Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Железо входит в состав живых тканей, правда, в очень малых количествах. В организме существуют сложные жизненно важные белковые молекулы, для нормальной работы которых необходимы небольшие количества железа. Это цитохромы, о которых я уже упоминал ранее в связи с токсическим действием синильной кислоты.
Цитохромы распределяют кислород в клетках, помогая его взаимодействию с содержащимся в пище водородом и таким образом высвобождая энергию, которая поддерживает жизнеспособность клеток. Оказавшись рядом с молекулой кислорода, молекула цитохромы присоединяет ее. Потом она передает ее на другие молекулы и, освободившись, присоединяет следующую молекулу кислорода. Одна молекула цитохромы может за секунду передать несколько тысяч молекул кислорода. По этой причине для нормального функционирования клетки необходимо всего несколько молекул цитохромы.
Этот процесс похож на строительство кирпичного здания. Чтобы возвести его, могут понадобиться тысячи кирпичей, но, чтобы построить стены, достаточно всего двух или трех каменщиков.
Цитохромы имеются во всех клетках, за исключением некоторых бактерий. К этим бактериям относятся те, которые получают энергию в результате реакций, не требующих присутствия кислорода. Это анаэробные микроорганизмы, примером которых могут служить бактерии, вызывающие столбняк.
Цитохромам в клетках взрослого мужчины массой 70 килограммов для нормального функционирования требуется около 0,8 грамма железа. Это не так уж много для целого организма. К сожалению, железо нужно не только цитохромам. Когда организмы стали многоклеточными и появилось кровообращение, образовался железосодержащий белок — гемоглобин. Молекулы гемоглобина должны были путешествовать в легкие (или жабры) для присоединения кислорода и возвращаться в клетки к цитохромам.
Потребовалось значительное увеличение количества железа. Вспомните о каменщиках, строящих дом. Здание малó, и нужное количество кирпичей находится на расстоянии вытянутой руки, так что каменщиков тоже много не требуется. Такая же ситуация с простыми организмами, живущими в океане. Но допустим, что здание многоэтажное, под рукой нет достаточного количества кирпичей, и каменщикам приходится спускаться за ними на нижние этажи и переносить их вручную. Очевидно, что нужно нанимать больше строителей, если вы хотите быстро построить дом.
Аналогичная ситуация происходит в человеческом организме. В легкие должно поступать множество молекул гемоглобина, присоединять по четыре молекулы кислорода и нести их цитохромам в клетках. (В мышечной ткани находится белок миоглобин, молекулы которого сходны с молекулами гемоглобина, но составляют всего четверть их размера и содержат один атом железа. Миоглобин действует как посредник, принимая кислород у гемоглобина в крови и передавая его цитохромам в мышечных клетках.)
Кроме того, организм всегда запасает немного железа на будущее в виде белковых молекул — ферритина, которые находятся в печени, селезенке и костном мозге. Молекула ферритина по массе почти на четверть состоит из железа.
Общее количество железа в организме, включая гемоглобин, миоглобин и ферритин, составляет около 7 граммов. Это немного, но почти в девять раз больше, чем потребовалось бы организму, если бы его размер и строение исключали необходимость в системе кровообращения.
Хотя требуемое клеткам человека количество железа в девять раз превосходит количество, необходимое простому морскому организму, у нас не развит механизм усвоения железа. Возможно ли это? Если да, то это напоминает картину, когда город разрастается, становясь в девять раз больше своего первоначального размера, а транспортная система остается прежней. Неудивительно, что над нами постоянно висит угроза железодефицитной анемии.
На эту ситуацию организм реагирует сохранением запасов железа.
Опасность естественной потери железа возникает тогда, когда погибает красная клетка. Красные клетки не вечны. Постепенно они стареют, распадаются и погибают. Когда это происходит, молекулы гемоглобина в составе красных клеток также погибают. На 95 % молекула гемоглобина состоит из белка, не содержащего железа. Он носит название глобина. Глобин расщепляется на мелкие группы атомов, которые могут использоваться для создания других протеинов или иных целей. Участь глобина не так уж важна, поскольку при необходимости он может вырабатываться в организме в достаточном количестве.
Оставшиеся 5 % молекулы гемоглобина представляют собой железосодержащий гем. Кроме атома железа, гем состоит из сложной конструкции атомов, которая называется порфириновым кольцом. Организм избавляется от гема, разрывая порфириновое кольцо, и освобождая атом железа. Разорванное кольцо лишенное железа, является одним из желчных пигментов. (Пигментом оно называется потому, что эти соединения обычно окрашены. Само порфириновое кольцо и молекулы, в которые оно входит как составная часть, окрашены в пурпурный цвет. Слово «порфирин» происходит от греческого «пурпурный».)
Цвет желчных пигментов варьируется от красного до зеленого. После образования они выделяются из крови печенью, которая отправляет их в кишечник в составе секрета — желчи. Эти молекулы разорванного порфирина первоначально были обнаружены в желчи, поэтому их и называют желчными пигментами. Они проходят по кишечнику и выделяются из организма. Своим цветом человеческие экскременты обязаны желчному пигменту. Для организма не представляет трудности накапливать порфирин, в отличие от глобина, поэтому он создает дополнительные запасы порфирина.
Иногда случается, что проток, ведущий от печени к кишечнику, через который должна проходить желчь, заблокирован камнем. В этом случае пигмент накапливается сначала в печени, а потом переходит в кровь. Зеленоватый цвет пигмента просвечивает через кожу. Это состояние известно как желтуха. У нее могут быть и другие причины, например некоторые заболевания печени и нарушения, в результате которых происходит слишком быстрое расщепление красных клеток.
У молекулы гемоглобина есть и третья часть — сами атомы железа. Они не покидают организм и используются для создания новых молекул гемоглобина.
Некоторые ученые предполагают, что эффективность, с которой происходит отложение атомов железа в организме, может иметь свои недостатки, а плохое усвоение железа — не показатель плохой работы организма, а необходимое средство, препятствующее слишком сильному накоплению этого элемента. Существуют люди, которые по неизвестным пока причинам усваивают ненормально большое количество железа. С годами в организме таких людей может накапливаться до пятидесяти граммов избыточного железа (в семь раз больше нормы) в виде ферритина или другого железосодержащего белка — гемосидерина.
Это состояние, противоположное железодефицитной анемии, называется гемохроматозом. Лечение заключается в том, что каждую неделю или две у пациента выпускают кровь, чтобы снизить уровень содержания железа. Это один из случаев, при котором старинный метод кровопускания приносит пользу.
Интересно знать, почему у летучей мыши — вампира, питающегося исключительно кровью и получающего большое количество железа, содержание железа в организме не превышает нормальных значений. Может, она плохо усваивает железо или способна избавляться от него? Мне ни разу не попадалась информация по этому вопросу.
Сколько раз атомы железа должны оторваться от одной молекулы гемоглобина и присоединиться к другой, зависит от срока жизни красной клетки. Оказалось, что продолжительность ее жизни не так-то легко определить. Под микроскопом все красные клетки выглядят одинаково: среди них нет молодых и дряхлых. И все-таки они не вечны. В крови часто находят маленькие фрагменты погибших клеток (гемокония или кровяная пыль). Они переносятся в селезенку и там уничтожаются крупными клетками макрофагами. Что известно о жизни красных клеток?
Существуют две версии. Либо жизнь красной клетки зависит от случая, так что некоторые из них живут всего несколько минут, другие — недели, а третьи — годы, в зависимости от того, как часто красная клетка контактировала со стенками кровеносных сосудов и была травмирована, либо у нее есть определенная продолжительность жизни, независимо от условий существования.
Ответ был найден при помощи изотопов, и это только один пример того, как тысячи научных проблем были разрешены за последнее время посредством этой новейшей технологии.
Большинство атомов существуют в нескольких разновидностях, которые называются изотопами. Например, атомы азота существуют в двух разновидностях — азот14 и азот15. Из них чаще встречается азот14. Из всех атомов азота он составляет 99,64 %, а азота15 всего 0,36 %. Молекула гемоглобина состоит из 750 атомов азота, из которых всего два атома (в среднем) представлены азотом15, а остальные — азотом14.
