Хто не любить хрумку хлібну скоринку чи рум’яно запечене м’ясо? Ми обожнюємо смажити їжу, але часто й не підозрюємо, що такі самі процеси відбуваються і в наших організмах. Як діабетичне харчування допомогло створити автозасмагу? Чому цукор — один із винуватців старіння шкіри? Як ціла низка захворювань може ускладнюватись кінцевими продуктами приєднання вуглеводів до білків?
Кава, сирники та пиво
Я завжди засмажую сирники до темної скоринки — так смачніше. Звідки вона з’являється? Поки ми чекаємо на сніданок, у сковорідці відбуваються десятки хімічних реакцій, які зрештою призводять до глікації білків — і ситого шлунку.
Одна з найважливіших реакцій для кулінарії — це реакція Маяра. Французький хімік та фізик Луї Маяр у 1912 році помітив, що внаслідок нагрівання глюкози та амінокислоти гліцину утворюється темний пігмент — меланоїдин. Значно пізніше, у 1953 році, американський хімік Джон Годж описав перебіг цієї реакції, й виявилося, що вона там зовсім не одна1. І відбувається не лише між гліцином та глюкозою.
Ця реакція можлива для більшості продуктів, які містять цукор та білки й піддаются термічній обробці без води (в кулінарії оптимальною вважається температура 140–165 градусів, проте ця реакція може відбуватися й за значно нижчих температур). Тобто сирники, підсмажені тости, смажені м’ясо та риба, яйця, кава, шоколад, пиво — всі ці продукти отримують свій неповторний смак завдяки реакції Маяра12.
Хімія на сковорідці
Реакція Маяра — приклад неферментативного глікозилювання (глікації) білків. Звучить досить складно, але якщо придивитися ближче, то не все так страшно. Слово «неферментативне» означає, що реакція відбувається без участі ферментів. Таку реакцію може запускати, наприклад, висока температура. А «глікозилювання» — це приєднання цукру до макромолекул. Тобто це приєднання вуглеводів до амінокислот і білків2. У процесі цієї реакції спонтанно утворюються різні продукти реакцій, які надають їжі смаку. (Рис. 1)
Рисунок 1. Реакція Маяра
Амінокислоти — це органічні сполуки, що містять аміногрупу (NH2)3. Ця аміногрупа внаслідок дії високих температур може спонтанно вступати в реакцію з карбонільною групою (О=С-) глюкози, фруктози, галактози або інших цукрів. Як наслідок, відщеплюється два гідрогени й оксиген з карбонільної групи (впізнали H2O?). Інший продукт реакції — це глюкоза та амінокислота, тобто глюкозамін4. (Рис. 2)
Рисунок 2. Перший етап реакції Маяра (R — скорочений запис амінокислоти).
Глюкозамін — дуже нестабільний продукт, тому він одразу прагне перегрупуватись, щоб бути більш стійкою сполукою. Наче людина, яка не вміє кататись на роликах і постійно падає: щоб вберегти себе, вона знімає ролики й несе їх у руках. Компоненти системи не змінились: та сама людина і ролики, але система вже набагато стабільніша — ніхто не падає і впевнено стоїть на ногах. Те саме й тут — атоми в такій молекулі міняються місцями, щоб сполука була стабільною5,6.
Далі такі продукти залежно від типу цукру й амінокислоти, а також від зовнішніх умов (температури, часу реакції, pH, кількості води)7 можуть утворювати цілий спектр різних сполук: ацетилсаліцилову кислоту (аспірин), пірувальдегід, численні продукти розщеплення. Також продукти реакцій можуть поєднуватись (полімеризуватись) і утворювати різноманітні полімери, зокрема меланоїдини, як і є тією самою чорною душею смаколиків8.
Чорна душа смаколиків і сестра реакції Маяра
Меланоїдини надають скоринкам смаженої їжі апетитний коричневий відтінок. Меланоїдини (термін походить від грецького слова melános зі значенням «чорний») попри свою назву, мають червоно-коричневий або темно-коричневий колір, а чорний нагар утворюється лише якщо температура була надто високою або смажили надто довго і все згоріло дотла (залишився тільки карбон18). За хімічною структурою меланоїдини — це широкий клас полімерів різноманітної будови з молекулярною масою від 5 до 40 (вони досить великі). Механізм їх утворення складний і до кінця не вивчений — надто багато проміжних продуктів, які взаємодіють між собою і з вихідними речовинами9. Утім відомо, що утворення меланоїдинів супроводжується появою безлічі ароматичних речовин: фурфуролу, оксиметилфурфуролу, ацетальдегіду, формальдегіду, ізовалеріанового альдегіду, метилгліоксалю, діацетилу та інших10. Саме вони надають незабутній апетитний аромат свіжим хлібу, плову, шашлику.
Ми споживаємо близько 10,7 грама11 (залежно від харчових уподобань та місцевості) меланоїдинів щодня у каві, какао, пиві, квасі, десертному вині, шоколаді, хлібі, смажених м’ясі та рибі й численних харчові добавки.
Не варто плутати реакцію Маяра з іншим важливим кулінарним процесом — реакцією карамелізації. Обидві вони надають продуктам приємний колір та смак. Головна відмінність у тому, що перша — взаємодія цукру й амінокислот, а друга — плавлення цукрів з утворенням їхніх . Карамелізація також вимагає вищої температури, але на гарячій сковорідці ці два процеси відбуваються пліч-о-пліч13,14.
Прикладом карамелізації можуть бути півники на паличці, які готувала бабуся, карамелізація цибулі та фруктів. Зараз важко уявити світ без цих обожнюваних нами продуктів карамелізації та реакції Маяра, але ще важче уявити, що подібні реакції трапляються й за межами кухні.
Як діти допомогли винайти автозасмагу
Неочікуване застосування реакції Маяра знайшлося в індустрії краси. У крем для автозасмаги додають хімічну речовину дигідроксиацетон. Це простий трикарбоновий цукор, відкритий ще в 1920-х роках. Його розглядали як можливий замінник цукру в діабетичному харчуванні. Проте солодкий замінник зафарбовував ясна в оранжевий колір. Цей побічний ефект зробив сполуку непридатною для використання в харчовій індустрії, й вона залишилась цікавою лише для вузьких наукових досліджень.
Про неї заговорили лише через 30 років завдяки докторці медичних наук та лікарці дитячої лікарні Єві Вітґенштейн. Разом з командою вона вивчала вплив дигідроксиацетону на перебіг хвороби накопичення глікогену в дітей та помітила, що в місцях, де карапузи відригнули сироп на шкіру, шкіра темніла. Після тривалих досліджень команда підтвердила, що активний інгредієнт дигідроксиацетон реагує з аміногрупами білків верхнього шару шкіри, провокуючи ту саму реакцію Маяра!
Продукт комерціалізували, і в 1959 році світ побачив перші креми для автозасмаги. Звісно, деяку небезпеку в користуванні виявили пізніше — автозасмага, на відміну від природної, належно не захищає від ультрафіолету, але в сучасних кремах для засмаги концентрація дигідроксиацетону нижча, тому засмага безпечніша15,16,17. Тобто реакція Маяра підрум’янить не лише тости, а й шкіру.
Ще два хрестоматійні приклади цієї реакції, якими біохіміки прикрашають нудні формули і терміни — це невидимі чорнила з молока, які проявляються при нагріванні. А ще відбиток обличчя та тіла на Туринській плащаниці, одним із пояснень якого є взаємодія цукрів з полотна і білків шкіри19,20.
Молекулярне змішування фарб
Коли злишся, здається, що всередині все палає. Але це метафоричний вогонь, тому реакція Маяра не може відбуватись в організмі. Чи може?
Насправді температури нашого тіла достатньо, щоб запустити таку реакцію. Лише відбувається вона дуже повільно, і організм може досить ефективно боротися з її негативними наслідками. Але звідки вона там?
Ми знаємо, що вуглеводи — необхідний елемент ситного сніданку. Але вуглеводи потрібні нам не лише для того, щоб отримувати енергію. Це повноцінні цеглинки нашого організму. Реакції приєднання вуглеводів до білків відбуваються в нашому тілі постійно. Це реакції глікозилювання. Вони відбуваються під пильним наглядом ферментів, для цього витрачається енергія. Така модифікація білків потрібна для створення нових видів біомолекул з ширшим спектром функцій21. Уявіть, що вам потрібно намалювати веселку, але у вас залишилися фарби лише червоного, жовтого та синього кольорів. Якщо ви змішаєте червоний з жовтим — отримаєте помаранчевий, а якщо поєднаєте синій та жовтий — зелений. І з новими кольорами картина вийде набагато красивішою.
Така логіка і в організму: якщо комбінувати різні молекули, можна отримати більше їх різноманіття, а отже — виконати більш специфічні завдання і працювати ефективніше. В організмі також можуть відбуватись процеси глікації. Тут так само вуглеводи приєднуються до білків, але без участі ферментів, тобто спонтанно і неконтрольовано. Як наслідок таких взаємодій білки та амінокислоти спотворюються, не можуть ефективно виконувати свої функції, і якщо організм не зміг вчасно їх знищити — утворюють кінцеві продукти глікації, які складно вивести з організму2.
Головні правопорушники
З моменту відкриття реакції Маяра ніхто і не здогадувався, що такі процеси можуть відбуватись в організмі. Проте у 1968 році іранський дослідник Самуель Рахбар виявив модифікований гемоглобін, особливо помітний у зразках крові людей, хворих на діабет. Це відкриття стало доказом того, що реакція Маяра дійсно відбувається в живих організмах та пов’язана з діабетом22.
Пізніше виявилось, що це був глікований гемоглобін, рівень якого зараз можна визначити у будь-якій лабораторії. Глікований гемоглобін виникає внаслідок приєднання глюкози (рівень якої значно підвищений у крові хворих на діабет) до білка крові гемоглобіну. В нормі таке може відбуватись у незначних кількостях, проте в умовах високої концентрації глюкози процеси глікації проходять значно активніше, і ступінь глікації пропорційний до концентрації глюкози. При постійній гіперглікемії модифікуватися може до 20% всього гемоглобіну! А оскільки така глікація незворотна, а термін існування глікованого гемоглобіну обмежується терміном життя еритроцита (80-120 діб), можна побачити ефективність лікування або дієти, якщо через три-чотири місяці цей показник виявиться в нормі23.
Детальніші дослідження показали, що від реакції Маяра страждає не лише гемоглобін, а винуватцем може бути не лише глюкоза. Найчастіше в реакцію глікації вступають такі вуглеводи, як глюкоза, фруктоза, арабіноза, галактоза, маноза, через те, що їх досить багато в нашому організмі. Крім того, змінювати нормальну структуру білків можуть і альдегіди й кетони (через наявність таких самих реакційно активних структур, як у вуглеводах), які виробляються в організмі або потрапляють із забрудненого довкілля (наприклад, акролеїн, ацетон, формальдегід) або з харчових продуктів (метилгліоксаль виділяють дріжджі при бродінні вина та лактобактерії при виготовленні кисломолочних продуктів)2.
Старіння, діабет, хвороба Альцгеймера
Глікація — незворотний процес, тому найбільшої шкоди він завдає довгоживучим білкам. ЇЇ визнають однією з причин старіння шкіри. Глікація колагену призводить до порушення його структури та виконання функцій, а кінцеві продукти цього процесу накопичуються в дермі, від чого шкіра втрачає еластичність.
Різні діабетичні ускладнення — катаракта, судинні захворювання, нефропатія (дисфункція нирок) — також погіршуються кінцевими продуктами глікації. Так, надходження глюкози в кришталик ока не залежить від інсуліну, тому при діабеті глюкоза безперешкодно потрапляє в органи зору, білки пошкоджуються приєднаними вуглеводами, накопичуються кінцеві продукти глікації, і в купі з іншими порушеннями метаболізму відбувається помутніння кришталика. Те саме і з пошкодженням судин — накопичення кінцевих продуктів глікації робить значний внесок у втрату еластичності судин22.
Нейродегенеративні захворювання, як от хвороба Альцгеймера та хвороба Паркінсона, напряму не пов’язані з глікацією, але накопичення кінцевих продуктів погіршує перебіг цих захворювань. В накопиченнях неправильно згорнутих скупчень тау-білків та бета-амілоїдів (головних винуватців хвороби Альцгеймера) було знайдено й кінцеві продукти глікації24. Крім того, глікація, ймовірно, сприяє дисфункції м’язів та розвитку ракових захворювань, впливаючи на мутагенез та активацію запальних процесів22.
Без паніки
Накопичення продуктів глікації з їжі, середовища та спонтанних реакцій в організмі, звісно, лякає, але викидати улюблені сирники й бігти здавати глікований гемоглобін у нападі паніки ще рано. Ці процеси з’явилися не вчора, тому еволюція встигла подбати про ефективні методи боротьби з такою неприємністю.
Найбільш вивченим є механізм дії системи гліоксалази, яка складається з двох ферментів, що швидко знаходять і розрізають агенти глікації, до того як вони встигнуть пошкодити білки. А якщо запобігти цьому не вдалось — убіквітин-протеасомна система розщеплює вже пошкоджені білки, не дозволяючи їм накопичуватись. Крім того, ще низка інших систем працює на очищення й підтримку клітин.
А в таких складних випадках, як діабет, коли організму важко самому впоратись, на допомогу приходять медичні препарати, які дозволяють частково інгібувати глікацію та усувати її наслідки (серед них — аміногуанідин, піридоксамін, карнозин і бенфотіамін)2,22.
Тому якщо дотримуватися здорового способу життя і правильного раціону, більшості з нас реакція Маяра приносить лише задоволення від підсмажених сирників, запашної кави й цікавинки з Куншту, яку можна розповісти друзям.
