Обычно, говоря о гигиене и полноценности питания человека, подчёркивают важность сохранения баланса между поступающими в организм макрокомпонентами пищи (нутриентами) – углеводами (моно-, ди- и полисахаридами), жирами, содержащими полиненасыщенные жирные кислоты и белками, содержащими незаменимые аминокислоты.
Из 20-ти протеиногенных (канонических) аминокислот для детей незаменимы 10, а для взрослых – 8 аминокислот.
Именно поэтому не имеет оправдания полное вегетарианство, не позволяющее получать некоторые аминокислоты и витамины, например, цианокобаламин (витамин B12) и витамины группы D.
Обычно всегда подчёркивается важность достаточного поступления с пищей водо- и жирорастворимых витаминов, а также минеральных компонентов и балластных веществ пищи, включая растительную клетчатку, способствующую поддержанию и сохранению кишечной микробиоты.
Хорошо известно, что с пищей человек ежедневно должен получать около 170 химических соединений, многие из которых, как и некоторые аминокислоты, незаменимы. Изучение повседневного состава пищи показывает, что соединений, которых по сравнению с углеводами, жирами и белками организму человека нужно мало (с точки зрения количества, но не их разнообразия) обычно не хватает в структуре питания современного человека. Такие соединения, относящиеся к микрокомпонентам пищи, называют микронутриентами (от греч. mikros – малый и лат. nutrio (nutritum) – кормить, питать). Но среди минорных пищевых соединений есть ещё одна группа веществ (преимущественно растительных), которые, как оказалось, очень нужны организму человека, и которые составляют особую группу биологически активных веществ, обладающих в определённых концентрациях токсичностью. Они относятся к обширной и очень разнообразной по химическому составу группе соединений, называемых фитонутриентами (от греч. phyton – растение).
Фитонутриенты
Фитонутриенты – это химические соединения растительного происхождения, которые включают в себя вещества антифиданты и вещества, защищающие растения от различных вредных воздействий (УФ-света, свободных радикалов и т. п.), а также от поедания животными, насекомыми, жуками, улитками и т.д. К фитонутриентам, например, относятся различные полифенолы-биофлавоноиды, обладающие антиоксидантной активностью. В экспериментах на мышах показано, что фитонутриенты-полифенолы стимулируют рост клеток головного мозга (нейрогенез), повышая в гиппокампе уровень нейротрофических факторов и инсулиноподобных факторов роста. Именно поэтому очень интересно рассмотреть эту группу соединений на предмет их влияния на здоровье человека.
Абсолютное большинство растений, кроме очень небольшой группы солеросов, не способны перемещаться в пространстве. Они всю свою жизнь остаются на одном месте. И только такие галофиты как, например, кермек и перекати-поле, растущие на солонцах, солончаках, а также по берегам морей и солёных озёр, в пустынных и степных районах, в период созревания семян пускаются в пассивное странствование. Такие растения, вследствие обильного ветвления цветоносных побегов, приобретают шаровидную форму, а их центральный стебель – хрупкость у основания, в результате чего надземная масса растения отламывается, подхватывается ветром и катится по земле, разбрасывая семена. Всем остальным растениям уготована судьба, соответствующая трагикомическому высказыванию Антона Павловича Чехова: “На поле рос цветок. Пришёл козёл, и нет цветка!” Кто только их не ест!? Поэтому в процессе эволюции растениям пришлось вырабатывать различные способы защиты от вредителей – всех тех существ, которые поедают растения.
Даже малознакомый с биологией растений человек скажет, что некоторые растения для защиты от животных используют всевозможные анатомические приспособления, такие как, например, шипы и колючки. А травы защищаются от поедания животными с помощью кристалликов оксида кремния, импрегнированных по краям листа. Так, например, делают осоковые травы (недаром осокой можно легко порезаться). Возможно, что такая защитная стратегия трав подтолкнула эволюцию зубов у травоядных животных, позволившую появиться современным травоядным, а вот другие, не приспособившиеся, травоядные вымерли. Описаны и экзотические способы защиты. Так некоторые виды деревьев защищаются от вредителей с помощью муравьёв, предоставляя им «хлеб и кров» (подкармливают сладкими выделениями).
Растения, также как и животные, имеют свою собственную микрофлору. Всем известны внутриклеточные симбионты представителей семейства бобовых – клубеньковые бактерии – фиксаторы газообразного азота. Но симбиотические бактерии обитают и на поверхности растений, и некоторые из них вырабатывают биоинсектициды, защищающие хозяев от поедания насекомыми-вредителями. Подобные стратегии защиты растений от повреждения вредителями касаются больше насекомых, питающихся растениями.
В то же время, самая распространённая стратегия защиты растений от поедания животными и насекомыми, которая зачастую становится опасной и для человека, заключается в выработке многими из них, включая и используемые нами сельскохозяйственные пищевые растения, веществ различной химической природы, обладающих токсичностью (ядовитостью). Эти вещества получили общее название – антифиданты (термин произведён от греч. anti – против и feed – питание) – соединения, препятствующие поеданию растений животными и насекомыми. Мало того, растения, которые поедают, способны вырабатывать сигнальные летучие вещества тревоги (аларм-соединения), позволяющие другим растениям подготовится к атаке и также производить антифиданты.
В мире известно примерно 300 тысяч съедобных растений, многие, из которых съедобны условно, поскольку требуют специальной предварительной обработки (в качестве примера можно привести орехи кешью или маниоковое саго (тапиоку), содержащее в клубневидных корнях до 40 % крахмала). В то же время в пищу человеком используются не более 200 из них (60 % по объёму всей пищи приходится только на несколько, выращиваемых промышленным способом злаков, таких как рожь, пшеница, ячмень, рис, просо, сорго (хлебное, а также китайский вид – гаолян) и кукуруза (маис)).
С биологической точки зрения антифиданты для растений – это естественные пестициды (вещества, убивающие заразу, где лат. pestis – зараза и caedo – убиваю). Интересно отметить, что у латинян зараза олицетворялась в образах двух мифических злых жён, носящих имена Pestis и Lues. Отсюда происходит название бактерии – возбудителя чумы – “Iersinia pestis”, а общеупотребительное название в европейских языках венерического заболевания – сифилиса – люэс, и связано оно с именем другой заразы по имени Lues.
К антифидантам растений относятся следующие классы соединений: алкалоиды, гликозиды, сапонины и цианиды (см. ниже). Отличительной особенностью всех этих веществ является их выраженный горький вкус, который в биологическом смысле служит предупреждающим сигналом. (Природа, конечно, злокозненна, но и милосердна, она заранее предупреждает – не ешьте, отравитесь!). Гены чувствительности к горькому вкусу, отвечающие за формирование вкусовых рецепторов на языке, в процессе эволюции у человека появились недавно. Эти гены, наряду с цветовым зрением, стали важнейшими для выживания приматов, которые научились потреблять в пищу в основном зрелые фрукты. Фрукты с созревшими семенами, многим из которых даже необходимо проходить через желудочно-кишечный тракт, чтобы приобрести всхожесть. Напротив, семена в незрелых фруктах легко перевариваются, поэтому растения защищают их, наполняя плоды антифидантами с горьким вкусом.
Важнейшими генами, определяющими чувствительность человека к горькому вкусу, служит семейство генов восприимчивости к довольно простому соединению – фенилтиокарбамиду (ФТК). Это соединение служит эталонным маркёром для определения чувствительности индивидуумов к горькому вкусу. 75 % жителей Земли находят ФТК очень горьким веществом, а остальные 25 % реагируют на него по-разному, вплоть до полной нечувствительности, в результате обладания изменёнными вариантами гена чувствительности к ФТК.
Способность ощущать горький вкус – важнейший защитный механизм, возникший в процессе эволюции и оберегающий людей от употребления в пищу ядовитых растений, поскольку многие токсические вещества, например, гликозиды и алкалоиды имеют горький вкус. У африканцев, проживающих к югу от Сахары (наиболее древние популяции людей!), обнаружили семь вариантов гена ФТК. Напротив, в популяциях, проживающих за пределами Африки, встречаются только две крайние формы (сверхчувствительность к ФТК и нечувствительность к нему) и лишь ещё одна африканская форма встречается спорадически (т. е. случайно и единично). Оставшиеся четыре формы гена ФТК за пределами Африки не встречаются. В популяционной геномике эти наблюдения позволили проследить пути миграции из Африки первых человеческих субпопуляций.
Но дальше самое интересное! Оказалось, что белки-рецепторы, воспринимающие горький вкус, находятся не только на языке, но и во многих внутренних органах, не вступающих в непосредственный контакт с пищей. После взаимодействия со своими лигандами они способны инициировать быструю защитную реакцию иммунной системы, направленную против инфицирующих организм бактерий. Отсюда следует, что присутствие в пище горечей оказывает благоприятное влияние на состояние нашего здоровья. Известно более 800 соединений, выделенных из растений и обладающих антифидантными свойствами.
У человека, кроме всего прочего, многие из этих соединений активируют в ЦНС определённые биохимические пути адаптации клеток к окислительному стрессу. Например, они могут активировать так называемый Nrf2-каскад, образованный цитоплазматическим комплексом двух белков Nrf2 и Keap1. В результате повышается устойчивость нейронов головного мозга к повреждениям, вызываемым свободными радикалами.
Исследования показали, что два хорошо известных пищевых компонента – куркумин и сульфорафан способны разрушать этот комплекс, в результате чего белок Keap1 отсоединяется от Nrf2 и последний перемещается в ядро клетки, где в качестве транскрипционного фактора и активирует гены, кодирующие антиоксидантные ферменты. Эти внутренние (эндогенные) антиоксиданты и избавляют клетки от избытка свободных радикалов.
В свете сказанного, должно быть ясно, что использование экзогенных антиоксидантов (всевозможных БАДов, содержащих комплексы витаминов и антиоксидантов), подавляет выработку собственных защитных соединений!
Воздействие антифидантов на человека
Каким же образом антифиданты проявляют своё положительное воздействие на организм человека? Уже известен механизм их действия, который в литературе обозначают термином гормезис (от греч. hormao – двигаю, возбуждаю и genesis – происхождение, рождение, возникновение). Гормезис – это физиологический механизм положительного воздействия на организм небольших доз ядовитых веществ (антифидантов), содержащихся в растительных продуктах (фруктах и овощах), проявляющийся на молекулярно-клеточном уровне.
Например, к соединениям, вызывающим гормезис, относятся кофеин, галантамин из подснежников, капсаицин из красного перца, катехины чая, сульфорафан из капусты брокколи, резвератрол из винограда и куркумин из пряности куркумы. Эти вещества вызывают в клетках слабую стрессовую реакцию, подобную той, к которой приводят кратковременное голодание и интенсивные физические нагрузки. Такой стресс заканчивается не гибелью клеток, а их укреплением (особенно это касается клеток мозга).
В нейронах головного мозга эти вещества запускают различные каскады биохимических реакций, приводящих к изменению характера экспрессии генов, ответственных за синтез эндогенных антиоксидантных соединений и нейротрофических факторов, что, по-видимому, увеличивает устойчивость клеток к различным видам стресса, в том числе и к воздействию оксидантов (АФК). Например, показано, что под воздействием некоторых антифидантов возрастает уровень синтеза глиального нейротрофического фактора (от англ. glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF)).
Нейротрофические факторы
Это семейство пептидных эндогенных регуляторных молекул (простых сигнальных белков), образующихся в нервной системе у позвоночных животных в период её закладки и развития. Они индуцируют процессы формирования как нейронов, так и глиальных клеток (астроцитов) из эмбриональных стволовых клеток, а во взрослом организме, по-видимому, участвуют в процессах регенерации головного мозга в условия стресса, а также при различных его повреждениях, например, в результате ишемии или травмы, тем самым, препятствуя гибели нейронов и поддерживая их функциональную активность.
Существуют разные нейротрофические факторы, в частности, BDNF (нейротрофический фактор головного мозга), который тормозит развитие апоптоза нейронов, а GDNF (глиальный нейротрофический фактор), «оберегает» синаптические контакты между нейронами. Он относится к факторам, родственным семейству трансформирующих факторов роста бета (TGF-β), и широко распространён в различных структурах ЦНС, где влияет на процессы развития, дифференцировки и выживания нейронных популяций, а также на сохранения нейронных сетей. У млекопитающих, включая и человека, нейротрофические факторы участвуют в процессах формирования памяти, обучения и реакциях, обеспечивающих чувствительность к токсинам и дефициту кислорода. Нейротрофические факторы также называют нейротрофинами.
Интересно отметить недавно обнаруженный факт, согласно которому продолжительная двигательная активность повышает во взрослом мозгу уровень нейротрофических факторов, обеспечивающих новый нейрогенез. И хотя нейротрофины в основном изучают у млекопитающих, недавняя расшифровка генома планктонного ветвистоухого рачка дафнии, обитающего в пресных водоёмах, показала, что он также обладает генами, кодирующими нейротрофины. Этот факт говорит о том, что гены, регулирующие нейрогенез, – это древнейшее приобретение эволюции, а нервная система ветвистоусых планктонных рачков (размер которых 1–3 мм) значительно более сложная, чем принято считать.
Интересно отметить, что два вида попугаев ара из бассейна Амазонки, поедающие несъедобные ядовитые плоды, для нейтрализации токсинов поглощают особый вид береговой глины, а южно-индийские полуобезьяны тонкие Лори, поедающие ядовитые растения, выживают благодаря замедленному метаболизму, сказывающемуся и на их поведении. (Лори, от устаревшего голл. loeris – клоун; возможно, что название дано из-за их симпатичных мордочек, с очень большими глазами, хорошо видящими в темноте, и напоминающих маску клоуна.) Напротив, некоторые насекомые используют растительные токсины (например, токсины молочая) для своей защиты от хищников, накапливая их в своём теле. Таким же образом поступают и определённые виды очень ядовитых древесных лягушек.
Алкалоиды
От позднелат. alkali – щёлочь и греч. eidos – сходство, вид. Природные азотсодержащие гетероциклические вещества (основания), преимущественно растительного происхождения. Концентрируются в вакуолях (в клеточном соке) в виде легко растворимых в воде солей – продуктов взаимодействия с органическими кислотами (яблочной, винной, лимонной и другими кислотами), а также в клеточной стенке листьев (например, у кокаиновых растений), а также в коре (хинное дерево) и клубнях (аконит).
Описано несколько тысяч алкалоидов, которые относятся, как правило, к вторичным или конечным метаболитам (экскретам) высших растений. К животным алкалоиды поступают с растительной пищей и обладают выраженной физиологической активностью. Многие алкалоиды ядовиты для животных и человека. В качестве примера можно привести высокотоксичный алкалоид-антифидант аконитин, содержащийся в корневище борца, или аконита (Aconitum – многолетние травы семейства лютиковых (Ranunculus) с клубневидными корнями и рассечёнными листьями); особенно много аконитина в Aconitum napellus. Применяют исключительно как наружное средство при лечении воспалительных заболеваний суставов.
Гликозиды
От греч. glykys – сладкий и eidos – сходство. Органические соединения – продукты конденсации циклической формы моно- или олигосахаридов (углеводов) и какого-либо органического радикала – метанола, глицерола, стерола, фенола (т. е. агликона или аглюкона – «не сахара»), возникающие в результате потери водорода полуацетальной группой сахара и образования связи через оставшийся кислород или другой гетероатом (поэтому различают также N- и S-гликозиды). В результате возникает гликозильный, или углеводный остаток. Если полуацетальная группа принадлежит глюкозе, то соединение называется глюкозидом, если галактозе – галактозидом и т. д., а в целом, и те и другие соединения называются гликозидами.
Следует подчеркнуть, что, несмотря на название, гликозиды имеют горький вкус и (или) специфический аромат. Примерами гликозидов могут быть:
- Синигрин из семян чёрной горчицы (от общего лат. названия горчицы – синапис (Synapis) и названия чёрной горчицы Brassica nigra.
- Соланины, содержащиеся в картофеле (в ботве, позеленевших клубнях и особенно в ростках; поэтому картофель нельзя хранить на свету).
- Глюкованилин из плодов ванили.
- Амигдалин (название образовано от имени древнегреческой богини красоты и молодости Амигдалы).
Гликозид косточковых растений из семейства розоцветных (абрикос, вишня, слива, персик и горький миндаль, в очищенных зёрнах которого содержится около 3% амигдалина), представляющий собой сочетание дисахарида гентиобиозы и агликона, состоящего из остатков синильной кислоты и бензальдегида. В желудке под действием фермента эмульсина (комплекс проназина и прозиназы, который также присутствует в плодах косточковых растений) амигдалин расщепляется с освобождением синильной кислоты (цианида), бензальдегида и двух молекул глюкозы. Именно поэтому противоядием при отравлении цианидами служит глюкоза. Вспомните, безуспешную попытку князя Феликса Юсупова с компанией заговорщиков убить Григория Распутина, предложивших ему пирожное, отравленное цианистым калием.
Синильная кислота отщепляется также и от других растительных гликозидов, таких как лауроцеразин (содержится в листьях лавровишневого дерева) и линамарин (гликозид льна). Цианиды содержатся и в некоторых других растениях, например, в пассифлоре, на которой кормятся гусеницы геликонид, также накапливающие цианиды, что препятствует их поеданию птицами. Все части растения маниока (маниота, Manihot) – род съедобных растений из семейства молочайных, о котором мы упоминали выше, содержат горький гликозид, распадающийся под действием ферментов с освобождением синильной кислоты.
Токсичность и физиологическую активность гликозидов определяют их агликоны. Например, наперстянка пурпурная (Digitalis purpurea) из семейства норичниковых (Scrophulariaceae) содержит сердечные гликозиды, использующиеся в кардиологической практике. Сердечные гликозиды, такие как строфантин и уабаин, выделенные из растений, относящихся к родам Digitalis, Strophanthus и др., в качестве агликона содержат стероиды. Некоторые гликозиды относятся к антибиотикам, например, стрептомицин, выделенный впервые американским микробиологом Зелманом Ваксманом (1888–1973), получившим в 1952 г. Нобелевскую премию (кстати, Ваксман автор слова “антибиотик”). Дисахариды также являются гликозидами, в которых своеобразную роль агликона играет тот или иной моносахарид. Гидролитическое расщепление гликозидов и дисахаров осуществляют одни и те же ферменты – α- или β-гликозидазы.
Соланины
От родового названия картофеля Solanum. Гликозиды*, содержащиеся в ботве, ростках и позеленевших клубнях (наружных слоях) картофеля, хранящегося на свету, а также в плодах паслёна и баклажана. Играют роль антифидантов и природных пестицидов (в ботве дикого картофеля Solanum demissum содержится близкий по строению к соланину гликоалкалоид демиссин, который токсичен для личинок колорадского жука, поедающего культурные сорта картофеля.) Агликон в соланинах из картофеля называется соланидином и является производным фенантрена, с которым могут быть связаны остатки различных сахаров. Так, например, в α-соланине с соланидином связаны галактоза, глюкоза и рамноза. При жарке и варке соланины разрушаются, но в сыром картофеле они токсичны и вызывают расстройство пищеварительного тракта и ЦНС.
*Эту группу гликозидов, присутствующих в растениях семейства паслёновых, называют также гликоалкалоидами. К гликоалкалоидам картофеля относятся и близкие к соланинам соединения, которые называются чаконинами (α-чаконин, β-чаконин и γ-чаконин).
