто могли бы убить нас. Запрещение использования химических консервантов для сохранения пищевых продуктов стало бы таким же бедствием, как запрещение холодильников и морозильных камер.
Фрукты можно консервировать при температуре кипения воды, поскольку они обычно достаточно кислые, чтобы воспрепятствовать росту смертельно опасного микроба Clostridium botulinum.Менее кислые овощи и мясо необходимо подвергать обработке при более высокой температуре, чтобы добиться уничтожения этого патогена. При домашнем консервировании аскорбиновую кислоту иногда используют в качестве антиоксиданта, чтобы избежать потемнения продуктов. Кроме того, она повышает кислотность среды и предотвращает ботулизм — пищевое отравление, вызванное действием токсина этого микроба. Сам Clostridium botulinum не выживает в организме человека, опасность представляет употребление в пищу его токсина, образующегося в плохо законсервированных продуктах. (Инъекция минимального количества токсина под кожу прерывает нервный импульс и вызывает паралич мышц. В результате морщины временно разглаживаются. Да, именно так работает ботокс.)
Химики синтезировали множество токсичных соединений, но самые опасные создала сама природа. Ботулинический токсин A, синтезируемый Clostridiumbotulinum, является самым опасным из известных ядов: он в миллион раз ядовитее, чем диоксин — самый опасный яд, синтезированный человеком. Летальная доза ботулинического токсина A, убивающая 50 % испытуемых (показатель LD50), составляет 3х10-8 мг/кг. То есть летальная доза составляет 0,00000003 мг токсина на килограмм массы тела. Для диоксина LD50 составляет 3х10-2 мг/кг, то есть 0,03 мг на килограмм массы тела. По некоторым оценкам, одна унция [28,3 г] ботулинического токсина A может убить сто миллионов человек. Такие расчеты должны помочь изменить наше отношение к “вредным” консервантам.
Цинга во льдах
Даже в начале XX века некоторые исследователи Антарктики были уверены в том, что причиной цинги являются испорченные продукты, кислотная интоксикация и бактериальные инфекции. Несмотря на то, что применение лимонного сока фактически искоренило цингу на английском флоте уже в начале 1800-х годов, несмотря на то, что эскимосы употребляют в пищу свежее мясо (мозги, сердце и почки тюленей) и никогда не болеют цингой, несмотря на опыт многочисленных экспедиций, во время которых с цингой боролись с помощью свежих овощей и фруктов, офицер британского морского флота Роберт Фалкон Скотт был почему-то уверен в том, что цингу вызывает испорченное мясо. Напротив, норвежский полярник Руаль Амундсен прилагал все усилия, чтобы избежать цинги, и во время своей успешной экспедиции к Южному полюсу его команда питалась свежим мясом тюленей и собак. Во время путешествия к полюсу в 1911 году Амундсен и его товарищи преодолели более двух тысяч километров, и у них не было ни болезней, ни несчастных случаев. Людям Скотта повезло меньше. При возвращении с Южного полюса в январе 1912 года их задержали плохие погодные условия, которые, как считают, были самыми неблагоприятными за многие годы до и после того. Положение экспедиции ухудшилось из-за цинги, которая началась из-за отсутствия на протяжении нескольких месяцев свежей пищи и витамина C. До источников пищи и тепла людям оставалось пройти меньше двадцати километров, но они слишком ослабели, чтобы продолжать путь. Всего несколько миллиграммов аскорбиновой кислоты в день могли бы спасти Скотта и его товарищей.
Если бы о ценности аскорбиновой кислоты стало известно раньше, мир мог бы стать иным. Если бы команда Магеллана была здорова, ему не понадобилось бы останавливаться на Филиппинах. Он благополучно достиг бы Островов пряностей и обеспечил Испании прямой выход на рынок гвоздики, вернулся бы с триумфом в Севилью и по праву пользовался бы славой человека, совершившего первое кругосветное путешествие. Монополия испанцев на рынке мускатного ореха и гвоздики могла бы предотвратить учреждение голландской Ост-Индской компании и изменить судьбу Индонезии. Если бы португальцы, которые первыми из европейцев осмелились пускаться в дальние плавания, знали секрет аскорбиновой кислоты, они смогли бы пересечь Тихий океан задолго до Джеймса Кука. Возможно, теперь на португальском языке говорили бы на Фиджи и на Гавайях, которые (кто знает!) стали бы колониями Португалии. Возможно, если бы великий голландский мореплаватель Абел Янсзон Тасман во время своих путешествий в 1642 и 1644 годах знал о возможности избежать цинги, он смог бы дойти до Новой Голландии (Австралии) и Статен-ланд (Новой Зеландии), и Голландия могла бы заявить свои права на эти земли. А англичане, которые вышли в Тихий океан значительно позже, обзавелись бы империей гораздо меньшего размера и пользовались бы гораздо меньшим влиянием.
Глава 3 Глюкоза
В детской присказке говорится: “Сахар и пряности — и будет много радости”. Действительно, мы очень любим имбирные пряники и яблочные пироги с корицей. Некогда сахар, как и пряности, был доступен только богачам и использовался для приготовления соусов к мясным и рыбным блюдам, которые мы сегодня сочли бы совсем не сладкими. Подобно молекулам, содержащимся в пряностях, молекулы сахара повлияли на судьбу целых стран и континентов, став причиной Промышленной революции и изменив культуру всего мира.
Глюкоза — составная часть молекулы сахарозы, того самого вещества, которое мы называем сахаром. В зависимости от происхождения сахар бывает тростниковым, свекловичным или кукурузным. Кроме того, существуют коричневый сахар, белый сахар, фруктовый сахар, сахарная пудра, сахар-сырец, демерара (нерафинированный тростниковый сахар). Молекула глюкозы, присутствующая во всех этих видах сахара, является довольно маленькой. Она состоит всего из шести атомов углерода, шести атомов кислорода и двенадцати атомов водорода, — столько же атомов в молекулах, дающих запах мускатному ореху и гвоздике. Но, как и в случае молекул пряностей, пространственное расположение атомов определяет свойства глюкозы (а также других сахаров), в частности, ее сладкий вкус.
Сахар можно выделить из многих растений. В тропических регионах его обычно получают из сахарного тростника, в регионах с умеренным климатом — из сахарной свеклы. Некоторые считают родиной сахарного тростника (Saccharumofficinarum) южное побережье Тихого океана, другие полагают, что он произошел из южных областей Индии. Сахарный тростник выращивают в Азии, на Ближнем и Среднем Востоке, в Северной Африке и даже в Испании. Впервые кристаллический сахар из сахарного тростника в Европу привезли крестоносцы, возвращавшиеся из Святой земли в XIII веке. На протяжении следующих трехсот лет он оставался редкостью, причем центром торговли сахаром тогда была Венеция, контролировавшая и рынок пряностей. Сахар использовали для приготовления лекарственных средств (чтобы заглушить тошнотворный вкус других ингредиентов), для связывания лекарственных веществ, а также в качестве самостоятельного снадобья.
К XV веку сахар в Европе стал гораздо доступнее, оставаясь при этом очень дорогим продуктом. Рост потребности в сахаре и постепенное его удешевление привели к сокращению потребления меда, который прежде был основным сладким ингредиентом пищи жителей Европы и многих других частей света. К XVI веку сахар стал основным сладким продуктом для народа. Его популярность заметно выросла в XVII и XVIII веках, когда люди поняли, что с его помощью можно консервировать фрукты, превращая их в джем, варенье и мармелад. В Англии в начале XVIII века годовое потребление сахара на душу населения составляло около полутора килограммов, к 80-м годам этот показатель достиг пяти килограммов, а в 90-х годах превысил шесть килограммов (это было связано с ростом популярности чая, кофе и шоколада). Сахар стали использовать для приготовления сладостей: засахаренных орехов и семечек, марципанов, кексов и конфет. Он стал одним из основных продуктов питания, скорее уже предметом необходимости, чем роскошью, а потребление сахара продолжало расти даже в XX веке.
В 1900–1964 годах мировое производство сахара выросло на 700 %, и ежегодное потребление сахара на душу населения во многих развитых странах превысило пятьдесят килограммов. Этот показатель в последние годы начал несколько снижаться в связи с использованием заменителей сахара и популярностью низкокалорийной диеты.
Рабство и сахар
Если бы люди не ели сахар, мир был бы другим. Дело в том, что спрос на сахар стимулировал использование труда невольников и способствовал насильственному переселению миллионов чернокожих африканцев в Новый Свет. Кроме того, торговля сахаром в начале XVIII века ускорила экономический подъем в Европе. Первые европейцы, посетившие Новый Свет, возвращались с рассказами о землях, пригодных для выращивания сахарного тростника. Европейцы, стремившиеся нарушить сахарную монополию Ближнего и Среднего Востока, очень скоро начали выращивать тростник сначала в Бразилии, а затем в Вест-Индии. Культивирование сахарного тростника — трудоемкий процесс, но оба источника рабочей силы (во-первых, аборигенное население, сократившееся из-за таких европейских болезней, как оспа, корь и малярия, во-вторых, наемные рабочие из Европы) оказались практически исчерпанными. Колонисты обратили свои взоры к Африке.
Прежде рабами из Западной Африки торговали только в Португалии и Испании. Однако потребность в рабочей силе в Новом Свете значительно усилила до тех пор незначительную тенденцию. Возможная прибыль от производства сахара заставила Англию, Францию, Голландию, Пруссию, Данию и Швецию (позднее также Бразилию и США) заняться массовой перевозкой миллионов африканцев за пределы Африки. Сахар был не единственным продуктом, производство которого было связано с использованием невольничьего труда, но, наверное, главным. По некоторым оценкам, около двух третей африканских рабов в Новом Свете работали на сахарных плантациях.
Первый вест-индский сахар, выращенный рабами, был доставлен в Европу в 1515 году — всего двадцать два года спустя после того, как Христофор Колумб привез сахарный тростник на Эспаньолу (теперь Гаити). К середине XVI века сахар производили испанские и португальские колонии в Бразилии, Мексике и на многих островах Карибского моря. Ежегодно на эти плантации из Африки прибывало около десяти тысяч рабов. В XVII веке сахарный тростник начали выращивать в британских, французских и голландских колониях Вест-Индии. Быстро растущий спрос на сахар, развитие технологии его производства, а также появление нового алкогольного напитка, рома, который получали из отходов производства сахара, стимулировали работорговлю.
Невозможно точно оценить количество рабов, которых отправляли из Западной Африки в Новый Свет. Записи об этом неточны, а, возможно, и намеренно искажены, чтобы обойти законы, которые с опозданием пытались улучшить условия перевозки людей путем регулирования допустимого количества пассажиров на судне. Еще недавно, в 1820 году, бразильские суда перевозили более полутысячи человек в помещении площадью менее восьмидесяти квадратных метров и высотой менее метра. Некоторые историки считают, что за три с половиной столетия работорговли в Северную и Южную Америку было перевезено около пятидесяти миллионов африканцев. Здесь не учтены те, кто был убит при захвате, погиб во время пути из центральных районов Африки к побережью или не пережил ужасов морского путешествия.
Путь из Африки в Вест-Индию был второй стороной “золотого (черного) треугольника”. Европейские купцы отправлялись морем в Африку (в основном к западному берегу Гвинеи), где меняли промышленные товары на рабов, а после посещения Нового Света, где оставляли невольников, они возвращались в Европу с грузом какой-либо руды или колониальными товарами (в основном сахаром, хлопком, табаком или ромом). Каждая сторона “треугольника” приносила огромную прибыль. Эта торговля была выгодна в особенности Британии: к концу XVIII века ее доходы от операций в Вест-Индии превосходили прибыль от торговли со всем остальным миром. Сахар и продукты его переработки стали источником огромного капитала и быстрого экономического развития, стимулировавшего в конце XVIII и начале XIX века Промышленную революцию в Англии, а затем во Франции.
Сладкая химия
Глюкоза — самый распространенный из простых сахаров — моносахаридов (от лат. saccharum — сахар). Приставка “моно” означает, что молекула данного вещества состоит из одного структурного звена, в отличие от дисахаридов (состоящих из двух структурных звеньев) или полисахаридов (состоящих из многих звеньев). Структуру глюкозы можно изобразить в виде прямой цепочки:
Глюкоза
Эту формулу можно слегка упростить, убрав все атомы углерода, стоящие на месте пересечения вертикальных и горизонтальных линий. Существуют договоренности, в соответствии с которыми всем атомам углерода в подобных структурах присваиваются номера, причем атом № 1 всегда изображают сверху. Это так называемая проекционная формула Фишера, названная по имени немецкого химика Эмиля Фишера (в 1891 году он определил структуру глюкозы и некоторых родственных сахаров). Хотя научный инструментарий и техника в те времена были еще достаточно примитивными, полученные Фишером результаты до сих пор являются одним из самых элегантных примеров применения химической логики. За свою работу в области химии сахаров Фишер в 1902 году был удостоен Нобелевской премии.
Проекционная формула Фишера для глюкозы. Показана нумерация атомов углерода.
Иногда такие сахара, как глюкоза, по-прежнему изображают в линейном виде, однако теперь известно, что на самом деле глюкоза существует в другой форме: в виде циклической структуры. Циклические изображения называют формулами Хоуорса — в честь англичанина Нормана Хоуорса, получившего в 1937 году Нобелевскую премию по химии за определение структуры витамина С и некоторых углеводов (см. главу 2). Шестичленное кольцо молекулы глюкозы состоит из пяти атомов углерода и одного атома кислорода. Нумерация в формуле Хоуорса показывает, как атомы в кольцевой структуре соответствуют атомам в проекционной формуле Фишера.
Формула Хоуорса для глюкозы. Показаны все атомы водорода.
Формула Хоуорса для глюкозы. Атомы водорода в кольце не показаны, но показана нумерация атомов углерода.
В циклическом виде могут существовать две формы глюкозы, в зависимости от того, располагается ли группа OH у атома углерода C1 над плоскостью кольца или под ней. Может показаться, что это очень незначительное различие, однако это не так: это чрезвычайно важно для структуры более сложных молекул, в состав которых входят звенья глюкозы. Если группа OH у атома углерода 1 располагается под плоскостью кольца, то такую молекулу называют α-глюкозой, а если над плоскостью кольца, то β-глюкозой.
α-глюкоза
β-глюкоза
То, что мы привыкли в быту называть сахаром, представляет собой сахарозу. Сахароза — это дисахарид, построенный из двух простых моносахаридных звеньев: одного звена глюкозы и одного звена фруктозы. Фруктоза, или фруктовый сахар, имеет ту же формулу, что и глюкоза (C6H12O6), и, соответственно, содержит точно такое же количество атомов углерода, кислорода и водорода, что и глюкоза. Однако структура молекул этих двух веществ заметно различается. Атомы в их молекулах расположены по-разному. Химики называют такие соединения изомерами. Это вещества, которые имеют одинаковую химическую формулу (то есть одинаковое количество атомов каждого конкретного вида), однако различаются расположением атомов.
Проекционные формулы Фишера для изомеров глюкозы и фруктозы, показывающие разное расположение атомов водорода и кислорода у атомов углерода С1 и С2. В молекуле фруктозы атомы водорода у С2 отсутствуют.
Фруктоза существует главным образом в циклической форме, однако ее структура несколько отличается от циклической структуры глюкозы: фруктоза образует пятичленное кольцо, а не шестичленное, как глюкоза. Фруктоза, как и глюкоза, может существовать в виде α— или β-формы. Однако с кислородом в кольце соединен углерод С2, поэтому α— и β-формы фруктозы различаются положением OH-группы именно у этого атома углерода. В α-форме OH-группа располагается под кольцом, в β-форме — над кольцом.
Формула Хоуорса для β-глюкозы
Формула Хоуорса для β-фруктозы
Сахароза содержит равные количества глюкозы и фруктозы, но это не комбинация двух молекул. В молекуле сахарозы одно звено глюкозы и одно звено фруктозы связаны через OH-группу у атома С1 из молекулы α-глюкозы и OH-группу у атома С2 из молекулы β-фруктозы. При образовании этой связи происходит удаление молекулы воды.
Удаление молекулы воды при образовании сахарозы из глюкозы и фруктозы. На данном рисунке молекула фруктозы повернута на 180° и перевернута.
Структура молекулы сахарозы
Фруктоза содержится во фруктах, а также в меде, который на 38 % состоит из фруктозы, на 31 % из глюкозы, на 10 % — из разных сахаров, включая сахарозу (остальное — вода). Фруктоза слаще глюкозы и сахарозы, так что именно благодаря высокому содержанию фруктозы мед слаще сахара. Кленовый сироп содержит примерно 62 % сахарозы и по 1 % фруктозы и глюкозы.
Молочный сахар, или лактоза, представляет собой дисахарид, образованный из одного звена глюкозы и одного звена другого моносахарида — галактозы. Галактоза также является изомером глюкозы. Единственным различием между этими веществами является то, что в молекуле галактозы OH-группа у атома С4 расположена над кольцом, а не под ним, как в молекуле глюкозы.
β-галактоза
β-глюкоза
Стрелки указывают положение OH-групп у атома С4 в молекулах β-галактозы (над поверхностью кольца) и β-глюкозы (под поверхностью кольца). Эти молекулы соединяются, образуя молекулу лактозы.
Структура молекулы лактозы
Звено галактозы (слева) через атом С1 соединено с атомом С4 звена глюкозы (справа)
Может показаться, что расположение OH-группы над или под кольцом не способно сильно влиять на свойства молекулы, однако люди с врожденной непереносимостью лактозы хорошо чувствуют различие. Для расщепления лактозы и других дисахаридов или полисахаридов людям нужны специфические ферменты, которые расщепляют эти молекулы на простые моносахариды. Фермент, расщепляющий лактозу, называется лактазой. В небольшом количестве он присутствует в организме некоторых взрослых людей. У детей лактаза обычно вырабатывается в большем количестве. Недостаточность лактазы затрудняет расщепление молока и молочных продуктов и является причиной симптомов непереносимости лактозы — вздутия живота, судорог и диареи. Непереносимость лактозы — наследственное состояние, которое легко контролировать путем приема ферментных препаратов. В организме взрослых и даже детей из некоторых этнических групп, в частности, некоторых африканских народов, лактазы нет вообще. Для этих людей порошковое молоко и другие молочные продукты, которые часто поставляют в Африку в рамках гуманитарной помощи, могут оказаться даже опасными.
В норме головной мозг здоровых млекопитающих использует в качестве источника энергии только глюкозу. Клетки мозга зависят от постоянной поставки глюкозы с током крови, поскольку в самом мозге нет запасов глюкозы. Если уровень глюкозы в крови падает ниже 50 % нормального уровня, появляются некоторые симптомы нарушения мозговой деятельности. При падении уровня глюкозы в крови ниже 25 % нормы, например, в результате передозировки инсулина (гормона, поддерживающего необходимый уровень глюкозы в крови), может наступить кома.
Сладкий вкус
Все перечисленные выше сахара имеют сладкий вкус, а люди любят сладкое. Сладкий — это один из четырех основных вкусов, различаемых человеком (три других — кислый, горький и соленый). Появление способности распознавать вкус было важным эволюционным приобретением. Сладкий вкус обычно говорит о том, что данный продукт съедобен. Спелый фрукт чаще всего сладкий. Если он кислый, то, возможно, он еще не созрел и в нем много кислот, а они могут вызвать боли в желудке. Горький вкус растений обычно указывает на присутствие в них веществ, называемых алкалоидами. Нередко они ядовиты (некоторые даже в очень малых дозах), так что способность распознавать следы алкалоидов является очевидным эволюционным преимуществом. Согласно одной из гипотез (впрочем, не являющейся общепринятой), исчезновение динозавров могло быть связано с их неспособностью распознавать токсичные алкалоиды, присутствующие в некоторых цветковых растениях, появившихся в конце мелового периода, то есть именно тогда, когда исчезли динозавры.
У людей нет врожденного пристрастия к горечи, скорее наоборот: нас привлекает сладкое. Горький вкус вызывает в организме ответ, сопряженный с выделением избыточного количества слюны. Это полезная реакция на попадание в рот ядовитого вещества, поскольку слюна помогает его расщеплять. Однако с возрастом многие люди привыкают к горькому вкусу и даже начинают его ценить. Вспомните о кофеине в чае и кофе, а также хинине в тонике (хотя многие все-таки предпочитают добавлять в эти напитки сахар). Удовольствие с каплей горечи — горько-сладкий вкус — вот что объясняет наше двойственное отношение к горечи.
Ощущение вкуса формируется во вкусовых сосочках — специализированных группах клеток, расположенных в основном на языке. Не все части языка воспринимают одинаковый вкус в одинаковой степени. Кончик наиболее чувствителен к сладкому, а кислота сильнее ощущается боковыми поверхностями ближе к корню. Вы сами можете в этом убедиться, попробовав дотронуться до сладкого раствора кончиком и боковой стороной языка. Кончик языка обычно чувствует сладость сильнее. Но если вы проведете тот же эксперимент с лимонным соком, результат будет еще нагляднее: кончик языка не воспринимает лимонный сок очень-очень кислым, но положите только что срезанный ломтик лимона на боковую поверхность языка, и вы сразу поймете, где расположены рецепторы, ответственные за восприятие кислоты. Можете продолжить эксперимент: горечь лучше всего ощущается в средней части языка ближе к корню, а соленый вкус сильнее всего ощущается с двух сторон от кончика.
Сладкий вкус, безусловно, изучен лучше остальных. Связано это с тем, что, как и во времена работорговли, сахар остается важным источником дохода. Связь между химической структурой и сладостью достаточно сложна. Простая модель, известная как модель A-H,B, предполагает, что сладкий вкус определяется расположением групп атомов в молекуле. Эти атомы (A и B на схеме) имеют определенную геометрию, благодаря которой атом B притягивает атом водорода, соединенный с атомом A. В результате происходит кратковременное связывание сладкой молекулы с белковой молекулой рецептора вкуса, что приводит к выработке сигнала, передающегося по нервам в головной мозг: “Это — сладкое”. Обычно атомы A и B — атомы кислорода или азота, но иногда одним из них может быть атом серы.
Модель восприятия сладкого вкуса A-H,B
Кроме сахара, существует множество других сладких веществ, но не все они пригодны для еды. Например, этиленгликоль является основным компонентом автомобильного антифриза. Сладкий вкус этиленгликоля объясняется растворимостью и гибкостью его молекулы, а также тем, что расстояние между атомами кислорода в этой молекуле близко к расстоянию между атомами кислорода в сахарах. Однако это вещество ядовито: всего столовой ложки достаточно, чтобы убить человека или домашнее животное.
Интересно, что ядовит не сам этиленгликоль, а то вещество, в которое он превращается в организме. Окисление этиленгликоля под действием ферментов организма приводит к образованию щавелевой кислоты.
Щавелевая кислота содержится во многих растениях, в том числе в таких съедобных растениях, как шпинат и ревень. Мы редко едим эти продукты в большом количестве, так что наши почки справляются с выведением следовых количеств щавелевой кислоты. Но если выпить этиленгликоль, внезапное появление в организме большого количества щавелевой кислоты может вызвать почечную недостаточность и смерть. Если за обедом вы съедите шпинат и пирог с ревенем, вы не умрете. В худшем случае это может способствовать образованию почечных камней. Камни в почках в значительной степени состоят из оксалата кальция — нерастворимой соли щавелевой кислоты. Людям со склонностью к образованию почечных камней не советуют употреблять в пищу продукты, содержащие много оксалатов. Для остальных лучший совет — умеренность во всем.
Другое близкое к этиленгликолю по структуре вещество — глицерин, тоже со сладким вкусом. В умеренных количествах глицерин безопасен для здоровья. Из-за вязкости и хорошей растворимости в воде его добавляют во многие пищевые продукты. Термин “пищевые добавки” в последнее время пользуется дурной славой из-за того, что они нередко имеют неорганическую природу и синтетическое происхождение. Глицерин — органическое вещество, он нетоксичен и содержится во многих природных продуктах, например в вине.
Глицерин
Если взболтать вино в бокале, на стекле образуются “ножки”, которые как раз и связаны с присутствием в вине глицерина, повышающего вязкость и бархатистость хорошего вина.
Заменители сахара
Существует множество других сладких веществ, не являющихся сахарами, и некоторые из них могут служить заменителями сахара. Доходы от производства этой продукции составляют около миллиарда долларов. К таким веществам предъявляют следующие требования: их химическая структура должна некоторым образом имитировать структуру сахаров, что позволяет им связываться с рецепторами сладкого вкуса, они должны растворяться в воде, быть нетоксичными и желательно не подвергаться расщеплению в организме. Эти вещества обычно в сотни раз слаще сахара.
Первым искусственным заменителем сахара был сахарин. Это мелкий порошок, настолько сладкий, что даже очень малая доза вызывает реакцию организма: если при работе с этим веществом поднести руку к губам, немедленно ощущается сладкий вкус. Наверное, именно это произошло в 1879 году в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе. Студент-химик[7] почувствовал необычно сладкий вкус хлеба, который ел. Он вернулся к рабочему столу и, принявшись систематически пробовать все вещества, с которыми в тот день работал (рискованная, но достаточно распространенная в те времена практика), обнаружил вещество, имеющее сильно выраженный сладкий вкус.
Сахарин не обладает калорийностью, и это сочетание сладости с отсутствием калорийности быстро обеспечило ему коммерческий успех (сахарин стали применять уже в 1885 году). Сначала его планировали использовать в качестве заменителя сахара для диабетиков, но он быстро приобрел популярность у всего населения. Однако беспокойство по поводу возможной токсичности этого вещества, а также его металлическое послевкусие стимулировали создание других искусственных заменителей сахара, таких как цикламат и аспартам. Как видно из рисунка, структура этих трех веществ различна и сильно отличается от структуры сахаров, однако все они обладают необходимым набором атомов в специфических позициях и необходимой гибкостью, чтобы вызывать у человека ощущение сладкого вкуса.
Сахарин
Цикламат натрия
Аспартам
Ни один искусственный заменитель сахара не является идеальным. Некоторые из них разлагаются при нагревании и поэтому могут употребляться только с холодными напитками или пищей. Другие недостаточно хорошо растворяются в воде. Третьи обладают неприятным привкусом. Синтетическое вещество аспартам состоит из двух природных аминокислот. Аспартам расщепляется в организме, но поскольку он в двести раз слаще глюкозы, для получения сладкого вкуса его нужно значительно меньше. Людям с таким наследственным заболеванием, как фенилкетонурия (неспособность расщеплять аминокислоту фенилаланин, образующуюся при распаде аспартама), не рекомендовано употреблять этот заменитель сахара.
В создании нового заменителя сахара, одобренного в 1998 году Управлением США по надзору за качеством пищевых продуктов и лекарственных средств, был применен другой подход. Это вещество — сукралоза — отличается от сахарозы всего по двум параметрам. Звено глюкозы (слева на рисунке) заменено галактозой — тем же сахаром, который входит в состав молочного сахара. Кроме того, три OH-группы заменены на три атома хлора (Cl): один в галактозном звене и два других во фруктозном звене (справа на рисунке). Три атома хлора не влияют на сладость этой молекулы, но они не позволяют организму ее расщеплять. Поэтому сукралоза не обладает калорийностью.
Структура сукралозы. Стрелками показаны атомы хлора, введенные в молекулу вместо OH-групп.
Сейчас исследователи занимаются поиском несахарных подсластителей из растительных источников; сладость таких веществ может в тысячу раз превышать сладость сахарозы. Давно известно о сладком вкусе некоторых растений. В качестве примера можно назвать южноамериканскую траву Steviarebaudiana, корень лакричного растения Glycyrrhiza glabra, мексиканский представитель семейства вербеновых Lippia dulcis, а также корневища папоротника Selliguea feei с запада Явы. Сладкие вещества из природных источников могут найти промышленное применение, однако предстоит решить проблему их низкого содержания в природном источнике, токсичности, плохой растворимости в воде, неприятного привкуса, нестабильности и непостоянства качества этих веществ.
Сахарин, использовавшийся дольше века, был, однако, не первым заменителем сахара. Первым должен считаться ацетат свинца Pb (C2H3O2)2, которым древние римляне подслащивали вино. Это вещество, известное как свинцовый сахар, способно придать вину сладость, не вызывая дальнейшей ферментации, которая неизбежна при добавлении меда. Многие соли свинца имеют сладкий вкус, многие из них нерастворимы и абсолютно все ядовиты. Ацетат свинца растворяется очень хорошо, а о его токсичности римляне ничего не знали. Это наводит нас размышления о “старых добрых временах”, когда еда и напитки якобы не содержали вредных добавок.
Кроме того, римляне хранили вино и другие жидкости в свинцовых контейнерах, а вода в дома поступала по свинцовым трубам. Отравление свинцом носит кумулятивный характер. Свинец воздействует на нервную систему, репродуктивные и другие органы. Первые симптомы отравления свинцом довольно неспецифические: нарушение сна, потеря аппетита, раздражительность, головные боли, анемия и боли в желудке. Позднее происходит нарушение мозговой деятельности, приводящее к параличу. Некоторые историки связывают упадок Рима с отравлением свинцом: многие римские правители, включая Нерона, страдали от подобных симптомов. Однако только состоятельная аристократическая публика могла позволить себе иметь дома водопровод и хранить вино в свинцовых контейнерах. Простые люди вынуждены были ходить за водой, а вино хранили в других емкостях. Но если свинец действительно был одной из причин упадка Римской империи, возможно, его также можно отнести к химическим веществам, изменившим ход истории.
Сахар и пристрастие к сладкому во многом определили историю человечества. Не будь сахара, работорговля не приобрела бы такой гигантский масштаб, а без невольников не было бы развитой торговли сахаром. Достояние Западной Африки — ее люди — было принесено в жертву чужому благосостоянию.
Стремление к сладкой жизни влияло на судьбы и после уничтожения рабовладения. Так, в конце XIX века множество индийцев приехало на Фиджи, чтобы наняться на плантации сахарного тростника. В результате этнический состав населения этих островов Тихого океана изменился настолько, что исконные жители этих мест — меланезийцы — стали составлять меньшинство. После трех государственных переворотов, произошедших в последние годы, политическая и этническая ситуация на Фиджи по-прежнему нестабильна. Этнический состав населения других тропических островов также связан с производством сахара. Предки людей, составляющих сейчас основное население Гавайских островов, перебрались сюда из Японии, чтобы выращивать сахарный тростник.
И в наши дни сахар продолжает оказывать влияние на развитие общества. Сахар — важный пищевой продукт. Капризы погоды и заражение вредителями влияют на экономику стран-производителей сахара и на мировой рынок. Повышение стоимости сахара сказывается на всей пищевой промышленности. Сахар влияет и на политику. Например, продажа сахара в СССР много десятилетий позволяла режиму Фиделя Кастро держаться на плаву.
Сахар содержится во многих продуктах и напитках. Наши дети любят сладкое. Мы угощаем сладким друзей (а не преломляем с ними простой хлеб, как было принято когда-то). Сладкое стало неотъемлемым элементом праздника во всем мире. Современный уровень потребления глюкозы и ее изомеров во много раз превысил соответствующий уровень потребления во времена наших предков, что является одной из причин распространения ожирения, диабета и кариеса. В общем, наша жизнь по-прежнему зависит от сахара.
Глава 4 Целлюлоза
Укоренение рабства в Америке было связано с выращиванием сахарного тростника, однако его существование на протяжении трех с лишним столетий поддерживала не только торговля сахаром. Свой вклад внесло производство и других товаров для европейского рынка, например хлопка. В Англии из импортного хлопка-сырца изготавливали дешевый текстиль, который в Африке можно было обменять на рабов — и отправить их на плантации Нового Света, особенно на юг Соединенных Штатов. Прибыль от продажи сахара составила начальный капитал для развития британской промышленности. Хлопок же способствовал расцвету экономики Британии в конце XVIII и начале XIX века.