Просто о ферментах. Почему они так полезны?: читать начало книги онлайн

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.