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

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.