Просто о ферментах. Почему они так полезны?

Атомы и элементы

Давайте немного вспомним школьный курс химии. Привычный нам материальный мир состоит из атомов – мельчайших частиц. Представьте себе, что атомы – это автомобили на улице, их несчетное количество! А вот моделей автомобилей – ограниченное количество. Есть огромные «Бентли Континенталь» и крошечные «Дэу Матиз». С атомами все то же самое. Их бессчетное количество в мире, но вот видов атомов на 2023 год было описано всего 118. Есть атомы-крошки, и есть атомы-гиганты. Виды атомов называются химическими элементами, и именно эти элементы собраны в Периодическую таблицу Д. И. Менделеева. Так, самый маленький атом – это водород (H) с атомной массой, принятой за единицу, а самый большой на данный момент атом оганесона (Og) в своей наиболее устойчивой форме имеет массу 294, то есть он почти в 300 раз тяжелее водорода!

Рисунок 1. Самый маленький – атом водорода и самый большой на 2023 год – атом оганесона

Что будет, если в одном месте соберется много автомобилей? Как минимум пробка, а то и ДТП. В отличие от железных коней атомы способны к продуктивной совместной деятельности. Образуя химические связи, атомы объединяются в молекулы. Например, молекула воды состоит всего лишь из 3 атомов – двух водорода и одного кислорода (H₂O), в то время как молекула сахарозы (самый обычный пищевой сахар) состоит уже из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и 11 атомов кислорода (С₁₂Н₂₂О₁₁). Но это не идет ни в какое сравнение с так называемыми биополимерами – исполинскими молекулами, благодаря которым существует жизнь, например ДНК. Там счет идет на сотни миллионов атомов. Справедливости ради надо отметить, что далеко не все вещества имеют молекулярную структуру. Например, та же поваренная соль – хлорид натрия (NaCl), хоть и состоит всего из двух элементов, имеет кристаллическую структуру, в который атомы упорядоченно стоят каждый на своем месте в так называемых углах кристаллической решетки. Практически совершенным примером кристалла можно считать и алмаз, состоящий только лишь из углерода. Если же в алмазе появляются атомы других элементов, например бора, получаются исключительно редкие цветные камни (в случае с бором после огранки получаются голубые бриллианты, и их всего 0,02 % от мировой добычи).

Рисунок 2. Схемы кристаллической решетки хлорида натрия и алмаза

Среди всех элементов в живых системах выделяют макроэлементы, которые, как атланты, держат на плечах весь груз функционирования биологических молекул (это углерод – С, водород – H, азот – N, кислород – O) и микроэлементы, которых значительно меньше, если сравнивать в «штуках», но роль их так же важна (это фосфор – F, кальций – Ca, сера – S, йод – I, селен – Se и т. д.).

Для существования жизни и для того, чтобы организмы могли расти, развиваться и размножаться, эволюция создала несколько классов биологических молекул. К этим классам относятся белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Первые три класса вам могут быть знакомы как основные нутриенты, и диетологи призывают следить за тем самым балансом БЖУ.

С точки зрения химии внутри каждого класса биологических молекул присутствуют единство структуры. Оставив в стороне нуклеиновые кислоты (это все-таки в поле интересов генетики), познакомимся с каждым из классов по отдельности. Но для полной картины узнаем еще об одной очень интересной и гораздо более разрозненной по структуре группе веществ – витаминах. Но для полной картины познакомимся еще с одной очень интересной и гораздо более разрозненной по структуре группой веществ – витаминами. Они нам очень пригодятся, когда дальше будем обсуждать непосредственно ферменты.

Белки

Философы прошлого говорили, что жизнь – это форма существования белковых тел. Правы они или нет, судить не нам. Лучше перенесемся на зарю зарождения жизни на Земле. Около 4 миллиардов лет назад на очень еще юной планете (тогда ей было всего-то полмиллиарда лет) стали появляться первые биомолекулы. Что было раньше – белки или нуклеиновые кислоты (а именно РНК), на данный момент однозначного ответа нет. Более подробно вы можете прочитать об этом в других замечательных книгах, например в книге Михаила Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки». Самое главное, что к этому моменту уже существовали небольшие молекулы – аминокислоты.

Аминокислоты состоят из атомов углерода, водорода, азота и кислорода (в некоторых еще есть сера). Главная особенность этих молекул в том, что в их структуре есть две группы атомов, которые мы будем называть дальше функциональные группы, а именно, карбоксильная группа (—СООН группа) и аминогруппа (—NH₂). Эти две группы охотно реагируют между собой, образуя особую химическую связь, так называемую пептидную. Полученную молекулу называют пептид, а точнее дипептид, поскольку она пока состоит из двух остатков аминокислот.

Та аминокислота, которая «отдала» в образование пептидной связи карбоксильную группу, будет называться N-концевая, поскольку у нее осталась непрореагировавшая аминогруппа.

Вторая аминокислота будет тогда С-концевой, поскольку у нее осталась свободная карбоксильная группа. Именно эта карбоксильная группа в природе дальше способна образовать еще одну пептидную связь с третьей аминокислотой. С-конец сместится на один остаток аминокислоты вперед. Так будут получаться трипептиды, тетрапептиды и т. д.

Рисунок 3. Из двух аминокислот получается дипептид

В лаборатории задача пептидного синтеза очень трудоемкая и требует долгих часов искусной работы химика-органика. Сейчас существуют автоматизированные системы синтеза пептидов, но все равно это задача, которую «на коленке» решить не удастся. Парадоксально, что даже в тот момент, когда химик в поте лица синтезирует какой-нибудь скромный трипептид, в его клетках легко и непринужденно с биологических конвейеров по производству белков – рибосом – сходят все новые и новые полипептиды, состоящие из 100, 200 и даже 500 остатков аминокислот.

Эти полипептиды похожи на огромные товарные поезда, в которых вагонов (то есть аминокислотных остатков) так много, что кажется будто эта вереница не закончится никогда.

Иногда два полипетида объединяются в одну молекулу с помощью других видов химической связи. Так, например, образуется молекула инсулина, пожалуй, одного из самых знаменитых представителей класса пептидов. Он состоит из 2 небольших пепетидных цепей в 21 и 30 аминокислотных остатков, которые соединяются с помощью связи между атомами серы (дисульфидные связи).

Для большинства белков помимо самого синтеза первичной пептидной цепи очень важно эту цепь правильно уложить в пространстве. Неупорядоченная цепь собирается в так называемый статистический клубок, и редко когда от такого клубка можно добиться толку. Для реализации биологических функций белок должен принять правильную «конформацию», словом, из клубка надо связать свитер.

Аминокислотная последовательность называется первичной структурой, но кроме нее существуют еще вторичная, третичная и даже четвертичная структуры.

Вторичная структура позволяет из полипептидной цепи собрать «листы» (их называют бета-листы или бета-слои) или спираль (альфа-спираль).

Третичная структура подразумевает организацию элементов вторичной структуры в «шарики»-глобулы. Иногда отдельные глобулы собираются в так называемые олигомерные белки – так получается четвертичная структура.

Рисунок 4. Примеры первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур

Структура белка играет очень важную роль в выполнении им своей функции. Одна из любимых концепций в химии белка называется «связь структура – функция», которая отражает возможности предсказать функции белка по его структуре и управлять функциями белка, изменяя структуру.

А функций у белков множество. Принято выделять несколько групп (как минимум 8), объединяющих белки со схожими функциями.

Структурные белки, например, призваны обеспечить прочность и форму клеток, тканей и органов. Вы, наверное, помните о коллагене – важном белке наших кожи, хрящей, сухожилий. А волосы? Волосы – это, конечно, кератин, структурный белок с замечательными механическими свойствами. Благодаря массовой культуре и бьюти-индустрии коллаген и кератин являются, пожалуй, самыми медийными белками и ассоциируются с молодостью и красотой. И в этом есть большая доля правды!

Есть и другой класс белков, репутацию которым в массовом сознании сделала реклама. Это ферменты, и в первую очередь пищеварительные. Но поверьте, одними лишь ими многообразие ферментов не ограничивается!

Строго говоря, ферменты – белки, которые катализируют химические реакции в организме, ускоряя их скорость и обеспечивая эффективность всех биологических процессов. О них мы поговорим очень подробно в этой книге (см. следующую главу).

Отдельно рассматривают как вещества белковой природы некоторые гормоны. Например, очень известный гормон инсулин имеет пептидную природу. Они выступают в качестве регуляторов основных процессов, таких как обмен веществ, рост, развитие и другие.

Транспортные белки переносят различные вещества, такие как кислород и питательные вещества, по всему организму. Основной белок плазмы крови человека – альбумин, его называют «молекула-такси», потому что он помогает переносить самые разнообразные вещества по кровотоку.

А какие еще примеры? Рассмотрим транспорт железа в организме. Что сразу приходит на ум? Конечно, гемоглобин! Но при этом «рука об руку» с ним идет ферритин – белок, который выполняет запасающую функцию. Он работает «депо» железа в организме.

Защитные белки представляют собой антитела, которые борются с инфекциями и болезнями. Это наша иммунная память о встречах с различными патогенами. Пандемия COVID‑19 научила практически всех следить за уровнем пресловутых IgG и IgM, которые отражают наличие или отсутствие иммунитета к этой инфекции.

Мы уже упомянули белок титин, который выполняет двигательную функцию, ему в помощь приходят актин и миозин, участвующие в сокращении мышц, – моторные белки. Многие белки выполняют сигнальную роль, помогая клеткам обмениваться информацией и командами. Кроме этого, существуют еще и регуляторные белки, и ряд других более мелких подклассов.

В заключение отметим, что белки являются важнейшими молекулами в организме человека, участвующими в различных функциях и процессах. На планете Земля жизнь и правда – форма существования белковых тел. Разнообразие белков обеспечивает адаптивность организма, поддерживая здоровье и нормальное функционирование всех систем.

А пока пришел черед знакомится с самым сладким (а может и нет…) классом биомолекул – углеводами!

Углеводы

Углеводы в химии часто называют сахарами, потому что многие углеводы простого строения и правда имеют сладковатый вкус. Пожалуй, самый известный сахар – это сахароза, источниками которого являются сахарная свекла и сахарный тростник. Сахароза присутствует в меде, нектаре цветов, соках некоторых фруктов и овощей, а также в некоторых видах зерновых и бобовых культур.

Но сама сахароза представляет собой молекулу, собранную из двух простых молекул углеводов (их еще называют моносахариды). Глюкоза и фруктоза, которые собираются в сахарозу, молекулы похожие друг на друга настолько, что в них присутствует одинаковое количество атомов каждого из элементов: углерода, водорода и кислорода. Брутто-формула[1] и глюкозы, и фруктозы записывается одинаково: С₆Н₁₂О₆, а вот структура молекул разная. Явление существования разных структур при одинаковой брутто-формуле называется в химии изомерией. Таким образом, глюкоза и фруктоза – изомеры.

Разберем структуру этих молекул. Обе они, на первый взгляд, линейные и содержат 5 спиртовых групп и одну карбонильную. У глюкозы карбонильная группа[2] расположена с краю молекулы. Такая группа называется альдегидной (если увлекаетесь парфюмерией, то вы знаете про альдегидные ноты в ароматах – это те же альдегиды, но другого строения). Альдегиды – химически весьма активные соединения, и чтобы подчеркнуть наличие такой интересной особенности, моносахарид с альдегидной группой называется альдозой.

Фруктоза, напротив, на конце молекулы имеет спиртовую группу, а карбонильную «упрятала» в глубь молекулы. Такие моносахариды называются кетозы, потому что молекулы с карбонильной группой в середине называются кетоны. Кето-группа химически неактивная. Простейший кетон – ацетон – и вовсе используется в быту как растворитель (и даже использовался раньше как жидкость для снятия лака с ногтей).

Рисунок 5. Глюкоза и фруктоза – изомеры. В первом случае есть альдегидная группа, а во втором – кето-группа. А набор атомов в обеих молекулах совершенно одинаковый

Итак, глюкоза и фруктоза – молекулы-сестры, альдоза и кетоза. Образуя друг с другом гликозидную связь, они превращаются в сахарозу.

Но это совсем не единственный вариант! Если вместо фруктозы взять в подруги глюкозе галактозу (тоже альдозу), получится молочный сахар – лактоза. Мы о ней обязательно еще поговорим в следующих разделах.

Лактоза и сахароза – дисахариды, так как состоят из остатков двух моносахаридов. Но что, если в одну молекулу объединить сразу много моносахаридов? Получатся полисахариды. На самом деле между моносахаридами и полисахаридами еще есть подкласс олигосахаридов, состоящих из нескольких моносахаридов – о них мы также поговорим позднее.

Полисахариды исключительно разнообразны: они могут комбинироваться из огромного количества разных моносахаридов, ветвиться, задействовать различные типы гликозидных связей. Чем-то это напоминает несколько наборов лего, тщательно перемешанных в одном контейнере, – комбинаций множество, и иногда возможны самые удивительные варианты. Кирпичиков – моносахаридов – ведь много, гораздо больше, чем например канонических аминокислот.

Вот, например, крахмал. Картофельный или кукурузный – не суть важно, главное, что это запасное питательное вещество растений. Это вещество растение должно легко синтезировать, когда есть задача отложить пропитание «на черный день», и так же легко его «разбирать» на составные части, когда придет час.

Крахмал представляет собой очень много (до десятков тысяч) молекул глюкозы, соединенных в линейные участки. Такие длинные цепочки объединяются дальше, образуя разветвления. Условно говоря, крахмал состоит из двух типов «кубиков»: линейных участков амилозы и разветвленных участков амилопектина.

При расщеплении крахмала сначала получаются крупные фрагменты цепочек глюкоз, потом все мельче и мельче до тех пор, пока не останутся лишь молекулы глюкозы. Их легко отправить в базовую метаболическую «топку» – такой процесс принято называть гликолизом.

Но некоторые полисахариды не предназначены для быстрого доступа к глюкозе. Напротив, они должны оставаться стабильными и неизменными так долго, как это возможно. Это, например, целлюлоза, которая, как и крахмал, собрана из множества глюкоз, только вот способ соединения (тип гликозидной связи) в целлюлозе другой, и сама молекула полностью линейная, без ответвлений.

Это способствует формированию волокон целлюлозы и в конце концов образованию таких крепких (особенно по сравнению с клубнями картошки) объектов, как древесина. Добывать из древесины сахар – дело неблагодарное, но целлюлозу неплохо научились переваривать жвачные животные – коровы и пр. Для этого пришлось «изобретать» желудок сложного строения, а также прибегать к помощи микроорганизмов – микробиотов пищеварительной системы.

Вы можете заметить, как медленно разрушаются пни и становятся трухлявыми – это работа бактериальных и грибковых консорциумов. Но даже так процесс расщепления целлюлозы остается очень длительным, он занимает целые годы.

Таким образом, для человека целлюлоза остается объектом глубоко неперевариваемым, но тем не менее очень важным. Какая, на милость, может быть польза у вещества, которое при всем желании не может быть использовано для метаболизма?

Наверняка вы слышали о клетчатке. Она содержится в овощах, зелени и фруктах, а также в цельнозерновых продуктах. Клетчатка с химической точки зрения, конечно, разнообразнее, чем линейные волокна целлюлозы, но и она тоже не переваривается человеческим организмом. К клетчатке относятся также лигнин, камеди, пектины и т. д.

Роль клетчатки в пищеварении очень велика: она способствует «тонусу» кишечника, то есть перистальтике – способности ЖКТ проталкивать пищевой комок. Если человек привык есть всегда мягкую пищу, без клетчатки (например, фастфуд или глубоко переработанные продукты), а потом резко объелся овощами и фруктами (приехал в Сочи летом, за раз съел полтора кило персиков и три початка кукурузы) – расстройства ЖКТ не избежать, кишечник не привык работать с такой грубой пищей. Равно как и люди, привыкшие питаться по правилу тарелки, где половину порции занимают овощи и фрукты, а четверть – цельнозерновые продукты (тоже содержащие клетчатку). Такие люди мучаются с ЖКТ, если внезапно лишаются возможности есть свою «кроличью» еду.

Кишечник натренирован переваривать грубую пищу, а тут, пожалуйста, ни грамма сырых овощей. Мощная перистальтика слишком быстро протолкнет такой пищевой комок.

Любите морскую капусту или водоросли нори? Получаете отличную порцию другого неперевариваемого полисахарида – ксилана. Ксилан является одним из наиболее распространенных полисахаридов в природе и составляет около 15–30 % сухого веса растительных тканей. В отличие от целлюлозы он состоит не из глюкозы, а из другой альдозы – ксилозы.

Остатки ксилозы в полисахариде ксилане связаны устойчивым подвидом гликозидных связей, а именно бета-гликозидными связями. Сама по себе молекула ксилана, как и целлюлоза, имеет линейную структуру лишь с небольшими разветвлениями. Ксилан прочный и устойчивый к химическим воздействиям, что делает его сложным для использования в качестве источника энергии для микроорганизмов и животных.

Более того, у фермеров ксилан – персона нон грата, потому что он препятствует всасыванию питательных веществ из корма у животных. Для человека это неопасно, ведь столько растений с грубой текстурой мы все равно съесть не можем, а вот для телят, например, это актуальная проблема. Тем интереснее, что частично расщепленный ксилан – ксилоолигосахариды – для человека уже становится полезными пищевыми волокнами, которые часто добавляют в функциональное питание.

Еще один знакомый всем с детства полисахарид, благодаря которому у человечества есть и мороженое, и пастила, и зефир – это пектин. Этот король десертов представляет собой кислотный углевод, потому что содержит карбоксильную группу (еще помните такую из раздела про белки?). Пектин состоит преимущественно из остатков галактуроновой кислоты и содержится в кожуре плодов, в том числе в яблоках. Кроме этого, много пектина в цитрусовых, свекле и моркови.

Сегодня пектин очень широко используется в пищевой промышленности как загуститель, гелеобразователь и стабилизатор. Он необходим при производстве джемов, желе и молочных продуктов, и даже иногда добавляется в качестве добавки к хлебу и мясным деликатесам.

Пектин помогает стабилизировать вспененные структуры – воздушный зефир и пастила, нежный сливочный пломбир – все они должны сохранить воздух в порах, но при этом иметь приличный срок годности. Трудно поверить, но пектин использовали еще древние римляне для производства мороженого, правда, тогда он был не в чистом виде, а в виде яблочной кожуры. Вот такие античные биотехнологии!

В некоторых углеводах кроме атомов углерода, водорода и кислорода присутствуют другие атомы, например сера в гепарине. Гепарин – это полисахарид, который содержится во многих организмах, и даже в Homo Sapiens. Он играет важную роль в системе свертывания крови, предотвращая образование тромбов.

В некоторых медицинских сериалах врачи раздумывают, дать ли пациенту гепарин – ведь если функция свертываемости крови в норме, пациент может погибнуть от внутреннего кровотечения. Действительно, гепарин – мощный препарат для профилактики и лечения тромбозов, а также для предотвращения свертывания крови во время хирургических операций.

Другой пример гетероатома в полисахаридах – это азот. Например, азот содержится в хитине. Структурно хитин очень похож на целлюлозу, только вот вместо звеньев глюкозы он содержит ее близкого родственника с аминогруппами и остатками уксусной кислоты (N-ацетилглюкозамин). Он присутствует в клеточных стенках многих видов грибов, ракообразных и насекомых. Представьте себе, например, неочищенную креветку – панцирь ее и есть почти чистый хитин. Даже долгая варка в кипятке не нарушает его целостность! Хитин очень прочный и жесткий материал, поэтому хорошо подошел для создания защитных структур у животных.

О том, как из полисахаридов, например крахмала, можно получать разнообразные продукты питания с помощью ферментов, мы будем разговаривать в следующих главах.

Жиры

Сливочное масло, семечки, палтус, маскарпоне… Что объединяет все эти продукты? Конечно, высокое содержание жиров! Но что такое эти жиры, и почему их кто-то решил делить на «хорошие» и «плохие»?

На заре развития биохимии исследователи пытались выделить из биологического сырья (например, из кусочка мяса, зеленого листа, шерсти – словом, любого артефакта, добытого в живой природе) отдельные вещества, чтобы понять, из чего оно сделано. Так обычно делают маленькие дети, вытряхивая содержимое всех доступных шкафов и ящиков. Что сказать, ученые в своем любопытстве не уступают детям. Так, они обработали биологический материал органическим растворителем (в быту такими растворителями оттирают следы краски) и обнаружили, что в него перешло довольно много веществ. Этот процесс, кстати, называется экстракция.

Итак, все вещества, которые при экстракции перешли в органическую среду, получили название липиды. Как вы понимаете, липиды представляют собой очень разрозненную группу соединений. К липидам относятся привычные нам жиры, масла, знаменитый холестерин, половые гормоны и даже пчелиный воск. Однако для пищевой индустрии самое важное значение имеют растительные масла и животные жиры. Названия «масла» и «жиры» довольно условные, но часто первые из упомянутых – жидкие, а вторые – твердые при комнатной температуре. Есть и исключения: например, кокосовое масло при комнатной температуре полутвердое, хоть и плавится при небольшом нагревании, даже от тепла рук. От чего зависят агрегатное состояние и все остальные свойства вещества? Конечно, от строения молекулы!

Как же устроена обычная молекула жира? Рассмотрим на самом простом примере триглицерида. Молекула собрана из двух важных составных частей: фрагмента глицерина (того самого, кстати, из глицеринового мыла) и трех остатков жирных кислот.

Жирные кислоты – это длинные линейные молекулы с карбоксильной группой на конце. Если все связи между атомами углевода в длинной цепочке одинаковые, жирная кислота называется насыщенной. Остатки насыщенных жирных кислот входят в состав животных жиров, например сала. А вот если в цепи есть одна или несколько двойных связей, такая жирная кислота называется ненасыщенной. Вы наверняка знаете про омега‑3 и омега‑6 жирные кислоты, но кроме них есть еще и многие другие.

Именно для ненасыщенных жирных кислот возможно существование цис– и транс-изомеров. Если в молекуле триглицерида присутствует остаток транс-изомера жирной кислоты, мы будем говорить о трансжирах. Вы наверняка про них слышали, ведь в небольших количествах они содержатся в животных продуктах, мясе и молоке. Однако избыточное потребление трансжиров за счет присутствия в рационе глубоко переработанной пищи достоверно приводит к увеличению риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. Чуть позже мы обсудим, откуда же в продуктах питания могут браться трансжиры, а пока вернемся к обсуждению структуры триглицеридов.

Итак, к одной молекуле глицерина присоединяется три молекулы жирной кислоты. Так получаются триглицериды. И правда, жиры очень разрозненная группа соединений, и даже внутри одной подгруппы триглицеридов найдутся молекулы-бунтари и молекулы-отличницы.

Вот, например, несмотря на расхожее мнение, что в животных жирах нет ненасыщенных жирных кислот, иногда они не только присутствуют, но даже и лидируют по содержанию. Вот, например, основные остатки (первые 5 из 170!) жирных кислот, входящие в состав молочного жира:

• олеиновая;

• пальмитиновая;

• миристиновая;

• стеариновая;

• линолевая.

Из них ненасыщенные первая и последняя, и суммарно они составляют более трети от общего содержания жирных кислот.

И напротив, в пальмовом масле примерно поровну остатков насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, что позволяет его разделить (фракционировать) на условно твердое (пальмовый стеарин, используется потом в мыловарении, например) и жидкое (пальмовый олеин). Не путайте с пальмоядровым маслом, в котором остатков насыщенных жирных кислот уже 80 %, что больше, чем в молочном жире! Вот такое растительное маслице.

Справедливо будет также рассказать о самых классических примерах жиров – твердом животном жире, в котором только в небольшом количестве присутствуют остатки ненасыщенных жирных кислот. Например, в свином жире (сале) их доля лишь 6 %. И напротив, в оливковом масле максимально высокая доля содержания остатков ненасыщенной олеиновой кислоты. Это омега‑9 ненасыщенная кислота, что указывает на наличие двойной связи между 9‑м и 10‑м, если считать с конца, атомами углерода.

Внимательный читатель наверняка уже обратил внимание на слово «омега» в прошлом абзаце. Да, омега – настоящий Фигаро нашего времени, или, как говорила мама дяди Федора из Простоквашино его «и там, и тут передают». Вокруг этой омеги уже буквально сложился целый сонм легенд. Для химика же это группа полиненасыщенных (то есть содержащих несколько двойных связей) жирных кислот, которые входят в состав некоторых жиров.

Вы уже немного знакомы с омега‑9 жирными кислотами, также широко известны омега‑3 и омега‑6 жирные кислоты. Омега‑3 входят в состав преимущественно животных жиров, например рыбьего жира. В скромном количестве они также содержатся в некоторых водорослях. Омега‑6, напротив, содержатся преимущественно в растительных маслах (льняное, рапсовое, кунжутное масло).

Исследования влияния омега‑3 жирных кислот на организм человека длятся с 30‑х годов XX века, и до сих пор не были получены однозначные ответы. Длительные исследования особенностей коренных народов Севера, в частности, гренландских инуитов, позволили выявить связь между диетой, богатой жирной рыбой, и низким риском развития сердечно-сосудистых заболеваний.

Самыми известными омега‑3 жирными кислотами являются докозагексаеновая (ДГК) и эйкозапентаеновая кислоты (ЭПК). Они являются незаменимыми для человека (синтезировать сами мы их не можем) и играют важную роль в поддержании здоровья сердечно-сосудистой системы и развитии мозга. Так, ООН установила норму потребления ДГК для беременных женщин – не менее 200 мг в день. ДГК и ЭПК мы должны получать из пищи в достаточном количестве, при этом ни отечественные клинические рекомендации, ни американский Food and Drug Administration[3] к 2023 году не обозначили четкие нормы потребления каждой из этих жирных кислот. Рекомендовано употреблять в пищу не реже двух раз в неделю рыбу – предполагают, что такого количества будет достаточно. Также омега‑3 жирными кислотами богаты, например, семена льна, которые могут быть более доступны обывателю, нежели жирная морская рыба.

При всех достоинствах жиров животных, особенно из рыбы, проще и дешевле получать жиры растительные. Обычно они жидкие, но интересно отметить, что ученые уже более 100 лет назад научились из жидких масел растительного происхождения получать твердые. Чтобы разобраться в этой технологии, узнать, что же такое маргарин и чем все же опасны трансжиры, давайте познакомимся с процессом гидрирования.

Как вы уже знаете, в ненасыщенных жирных кислотах присутствуют двойные связи между атомами углерода. При этом содержание атомов водорода в них ниже, чем в насыщенных жирных кислотах. Для превращения жидких жиров, богатых остатками ненасыщенных жирных кислот, в твердые, близкие по свойству к животным жирам, нужно добавить в молекулу атомы водорода, при этом двойная связь между атомами углерода превращается в одинарную, «как у всех». Процесс присоединения водорода к ненасыщенным остаткам жирных кислот в жирах называется гидрогенизация (от hydrogen – водород). Это сравнительно старая технология, ее основы были заложены еще в 1902году химиками Вильгельмом Норманом и Сергеем Фокиным, а применена на практике эта технология была в Российской империи еще в 1908 году.

Гидрогенизируют в основном подсолнечное, хлопковое, соевое масло – дешевое сырье и получают продукты, напоминающие животный жир (сало или сливочное масло – называют саломас). Гидрогенизация требует использования никелевых, никель-медных, металлокерамических и прочих катализаторов, веществ, которые будут ускорять химическую реакцию. Помимо целевого процесса гидрирования, например превращения линолевой кислоты в олеиновую, а затем в стеариновую, может протекать и побочный процесс, такой как образование тех самых трансжиров. Здесь также происходит разрушение молекулы триглицерида и последующая реакция между жирными кислотами и металлами катализатора. Попросту говоря, омыление – делали масло, получили мыло.

Таким образом, в типичном процессе гидрогенизации растительного масла до твердого жира «саломаса» накапливается много побочных продуктов, в том числе грозных трансжиров. В составе продуктов, содержащих гидрогенизированные жиры (а значит, и трансжиры), обязательно указывается либо «гидрогенизированные жиры», либо жир «кондитерский, кулинарный, фритюрный», либо «маргарин».

Хотя справедливости ради маргарином называют и полностью гидрированные жиры, в которых никаких двойных связей уже нет. За дешевизну его часто используют в производстве бюджетных кондитерских изделий (печенья, булок, тортов) и глубокопереработанных продуктов (сосисок и колбас, блюд во фритюре).

Витамины

Помимо белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот в организме в небольшом количестве присутствуют молекулы, без которых жизнь наша будет либо совершенно чахлой, либо вовсе не будет существовать. За способность дарить полноценную жизнь эта группа веществ получила название витамины.

Впервые этот термин предложил польско-американский химик Казимир Функ, который исследовал биологически активные вещества. Строго говоря, витамины – это вещества-биорегуляторы, необходимые лишь в небольших количествах для нормальной жизнедеятельности организма. Организм Homo Sapiens не может синтезировать витамины без дополнительных внешних факторов (например, ультрафиолетовое воздействие для витамина D), так что они должны поступать с пищей.

Но человечеству в неявной форме витамины были известны давно. Так, в древнем Китае была описана болезнь «бери-бери», связанная с тяжелой невропатией. Выяснилось, что лучшим лечением этой болезни был отвар рисовой шелухи. Эти опыты систематически провел и описал в конце XIX века Христиан Эйкман в рамках своей экспедиции на остров Ява. В 1906 году он сформулировал вывод о том, что неочищенный рис содержит особый «фактор». Сегодня мы знаем, что болезнь «бери-бери» вызвана грубым дефицитом витамина В₁, а многие необработанные злаки, в том числе бурый рис, содержат большое количество этого витамина.

В 1880 году русский врач-педиатр Николай Иванович Лунин провел эксперимент на мышах, разделив их на две группы. Первая группа получала коровье молоко, а вторая – смесь питательных веществ, известных к тому времени: белков, жиров, углеводов и некоторых солей. Через некоторое время мыши из второй группы начали болеть и умирать, в то время как мыши из первой группы оставались здоровыми. Лунин предположил, что в молоке есть «что-то еще», но что именно – выяснить не успел.

Спустя почти 50 лет интенсивной работы многих ученых по всему миру стала ясна важность адекватного потребления витаминов и гармоничного функционирования всех биологических процессов. В 1929 году Эйкман совместно с британцем Хопкинсом получит Нобелевскую премию по физиологии за «Вклад в открытие витаминов» и «За открытие витаминов, стимулирующих процессы роста» соответственно.

На сегодняшний день мы насчитываем 13 витаминов. Первым из них был витамин А, выделенный в 1913 году из рыбьей печени. А последний, витамин В9, он же фолиевая кислота, открыт в 1941 году – и снова в печени. Получается, все витамины были открыты за крайне малое время с точки зрения науки. В течение XX века некоторые вещества, например холин, были исключены из списка витаминов – они встречаются в организме в гораздо большем количестве, нежели истинные витамины, и выполняют функции не только биорегуляторов.

Те, что остались, делятся на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. К первой группе относятся витамины А, Е, D и К, а ко второй группе относят 8 витаминов группы B, а также витамин С.

С точки зрения химии жирорастворимые витамины представляют собой гидрофобные вещества, которые вовсе не хотят растворятся в воде. Их надо употреблять с жирными продуктами.

То же самое касается витамина Е, который широко представлен в растительных продуктах, особенно семечках. Витамин Е был открыт как антистерильный фактор в опытах на крысах. Самки, которые получали рацион, бедный витамином Е, оказались неспособны обзавестись потомством.

Биологическая роль витамина E заключается в защите мембран клеток от окисления, поддержании процессов клеточного дыхания и регуляции менструального цикла у женщин и сперматогенеза у мужчин. Воистину, витамин, дарящий жизнь, и содержится он только в растительных продуктах. В животных (даже в самой замечательной жирной рыбе) его нет вовсе.

Витамин К получил свое название от немецкого слова Koagulationsvitamin – витамин, способствующий коагуляции (или свертыванию крови).

Его открыл Хенрик Дам в 1929 году в рамках опытов с цыплятами на бесхолестериновой диете. Несчастные птенцы с течением времени начинали страдать от неконтролируемых кровотечений, и возвращение холестерина в рацион не излечивало их. Это означало, что в процессе «обесхолестеринивания» из корма удалялось что-то еще важное. Это и был витамин К.

В чистом виде витамин K был выделен в дальнейшем из люцерны (витамин К₁) и из гниющей рыбы (витамин К₂). В нашем повседневном рационе основным источником витамина К₁ является зеленая растительная пища: брокколи, петрушка, шпинат и даже зеленый чай, а также, разумеется, печень.

Витамин К₂ же синтезируется микробиотой нашего кишечника, поэтому так важно заботиться об этой крошечной вселенной бактерий в каждом из нас.

Витамин D, а точнее, D_3, или холекальциферол, – самый широко обсуждаемый витамин, потеснивший короля прошлых лет – витамин С. Функции активной формы витамина D₃ очень обширны: он выполняет гормональную роль при регуляции кальциевого и фосфорного обмена, способствует минерализации и восстановлению клеточной ткани, а также реабсорбции кальция.

D₃ играет важную роль в поддержании функционирования щитовидной железы и физиологического уровня глюкозы. Витамин D₃ образуется в коже под действием ультрафиолета из 7‑дегидрохолестерина. Вы наверняка помните о холестерине из блока по липидам – как видите, это на первый взгляд опасное вещество участвует и в таком важном процессе. В чистом виде витамин представляет собой белый кристаллический порошок, совершенно нерастворимый в воде, зато хорошо растворимый в органических растворителях.

Для всех жирорастворимых витаминов описан эффект накапливания в организме при избыточном потреблении. Это особенно важно знать в наше время, когда витамины доступны не только с пищей, но и виде лекарственных препаратов и биологически активных добавок.

При гипервитаминозе наблюдается разнообразная симптоматика: так, для гипервитаминоза витамина Е характерны сначала тошнота, вялость, а затем при потреблении дозы более 1 грамма в день возрастает риск кровотечений. При гипервитаминозе витамина А развиваются поражения печени, а для беременных высокие дозы этого витамина угрожают тератогенным действием[4].

Водорастворимые витамины существенно отличаются от жирорастворимых своим строением и не способны накапливаться в организме. При избыточном потреблении они выводятся с биологическими жидкостями. Водорастворимые витамины включают в себя витамины группы В и витамин С. С него, пожалуй, и начнем знакомство.

Витамин С был открыт в 1928 году венгерским биохимиком Альбертом Сент-Дьёрдьи. Жизнь этого человека достойна экранизации: достаточно здесь сказать, что его близкие родственники – доктора – не разрешили юноше поступать на медицинский факультет, посчитав его интеллектуальные способности недостаточными.

Выбрав научную, а не лечебную стезю, Сент-Дьёрдьи в 1926 году так разочаровывается в своих изысканиях, что решает бросить исследования и начать все с чистого листа.

Но к счастью, его приглашает к себе в Кембридж влиятельный биохимик Фредерик Хопкинс (тот самый, который спустя несколько лет совместно с Христианом Эйкманом получит Нобелевскую премию!). Он дает возможность Сент-Дьёрдьи продолжить исследования. Так вера в молодого ученого помогла человечеству обрести формулу витамина С, которая соответствует аскорбиновой кислоте.

Витамин С ежедневно необходимо человеку, приматам и морским свинкам, поскольку у этих биологических видов отсутствует фермент L-гулонолактон-оксидаза, катализирующий последнюю стадию превращения глюкозы в аскорбиновую кислоту.

Из хороших новостей: он медленно разрушается в воде, так что свежевыжатый сок цитрусовых вполне богат витамином С. Но, если вы надеетесь получить ежедневную порцию аскорбиновой кислоты из компота из черной смородины – увы! – витамин быстро разрушается при термической обработке.

Витамин С очень широко представлен во фруктах и ягодах – и не только цитрусовых, но и в киви, ананасах, клубнике, малине, черной смородине, крыжовнике, персиках и абрикосах. Из овощей и зелени организм также охотно доберет норму этого витамина, например из цветной капусты, брокколи, шпината, моркови и петрушки. Из приятного – даже темный шоколад содержит небольшое количество этого витамина!

А биологическая роль витамина С очень существенна. Он известен как антиоксидант, а также выступает стабилизатором многих ферментативных систем (особенно для оксидоредуктаз, но об этом – в следующих главах). Например, аскорбиновая кислота участвует в синтезе желчных кислот и коллагена.

К счастью, для того чтобы набрать дневную дозу витамина С, не приходится совершать подвиги Геракла – в день нам нужно в среднем 90 миллиграммов (или 0,09 грамма), что с запасом содержится, например, в 1 болгарском перце или в щедрой горсти черной смородины. Главное – съесть это все сырым, поскольку вы уже знаете о термической нестабильности витамина С.

Переходим теперь к обширной группе витаминов – витаминам группы В. На сегодняшний день известны витамины В₁ (тиамин), В₂ (рибофлавин), В₃ (ниацин), В₅ (пантотеновая кислота), В₆ (пиридоксин), В₇ (биотин), В₉ (фолиевая кислота) и В₁₂ (кобаламин).

Нетрудно заметить, что витамины В₄, В₈, В₁₀ и В₁₁ куда-то подевались. И правда, сначала вещества с такими названиями были занесены в список витаминов. Это холин, инозит, пара-аминобензойная кислота и L-карнитин соответственно.

С течением времени и в связи с более глубокими исследованиями этих веществ их пришлось исключить из списка истинных витаминов, поскольку они не удовлетворяли главному требованию. Они не были низкомолекулярными биорегуляторами, необходимыми лишь в небольших количествах для нормальной жизнедеятельности организма, которые человек должен получать с пищей (или превращать неактивные формы в активные под действием внешних факторов).

Кратко рассмотрим каждый из витаминов этой группы B.

Витамин В₁ (тиамин) помогает функционировать многим ферментам группы карбоксилаз. Эти ферменты контролируют некоторые базовые реакции метаболизма, например синтез ацетилкофермента А – важнейшей молекулы, участвующей во многих биологических процессах. Дефицит витамина В₁ помимо болезни «бери-бери» способен вызывать синдром Вернике-Корсакова, который был прекрасно отражен в одном из первых сезонов сериала «Доктор Хаус». Пациентка с поврежденной рукой не имела собственных воспоминаний и сочиняла истории о получении травмы каждый раз по-новому, ориентируясь на яркие детали пространства, окружающие ее. Это следствие тяжелого дефицита витамина В₁ из-за бедного рациона. Доктор Хаус назначает своей пациентке не только нужный витамин, но и предлагает съесть торт – как символ окончания изнуряющих диет.

Витамин В₂ (рибофлавин) был описан как желтый пигмент молока, и часто используется как безопасный краситель E101 в пищевой промышленности.

Этот витамин необходим для работы целой группы ферментов – флавопротеинов, отвечающих за метаболические процессы в митохондриях.

Витамин B₃ (ниацин, раньше он назывался витамин PP) имеет тривиальное название никотиновая кислота и был синтезирован еще во второй половине XIX века, при этом тогда химики даже не догадывались о его биологической роли! А зря, ведь дефицит этого витамина вызывает тяжелую болезнь пеллагру, также известную как болезнь трех Д – диарея, дерматит, деменция.

Пеллагрой страдали многие заключенные лагерей НКВД в 30‑е годы XX века из-за скудного рациона, и выдающийся советский ученый Лев Зильбер предложил тогда в качестве лекарства отвар ягеля, который как раз был богат никотиновой кислотой.

Тяжелые последствия дефицита витамина В₃ вполне понятны, если учесть, что это вещество задействовано более чем в 150 биологических процессах, связанных с дыханием и энергообменом. Для такого важного вещества организм предусмотрел резервный путь: в условиях грубого дефицита мы можем синтезировать В₃ из аминокислоты триптофана, правда, с безобразно маленькой эффективностью (1 мг ниацина из 60 мг триптофана).

Витамин В₅ имеет также название пантотеновая кислота – дословно «вездесущая», поскольку присутствует она буквально в любой порции пищи из-за своей метаболической роли. Более того, кишечная микрофлора способна самостоятельно синтезировать В₅, так что дефицит этого витамина бывает очень редко.

Почему же пантотеновая кислота – везде и всюду? Она входит в состав одной из самых важных молекул для нашего метаболизма – кофермента А. Он задействован в самых базовых процессах, направленных на поддержание жизнедеятельности каждой клетки. Ну а раз этот кофермент А такой важный и распространенный, то и дефицит В₅ при адекватной диете практически невозможен.

Витамин В₆, который может существовать в виде пиридоксина, пиридоксаля и даже пиридоксамина (а в организме трансформироваться в активные фосфорилированные формы), необходим для метаболизма аминокислот и жирных кислот, он участвует в работе так называемых пиридоксалевых ферментов.

У здоровых людей большая часть витамина В₆ синтезируется кишечной микрофлорой. Однако иногда дефициты все-таки случаются. Например, при лечении туберкулеза некоторые лекарства крепко связываются с витамином В₆, «выводя его из игры». Наблюдаемая клиническая картина дефицита может соответствовать даже пеллагре (о ней мы говорили выше). Хорошо, что врачи-химиотерапевты знают эту особенность и учитывают ее при подборе лечения, назначают дополнительные дозы витаминов.

Витамин В₇ (он же биотин, он же витамин H) помогает в работе многим ферментам, в том числе ответственным за реакции базового метаболизма. Как и витамин В₁, биотин необходим для работы некоторых карбоксилаз. Яркий пример – фермент пируваткарбоксилаза, задействованный в метаболическом цикле Креббса. Не вдаваясь в биологические подробности, скажем лишь, что без цикла Креббса ни одна клетка не выживет. Несмотря на то что на бытовом уровне биотин заслужил признание как витамин для красоты волос, его роль в организме все-таки шире. В организме синтез биотина осуществляется кишечной микрофлорой, при том что суточная потребность взрослого человека в биотине очень скромная – всего 0,25 тысячных грамма. Но иногда дефицит биотина действительно случается! Описаны случаи такого дефицита у пациентов, увлекавшихся сырыми яйцами. Все дело в том, что в яйцах содержится вещество авидин, образующее сверхпрочные связи с биотином и выводящее его таким образом «из игры». Не будем тут занудствовать о том, что употребление сырых яиц грозит и другими «приключениями», например сальмонеллезом ☺

Витамин В_9, или, как его еще называют, фолиевая кислота, известен многим как главный витамин всех беременных, хоть открыт он был на цыплятах как антианемическое средство и как ростовой факт у бактерий. Фолиевая кислота стимулирует кроветворные функции организма. В виде тетрагидрофолиевой кислоты и ее производных участвует в синтезе компонентов ДНК и некоторых аминокислот (серина, метионина, гистидина).

Именно фолиевая кислота особенно нужна всем быстроделящимся клеткам, в том числе клеткам эмбриона. Об этом свидетельствует и двукратный рост потребности беременной женщины в фолиевой кислоте. Так, здоровые взрослые должны получать в сутки 200 мкг, в то время как беременные с неотягощенным акушерским анамнезом нуждаются в дозе 400–600 мкг.

При этом особенно высока роль фолиевой кислоты на ранних сроках беременности (до 28 дней), когда у эмбриона происходит формирование нервной трубки. Тяжелый дефицит витамина В₉ на этом этапе приводит к формированию грубых нарушений нервной системы плода, например к расщеплению позвоночника (лат. Spina Bifida).

Витамин В₁₂ имеет красивое название цианокобаламин, потому что в состав его входит атом кобальта – очень необычно для витаминов! Открыт он был при поиске лекарства от редкой формы анемии (болезни Аддисона – Бирмера), поскольку содержался в мощном лечебном препарате – сырой печени. Опять печень, да, с нее мы начали обсуждение витамина А, и ей завершаем рассказ о витамине В₁₂.

Пожалуй, дефицит этого витамина один из наиболее распространенных, поскольку единственным источником его является животная пища (молоко, мясо, сыр). В₁₂ нельзя получить с растительной пищей, и кишечная микрофлора не справится с его синтезом. Так что люди, придерживающиеся строгой веганской диеты, должны получать адекватную дозу В₁₂ в виде отдельного препарата. Ведь его основная роль – способствовать созреванию красных кровяных телец – эритроцитов, а также участвовать в адекватной свертываемости крови.

Итак, многие витамины нужны для функционирования ферментативных систем, а другие – самостоятельные «акторы». Жирорастворимые витамины могут накапливаться в организме, а вот водорастворимыми «наесться» впрок не удастся. Многие витамины нам помогает синтезировать кишечная микрофлора. И это важный аргумент в пользу того, что очень важно придерживаться сбалансированного рациона, где преобладает растительная пища, цельные злаки и белковые продукты.