Текст книги "Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир"

Атропин и алкалоиды спорыньи не обладают никаким волшебным действием. Тем не менее вызванный ими эффект использовали в качестве доказательства вины большого числа невинных женщин, обычно самых бедных и беззащитных. Обвинители выдвигали следующие доводы: “Она, несомненно, ведьма, поскольку утверждает, что может летать” и “Она виновна, поскольку вся деревня околдована”. Такое отношение к женщинам, которое позволяло преследовать их как ведьм на протяжении нескольких столетий, не изменилось в одно мгновение после прекращения казней. Имеют ли алкалоиды отношение к предубеждению против женщин, которое до сих пор прослеживается в обществе?

В средневековой Европе те самые женщины, которых преследовали, сохраняли знания о лекарственных растениях, как и коренные жители многих других регионов мира. Если бы эти традиционные знания не сохранились, мы не имели бы многих современных лекарственных средств. Сегодня люди больше не убивают тех, кто знает способы приготовления лекарств из растений, зато теперь люди уничтожают сами эти растения. Продолжающееся исчезновение тропических лесов (почти два миллиона гектаров в год) может привести к тому, что мы никогда уже не отыщем новых алкалоидов, которые могли бы оказаться еще эффективнее в борьбе с различными заболеваниями.

Не таятся ли в исчезающих лесах молекулы, которые помогли бы нам избавиться от рака, СПИДа, шизофрении, болезни Паркинсона или болезни Альцгеймера? Давайте задумаемся об этом, чтобы опыт прошлого стал ключом к нашему выживанию в будущем.

Глава 13
Морфин, никотин и кофеин

Учитывая исконное стремление человека улучшить настроение и самочувствие, не стоит удивляться тому, что люди издревле высоко ценили три алкалоида: морфин из опийного мака, никотин из табака, кофеин из чая, кофе, какао. Однако эти молекулы не только помогали человеку, но и таили в себе немалую опасность. Несмотря на способность вызывать привыкание, а может быть, именно из-за этой способности эти вещества по-разному оказывали влияние на общество. И однажды все три неожиданно сошлись вместе. Вот эта история.

Опиумные войны

Хотя в наши дни плантации опийного мака (Papaversomniferum) в основном сосредоточены в так называемом Золотом треугольнике – районе на стыке Бирмы, Лаоса и Таиланда, – происходит это растение с востока Средиземноморья. По-видимому, опийный мак был известен еще в доисторические времена. Существуют доказательства того, что около пяти тысяч лет назад это растение было знакомо обитателям дельты Евфрата. Археологические находки показывают, что три тысячи лет назад жители Кипра также использовали опиум. Он входил в число лекарственных средств, которыми пользовались древние греки, финикийцы, минойцы, египтяне, вавилоняне. Предполагается, что около 330 года до н. э. Александр Македонский привез опиум в Персию и Индию, откуда опийный мак постепенно распространился на Восток и в VII веке добрался до Китая.

Сотни лет опиум оставался лекарственным средством: его заваривали и пили полученный горький напиток либо проглатывали в виде маленького шарика. В XVIII и особенно в XIX веке художники, писатели и поэты в Европе и Соединенных Штатах стали курить опиум для стимулирования фантазии. Опиум тогда был дешевле алкоголя. Тогда о привыкании к нему ничего не знали или не придавали этому большого значения. Опиум использовали настолько широко, что иногда давали даже маленьким и новорожденным детям в качестве успокоительного средства (которое содержало не менее 10 % морфина!). Опийную настойку на спирту, лауданум, рекомендовали женщинам. Ее продавали без рецепта в любой аптеке. Запретили эту настойку только в начале XX века.

В Китае на протяжении нескольких сотен лет опиум также считали лекарственным средством, однако появление другого источника алкалоида, табака, изменило отношение к опиуму в китайском обществе. До путешествия Колумба в Америку европейцы и азиаты не были знакомы с табаком и не курили. Именно Колумб, вернувшийся из своего второго путешествия в Новый Свет в 1496 году, привез в Европу табак, который курили американские индейцы. Пристрастие к табаку распространилось быстро, несмотря на серьезные наказания, которыми грозило его употребление и ввоз во многие страны Востока. В середине XVII века последний император из китайской династии Мин запретил курение табака. Одни историки утверждают, что китайцы начали курить опиум именно из-за запрета на курение табака. Другие считают, что португальцы, основавшие небольшие торговые фактории на Формозе (остров Тайвань) и в Сямыне на побережье Восточно-Китайского моря, надоумили китайцев смешивать табак с опиумом.

При проникновении морфина и никотина из легких прямо в кровь их действие оказывается очень быстрым и интенсивным. При таком способе употребления опиум быстро вызывает привыкание. К началу XVIII века курение опиума в Китае распространилось настолько широко, что в 1729 году император издал указ, запрещавший ввозить в страну и продавать опиум. Но было слишком поздно: уже сформировалась культура курения опиума и возникла разветвленная сеть его распространения и продажи.

И тут в историю вмешался третий алкалоид – кофеин. Прежде торговля европейцев с Китаем приносила мало прибыли. Китайцы почти ничего не желали покупать у европейцев, и меньше всего их интересовали те товары, которые голландцы, британцы, французы и другие европейцы хотели предложить. Однако в Европе спрос на китайские товары был велик, особенно на чай. Возможно, именно кофеин (молекула алкалоида, вызывающая умеренную зависимость) стал причиной постоянной потребности людей с Запада в высушенных листьях кустарника, который с древности рос в Китае.

Китайцы были готовы продавать чай, однако взамен желали получать только серебро. Англичане не считали это возможным. Вскоре стало ясно, что есть только один товар, хотя и нелегальный, который интересует китайцев и которого в самом Китае нет. Так Британия занялась торговлей опиумом. Его выращивали в Бенгалии и в других частях Британской Индии. Представители Ост-Индской компании продавали опиум независимым торговцам, а те поставляли его в Китай, часто при посредничестве подкупленных чиновников. В 1839 году правительство Китая попыталось пресечь процветавшую нелегальную торговлю. Был конфискован и уничтожен годовой запас опиума, хранившийся на складах в Кантоне (теперь Гуанчжоу) и на британских судах, ожидавших разгрузки в порту. Через несколько дней группу пьяных британских матросов обвинили в убийстве местного крестьянина, и это стало поводом для объявления Британией войны Китаю. Победа Британии в так называемой Опиумной войне (1840–1842) изменила расстановку сил на мировом рынке. Китай вынужден был уплатить огромную контрибуцию, открыть пять своих портов для иностранной торговли и уступить Гонконг, который надолго стал британской колонией.

Еще примерно через двадцать лет Китай проиграл Вторую опиумную войну, в которой принимали участие как Британия, так и Франция, и вынужден был пойти на дополнительные уступки. Для иностранного торгового флота были открыты дополнительные порты, европейцам разрешалось путешествовать и жить в Китае, христианским миссионерам была обеспечена свобода передвижения, и, наконец, была легализована торговля опиумом. Опиум, табак и чай стали причиной прекращения многовековой изоляции Китая от остального мира. В Китае начался период беспорядков и перемен, закончившийся в 1911 году революцией.

Объятия Морфея

Опиум содержит двадцать четыре алкалоида. Среди них преобладает морфин, на долю которого приходится 10 % массы грубого экстракта опийного мака – клейкого высушенного секрета этого растения. Впервые чистый морфин из этого экстракта в 1803 году выделил немецкий фармацевт Фридрих Вильгельм Адам Сертюрнер. Он назвал выделенное им соединение морфином в честь Морфея – римского и греческого бога сновидений. Морфин – наркотик, то есть вещество, которое нарушает чувствительность (при этом устраняет боль) и вызывает сон.

После открытия Сертюрнера морфин начали активно изучать, однако его химическую структуру удалось окончательно установить только в 1925 году[22]22
  Химическую структуру морфина установил английский химик сэр Роберт Робертсон (1886–1975). За определение структуры нескольких алкалоидов, в частности морфина и стрихнина, Робертсон был удостоен Нобелевской премии по химии в 1947 году.


[Закрыть]. Эту отсрочку в сто двадцать два года нельзя назвать непродуктивной. Химики-органики считают расшифровку структуры этого соединения столь же важным вкладом в науку, как и изучение его болеутоляющих свойств. В результате разгадывания этой сложной головоломки сформировались классические методы определения химической структуры веществ, возникли новые лабораторные технологии, пришло понимание трехмерной структуры соединений углерода, были созданы новые методы химического синтеза. Благодаря исследованию структуры морфина были определены структуры других важных соединений.

Структура морфина. Жирные клиновидные линии указывают на то, что связь находится вне поверхности рисунка (в данном случае над ней).

На сегодняшний день морфин и его производные являются самыми мощными анестетиками. К сожалению, выраженность обезболивающих свойств данных веществ, по-видимому, коррелирует с их способностью вызывать сильное привыкание. Родственное морфину соединение кодеин, которое содержится в опиуме в гораздо меньшей пропорции (от 0,3 до 2 %), не так сильно вызывает привыкание, но зато и гораздо менее эффективно, чем морфин. Различие в структуре этих веществ невелико: в молекуле кодеина на месте OH-группы располагается CH₃O-группа (на рисунке внизу она показана стрелкой).

Структура кодеина. Стрелка указывает на единственное различие между структурами морфина и кодеина.

Задолго до того, как была окончательно установлена химическая структура морфина, ученые предпринимали попытки модифицировать эту молекулу так, чтобы получить более эффективное болеутоляющее средство, которое не вызывало бы столь сильного привыкания. В 1898 году исследователи из немецкой фармацевтической компании “Байер” (имено там, напомним, пятью годами ранее Феликс Хоффман синтезировал ацетилсалициловую кислоту) подвергли морфин той же реакции ацетилирования, которая позволяет превращать салициловую кислоту в аспирин. Это был вполне логичный шаг. Ведь аспирин оказался превосходным анальгетиком, гораздо менее токсичным, чем салициловая кислота.

Диацетилированное производное морфина. Стрелки указывают на положения в молекуле, где вместо атомов водорода в OH-группах морфина оказались CH₃O-группы, в результате чего получился героин.

Однако в данном случае замена атомов водорода в OH-группах морфина на СН₃O-группы привела к совершенно иным последствиям. Сначала результаты казались обнадеживающими. Диацетилморфин оказался гораздо более эффективным анальгетиком, чем морфин, так что использовать его можно было в очень низких дозах. Но за его эффективностью скрывалась проблема, которая станет ясна каждому из нас, если мы назовем это вещество его общепринятым именем. Создатели назвали его героином (подразумевая, что это “героическое” лекарство), и это одно из веществ, вызывающих наиболее сильное привыкание. Механизм физиологического действия морфина и героина один и тот же, поскольку в головном мозге CH₃O-группы героина вновь превращаются в OH-группы. Однако молекула героина гораздо легче проникает через гематоэнцефалический барьер, чем молекула морфина, что приводит к более быстрой и сильной эйфории, которая притягивает людей, попавших в наркотическую зависимость.

Поскольку оказалось, что выпущенный компанией “Байер” героин не вызывает тошноты и запоров, как морфин, его стали назначать от кашля, астмы, мигрени, эмфиземы, даже туберкулеза. Однако как только побочное действие этого “супераспирина” стало очевидным, компания перестала его рекламировать. Когда в 1917 году истек срок действия патента на аспирин и его начали производить другие компании, “Байер” подала в суд в связи с нарушением патентного права. Однако она никогда не преследовала в судебном порядке использование названия “героин” для диацетилморфина.

В настоящее время в большинстве стран действует запрет на ввоз, производство и владение героином. Но все эти меры бессильны против незаконной торговли маленькими молекулами. Одной из проблем, с которыми сталкиваются подпольные лаборатории, производящие героин из морфина, является устранение следов уксусной кислоты – одного из побочных продуктов синтеза. Уксусная кислота имеет характерный запах (запах уксуса). Часто именно этот запах позволяет спецслужбам обнаружить подпольное производство. Специально обученные собаки способны учуять очень слабый запах, который человеческий нос уловить не в состоянии.

Исследования обезболивающей способности морфина и родственных алкалоидов показывают, что эти вещества не препятствуют прохождению нервных импульсов в головной мозг. Вместо этого они изменяют способ восприятия им болевых сигналов. По-видимому, молекула морфина может связываться с болевыми рецепторами в головном мозге и блокировать их действие, что соответствует химической теории о том, что для связывания с рецептором молекула должна иметь совершенно определенную форму.

Морфин имитирует действие эндорфинов – природных болеутоляющих молекул, содержание которых в головном мозге обычно очень низкое, но возрастает в моменты стресса. Эндорфины – это полипептиды, то есть вещества, состоящие из соединенных молекул аминокислот. Пептиды являются структурной основой белков, например белка шелка (см. главу 6). Но если молекула белка шелка состоит из сотен или даже тысяч аминокислотных остатков, то эндорфины построены всего из нескольких аминокислот. Два известных эндорфина являются пентапептидами (состоят из пяти аминокислотных остатков). Оба эти эндорфина имеют такой же структурный элемент, какой содержится в молекуле морфина: остаток β-фенилэтиламина. Считается, что именно этот элемент структуры отвечает за влияние на мозг таких веществ, как ЛСД, мескалин и некоторых других галлюциногенных молекул.

Остаток β-фенилэтиламина

Хотя в остальном молекулы эндорфинов и морфина не имеют между собой ничего общего, считается, что данного структурного элемента достаточно, чтобы они могли связываться с одними и теми же участками мозга.

Остаток β-фенилэтиламина в молекуле морфина

Однако морфин и производные химические вещества отличаются от других галлюциногенных молекул еще и наркотическим действием: они обезболивают, усыпляют и вызывают привыкание. По-видимому, это связано с наличием в их молекулах следующих структурных элементов: 1) фенольное, или ароматическое, кольцо; 2) четвертичный атом углерода (то есть атом углерода, связанный с четырьмя другими атомами углерода); 3) CH₂-CH₂-группа, связанная с 4) третичным атомом азота (то есть атомом азота, связанным с тремя атомами углерода).

Структурные элементы молекулы морфина: 1) бензольное кольцо; 2) четвертичный атом углерода (выделен жирным шрифтом); 3) две связанные между собой CH₂-группы; 4) третичный атом азота (выделен жирным шрифтом)

Соединив все эти элементы вместе, мы получим структуру, подчиняющуюся так называемому морфиновому правилу:

Важнейшие элементы структуры, подчиняющейся “морфиновому правилу”

Ниже показано, что в молекуле морфина соблюдены эти условия (как, например, в молекулах кодеина и героина).

Структура морфина и ее соответствие “морфиновому правилу”, которое обеспечивает физиологическое действие обезболивающих препаратов

Определяющая роль данного структурного элемента в проявлении наркотических свойств была открыта благодаря научной интуиции. Ученые, которые вкалывали крысам синтетический препарат меперидин, заметили, что после инъекции крысы держат хвост совершенно определенным образом, причем тот же эффект наблюдался ранее при инъекции морфина.

Меперидин

Молекула меперидина не очень похожа на молекулу морфина. Что же между ними общего? Во-первых, бензольное кольцо. Во-вторых, соединенный с ним четвертичный атом углерода. В-третьих, группа CH₂-CH₂. В-четвертых, третичный атом азота, то есть элементы “морфинового правила”.

Демонстрация “морфинового правила” на структуре меперидина (демерола)

Тестирование меперидина показало, что он оказывает обезболивающее действие. Это вещество, известное под торговым названием демерол, часто используют вместо морфина, поскольку оно хотя и менее эффективно ослабляет боль, почти не оказывает рвотного действия. Однако оно также вызывает привыкание. Еще один мощный синтетический анальгетик, метадон, подобно героину и морфину, подавляет нервную систему, но не вызывает дремоты или эйфории. Структура метадона не вполне удовлетворяет “морфиновому правилу”: в этой молекуле нет двух соединенных между собой CH₂-групп, поскольку к одной из них присоединена дополнительная CH₃-группа. Это, казалось бы, незначительное отличие, по-видимому, определяет различие в биологической активности веществ.

Структура метадона. Стрелка указывает на положение СН₃-группы, наличие которой приводит к несоответствию структуры метадона ‘морфиновому правилу” и изменяет его физиологическое действие.

Тем не менее метадон тоже вызывает привыкание. Зависимость от героина может трансформироваться в зависимость от метадона, поэтому до сих пор ведутся споры относительно того, насколько разумно избавлять пациентов от героиновой зависимости с помощью метадона.

“Попивая” дым

Никотин – второй алкалоид, имевший отношение к Опиумным войнам, – не был известен в Европе до тех пор, пока Христофор Колумб не отправился в Новый Свет. Там он увидел, как мужчины и женщины “пили” дым от горящих листьев, свернутых в трубочку и засунутых в ноздри. Привычка употреблять курительный, нюхательный и жевательный табак (листья растения табака, относящегося к роду Nicotiand) была широко распространена среди индейцев Южной Америки, Мексики и Карибских островов. Табак употребляли главным образом во время различных церемоний. Дым втягивали через трубки или свернутые листья либо просто дышали им, бросив листья на угли. Считалось, что это заставляет участников церемонии входить в транс или видеть галлюцинации. Это означает, что в том табаке концентрация активных компонентов была значительно выше, чем в листьях Nicotianatabacum, который распространился в Европе и других регионах. Скорее всего, тот табак, с употреблением которого столкнулся Колумб, был табаком майя, который относится к виду Nicotianarustica и обладает гораздо более сильным действием.

Табак быстро прижился в Европе, его начали культивировать. Французский посол в Португалии Жан Нико, имя которого увековечено в названии растения и алкалоида никотина, был горячим поклонником табака. Курильщиками были и другие заметные фигуры XVI века, например сэр Уолтер Рэли в Англии и королева Франции Екатерина Медичи. Однако вскоре появились и противники курения. Папским эдиктом было запрещено курение табака в церкви, а английскому королю Якову I приписывают появившийся в 1604 году памфлет, в котором описывалась “привычка, неприятная для глаз, отвратительная для носа, вредная для мозга и опасная для легких”.

Первая гравюра, изображающая южноамериканских курильщиков (Бразилия, около 1593 года). На этом празднике индейцы племени тупи курят табак через длинную трубку. Из коллекции Джона Дж. Лорда

В 1634 году курение оказалось вне закона в России. За нарушение запрета предусматривалось жестокое наказание. Примерно через пятьдесят лет этот указ был отменен, поскольку Петр I был заядлым курильщиком. Испанские и португальские моряки, которые распространили по всему миру перец чили, содержащий алкалоид капсаицин, разнесли всюду и табак, содержавший алкалоид никотин. К XVII веку употребление табака распространилось далеко на Восток, и никакие наказания, включая пытки, не могли воспрепятствовать этому. Несмотря на то, что в некоторых странах, например в Турции, Индии и Персии, от курения некогда “лечили” смертной казнью, сегодня в этих странах курят не меньше, чем в других местах.

Плантаций табака в Европе не хватало для удовлетворения всеобщего спроса. Вскоре испанские и английские колонии в Америке начали выращивать табак на экспорт. Культивирование табака очень трудоемко. Его нужно полоть, удалять лишние листья и соцветия, уничтожать вредителей, а листья собирать и готовить к сушке вручную. Эту работу на плантациях выполняли в основном рабы, и это означает, что никотин, подобно глюкозе, целлюлозе и индиго, также способствовал укоренению рабства в Новом Свете.

В табаке обнаружено не менее десяти алкалоидов, среди которых преобладает никотин. Содержание никотина в табаке варьирует от 2 до 8 % в зависимости от способа выращивания, состава почвы, климата и метода обработки листьев. В очень низких дозах никотин стимулирует работу сердца и центральной нервной системы, однако со временем и при высоких дозах он начинает оказывать угнетающее действие. Этот кажущийся парадокс объясняется способностью никотина имитировать функцию нейромедиаторов.

Никотин

В месте контакта нервных клеток молекула никотина образует мостик, который способствует передаче нервного импульса. Однако между импульсами эта связь не прекращается, так что в итоге передача сигнала по этому пути нарушается. Стимулирующее действие никотина прекращается, а мышечная активность, особенно в сердце, ослабевает. В результате замедляется циркуляция крови, снижается подача кислорода к тканям и мозгу и проявляется общее седативное действие. Этим курильщики объясняют способность сигареты подавить нервное возбуждение, однако в тех ситуациях, когда требуется быстрота реакции, никотин оказывает плохую услугу. Кроме того, курильщики с длительным стажем больше подвержены инфекционным заболеваниям, таким как гангрена, которые лучше развиваются в условиях недостатка кислорода, связанного с ослабленной циркуляцией крови.

Никотин в больших дозах – смертельный яд. Пятьдесят миллиграммов никотина могут убить взрослого человека всего за несколько минут. Однако токсичность никотина зависит не только от дозы, но и от способа попадания в организм. При всасывании через кожу никотин в тысячу раз опаснее, чем при введении через рот. По-видимому, желудочный сок до некоторой степени разрушает никотин. При курении под действием высокой температуры большая часть алкалоидов окисляется с образованием менее токсичных продуктов. Это не означает, что курение табака безопасно. Это означает только, что если бы не происходило окисления никотина и других алкалоидов табака, всего нескольких сигарет было бы достаточно, чтобы убить человека. Оставшийся в табачном дыме никотин чрезвычайно опасен, поскольку всасывается из легких прямо в кровоток.

Никотин представляет собой эффективный природный инсектицид. В 40-х и 50-х годах XX века его производили в большом объеме и использовали в качестве инсектицида, пока не появились синтетические пестициды. Интересно, что никотиновая кислота и пиридоксин, имеющие похожую структуру, не являются ядами. Напротив, они полезны для организма: оба относятся к витаминам группы B и необходимы нам для жизни. Мы вновь видим, как небольшие изменения структуры вещества приводят к колоссальным изменениям его свойств.

Никотин

Никотиновая кислота (ниацин)

Пиридоксин (витамин B₆)

Недостаток никотиновой кислоты (ниацина) в рационе приводит к заболеванию, которое называется пеллагрой и характеризуется тремя симптомами: дерматитом, диареей и деменцией. Эта болезнь чаще встречается в тех местах, где основным компонентом пищи является кукуруза. Раньше считалось, что это инфекционная болезнь, возможно, определенная форма проказы. Пока не выяснилось, что причиной пеллагры является недостаток ниацина, больных часто помещали в психиатрические больницы. В начале XX века пеллагра была распространена на юге США. Благодаря усилиям американского врача Джозефа Гольдбергера медицинское сообщество поверило в то, что эта болезнь вызвана авитаминозом. Название “никотиновая кислота” пришлось заменить на “ниацин”, когда производители витаминизированного хлеба стали возражать против того, чтобы на их изделиях фигурировало слово, напоминающее о никотине.