Меланоидины что это такое

Меланоидины что это такое

Архив статей > Химия > Темное царство меланоидинов

Темное царство меланоидинов

Кандидат химических наук С. Б. Давидянц
Химия и Жизнь №3, 1980 г., с. 44-48

Люди много веков жарили на костре мясо, пекли хлеб и сушили на солнце фрукты. И не догадывались даже, что во всех этих и многих других случаях они наблюдают образование меланоидинов, продуктов реакции между белками и углеводами. Тех самых меланоидинов, которые придают многим пищевым продуктам такую привычную коричневую окраску.

Несколько лет спустя русские ученые С. П. Костычев и В. А. Бриллиант, экспериментируя с дрожжевыми культурами, показали, что меланоидины, полученные синтетическим путем и выделенные из природных объектов, практически идентичны. Этими веществами стали усиленно заниматься, принимая во внимание их роль во многих природных процессах; в научной литературе появились такие термины, как «неферментативное покоричневение», «сахароаминная реакция», «меланоидинообразование» и пр. Более шестидесяти лет идет работа, накопилось много фактов, но химическое строение меланоидинов до сих пор окончательно не доказано. Орешек оказался не на шутку прочным, хотя скорлупа и покрылась многочисленными трещинами…

Но обо всем по порядку.

КОРКА ХЛЕБА, ТОРФ И РОДИНКИ

Помимо меланоидинов и гуминовых кислот есть еще обширная группа азотсодержащих поликонденсатов,- меланины растений, животных и человека.

Именно эти вещества вырабатываются в нашей коже, когда мы загораем на солнце. Они же служат пигментами микроорганизмов и цветов, волос и родинок. Меланины, в отличие от меланоидинов, образуются в ходе ферментативных процессов. Тем не менее в последнее время появляется все больше доказательств тому, что оба эти класса веществ вместе с гуминовыми кислотами весьма близки между собой, и поэтому их можно объединить в одну большую группу природных соединений, важное звено в круговороте углерода и азота в природе.

Теперь, познакомившись и с ближайшими родственниками, перейдем к самим меланоидинам.

НЕ СЛИШКОМ ЛИ МНОГО ДЛЯ ОДНОЙ РЕАКЦИИ?

Стандартный меланоидин, основной объект химического исследования, получают на редкость просто; реакция, надо полагать, доступна даже для школьного химического кабинета. Смесь из четырех частей глюкозы, одной части аминоуксусной кислоты (глицина) и пяти частей воды нагревают до кипения в течение двух-трех часов и один час держат при 140°С, а затем продукт реакции промывают водой, спиртом и высушивают. Вот и все.

Однако в литературе можно встретить упоминание об огромном числе меланоидинов, для синтеза которых использованы и амины, и аминокислоты, и пептиды, и белки, а также сахара различного строения. Сахароаминная реакция оказалась вполне управляемой: для нее известны катализаторы и ингибиторы, а максимальный выход достигается, когда сахара взято вчетверо больше, чем азотного компонента. Отработаны до мелочей и выделение меланоидинов, и их очистка (в основном хромато-графическими методами, включая гель-фильтрацию и электрофорез). Изучена их структура: она в основном аморфная, однако в молекулах есть и участки с кристаллическим строением; в этом смысле меланоидины близки к целлюлозе, только степень кристалличности у них меньше, и рентгеновскими методами ее не обнаружить.

Стандартный меланоидин содержит гидроксильные, карбонильные и карбоксильные группировки, кратные, и эфирные связи, а молекулярная масса колеблется между двумя и тридцатью тысячами. Многие исследователи, изучавшие реакцию Майара на различных примерах, выделили производные фурана, пиррола, пиридина, пиразина, карболина, других гетероциклических соединений. Не слишком ли много для одной реакции?

Первоначально выбор пал на фурановое кольцо, образующееся из углеводного компонента. Однако затем исследователи переориентировались на пиразиновое кольцо, и публикации начала семидесятых годов свидетельствуют о том, что чаша весов склоняется в сторону пиразиновой структуры. Однако не обходится и без противоречий: во-первых, ни пиразин, ни его ближайшие гомологи не имеют сколь-либо заметной окраски и, во-вторых, пиразиновое кольцо устойчиво к действию окислителей, чего не скажешь о меланоидинах. В общем, поиск продолжался.

Схема образования меланоидинов (и попутно карамелей) показана на рисунке. Заметим, что она состоит по меньшей мере из четырех стадий, причем на каждой могут образоваться побочные продукты сахароаминной реакции. Чередующиеся кратные связи хиноидной системы стабилизируются, принимая ароматический характер гетероциклических соединений. Что касается безазотистых конденсатов, то есть карамелей, близких к меланоидинам по внешнему виду и многим свойствам, то они образуются из производных глюкозы (и других восстанавливающих сахаров).

Принято считать, что в растительном и животном мире господствуют три поликонденсата: белки, полисахариды и лигнин. Нам кажется справедливым добавить к этим трем высокомолекулярным китам, на которых покоится жизнь, и четвертого. Как догадывается читатель, речь идет именно о продуктах сахароаминной реакции.

Конечно, синтетические меланоидины из-за своей молодости пока не нашли практического применения, однако их доступность и невысокая стоимость исходных веществ дают основание предполагать, что за использованием дело не станет.

Так нужны ли человеку меланоидины? Определенного ответа пока нет. Тем не менее мы постоянно поглощаем эти коричневые вещества, не ведая о том, балластные ли они, или малополезные, или же, напротив, весьма полезные. Во всяком случае разговор о лекарственном применении меланоидинов станет конкретным лишь после того, как будут найдены гарантии их безвредности. Сегодня таких гарантий нет, и поэтому сведения о возможном использовании меланоидинов, скажем, в бальнеологии или в кардиологии будем считать сугубо предварительными.

Как бы то ни было, меланоидины имеют прямое отношение к каждому из нас. И чем меньше загадок будет с этими темными веществами, тем лучше для всех.

ЧТО ЧИТАТЬ О МЕЛАНОИДИНАХ

1. Б. Э. Дамберг. Реакция меланоидинообразования и ее биологическое значение. «Известия АН Латвийской ССР», 1976, т. 1, с. 97.

2. А. Р. Сапронов, Р. А. Колчева. Красящие вещества и их влияние на качество сахара. М., «Пищевая промышленность», 1975.

3. Р. А. Венер. Состав и свойства меланоидинов. «Химия твердого топлива», 1967, т. 6, с. 58.

4. В. Л. Кретович, Р. Р. Токарева. Взаимодействие аминокислот и Сахаров при повышенных температурах. «Биохимия», 1948, т. 13, с. 508.

5. О. P. Ellis. The Maillard Reaction. «Advances in Carbonhydrate Chemistry», New York, Acad. Press Inc, 1959, v. 14, p. 63-134.

Источник

Вездесущая реакция Майара

Ольга Владимировна Космачевская,
кандидат биологических наук, Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН
«Химия и жизнь» №2, 2012

Все сознают, что нормальная и полезная еда — есть еда с аппетитом,
еда с испытываемым наслаждением; всякая другая еда, еда по приказу,
по расчету, признается уже в большей или меньшей степени злом.
И. П. Павлов

Химия богата именными реакциями, их более тысячи. Но большинство из них мало о чем скажут человеку, далекому от химии, они для тех, кто понимает. Однако в этом богатом перечне есть одна реакция, с которой все мы сталкиваемся каждый день — всякий раз, когда подходим к плите, чтобы приготовить что-нибудь вкусненькое, или пьем утренний кофе с бутербродом, или пиво вечером с друзьями. Речь идет о реакции Майара, которой в этом году исполняется сто лет. Во Франции в Нанси даже планируют провести юбилейный международный симпозиум, посвященный этой реакции.

За что такие почести? Чем она так примечательна? Да тем, что вездесуща и хорошо знакома каждому. Образование гумуса почв, угля, торфа, сапропеля, лечебных грязей происходит благодаря этой реакции. Но говорить мы будем о куда более привычных и привлекательных вещах — о незабываемом аромате свежезаваренного кофе, испеченного хлеба и жареного мяса, о золотистой поджаристой корочке на буханке и отбивной, об изумительном вкусе этих продуктов. Потому что все перечисленное — это результат реакции Майара.

Первая отбивная и революция

Сложно представить жизнь современного человека без кулинарии, а кулинарию без жарки, варки и выпечки, хотя все прочие живые существа обходятся без термической обработки пищи. Есть данные, что уже синантропы (Homo erectus pekinensis) использовали огонь, а современный Homo sapiens готовил на огне, что называется, с рождения. Так что любовь к жареному и вареному сформировалась очень давно. Но что заставило первобытного человека сунуть пищу в огонь, а потом съесть ее? И почему потом все начали есть обработанную пищу?

Вряд ли мы узнаем, когда и как это произошло. Видимо, по каким-то причинам сырое мясо попало в костер, зажарилось, а наши предки просто не смогли удержаться, чтобы не положить ароматные кусочки в рот. Понятно, что жареный кусочек по вкусу превзошел сырой даже без соли, кетчупа и приправ. Впрочем, понятно это только небиологам. В соответствии с теорией эволюции вкусно должно быть то, что полезно, что содержит ценные компоненты (избыток сладкого вреден, однако нашим предкам этот избыток не грозил). Почему вкусным кажется жареное — это нетривиальный вопрос. Может быть, как раз потому, что приготовленное легче усваивается и вкусовые рецепторы это чувствуют. И вскоре приготовленную пищу стали считать сакральной, «освященной огнем», ведь во время жертвоприношения, когда на огне сжигали потенциальную еду, ее часть в виде дыма возносилась в дар богам.

Интересно, что, если б нынешние человекообразные обезьяны умели жарить и парить, они непременно бы этим занимались. Антропологи Ричард Ранэм из Гарварда и Виктория Уоббер из Института эволюционной антропологии Макса Планка установили, что шимпанзе, бонобо, гориллы и орангутаны предпочитают приготовленную пищу сырой, будь то мясо, морковь или бататы. В чем тут дело — в мягкости готового продукта, его лучшей перевариваемости или его лучшем вкусе — непонятно. Хотя, как мы знаем, домашние животные тоже с удовольствием употребляют «человеческую» еду.

Так или иначе, огонь, сковородки, вертела и кастрюли стали главными инструментами поваров и хозяек, а вкусная теплая еда — одним из самых доступных удовольствий. Как писал Джером К. Джером, «чистая совесть дает ощущение удовлетворенности и счастья, но полный желудок позволяет достичь той же цели с большей легкостью и меньшими затратами».

Однако такой способ приготовления пищи породил куда более значимые, глобальные последствия. Существует любопытная теория, согласно которой термическая обработка пищи повлекла за собой антропогенетическую революцию и послужила отправным пунктом в культурном становлении человека. Наши предки были всеядными животными. Это давало несомненное эволюционное преимущество, поскольку разнообразие потребляемых продуктов было велико, но имело и минусы: сырая грубая пища усваивалась плохо, поэтому приходилось много есть, тратить много времени на добывание пищи. Специалисты подсчитали, что шимпанзе расходует на потребление пищи несколько часов в сутки, а современный человек — немногим более часа (долгие сидения в ресторанах и барах не в счет, здесь основное время уходит на общение). Получается, что термическая обработка пищи, резко повысив КПД переваривания, сократила потребность в ресурсах и подарила нашим предкам свободное время и энергию, которые могли быть затрачены на размышления, познание мира, творчество, создание орудий труда. Иными словами, приготовление пищи дало Homo sapiens возможность стать действительно разумным существом.

О том, как сахара, жиры и белки встречаются на сковородке

Стоит только представить хрустящую золотистую корочку на хорошо прожаренном мясе или буханке свежего хлеба, как начинают течь слюнки. Почему жареная еда такая вкусная и привлекательная на вид?

В молекулах природных жиров, триглицеридов (сложные эфиры глицерина и одноосновных жирных кислот) также обязательно присутствуют карбонильные группы.

Уязвимы они потому, что перечисленные группы даже в составе белковой молекулы легко вступают в реакцию с карбонильной группой углеводов, альдегидов и липидов. (У других аминокислот аминогруппа вступает в реакцию, только если эта аминокислота свободная или концевая в полипептидной цепи.) Нужна лишь повышенная температура, огонь или плита. Эта реакция известна в пищевой химии как реакция сахароаминной конденсации, или как реакция Майара.

История ее открытия — запутанное дело. Считается, что Майар был первым, кто обнаружил активное взаимодействие сахаров с аминокислотами. Однако справедливости ради следует отметить, что впервые подобную реакцию наблюдали П. Брандес и Ц. Штоэр в 1896 году, нагревая сахар с аммиаком.

В 1912 году молодой французский врач и химик Луи Камилл Майар начал изучать взаимодействие между аминокислотами и пищевыми сахарами, глюкозой и фруктозой. На исследование его вдохновило желание отыскать возможные пути синтеза полипептидов. В течение нескольких часов он кипятил водные растворы сахара или глицерина с аминокислотами и обнаружил, что в реакционной смеси образуются некие сложные соединения желто-коричневого цвета. Ученый принял их за пептиды и поспешил опубликовать результаты в «Compte Rendu de I’Academie des Sciences». Однако это был тот случай, когда исследователь выдал желаемое за действительное — дело в науке обычное. Никакие экспериментальные данные не подтверждали это чисто умозрительное заключение. К чести Майара, он это понял, продолжил исследования и уже в следующем, 1913 году обнаружил большое сходство образующихся коричневых пигментов с гуминовыми веществами почвы. Это были не пептиды, а что-то другое.

Эстафету исследований в этом направлении подхватили российские ученые из лаборатории физиологии растений Петербургского университета. Вскоре после Майара, в 1914 году, С. П. Костычев и В. А. Бриллиант описали продукты, образующиеся в реакции между аминокислотами и сахарами в дрожжевом автолизате — продукте самопереваривания дрожжевых клеток. Русские ученые активно исследовали образование «новых азотистых соединений», окрашивающих раствор в темно-бурый цвет при добавлении глюкозы или сахарозы к дрожжевому автолизату, и доказали, что материалом для синтеза служат сахар и аминокислоты, которые с легкостью реагируют без вмешательства ферментов.

Из всех исследователей, занимавшихся этой проблемой, основные результаты все же были получены французским ученым, установившим, что взаимодействие кетогруппы сахара с аминогруппой аминокислоты происходит в несколько стадий. Поэтому сахароаминная реакция известна под именем реакции Майара. С 1910 по 1913 год французский ученый опубликовал около 30 сообщений, которые легли в основу его докторской диссертации «Генезис белков и органических материалов. Действие глицерина и сахаров на аминокислоты».

Но, как это часто бывает в науке, открытие Майара не получило должного признания при его жизни. Только в 1946 году ученые снова заинтересовались этой реакцией. И сегодня о реакции Майара мы знаем уже очень многое. Прежде всего это не единичная реакция, а целый комплекс процессов, которые протекают последовательно и параллельно без участия ферментов и придают реакционной массе коричневый цвет. Главное, чтобы в реакционной смеси присутствовали карбонильные группы (в составе сахаров, альдегидов или жиров) и аминогруппы (белки). Понятно, что такой букет реакций приводит к образованию многочисленных продуктов различного строения, которые в научной литературе обозначаются термином «конечные продукты гликирования». В эту группу входят и алифатические альдегиды и кетоны, и гетероциклические производные имидазола, пиррола и пиразина. Именно эти вещества — продукты сахароаминной конденсации — ответственны за формирование цвета, аромата и вкуса продуктов, подвергнутых термической обработке. Эта реакция ускоряется с повышением температуры и поэтому интенсивно протекает при варке, жарке и выпечке.

Меланоидины: добро и зло

О том, что реакция Майара прошла, можно судить по золотисто-коричневой корочке на хлебе, зажаренных рыбе, мясе, по коричневому оттенку высушенных фруктов. Цвет термически обработанному продукту придают темноокрашенные высокомолекулярные вещества меланоидины (от греческого «меланос», что означает «черный»), которые образуются на последней стадии реакции Майара. Однако цвет стандартных меланоидинов — не черный, а красно-коричневый или темно-коричневый. Меланоидины образуют черные пигменты, подобные гуминовым веществам, лишь в том случае, если огонь был слишком силен или вы забыли о жарящейся на сковородке картошке, пироге в духовке и безнадежно сожгли их. Сам же термин «меланоидины» в 1897 году предложил О. Шмидеберг. (Кстати, «Химия и жизнь» однажды уже обращалась к теме меланоидинов; см. 1980, № 3.)

Кофе, какао, пиво, квас, десертное вино, хлеб, жареные мясо и рыба. Пока мы пьем и едим все это, реакция Майара и ее продукты, меланоидины, с нами. Мы потребляем около 10 г меланоидинов каждый день, поэтому так важно знать об их пользе и вреде.

По химической сути меланоидины — это широкий спектр нерегулярных полимеров разнообразного строения, включая гетероциклические и хиноидные структуры, с молекулярной массой от 0,2 до 100 тысяч дальтон. Механизм их образования достаточно сложен и до конца не изучен — слишком уж много промежуточных продуктов, которые взаимодействуют между собой и с исходными веществами.

Образование меланоидинов сопровождается появлением множества ароматических веществ: фурфурола, оксиметилфурфурола, ацетальдегида, формальдегида, изовалерианового альдегида, метилглиоксаля, диацетила и других. Именно они придают незабываемый, аппетитный аромат свежеиспеченному хлебу, плову, шашлыку. Еще в 1948 году создатель нашей лаборатории в Институте биохимии им. А. Н. Баха В. Л. Кретович (впоследствии член-корреспондент РАН) и Р. Р. Токарева обнаружили, что в растворах глюкозы в присутствии аминокислот лейцина и валина образуются специфические тона корки ржаного хлеба, а в присутствии глицина — карамельный аромат. Чем не способ получения вкусовых и ароматизирующих добавок?

Традиционные рецепты приготовления блюд и напитков включают стадии обработки пищи, на которых образуются меланоидины. Например, темные сорта пива своим насыщенным цветом обязаны меланоидинизированному солоду. А вкусовые добавки и ароматизаторы — это готовые продукты реакции Майара, которые получают отдельно и добавляют в продукты и напитки в качестве естественных красителей и усилителей вкуса. Ароматизаторы и приправы для фастфуда — того же происхождения. Например, пищевую добавку с ароматом тушеной грудинки получают микроволновой сушкой ферментативного гидролизата мяса говядины.

Однако вертится на языке вопрос — а не опасны ли эти вещества? Ведь только и слышишь: не ешьте жареного, в поджаристой корочке содержится всякая канцерогенная дрянь. Давайте разберемся.

Сегодня в научной литературе накоплено огромное количество данных о полезных свойствах меланоидинов — антиоксидантных, антимикробных, иммуномодулирующих, а также об их способности связывать ионы тяжелых металлов. Впервые антиоксидантная активность продуктов реакции Майара была обнаружена в 1961 году в экспериментах с вареным мясом. Затем было показано, что вареное мясо ингибирует перекисное окисление липидов, а в роли собственно ингибиторов выступают меланоидины и мальтол, образующиеся в говядине при варке.

Сегодня ученые, исследующие природу антиоксидантной активности меланоидинов, предполагают, что она связана со структурой этих веществ, которые содержат систему сопряженных двойных связей в гетероциклических и хиноидных звеньях.

Еще одно достоинство — антимикробная активность. В недавно опубликованной статье в журнале «Food & Function» (Ulla Mueller et al. «Food & Function»., 2011, vol. 2, 265–272) антимикробное действие меланоидинов кофе связывают с образованием в ходе реакции Майара перекиси водорода (H₂O₂), подавляющей рост бактерий Escherichia coli и Listeria innocua.

Исследование меланоидинов кофе, развернувшееся в последние годы, подталкивает ученых к мысли, что они могут уменьшать риск заболевания раком. Кроме того, они усиливают синтез ферментов семейства глютатион-S-трансферазы, которые обезвреживают различные ксенобиотики (Somoza V. et al. «Molecular Nutrition & Food Research». 2005, 49, 663–672). А группа ученых из Кореи, Японии и Германии в экспериментах на крысах показала, что аромат жареных кофейных зерен (результат реакции Майара) изменяет работу некоторых генов и при этом в мозгу синтезируются белки, снижающие последствия стресса из-за лишения сна. Таким образом, научно доказано, что просыпаться на запах кофе полезно для мозга, а потому и приятно. Впрочем, это вовсе не означает, что кофе надо пить с утра и до вечера. Руководитель исследований невролог Йосинори Масуо из Научно-исследовательского центра технологий здравоохранения (Япония) считает, что можно просто понюхать кофе, вместо того чтобы пить (Han-Seok Seo et al. «Journal of Agricultural and Food Chemistry». 2008, 56 (12), 4665–4673).

Благодаря полезным свойствам меланоидины нашли применение не только в кулинарии и пищевой химии. В народной медицине с незапамятных времен используют целебные свойства этих веществ. Отвар ржаных колосьев применяют для лечения заболеваний органов дыхания как отхаркивающее мягчительное средство; припарки из ячменного солода рекомендуют при воспалениях кожи и геморрое; отварами ячменного зерна лечат заболевания желудочно-кишечного тракта, почек, мочевых путей и нарушения обмена веществ. В России XIX века был популярен так называемый госпитальный квас, который входил в рацион каждого солдата, выздоравливающего после ранения, для поднятия сил. Видимо, отсюда и поговорка «Русский квас много народу спас».

А что сегодня? Наружное антисептическое средство для лечения кожных заболеваний — «жидкость Митрошина» — представляет собой концентрат меланоидинов, получаемый термической обработкой овса, пшеницы и ржи. Препарат под названием «Холеф» (фехолин), густой экстракт из пшеничных зародышей, разрешен к применению для лечения больных с различными формами прогрессивной мышечной дистрофии. В Научно-практическом центре по животноводству Национальной академии наук Республики Беларусь получили опытную партию кормовой антиоксидантной добавки «Эколин-1», которая представляет собой композицию из гидролизатов ростков солода и торфа. В Ставропольском политехническом институте из отходов молочного производства сделали препарат «ПВ», рекомендованный для широкого применения в растениеводстве и животноводстве в качестве биостимулятора. К сожалению, все эти препараты выпускают локально и малыми партиями

Но вернемся к меланоидинам, которые мы едим. Они, надо признать, плохо расщепляются пищеварительными ферментами и не всасываются в желудочно-кишечном тракте. Казалось бы, минус? Не будем торопиться. Меланоидины выполняют ту же функцию, что и пищевые волокна, улучшают пищеварение и стимулируют рост бифидобактерий, то есть обнаруживают свойства пребиотиков. А это уже скорее плюс.

И все-таки откуда разговоры о канцерогенах? Дело в том, что при слишком высоких температурах в ходе реакции Майара могут образовываться действительно токсичные или канцерогенные вещества. Например, акриламид появляется при запекании или жарке выше 180°C, когда происходит термическое разложение меланоидинов. Вот почему пережаривать не стоит. Но что интересно: исследователи выяснили, что некоторые продукты реакции Майара стимулируют образование ферментов, участвующих в связывания токсинов, в том числе и акриламида. А в модельных экспериментах было показано, что высокомолекулярные меланоидины подавляют образование канцерогенных N-нитрозаминов (Kato H. et al. «Agricultural and Biological Chemistry». 1987, vol. 51 (5), pp. 1333–1338).

Конечно, к минусам можно приписать и то, что реакция Майара снижает биологическую ценность белков, поскольку аминокислоты, особенно лизин, треонин, аргинин и метионин, которых чаще всего недостает в организме, после соединения с сахарами становятся недоступными для пищеварительных ферментов и, следовательно, не усваиваются. Но, согласитесь, стоит пожертвовать небольшой толикой аминокислот ради аппетитного вида, аромата и вкуса еды. Ведь без этих факторов, согласно И. П. Павлову, полноценное переваривание пищи невозможно. Еда должны быть вкусной!

Чтобы оценить вред или пользу меланоидинов, необходим комплексный подход к проблеме, учитывающий все факторы и детали, часто взаимоисключающие. Сделать это трудно. Но есть другой путь. Сегодня для реакции Майара найдены катализаторы и ингибиторы, мы знаем, как влияют рН среды, температура, влажность, соотношение компонентов на ход этого процесса и спектр образующихся веществ. С этими параметрами обычно считаются при производстве пищевых продуктов. Иными словами, реакция Майара становится управляемой, поэтому вполне возможно получать в процессе кулинарной обработки стандартные продукты, только с полезными для организма свойствами.

Загар, тайнопись и плащаница

С реакцией Майара мы можем встретиться не только на кухне. Если вы используете средства для автозагара (намазался кремом и без всякого солнца стал коричневым), то вы наблюдаете эту реакцию на своей коже. Действующее начало автозагара — дигидроксиацетон, получаемый из сахарной свеклы и сахарного тростника, а также ферментацией глицерина. Дигидроксиацетон или его производное эритрулоза вступают в реакцию с аминокислотами белков кожного кератина, в результате чего образуются меланоидины, похожие на естественный пигмент кожи — меланин. В течение нескольких часов по мере образования меланоидинов кожа приобретает цвет натурального загара. Этой процедурой достаточно часто пользуются культуристы и фотомодели, которым нужно быстро приобрести красивый цвет кожи.

А вот еще одно старое применение реакции Майара. Помните детский рассказ Михаила Зощенко «Иногда можно кушать чернильницы» о том, как В. И. Ленин, чтобы перехитрить надзирателей, писал молоком революционные тексты на страницах обычных художественных книг? Молоко — классические невидимые (симпатические) чернила. Чтобы проявить текст, написанный молоком, достаточно нагреть бумагу с посланием над свечой или прогладить утюгом. Невидимый текст станет видимым, коричневым. Что это, как не реакция Майара — взаимодействие белков молока с молочным сахаром лактозой! Кстати, на роль симпатических чернил подойдут любые доступные вещества, содержащие карбонильные и аминные группы, например слюна, пот, сок лука и многое другое.

В итальянском городе Турине, в соборе Святого Иоанна Крестителя, хранится одна из самых почитаемых и загадочных христианских реликвий — Туринская плащаница, льняное полотно, в которое, по преданию, Иосиф из Аримафеи завернул тело Иисуса Христа после его снятия с креста. На этом полотне неведомым образом запечатлелись лик и тело Христа. Причина возникновения нечеткого желтовато-коричневого отпечатка остается и поныне загадкой (см.: Верховский Л. И. «Химия и жизнь», 1991, № 12; Левшенко М. Т. «Химия и жизнь», 2006, № 7). Есть несколько версий, за счет каких химических реакций получилось изображение. Однако камнем преткновения остается тот факт, что коричневый цвет находится только на поверхности волокон, остающихся внутри непрокрашенными. Очень похоже, что мы имеем дело с сахароаминной реакцией.

Химики Раймонд Роджерс из Национальной лаборатории Калифорнийского университета в Лос-Аламосе и Анна Арнольди из Миланского университета попытались в эксперименте воссоздать способ окраски полотна за счет сахароаминной реакции. Специально для этого эксперимента была изготовлена льняная ткань по технологии, описанной 2000 лет назад Плинием Старшим. Для осуществления реакции Майара, как вы уже знаете, необходимы сахар и аминогруппы. Откуда на полотне сахар? Дело в том, что нити, из которых делали ткань, покрывали крахмалом, защищая их от повреждений. Готовую ткань отмывали в экстракте мыльнянки лекарственной (Saponaria officinalis), которая содержит сапонины — поверхностно-активные вещества. Они гидролизуют полисахарид крахмал до моно- и олигосахаридов: галактозы, глюкозы, арабинозы, ксилозы, фукозы, рамнозы и глюкуроновой кислоты. Поскольку ткань сушили на солнце, то вещества из промывочных вод концентрировались на поверхности волокон.

Меланоидины у колыбели жизни

Учитывая легкость, с которой протекает реакция Майара, можно предположить, что на заре возникновения жизни на Земле, в пребиотической гидросфере, то есть в первичном бульоне, взаимодействие сахаров с аминокислотами (альдегидов с аминами) шло активно и повсеместно. А это, в свою очередь, приводило к образованию меланоидиновых полимеров. Впервые мысль о том, что абиогенно образующиеся меланоидины могут быть прототипом современных коферментов, высказали Д. Кеньон и Г. Штейнман в 1969 году. И это предположение было сделано не случайно.

Дело в том, что в состав меланоидинов входят структуры с сопряженными двойными связями, придающие полимерам электрон-транспортные свойства. Поэтому меланоидиновые матрицы могут имитировать некоторые типичные биохимические реакции, протекающие в клетках: оксидо-редуктазные, гидролазные, синтазные и др. Кроме того, эти полимеры способны связывать тяжелые металлы, которые играют важную роль в функционировании многих ферментов. Вот почему образование подобных полимеров могло послужить отправной точкой в формировании основных типов биохимических реакций. А. Ниссенбаум, Д. Кеньон и Дж. Оро в 1975 году высказали гипотезу, что меланоидины — это протоферментные системы, игравшие роль матрицы в процессах зарождения жизни до возникновения систем с более высокой специфичностью.

В Институте биохимии им. А. Н. Баха РАН сотрудники лаборатории эволюционной биохимии на протяжении многих лет моделируют процессы предбиологической эволюции и исследуют роль меланоидиновых пигментов в усложнении углеродсодержащих соединений. Кандидат биологических наук Т. А. Телегина с коллегами в этих экспериментах доказала, что меланоидины обладают каталитической активностью, в частности содействуют образованию пептидных связей между аланинами. Меланоидиновые пигменты наносили на силикагель и помещали в кварцевую колонку, облучаемую ультрафиолетом, через которую циркулировал раствор аланина. В результате были получены ди-, три- и тетрааланиновые пептиды. Причем их концентрация оказалась в десять раз выше концентрации диаланина, который получали в эксперименте с немодифицированным силикагелем. Этот результат показал преимущество меланоидиновых матриц над неорганическими в процессе абиогенеза.

Реакция Майара и карбонильный стресс

Наш рассказ о реакции Майара и ее продуктах был бы неполным, если бы мы умолчали о том, что эта реакция протекает и в организме человека. Впервые на это обратили внимание уже упоминавшиеся русские ученые П. А. Костычев и В. А. Бриллиант. В отличие от Майара они проводили сахароаминную реакцию при более низких температурах, 30–55°С, и тогда предположили, что она, возможно, протекает и в клетках. Вот что они писали в своей статье в «Известиях Императорской Академии наук» в 1916 году: «Таким образом, аминокислоты реагируют с сахаром даже без вмешательства ферментов. (. ) При современном состоянии науки было бы, конечно, совершенно произвольным отрицание за такими свободно происходящими реакциями физиологического значения, особенно если принять во внимание, что условия, необходимые для осуществления реакции между сахаром и аминокислотами, легко могут иметь место в протоплазме живых клеток, так как там вполне возможны концентрации участвующих в реакции веществ».

Действительно, теперь доподлинно известно, что эта реакция протекает и в организме человека, способствуя развитию некоторых патологий. Сейчас внимание исследователей приковано к гликированию — неферментативной модификации биологических макромолекул по реакции Майара, когда с белками взаимодействуют активные карбонильные соединения, накапливающиеся при перекисном окислении липидов и при диабете.

Из-за накопления активных карбонильных соединений, которое происходит по мере старения или при диабете, развивается так называемый карбонильный стресс. В первую очередь страдают, то есть гликируются, долгоживущие белки: гемоглобины, альбумины, коллаген, кристаллины, липопротеиды низкой плотности. Последствия самые неприятные. Например, гликирование белков мембраны эритроцита делает ее менее эластичной, более жесткой, в результате чего ухудшается кровоснабжение тканей. Из-за гликирования кристаллинов мутнеет хрусталик и, как следствие, развивается катаракта. Модифицированные таким образом белки мы можем обнаружить, а значит, они служат маркерами атеросклероза, сахарного диабета, нейродегенеративных заболеваний. Сегодня одна из фракций гликированного гемоглобина — в числе основных биохимических маркеров диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Снижение уровня на 1% уменьшает риск каких-либо осложнений при диабете на 20%.

У себя в лаборатории, в Институте биохимии им. А. Н. Баха, мы разработали экспериментальную систему, которая моделирует условия карбонильного стресса. В качестве активного карбонильного соединения мы использовали метилглиоксаль. Оказалось, что при взаимодействии лизина с метилглиоксалем получаются свободнорадикальные продукты, способные восстанавливать окисленный гемоглобин. Благодаря этому оксид азота (NO) более эффективно связывается с железом гемовой группы, то есть происходит нитрозилирование гемоглобина. В некоторых случаях образуется нитригемоглобин, причем эти процессы могут происходить и непосредственно в крови, например, у больных диабетом. Особенности функционирования таких модифицированных гемоглобинов еще предстоит изучить.

Кстати, из-за образования нитримиоглобина может происходить так называемое нитритное позеленение колбасы или ветчины, если нарушена технология обработки мяса нитритом натрия (пищевая добавка Е250). Хотя обычно ее добавляют для придания мясным продуктам аппетитного розового цвета (не путать с позеленением, вызванным разрушением гемовой группы в результате обычной порчи продукта!).

Рассказ о реакции Майара и меланоидинах подошел к концу. Хотя, возможно, это, как говорил Козьма Прутков, начало того конца, которым заканчивается начало. В статье лишь несколькими штрихами обозначена «вездесущность» реакции Майара, однако мы надеемся, что у читателя сложилось первое представление о важности процессов, протекающих между сахарами и аминокислотами в природе.

Автор благодарит профессора А. Ф. Топунова и доктора биологических
наук К. Б. Шумаева за помощь при подготовке и написании статьи.

Источник