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

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]7
  Константин Фальберг (1850–1910) – немецкий химик русского происхождения.


[Закрыть] 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.