Химия жизни |
Химия пищиВсе живое питается и с пищей получает вещества, необходимые для построения и возобновления тканей и клеток, снабжения их энергией. Энергия нужна организмам для осуществления множества химических процессов синтеза. Пищей зеленых растений (хотя и не всех) служат чисто неорганические вещества, которые всасываются корнями из почвы в виде раствора солей и усваиваются зеленой листвой из воздуха в виде углекислого газа. Некоторые растения — сапрофиты (в том числе грибы) — не способны включать углерод из углекислого газа воздуха в органические вещества своего тела. Они живут за счет органических веществ (остатков растений), попадающих в почву. Многие одноклеточные организмы (такие, как дрожжи) используют углерод уже готовых органических соединений, но азот и фосфор — элементы, необходимые для всякой жизни, — поглощают в виде неорганических солей. Высшие животные и человек не могут питаться только неорганическими материалами (не считая солей), а едят или растения, или животных, или и то и другое. Зеленые растения — это исходный пищевой материал для всего живого (кроме некоторых микроорганизмов). Растениями питаются травоядные животные. Хищные животные поедают других животных. Большинство людей питаются смешанной пищей, хотя есть большие группы людей (иногда целые народы), которые в силу естественных причин или традиций питаются только животной или только растительной пищей. Пища человека должна содержать следующие химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу, селен, фтор, хлор, иод, натрий, калий, кальций, магний, цинк, медь, хром, молибден, марганец, железо, кобальт. Элементы, которые не выделены курсивом, требуются человеку в ничтожных количествах — несколько миллиграммов или даже несколько десятых долей миллиграмма в сутки. Зеленые растения усваивают (впитывают корнями) все элементы в виде водного раствора их солей (для азота — в виде солей аммония) или солей соответствующих кислородных кислот — фосфорной, азотной, серной и т. д. Углерод растения усваивают в хлоропластах зеленых листьев в виде углекислого газа, поглощенного из воздуха. Человек также способен усваивать многие элементы в виде их солей или солей соответствующих кислородных кислот. Сюда относятся фосфорная кислота и соли, образуемые элементами в вышеприведенном списке — от фтора до кобальта. Углерод, азот, серу человек и животные должны получать только в виде определенных групп органических соединений. Эти соединения всегда содержат также кислород и водород, которые поступают в организм, кроме того, в виде воды. Кроме воды и минеральных солей человек и животные нуждаются в четырех основных группах веществ, входящих в пищу. Это углеводы, жиры, белки и витамины. Углеводы и жиры — главный источник пополнения энергией человеческого тела. Многие вещества, необходимые для образования тканей, строятся с участием переработанных в организме углеводов (главным образом сахара и крахмала) или жиров (животные или растительные масла, сало). Взрослый человек, выполняющий работу, не связанную со значительными физическими нагрузками, должен получить с пищей запас энергии (в пересчете на тепловую), равный 2500 — 3000 ккал, а занимающийся физическим трудом — около 4000 ккал. 1 кг безводного жира, например растительного масла, приносит 9000 ккал, 1 кг углеводов — крахмала или сахара (это главные углеводы нашей пищи) — 3770 ккал. Жиры и углеводы в пище в некоторой степени взаимозаменяемы и играют сходную роль. Белки или протеины (например, творог, белок яйца, клейковина пшеничной муки, мышцы рыбы, мяса) служат единственными органическими веществами пищи, которые доставляют человеку и животным необходимый азот. Ни в какой другой форме азот человеком не усваивается. Между тем он нужен и для синтеза белков собственного тела человека, и для построения азотсодержащих веществ, например : красного вещества крови — тема, нуклеиновых кислот (веществ, хранящих наследственность и программу синтеза белков в каждой клетке), многих гормонов, регулирующих разные стороны обмена веществ в организме. Очень малая часть из 2500— 4000 калорий, нужных человеку в сутки, покрывается за счет окисления белка. Главная часть белков расходуется на синтез белков нашего тела. Взрослому человеку нужно в сутки около 100 г белка. Часть съеденного белка, окисляясь, разрушается и превращается, подобно углеводам и жирам, в конечном счете в углекислый газ, выдыхаемый человеком. При окислении белков их азот превращается в мочевину и выводится из организма с мочой. Прежде чем перейти к последней и самой малой по весу части пищевого рациона человека — витаминам, нужно познакомиться с химией пищеварения. Это поможет глубже понять значение для организма качества белковой пищи. Разжеванная, смоченная слюной пища через глотку и пищевод попадает в желудок, где перемешивается с желудочным соком, содержащим соляную кислоту и фермент пепсин, ускоряющий переваривание белка, его гидролиз. Переваривание крахмала, содержащегося в картофеле и овощах, хлебе и кашах, также совершается в желудке. И оно сводится к гидролизу, т. е. к расщеплению с помощью воды громадных молекул полимера — крахмала на тысячи молекул мономеров — глюкозы (виноградного сахара). Глюкоза из тонких кишок проникает прямо в кровь. Она служит топливом, доносимым кровью до каждой клетки тела. В клетках путем сложного процесса окисления за счет кислорода, также переносимого кровью (красным гемоглобином крови), глюкоза выделяет энергию тепла и работы в нашем теле. Переваривание белка идет более сложно. Огромные молекулы белка с помощью соляной кислоты и пепсина разрываются, присоединяя воду, на осколки — полипептиды. Затем содержимое желудка переливается в примыкающую к желудку двенадцатиперстную кишку. Сюда же вливаются выделяемые поджелудочной железой ферменты — трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза и производимая печенью желчь. В отличие от желудка переваривание в двенадцатиперстной кишке происходит не в кислой, а в щелочной среде, но смысл его тот же — гидролиз. Полипептиды распадаются на аминокислоты. Из двенадцатиперстной кишки перевариваемая пища попадает в тонкие кишки, на ворсинках стенок которых происходит окончательное расщепление на аминокислоты (ферментом аминопептидазой и др.) всех еще не до конца переваренных осколков белковых молекул и всасывание аминокислот в кровь. Кровь доносит аминокислоты — основной строительный материал тела — до каждой клетки, а клетка синтезирует из этих аминокислот белки, нужные ей и всему организму (см. ст. «Химия жизни»). Желчь необходима для переваривания жиров. Жиры гидролизуются на глицерин и жирные кислоты. Глицерин растворим в воде, а жирные кислоты — нет. Желчь их эмульгирует — разбивает на мельчайшие капельки, образуя по внешнему виду подобную молоку жидкость. Ворсинки тонких кишок могут всасывать жирные кислоты только в виде таких капелек. Затем жирные кислоты и глицерин поступают в кровь и в клетках окисляются или подвергаются различным превращениям. Мы уже знаем, что громадные молекулы разных белков построены из 20 различных аминокислот (см. ст. «Химия жизни»). Некоторые белки в одной своей молекуле содержат тысячи таких аминокислотных кирпичей, другие — больше, третьи — меньше. Не все белки перевариваются человеком. Не перевариваются волосы, перья, сами пищеварительные ферменты: пепсин, трипсин, химотрипсин. Необычайно важно, что из 20 аминокислот человеческий организм не может сам синтезировать 8 так называемых незаменимых аминокислот, а организм ребенка даже 9. Зато, если пища содержит достаточно азота в виде других аминокислот или в виде даже просто соли аммония, организм человека (и животных) может сфабриковать остальные 9— 10 сортов, причем сырьем могут служить и промежуточные продукты превращения в теле углеводов и жиров. Поэтому важно не только суточное количество белковой пищи (т. е. 100 г белка, которые содержат 16 г азота), но и качество. Эти 100 г белковой пищи должны содержать в сумме около 30 г незаменимых аминокислот, притом строго определенное минимальное количество каждой из них. Очень важно, чтобы 11—12 г азота в виде остальных заменимых кислот или хотя бы одной из них имелись в пище (обычно мы ведь не едим солей аммония). В таблице 1 дан список аминокислот, составляющих белки нашей пищи, и количество каждой, необходимое для нормального питания. В отношении заменимых аминокислот эти числа имеют условный характер, так как они могут заменять друг друга. Белки содержатся в каждой клетке животного, растения и микроорганизма. Большое значение имеет не только вес белки, но и его состав, т. е. процентное содержание незаменимых аминокислот в белках разных пищевых продуктов. Больше всего потребность человека в незаменимых аминокислотах удовлетворяют белки молока и яиц, достаточно удовлетворительны белки мяса, из растительных белков хороши белки сои. Белки пшеничной муки бедны лизином. Зато в белке гороха лизина значительно больше. Превращения вещества
Наиболее дефицитны незаменимые аминокислоты: лизин, триптофан и метионин. Лизин и метионин получают на заводах и добавляют в корм животным, для которых недостаток незаменимых аминокислот так же вреден, как и для человека. В некоторых странах искусственно приготовленный лизин добавляют в хлеб. Если питаться только белым хлебом, то в сутки его надо съедать 2500 г, чтобы покрыть потребность человека в лизине; потребность во всех остальных аминокислотах и углеводах при этом будет перекрыта, и человек получит 8600 калорий вместо требуемых 3000. Если же добавить лизин (3—5 г — суточная норма человека), то можно будет ограничиться 1 кг хлеба в день без вреда для здоровья. Конечно, можно достигнуть, как говорят, сбалансированного питания, комбинируя в пище белковые продукты так, чтобы недостаток той или иной незаменимой кислоты в одном продукте покрывался избытком в другом. Например, есть хлеб с сыром или яйцом. Однообразная пища, например кукуруза, которая особенно бедна лизином, вызывает специфические тяжелые болезни. От этих болезней страдает население Южной Америки, они широко распространены в Африке и некоторых странах Южной Азии. Содержание белка в различных пищевых продуктах
Другая аминокислота, которой часто не хватает в продуктах питания, особенно в зерновых, — метионин. Метионин и цистеин — аминокислоты, которые содержат серу. Первая — незаменимая, вторая может быть заменена метионином. Белки нашего тела тоже содержат серу в виде этих двух аминокислот. Особенно много серы в волосах, ногтях, а у птиц — в перьях. Метионин необходим для нормальной работы печени, поэтому врачи назначают метионин как лекарство при болезнях печени. Довольно много метионина в белках обычной и цветной капусты, то самого-то белка в капусте всего около 2%. третьей дефицитной незаменимой аминокислоты — триптофана — много в твороге, яйцах, дрожжах.Последняя группа веществ пищи — витамины, витаминами дело обстоит так же, как с незаменимыми аминокислотами. Каждый из примерно 20 витаминов совершенно необходим для жизни человека. Для каждого витамина установлена минимально необходимая суточная норма. Если организм долго не получает необходимой порции, то это приводит к расстройству здоровья — так называемому авитаминозу, специфическому для каждого витамина. Наиболее известная болезнь для жителей Севера — цинга, вызываемая недостатком витамина С (аскорбиновой кислоты). Она развивается у людей, надолго лишенных свежих фруктов и овощей — главных источников витамина С.  Заливное и отварное мясо, зернистая икра, рис, макароны и жареный картофель получены искусственно. Как вы видите, синтетическая пища даже внешне мало отличается от естественной. Однако есть существенная разница между незаменимыми аминокислотами и витаминами. Аминокислоты необходимы для построения всех тканей нашего организма, и нужно их довольно много — десятки граммов. Витамины нужны для другой цели — они входят в состав некоторых ферментов. Ферменты — это катализаторы, т. е. вещества, ускоряющие и направляющие химические реакции, создаваемые самим организмом. Однако для некоторых ферментов необходимо получить в пище готовую часть их молекулы, которую организм сам не может синтезировать. Это и есть витамин. Витаминов нужно человеку в сутки мало, обычно несколько миллиграммов, иногда даже доли миллиграмма. Лишь витамина С нужно довольно много, до 100 мг, еще больше — холина, до 1 г (о роли каждого витамина см. ст. «Обмен веществ» в т. 7 ДЭ). В целом суточная потребность человека в разных составных частях пищи приведена в таблице 1 (стр. 503). Из солей человек вносит в пищу обычно лишь хлористый натрий — поваренную соль. Все остальные необходимые ему минеральные соли содержатся в достаточном количестве в растительной пище, и их приходится добавлять только в исключительных случаях. Так, отсутствие иода в почве некоторых горных местностей ведет к тому, что и растения лишены этого элемента. В таких районах человек болеет зобом. А там, где вода не содержит достаточно солей — фторидов, люди страдают кариесом зубов. Кроме необходимых составных частей пища содержит еще вкусовые и пахучие вещества, либо свойственные пище, либо возникающие при ее приготовлении (печении, жаренье, варке). Соль, чеснок, лук, горчицу, перец и другие пряности специально добавляют в пищу для придания ей особого запаха или вкуса. Интересно, что главные пищевые вещества — белок, крахмал и жиры — в совершенно очищенном виде безвкусны и лишены запаха. При нагревании же белков с углеводами совершаются химические превращения и появляются «печеные» и «жареные» запахи, которые можно искусственно воспроизвести, нагревая ту или иную аминокислоту с тем или другим сахаром (углеводом). В результате такой обработки цистина получается запах жареного мяса. Вся смесь, нагреваемая для этой цели, такая: аминокислоты — цистин, глицин, глутами-новая кислота; углеводы — глюкоза, ксилоза и вода. Нагревание смеси аминокислот: цистина, ала-нина, глутаминовой кислоты, глицина — и углеводов : глюкозы, арабинозы — с водой и окисью три-метиламина дает запах жареной рыбы. Можно легко воспроизвести запах хлеба, какао. Наши органы вкуса различают лишь четыре вкуса — сладкий, кислый, соленый, горький и их комбинации. Такие приправы, как лук, хрен, горчица, перец, добавляют чисто осязательное ощущение, «остроту», «шипучесть». Вся остальная аппетитность пищи обусловлена запахами летучих вещэств, образующихся при химических взаимодействиях (при печении или жаренье), или содержанием в пище душистых веществ, например плодов, ягод. В настоящее время запахи, которые всегда обусловлены смесью летучих, пахучих веществ, можно проанализировать и затем воссоздать. Анализируют вещества запахов с помощью приборов — газожидкостных хроматографов. Смесь пахучих веществ пищи, например сыра, в струе газа проходит через длинный столб нагретого пористого материала, смоченного нелетучей жидкостью, которая в разной степени поглощает и удерживает разные вещества запаха и таким образом делит их. Сравнивая время удерживания какого-либо из веществ запаха с временем удерживания заведомых образцов веществ, можно установить природу каждого из веществ запаха и судить о его количестве. Смешав все (или только главные) из веществ, обусловливающих запах, воспроизводят и запах данного сорта пищи или напитка. Есть интенсификаторы вкуса. Самые известные — натриевая соль глутаминовой кислоты (аминокислота, о которой уже было рассказано) и две из нуклеиновых кислот — инозиновая и гуаниловая, которые можно выделить, например, из дрожжей. Добавленные в небольших количествах в пищу, они усиливают и улучшают ее вкус. Так, слабый раствор смеси инозиновой кислоты и натриевой соли глутаминовой кислоты имеет вкус крепкого бульона. Действительно, при варке супа или бульона эти вещества переходят в суп и бульон и обусловливают их аппетитный вкус. В Японии широко пользуются добавкой в пищу натриевой соли глутаминовой кислоты. Склянки с этим порошком ставят на столах, и каждый добавляет его в суп по вкусу. Найдены и другие интенсификаторы вкуса. Возникает вопрос: можно ли приготовлять пищевые продукты не сельскохозяйственным, а заводским путем? Вот как отвечал на этот вопрос Д. И. Менделеев в начале нашего столетия (в то время многое из сказанного в этой статье было еще неизвестно): «Как химик, я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания элементов воздуха, воды и земли помимо обычной культуры, т. е. на особых фабриках и заводах, но надобность в этом еще очень далека от современности, потому что пустой земли еще везде много... и я полагаю, что при крайней тесноте народонаселения раньше, чем прибегать к искусственному получению питательных веществ на фабриках и заводах, люди сумеют воспользоваться громадной массой морской воды для получения массы питательных веществ, и первые заводы устроят для этой цели в виде культуры низших организмов, подобных дрожжевым, пользуясь водою, воздухом, ископаемыми и солнечной теплотой». Как мы сегодня ответим на тот же вопрос? Известно, что из веществ, перечисленных в таблице 1 (стр. 503), можно составить питательную смесь. Такой смесью можно кормить человека достаточно долго без вреда для здоровья. Эту смесь не нужно переваривать в желудке и кишках, так как она состоит из тех веществ, в которые пища превращается уже в результате переваривания. Такую смесь можно есть, и она без переваривания будет всасываться в тонких кишках и переходить в кровь. Ее можно и прямо вводить в кровь, вливая в вену: так больным вводят раствор глюкозы. Понятно, какое значение это имеет для тех больных, которые вследствие тяжелой болезни или ранения не могут питаться обычным образом, через желудочно-кишечный тракт. Есть и такие наследственные болезни, при которых в пище должна отсутствовать та или иная ее составная часть (например, аминокислота фенилала-нин). У некоторых детей от рождения в организме отсутствует фермент, способный окислять аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту — тирозин. Мозг ребенка развивается неправильно. Но вот из пищи устраняют фенилаланин, и ребенок развивается нормально. Такую диету можно составить только искусственно из смеси всех остальных необходимых для питания веществ. А как со здоровыми? Очевидно, что здоровый человек требовательнее к вкусу и аппетитности пищи. Между тем, как мы уже рассказали, вкус любой пищи можно воспроизвести и даже сделать его с помощью интенсификаторов более аппетитным, чем у привычных нам блюд. Приходится позаботиться и о форме, консистенции пищи. Все это также можно сделать. В США в продаже имеются вегетарианские, т. е. безубойные, ветчина, курятина, мясо, по вкусу и консистенции очень напоминающие настоящие. Волоконца, подобные волоконцам мяса, склеенные в цельный кусок, готовят из белков бобов сои. По аминокислотному составу эти белки очень близки к животным белкам. Их растворяют и превращают в нити и волоконца подобно тому, как это делают с синтетическим волокном, только волоконца получают короткие, их склеивают. Из сои получают также искусственные молоко, простоквашу и другие молочные продукты. Однако белки сои и так полноценны, а получают сою, возделывая поля, т. е. обычным сельскохозяйственным путем. А можно ли пищу получать на заводах? Самой дорогой по стоимости и самой недостающей частью питания является ее белковая часть. Специалисты считают, что около половины населения земли недополучает необходимое количество белков. В результате недоедания и голода возникают болезни (особенно в странах Южной Америки, Африки, Азии). Есть два пути пополнения мировых запасов белка кроме сельскохозяйственного. Первый — чисто химический: можно химически получить все необходимые аминокислоты и на их основе готовить пищу, похожую на привычную, добавляя вкусовые вещества и запахи и придавая ту или другую форму — волоконцев (как в мясе и рыбе), студня, крупы, макарон, сплошной массы — мягкой или более жесткой, как это бывает в паштетах или в сыре. Аминокислоты можно получать и не чисто химическим путем, а с помощью микроорганизмов, синтезирующих большие количества той или другой аминокислоты. Так, например, на заводах получают аминокислоты — лизин и глутаминовую кислоту, избыток которых из микроорганизмов попадает в раствор, в котором они живут. Но ведь все микроорганизмы содержат в своих клетках белки и в них весь набор аминокислот. Таковы, например, разные виды дрожжей. Это и будет второй путь увеличения белковых ресурсов на Земле. Можно разрушить клетки этих микроорганизмов, выделить белок и использовать его для приготовления пищи или, прогидролизовав его, превратить в сумму аминокислот и использовать их для получения пищи, добавив, конечно, вкусовые вещества и отдушку. Дрожжи растут на сахаристых отходах сельского хозяйства и, как это установлено недавно, на углеводородах нефти, если добавить необходимые соли — аммония, фосфорной кислоты и др. (см. ст. «Органические вещества вокруг нас»). Выращивая дрожжи на углеводородах нефти, можно из одной тонны нефти получить полтонны белка. Белок дрожжей гораздо ближе по аминокислотному составу к белкам мяса и молока, чем белок многих растений. Из такого дрожжевого белка в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР получена искусственная черная икра и мясо (жареное). На вкус их не отличишь от обыкновенных. Конечно, те же и всякие другие белковые продукты можно сделать и из смеси аминокислот, полученных чисто химическим путем. В чем выгоды такого получения белковой пищи? Дрожжевой белок будет дешевле, чем животный белок. Азот и фосфорная кислота, добавляемые в виде солей, используются дрожжами несравненно полнее, чем растения используют вносимые в почву удобрения. В самом деле, в сельском хозяйстве значительная часть удобрений пропадает зря: вымывается дождями, не доходит до корней; не все растение, скажем пшеница или кукуруза, идет в пищу. Многие части растения — корни, солома, шелуха, кочерыжки — пропадают; азот, фосфор, калий идут на все части растения, а не только на зерно. Если растение идет на корм животному, то из белка корма только 20—30% после убоя животного оказывается в виде мяса. Остальной белок служит животным для поддержания собственной жизни. На производство белка полусинтетическим путем тратится нефть. Чтобы досыта накормить всех только дрожжевым белком, нужно гораздо меньше нефти, чем для одного лишь автотранспорта, но все же запасы нефти не могут быть неистощимы, хотя геологи открывают все новые месторождения. Возникает общий вопрос: сумеем ли мы заменить нефть, если запасы ее истощатся? Когда мы овладеем реакцией термоядерного синтеза, т. е. сможем регулировать выделение той колоссальной энергии, которая мгновенно выделяется, например, при взрыве водородной бомбы, то нам будет доступно использование неограниченных количеств энергии. Нефть и - уголь перестанут быть поставщиками энергии. Они будут поставщиками только углерода для химической промышленности. Их с избытком хватит и для пищи. Есть, однако, еще одна возможность, не связанная ни с нефтью, ни с ядерной энергией. Можно выращивать зеленые микроорганизмы — одноклеточные водоросли, которые, как и зеленые высшие растения, используют углерод углекислого газа, превращая последний в органические вещества с выделением кислорода за счет солнечной энергии. Дело в том, что микроорганизмы, как дрожжи, так и водоросли (типа хлореллы), растут несравненно быстрее, чем высшие многоклеточные организмы — растения или животные. А белок водорослей можно перерабатывать во вкусную пищу так, как это уже начинают делать с белком дрожжей, добавляя недостающие аминокислоты, недостающие витамины и вкусовые вещества. Водоросли, так же как и зеленые растения суши, получают необходимый им углерод из углекислого газа, на этот раз растворенного в воде. Поглощая световую энергию солнца, водоросли, как и зеленые листья других растений, углерод углекислого газа соединяют с водой в углеводы (отсюда и название — углеводы), а кислород выбрасывают в атмосферу. Мысль об обеспечении человечества изобилием продуктов питания давно занимала многих химиков. В экспериментальных работах по синтезу пищевых продуктов надо использовать все открытия, чтобы выяснить, какие лучше и экономичнее. Нужно, конечно, улучшать и всячески интенсифицировать земледелие. По статистическим данным, население земного шара к 2000 г. удвоится и превысит шесть миллиардов человек. Пищи потребуется гораздо больше, а ее и сейчас на земном шаре не хватает, особенно белка. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |