hirsh_ben_arie (idelsong) wrote,
hirsh_ben_arie
idelsong

Category:

Лактоза и молоко

Лактоза
У всех млекопитающих молоко - это мелкодисперсная эмульсия жира в растворе, содержащем сахар, белки и соли. У человека сахар дает около 30% калорий, находящихся в молоке. Но в действительности роль сахара значительно больше: белок в основном идет на строительный материал, а жиры плохо годятся в качестве источника энергии для мозга.

Практически у всех в качестве молочного сахара используется дисахарид лактоза. Мы к этому привыкли и считаем само собой разумеющимся, хотя этому выбору стоит удивиться, поскольку, кроме молока, лактозы нет почти нигде в живом мире.

Другой популярный дисахарид - сахароза – присутствует повсеместно в сладких плодах растений. Сахароза - едва ли не самый сладкий из естественных сахаров. А лактоза - наименее сладкий. Если оценить количественно, сахароза в 6 раз слаще лактозы.

Конечно, сладость - это не объективное свойство, а отражает относительное сродство молекул сахара с рецептором, но вопрос, тем не менее, остается: растения, заинтересованные в том, чтобы их сладкие плоды съели, используют самый сладкий сахар, а млекопитающие - самый несладкий.

Лактоза и синтезируется совсем не похоже на сахарозу. Сахарозе предстоит остаться внутри клетки, и она синтезируется в цитоплазме. Лактоза же предназначена на экспорт и делается в комплексе Гольджи. Это само по себе не удивительно, удивительно то, что для синтеза используются подручные средства.

Фермент, синтезирующий лактозу, состоит из двух субъединиц. Одна из них существует в комплексе Гольджи постоянно, а не только в момент лактации. В нормальной жизни она катализирует несколько отличную реакцию, важную для синтеза глюкозаминогликанов - важных компонентов любой соединительной ткани. Но при лактации производящие клетки производят один из важнейших белков молока – α-лактоглобулин. Когда есть α-лактоглобулин, он присоединяется к первой  субъединице, слегка меняет ее специфичность, и измененный фермент начинает присоединять галактозу не к N-ацетилглюкозамину, а к глюкозе. Соответственно, вместо мукополисахарида получается лактоза. Сам α-лактоглобулин  тоже сделан в эволюционном смысле из подручных средств. Он - продукт удвоения антибактериального фермента лизоцима, только утративший активность и превратившийся просто в питательный белок молока.

Главное свойство молока как продукта питания – его временность. Фермент лактаза, разлагающий лактозу, не экспрессируется в кишечнике постоянно. Он практически отсутствует в первые дни после рождения. В этот момент детеныш еще не получает от матери пищу: вместо молока молочные железы производят молозиво. Кишечник детеныша еще может переносить в кровь некоторые крупные белки, в первую очередь антитела, которые должны защитить его от инфекций, пока не включится его собственная иммунная система. Но через некоторое время мать начинает производить полноценное молоко, а в кишечнике детеныша появляется лактаза.

Кишечник детеныша экспрессирует лактазу столько, сколько надо для выкармливания, а затем ее экспрессия быстро сходит на нет.  Лактоза перестает усваиваться. Иногда неусвоенная лактоза создает неприятные эффекты - сама или из-за того, что кишечная флора по-прежнему может ее усваивать. Бывают популяции, у которых эффектов нет. Как бы то ни было, лактоза перестает быть пищей.

За таким изменением стоит интерес матери, которая когда-то должна прервать кормление и родить последующих детенышей. Когда молоко перестанет быть питательным, детеныш перестанет сосать, включится механизм обратной связи, и лактация прекратится. Видимо, с этим связана относительная несладость лактозы и сладость сахарозы и фруктозы. Детенышу, которому надо будет выбирать между материнским молоком и сладкими плодами, плоды покажутся слаще.

Бывшие ластоногие
Из повсеместного правила есть одно исключение - бывшие ластоногие. Бывшие - потому что теперь их относят к отряду хищных и считают ближайшими родственниками медведей. Так вот, бывшие ластоногие подразделяются на три семейства: настоящие тюлени, ушастые тюлени (котики и морские львы) и моржи.

seals-2

Три семейства коренным образом отличаются по стратегии выкармливания детенышей. Тюлени рождают детеныша на суше, после чего мать выкармливает его на суше в течение, у разных видов, от 4 до 50 дней. Сама она при этом ничего не ест - на суше ей есть нечего. По окончании периода мать и детеныш уходят в воду, где детеныш уже начинает питаться нормальной пищей. У ушастых тюленей, напротив, детеныш голодает на суше, а мать довольно быстро начинает отлучаться в море, чтобы поесть. Максимальный срок отлучки - 23 дня, но лактация при этом не прекращается, а  продолжается еще очень долго. У моржей - третья стратегия. Они очень быстро возвращаются в воду вместе с детенышами и кормят их еще очень долго как в воде, так и на берегу (см. картинку из [2]).

seals

Так вот, из трех семейств - только тюленям надо отлучать детеныша от молока волевым образом. Соответственно, только у тюленей в молоке есть лактоза, хотя и немного. А у ушастых тюленей и моржей - нет. И у тех и у других есть мутации (разные) в гене α-лактоглобулина, в результате которых лактоза не может производиться.

Люди и лактоза.

Оказывается, в последние годы разработан изотопный метод, позволяющий отличить молочный жир от жировой ткани, даже у тех же животных: у них будет немного отличаться доля 13С в разных жирных кислотах. И метод этот настолько чувствителен, что позволяет проверить следы жирных кислот на археологической керамике и сказать, что хранили в данном горшке - жирное мясо или молоко. Поэтому можно проследить, когда и где  начали использовали в пищу молочные продукты. Исходя из этого метода, получается, что самые древние места, где начали использовать молоко - это Анатолия, а время - середина  7 тысячелетия до н. э. [5]. В 6 тысячелетии до н. э. использование молока начало распространяться в Европе, а в 4 тысячелетии до н. э. достигло Британии.

В 6 тысячелетии до н.э. скотоводство распространилось и в те области, которые стали впоследствии пустыней Сахара. В Сахаре есть пещерная живопись, изображающая большие стада коров, рядом с ними - люди, собирающие жидкость в какие-то горшки ((см. картинку из [6]).

Жидкость могла бы быть кровью (и в наше время есть африканские племена, которые, вместо использования молока, периодически устраивают коровам кровопускание и пьют кровь), но анализ керамики начиная с середины 6 тысячелетия до н. э. показывает, что жители Сахары использовали не кровь, а молоко. Причем, в отличие от неолитических культур Ближнего востока, жители Сахары были только охотниками и скотоводами, сельским хозяйством они не занимались, то есть зависели от молока гораздо сильнее, чем жители Анатолии.

sahara

Использование молока - это в первую очередь молочнокислые продукты, сыры и твороги; в них всех лактозы нет или мало. Но, видимо, способность усваивать лактозу во взрослом возрсте всё-таки дает какое-то преимущество, потому что популяции, распространившиеся с распространением молочного скотоводства, приобрели эту способность.  Ниже представлена карта ее распределения [3].

map
На карте видно, что есть три района, где почти все умеют усваивать лактозу. Один - на севере Европы. Другой - на юго-запад от Сахары. Третий - в Аравии. Подробно из них изучены первые  два.

Когда стали исследовать устройство гена лактазы у европейцев, обнаружили, что его не-исчезновение в возрасте >3 лет - следствие определенного варианта в участке ДНК на 13910 оснований выше гена лактазы. Основание Т в этом положении  не позволяет белку-репрессору связаться с участком ДНК, и ген продолжает функционировать.

Практически вся способность европейцев использовать молоко связана именно с этим аллелем. На карте ниже [3] изображено его географическое распределение.

map-eur

Аналогично, неисчезновение лактазы в африканских популяциях связано с другим аллелем: основанием С в положении 14010. Оба аллеля несут следы недавнего отбора.

Казалось бы, всё просто: в тех популяциях, которые связали свою судьбу с молочными продуктами, произошел отбор, и распространился аллельный вариант, позволяющий взрослым людям усваивать лактозу.

Видимо, отбор происходил тем сильнее, чем больше популяция зависела только от молочной пищи. В Европе 80-90% англичан или шведов, но только 50-60% жителей южной Европы имеют этот аллель. Но, вроде бы, есть данные, что и на юге процент носителей этого аллеля вырос  по сравнению с древними временами (страна басков) или даже со Средними веками (Венгрия). Отбор, судя по всему, был, но по-прежнему не очень понятно, по каким параметрам.

1.       Brüssow, H. (2013) Nutrition, population growth and disease: a short history of lactose. Environ Microbiol. (preprint)
2.       Reich, C.M., and Arnould, J.P.Y (2007) Evolution of Pinnipedia lactation strategies: a potential role for α-lactalbumin? Biol Lett. 3: 546–549.
3.       Gerbault P, et al. (2011) Evolution of lactase persistence: an example of human niche construction. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 366 :863-77
4.       Tishkoff, S.A., et al. (2007 Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe. Nat Genet. 39:31–40
5.       Evershed, R.D. et al. (2008) Earliest date for milk use in the Near East and southeastern Europe linked to cattle herding Nature 455, 528-531
6.       Dunne,J. et al. (2012) First dairying in green Saharan Africa in the fifth millennium BC Nature 486, 390–394.
Tags: история, чуть-чуть биологии
Subscribe

  • (no subject)

    Наблюдаю из окна своей работы удивительное явление. Поскольки Пурим в Иерусалиме не тогда, когда в других местах, власти решили принять меры, чтобы…

  • (no subject)

    Amnesty International объявила, что она отказывает Навальному в праве называться узником совести, в связи с тем, что в прошлом он позволял себе hate…

  • Доктор, что это было?

    Что-то интересное. Вчера сказали, что Биби неожиданно собрал правительство по какому-то срочному секретному поводу. Секреты у нас не очень долго…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 12 comments

  • (no subject)

    Наблюдаю из окна своей работы удивительное явление. Поскольки Пурим в Иерусалиме не тогда, когда в других местах, власти решили принять меры, чтобы…

  • (no subject)

    Amnesty International объявила, что она отказывает Навальному в праве называться узником совести, в связи с тем, что в прошлом он позволял себе hate…

  • Доктор, что это было?

    Что-то интересное. Вчера сказали, что Биби неожиданно собрал правительство по какому-то срочному секретному поводу. Секреты у нас не очень долго…