Насос,который не смастерил бы и Левша

 

 

 

Теперь настало время вспомнить о том, почему ионы натрия и калия действуют по разные стороны клетки и чем интересна разность потенциалов, возникающая в растворах организма.

Ионы калия находятся преимущественно внутри клеток, а ионы натрия — во внеклеточном пространстве. Именно этот факт представляет собой одно из удивительнейших и не совсем пока объясненных феноменов жизни. Казалось бы, все должно было бы быть наоборот: ведь ион натрия почти в 1,5 раза меньше иона калия, он легче проникает через мембраны и, следовательно, в самой клетке его должно было бы быть больше, чем неповоротливых ионов калия. Однако ионы натрия легче притягивают к себе молекулы воды, образуя вокруг себя толстую гидратную оболочку, препятствующую проходу через мембрану. Собственно говоря, поэтому и считают, что натрий способен удерживать воду. Вот почему издавна солдат в летних походах, чтобы уменьшить жажду, кормили селедкой. Сегодня по этой же причине в горячих цехах рабочих обеспечивают подсоленной водой.

Видимо, поэтому же клетка стремится изгнать из себя натрий,— чтобы в ней не накапливалась вода и не происходил бы осмотический шок. В крови, например в эритроцитах, калия больше, чем натрия, почти в 15 раз, тогда как в плазме его в 20 раз меньше. Лишь после гибели организма внутри и вне клеток устанавливается величина ионов калия и натрия, соответствующая их коэффициентам диффузии. Но зачем же необходимо различие в этих ионах? Для создания разности потенциалов, как известно, способствующей перемещению зарядов.

Удивительная и даже где-то противоестественная на первый взгляд способность живого организма регулировать потоки калиевых и натриевых ионов породила много толков о механизме этого процесса. Считали даже, что дело в особых свойствах внутриклеточной воды, но постепенно многие предположения отпали. Сегодня все многообразие этого явления рассматривается в виде модели, которая получила название ионного, или натриевого насоса. Это очень точное название живого устройства, которое «перекачивает» ионы «против течения», препятствуя градиенту концентрации.

Первым, кто сообщил о существовании разности электрических потенциалов в организме и усиленно изучал его электрическую активность, был известный немецкий физиолог прошлого века Э. Дюбуа-Реймон. Его излюбленным «инструментом» в этом деле была обыкновенная лягушечья кожа. Именно она является прекрасным пособием при изучении как биологических мембран, так и натриевых насосов.

Судите сами. Если поместить кожу лягушки в раствор поваренной соли, то окажется, что она способна перекачивать ионы со стороны своей наружной поверхности по направлению к внутренней. Этот процесс может продолжаться даже тогда, когда концентрация соли в растворе с внутренней стороны кожи станет в 10 тыс. раз больше, чем с наружной. Естественно, что лягушечья кожа гораздо сложнее, чем просто мембрана, но она представляет собой удобную модель для экспериментов. Исследования ионных насосов проводятся на самых разных органах животных, таких, как желчный пузырь золотых рыбок, мочевой пузырь жаб, нервные волокна кальмаров и крабов... Транспорт ионов при помощи натриевого насоса назвали активным.

Как мы знаем, для действия любой машины нужна энергия. Что же движет нашим насосом?

В течение многих лет ученые не могли подобрать ключи к энергетическому механизму натрий-калиевого насоса. Он оставался вещью в себе, как любят сейчас говорить кибернетики,— «черным ящиком». А между тем ящик этот открывался довольно просто: источником энергии для его работы служит тот же аденозинтрифосфат — АТФ.

Как полагают, живой натриевый насос представляет собой фермент, расщепляющий АТФ, который встроен в саму мембрану (подобно самым совершенным техническим агрегатам, где насос и двигатель скомпонованы в единую систему — моноблок). Такая машина запускается в работу при повышении концентрации натрия внутри клетки или калия вне ее

Остается добавить, что действие этого фермента, называемого натрий-калий зависимая АТФаза, подавляете» различными ядами, которые тормозят и работу натриевого насоса. Это обстоятельство, собственно говоря, позволило сделать выводы, что именно АТФаза является генератором энергии нашего насоса.

Коль у нас пошли такие индустриальные, что ли, аналогии, то еще заметим, что из натриевого насоса можно сделать генератор по типу такого, какой имеется в гидроэлектростанции, заставив его вращаться от потока ионов. В самом деле, экспериментаторы доказали, что если пропускать ионы натрия и калия по градиенту концентрации, а не против, как это имеет место в живой клетке, то будет происходить синтез АТФ. Не сулит ли это в перспективе создание ультрамикрогенераторов для каких-либо бионических устройств, имитирующих, скажем, человеческий мозг?

Остановимся на одном типе натриевого насоса, который встречается лишь у галобактерий — микроорганизмов, обитающих в очень соленых водоемах. Они могут развиваться только в воде с содержанием хлористого натрия не менее 12 %. Всякое понижение концентрации солей для них гибельно (начинает возникать осмотический шок). Поэтому-то впервые они были обнаружены именно в испарительных бассейнах, из которых добывают соль. У галобактерий натриевый насос работает, помимо всего прочего, за счет световой энергии, поскольку часто им не хватает энергии окисления, энергии дыхания. Для этого служит специальный белок — бактериородопсин.

Родопсин, или зрительный пурпур,— это светочувствительный сложный белок, который заключен в сетчатке глаза к качестве зрительного пигмента палочковых клеток. Поглощая квант света, родопсин распадается, вызывая возбуждение зрительного нерва. В темноте же он синтезируется вновь. Так вот, аналогичный белок, обнаруженный в галобактериях, назвали бактериородопсином. У них ро-. допсин служит дополнительным насосом, работающим от световых квантов. Сложную структуру и этого белка удалось расшифровать коллективу исследователей под руководством академика Ю. А. Овчинникова.

И опять польза от соли, которую мы потребляем с пищей: она способствует созданию определенной концентрации ионов натрия в плазме крови, то есть во внеклеточном пространстве, если за клетки принимать эритроциты. И вот почему кровь соленая... Разность же электрохимических потенциалов, возникшая благодаря ионам натрия, является источником энергии для доставки питательных веществ клетке, что и обеспечивается натриевым насосом.

 

 

Нервы - живые провода

 

 

Разделенные мембранами ионы калия и натрия становятся главными исполнителями еще одного удивительного действа — передачи нервного импульса. Характерно, что природа для распространения сигналов пользуется теми же средствами, что и человек,— вернее, мы скопировали у природы способ электрической передачи информации. Единственное различие здесь, пожалуй, в том, что природа прибегает одновременно и к услугам химии. Иными словами, передача нервного импульса (сигнала) происходит при помощи разности потенциалов, создаваемой ионами.

Предположение о химической природе нервного возбуждения было высказано тем же Дюбуа-Реймоном еще в 1877 году; однако его подтверждение — уже достижение современного естествознания.

Как известно, передача нервного раздражения происходит благодаря специальным нервным клеткам — нейронам. Их особенностью является то, что они имеют многочисленные отростки разных размеров, один из которых, самый длинный, называется аксоном и служит проводником сигналов для органа, с которым соединяется. Аксон представляет собой нечто вроде изолированного телеграфного кабеля. Впрочем, сравнение это несколько условно; аксон похож скорее на трубу, в которой находится жидкость, и сам он погружен в жидкость. Обе эти жидкости — и наружная, и внутренняя — хорошо проводят электрический ток, ибо содержат растворенные соли.

И здесь, как и во всякой живой клетке, мы опять встречаемся со знакомой картиной. В жидкости, омывающей аксон, содержатся ионы натрия и хлора; во внутренней жидкости — катионы калия и органические анионы. Разумеется, такая конструкция проводника уступает проволочному кабелю в электропроводности (примерно 100 м/с против почти мгновенной у медного провода). Но для данных целей этого, видимо, достаточно, ибо природа пошла несколько иным путем: у животных, которые должны ответить мгновенной двигательной реакцией на те или иные опасные ситуации (например, реактивное движение кальмара), развились гигантские аксоны с большим поперечным сечением для быстрой передачи импульса. Мы не напрасно упомянули о кальмарах. Для электрофизиологических экспериментов именно их аксоны являются идеальными объектами; при этом выводы, полученные при исследовании, можно смело распространить и на все другие нервные волокна.

Счастливой находкой такого замечательного объекта для выяснения природы нервного импульса наука обязана английским исследователям А. Ходжкину и Э. Хаксли, работавшим в Морской биологической лаборатории в Плимуте.

Логично предположить, что у очень крупных кальмаров должны быть невиданных размеров аксоны. А такие кальмары, или, как их называют, спруты, многократно описанные в приключенческих книгах, действительно существуют, и их тела могут достигать десятков метров. Одни глаза у таких чудовищ величиной с тарелку, можно представить, какие же у них шупальца! Но, увы, такие экземпляры встречаются крайне редко, и вряд ли их можно поймать да еще невредимыми доставить к столу экспериментатора. Физиологи для своих исследований применяют аксоны небольших кальмаров с полуметровыми щупальцами. Зато одиночное нервное волокно у них толще, чем у позвоночных животных, чуть ли не в 1000 раз. Вот такой аксон и называют гигантским. В него можно вводить микроэлектроды и замерять различные характеристики электрического тока.

 

 

 

 

Электричество внутри нас

 

 

 

 

Начав работу в конце 30-х годов, Ходжкин и Хаксли за свои классические исследования нервных клеток в 1963 году получили Нобелевскую премию. Они детально изучили события, с которыми связано прохождение электрического импульса по нервному волокну, выявили их зависимость от концентрации ионов калия и натрия. И установили следующее.

Когда нервная клетка находится в покое, внутри ее наблюдается отрицательный заряд, возникающий не без участия мембраны. Его называют потенциалом покоя, и он равен -- 70 мВ. Как только клетка получает команду к действию — сигнал возбуждения, резко возрастает проводимость мембраны для ионов натрия и калия (что происходит в результате деятельности белков, образующих каналы для прохода). Потенциал покоя падает до нуля — как говорят, мембрана деполяризуется. Затем напряжение возрастает до положительной величины +50 мВ. Оно возникает потому, что при образовании каналов катионы натрия проникают в клетку, а катионы калия, наоборот, выходят наружу, правда, с некоторым запозданием. Изменение отношений их концентраций и приводит к перемене знака потенциала. В этой тонкости и заключен весь смысл передачи нервного импульса. Это уже потенциал действия. Он длится 10 мс, из которых примерно 1 мс приходится на пиковый потенциал. Величина потенциала действия равна алгебраической сумме потенциала покоя и потенциала, образованного движением катионов натрия и калия: +50—(—70) = 120 мВ. Вот такие сигналы, словно точки и тире азбуки Морзе, управляют нашими действиями.

В течение многих лет физиологи пытаются изменить концентрации по обе стороны мембраны аксона, манипулируя различными веществами, но вывод остается один: натрий и калий в определенных концентрациях ответственны за образование потенциала покоя и действия. Впоследствии выяснили, что ионы этих металлов проходят через мембрану нерва по разным каналам. Наиболее убедительные доказательства этого были получены при использовании сильнейшего нервного яда — тетродотоксина, который содержится в органах рыбы-собаки. Любопытно, что один из ее видов является деликатесом в Японии. Фугу — так японцы называют эту рыбу — бывает ежегодно причиной смертельного отравления десятков людей, но это не останавливает любителей полакомиться экзотическим блюдом. Собственно говоря, такой ядовитой рыбой и заинтересовались ученые, а потом уж был выделен чистый кристаллический препарат тетродотоксина, который и нашел применение в исследовании ионной проводимости. Его высокая специфичность действия была использована для оценки числа натриевых каналов в мембране нервной клетки. Оно весьма невелико, всего несколько десятков на 1 мкм2.

Предполагается, что перемещение в этом случае ионов натрия подчиняется обычным законам диффузии. Но такой вывод не относится к"ионам калия. Число калиевых каналов в мембране нерва значительно больше, и не исключено, что они транспортируются специальными переносчиками.

Значительное место отводится также металлам-братьям и в биохимических представлениях о мозговой деятельности. Известно, что память у нас бывает двух типов: кратковременная и длительная. Скажем, конспектируя, лекцию, мы запоминаем слова на несколько секунд непосредственно перед записью. Это память кратковременная. Длительной памятью мы пользуемся тогда, когда нужно что-нибудь запомнить надолго.

В настоящее время выдвигается гипотеза о том, что механизм кратковременной памяти имеет ионную природу. Известно, что ионные связи непрочны, способны к быстрому разрушению — потому-то и память «коротка». Здесь главную роль отводят соединениям калия и натрия, которые легко диссоциируют в растворах на ионы (а в организме реакции практически протекают именно в растворах). Длительную же память связывают с образованием более стабильных белковых структур.

И в заключение этого раздела вот на чем хотелось бы сконцентрировать внимание читателя. Для нашего организма крайне важно поддержание постоянства внутренней среды и прежде всего кислотно-щелочного равновесия. В самом деле, и обмен веществ вообще, и любая биохимическая реакция в частности протекают нормально только в определенных, строго сбалансированных условиях динамического равновесия — гомеостаза. Естественно, что все вещества, попадающие в организм, так или иначе влияют на это состояние, но самыми важными здесь, как это установлено, являются натрий и калий.

Памятуя об этом, сможем ли мы все же решить для себя поистине жизненный вопрос: солить или не солить?..

 

 

 

Металл живых конструкций

 

 

 

Чуть больше 200 лет назад во втором кругосветном путешествии Джеймса Кука сопровождал немецкий естествоиспытатель Иоганн Рейнгольд Форстер, воображение которого поразила изумительная картина коралловых островов Тихого океана. Но дело было не только в красоте рифов и лагун. Форстер, пожалуй, первым осмыслил и оценил ту грандиозную созидательную деятельность живых организмов, благодаря которой возникают известковые массивы.

В течение невообразимо долгих геологических эпох происходило накопление скелетиков, панцирей и раковин отмирающих организмов. И вот — целые горы! Такие, как, скажем, в Англии. Древнее название этой страны — Альбион происходит от латинского «альба» — белый. Когда римские завоеватели, предводительствуемые Цезарем, подплывали к британским берегам, первое, что они увидели, были меловые скалы Дувра...

Правда, еще за 40 лет до Форстера великий шведский натуралист Карл Линней сказал: «Omne calx ex vermibus» («Весь известняк из червей»), подразумевая под червями всех тогда еще мало изученных беспозвоночных. Сказал, но дальше этого не пошел. Форстер же, вернувшись из плавания, опубликовал книгу, где изложил свои взгляды, которые вскоре нашли отражение в трудах многих европейских ученых.

Известняк, мел, мрамор... Все это по-латыни именуют словом «кальке», от которого произошло название серебристого элемента из семейства щелочных металлов — кальция. И недаром. Ведь известняк, а также мел и мрамор — это породы, состоящие из кальцита, минерала, содержащего карбонат кальция, его углекислую соль. Поэтому, прочтя эпиграф к этой главке, можно сразу же заметить в нем неточность. Но простим поэту вольность, тем более что мрамор действительно «породистый кристалл», образовавшийся из известняка под колоссальным давлением при рождении гор.

Кальций по распространенности в природе занимает пятое место среди всех элементов и третье — среди металлов, после алюминия и железа. В нашем организме он тоже занимает пятое место. Его кларк в земной коре равен 2,96, а в организме человека 1,4. Можно сказать, что это числа одного порядка. В связи с этим В. И. Вернадский заметил: «Но может быть, ни для какого химического элемента это значение живого вещества не выражено так резко и ярко, как выражено оно для кальция, для того металла, который резко преобладает над другими по своей концентрации в организмах, в среднем составе живого вещества. Мы видели, что в среднем количество его в живом веществе приближается к его среднему количеству в земной коре; это единственный металл, который концентрируется в организмах и выделяется в них в виде карбонатов, фосфатов, оксалатов и т. п.».

По-видимому, ни один другой металл, даже железо, не играет такой важной биологической роли, как кальций. И было бы заблуждением считать, что он идет лишь на построение скелета. Нет! По своим свойствам в живых системах он настолько универсален, что, пожалуй, не имеет себе равных не только среди металлов, но и среди других химических элементов. Достаточно сказать, что кальций присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений, а его ионы оказывают влияние практически на все процессы, протекающие в клетке, активируют действие многих ферментов, способствуют свертыванию крови, регулируют проницаемость клеточных мембран, стимулируют передачу нервного импульса, являются основными участниками механизма мышечного сокращения.

Кальция в нашем организме содержится больше, чем остальных металлов, вместе взятых,— целый килограмм! Это понятно: основная масса его входит в состав скелета, весящего у взрослых 12 кг и составляющего почти 18 % общего веса человека. До недавнего времени считали, что скелет является только опорой для тела и способствует передвижению. Сегодня мы знаем, что помимо всего прочего он активно участвует в обмене веществ и прежде всего — кальция. При необходимости организм может мобилизовать из скелета в 3 раза больше ионов этого металла, чем его содержится во внеклеточной жидкости. Костная ткань, как сейчас установлено, находится в постоянном обновлении...

В нашем теле насчитывается более 200 костей. Они состоят из различных веществ, среди которых преобладающими являются соединения кальция с фосфором, в основном в виде оксиапатита, имеющего кристаллическую структуру (рис. 18). Всякий раз, когда касаешься какого-либо «устройства» живой природы, не перестаешь поражаться его целесообразности. Вот так же и с нашим скелетом, представляющим собой систему с фантастически огромной по площади поверхностью — около 2 тыс. км2! Благодаря этому костная ткань может чрезвычайно быстро реагировать на изменение водно-солевого состава крови и служит своеобразным буфером, поддерживающим постоянное равновесие внутренней среды организма.

Нет ничего удивительного, что наша потребность в кальции велика: у взрослых 8 мг на 1 кг веса, у беременных и кормящих женщин — 24 мг, а у грудных детей — даже 50 мг. И если в организм взрослого человека кальций попадает с разнообразной пищей, то у младенцев единственным его источником является молоко.

Особенно важное значение для обогащения организма ионами кальция имеет питьевая вода. По содержанию растворенных солей кальция природную воду обычно делят на жесткую, когда их много, и мягкую — с пониженной их концентрацией. Жесткая вода — враг паровых котлов, водопроводных труб и чайников, плохо пригодна для использования в промышленности и быту, так как способна интенсивно отлагать накипь и почти не дает пены при стирке. То ли дело вода мягкая, как хорошо в ней стирать и мыть волосы! Однако жесткая вода гораздо полезнее для нас, потому что богаче кальцием. Медики установили статистическую закономерность: чем мягче питьевая вода, тем чаще встречаются сердечно-сосудистые заболевания. Здесь еще много неясного, но определенная зависимость налицо. Вот и опять следует призадуматься любителям новомодной диеты, пьющим только дистиллированную воду. Стоит ли?

Обмен кальция не происходит, разумеется, сам по себе, он регулируется определенными биологически активными веществами. Особенно важен здесь витамин D, называемый иначе кальциферолом. Именно его дифицит приводит к замедлению поступления кальция в костную ткань, от чего возникает всем известная детская болезнь — рахит. Впрочем, от недостатка витамина D страдают не только дети, но и взрослые, правда, значительно реже. У них могут развиваться всяческие нарушения, связанные с размягчением костей.

Определенный уровень ионов кальция поддерживается особыми гормонами, выделяемыми щитовидной и околощитовидными железами. Щитовидная железа вырабатывает среди прочих гормон тиреокальцитонин, открытый в 1962 году. Он обладает способностью понижать уровень кальция в крови, что, в свою очередь, вызывает деятельность околощитовидных желез. Они выделяют свой, так называемый паратиреоидный гормон, или, иначе, парат-гормон, который, наоборот, способствует увеличению выхода кальция из костей. Вот так на гормональных весах происходит дозировка живительных ионов.

И все же часто под действием различных факторов происходит сбой в регулировке кальциевого равновесия. Возьмем космические полеты. Наш организм рассчитан на действие определенной силы тяжести, которой прекрасно противостоит скелет. Собственно, в этом — его основное предназначение. Более того, чем выше нагрузка на организм, чем больше он находится в движении, тем более устойчивым становится скелет. В космосе же ощущается не только дефицит тяготения (невесомость), но и недостаток двигательной активности (гиподинамия). Все это может приводить к значительному изменению фосфорно-кальциевого обмена, при котором эти элементы усиленно выделяются из организма. Поэтому включение в меню космонавтов специальной диеты, обогащенной кальцием, и повышение физических нагрузок во время космических полетов (все видели по телевидению, как они крутят педали велоэргометра) дают положительные результаты. Разумеется, не только космонавтам полезны физические нагрузки. В наш век от гиподинамии страдают очень многие. Спасение от этого одно — приобщение к спорту, физическому труду.

Но бывает так, что ни диета, ни физкультура не помогают, и в организме развиваются патологические процессы, особенно в старости, когда соли кальция, совсем как в водопроводных трубах, начинают оседать на стенках сосудов. Происходит кальцинация — известкование, наступает кальциноз, или, как раньше называли эту болезнь, артериосклероз. Обызвествленная ткань становится плотной и ломкой. В связи с этим интересно высказывание одного старого немецкого врача, утверждавшего, что артериосклероз — это старческая болезнь, которую можно пожелать каждому. Почему? Да потому, что увядающий организм не может больше восстанавливать свои утончающиеся артерии путем образования новой ткани и вместо этого посылает для их «ремонта» известь, которая цементирует поврежденные участки. Что же, может быть... Особая роль принадлежит кальцию в механизме мышечного сокращения. Этот процесс происходит при взаимодействии двух основных мышечных белков — миозина и актина. В результате присоединения ионов кальция актин становится способным реагировать с миозином. Соединяясь, они образуют основной сократительный элемент мышечных волокон — актомиозин, который обладает каталитической активностью: расщепляет АТФ, тем самым высвобождая энергию для мышечного сокращения. Без ионов кальция эта цепочка биохимических превращений не смогла бы функционировать.

Активность кальция как биометалла зависит прежде всего от механизма его прохождения через мембраны. И здесь мы снова должны прибегнуть к той модели, которая нам известна как насос. Принцип действия такого насоса аналогичен натриевому. Основные его «детали» — это фермент и ионный канал. В качестве первого выступает АТФ-аза с молекулярной массой 100 тыс, каналы же образуются сравнительно небольшими молекулами липо-протеина с массой 12 тыс.

Поддерживая определенную концентрацию ионов кальция, такой насос выполняет роль клеточного регулятора. Все здесь как будто бы ясно, однако невероятная универсальность кальция, влияющего практически на все внутриклеточные процессы, как-то не укладывалась ни в какие рамки. Оказалось, что в клетках, по крайней мере имеющих ядро, содержится особый белок — калмодулин, который способен связываться с ионами кальция при повышении их концентрации до определенного уровня. Вот такой весьма активный комплекс (а не сам кальций) и взаимодействует с разными ферментами, активируя их. По-видимому, калмодулин является регулятором концентрации ионов, запуская и выключая кальциевый насос.

А что если именно в работе насосов-невидимок и кроется загадка роковой зависимости сердечных заболеваний от жесткости питьевой воды? Ведь сердце — это прежде всего мышцы, работа которых, как и всех других мышц, зависит от нормального поступления ионов кальция. И если их недостаточно, то развивается недуг.

Вот так и для работы любой микроскопической клетки живого организма, и для построения его опорной конструкции — скелета — везде необходим работяга кальций, самый универсальный металл из всех металлов жизни.

 

 

 

Вместо заключения

 

 

 

Замечательный советский биохимик академик В. А. Энгельгардт заметил: «Важнейшие функции и характерные специфические черты живых образований — наследственность, движение, функции органов чувств, энергетика, природа заболеваний, явления иммунитета...» Как мы уже успели узнать, любая из этих перечисленных характеристик живого так или иначе связана с присутствием в организме металлов.

Мы ограничились рассказом только о десяти металлах, биологическое действие которых пока доказано наиболее полно. Но, конечно же, этим числом не исчерпывается содержание металлов в организме. Их там гораздо больше. Достаточно сказать, что в живых существах обнаружено так же присутствие хрома, никеля, ванадия, стронция, олова, свинца, ртути, мышьяка, алюминия и даже таких экзотических металлов, как бериллий, цезий, рубидий, не говоря уж о серебре и золоте. Специалисты не исключают, что в нашем организме имеются все металлы менделеевской таблицы. Однако биологическая роль далеко не каждого из них ясна. Так или иначе, но содержание химических элементов в живых организмах отражает состав окружающего нас мира.

И все же... И все же совершенно неясно, зачем нам, например, такой редкостный и радиоактивный металл, как уран? Наш старый знакомый Гомо Кондитионалис содержит его в количестве 0,00009 грамма. Разумеется, это чрезвычайно малая величина, но пренебречь ею, видимо, нельзя. В последнее время некоторые исследователи, изучая накопление урана в живом веществе прошлых геологических эпох, пришли к весьма любопытному выводу — этот металл в значительной мере мог изменить ход биологической эволюции.

А для чего нам свинец, олово, ртуть или, скажем, золото? Что это — случайные примеси, попавшие в наш организм из посуды, столовых приборов, консервных банок, зубных коронок и пломб или даже благодаря... разбитым градусникам?

Содержание металлов в нашем организме привлекло к себе внимание и криминалистов. Дело в том, что судебные медики выявили определенную зависимость между концентрациями различных микроэлементов, благодаря чему можно идентифицировать не только биологический материал, но и установить причину смерти: болезнь, травму или отравление. Так, например, под влиянием этилового спирта в печени становится больше кальция, а содержание натрия и калия уменьшается, тогда как в сердце и почках при этом, наоборот, уровень кальция снижается.

Изучение содержания биометаллов и их соотношений чрезвычайно много значит и для диагностики. Известно, что нарушение баланса металлов в организме вызывается патологическими явлениями. Разработка методов ранней диагностики на основе микроэлементного анализа стоит сегодня на повестке дня, и особенно остро для сердечнососудистых заболеваний. Советские исследователи, изучая содержание металлов в крови больных ишемической болезнью сердца и инфарктом миокарда, установили повышение концентрации марганца и никеля при снижении уровня меди, железа и бария. Сравнительно недавно венгерские медики, работающие в этом направлении, обнаружили, что в пробах волос, взятых у больных, перенесших инфаркт миокарда, содержание кальция в несколько раз меньше, чем в волосах здоровых людей. Группа американских ученых заметила отсутствие хрома в тканевых препаратах умерших от атеросклероза; в то же время у умерших от других болезней он имелся.

Думается, что даже по этим примерам можно составить представление о том, каким образом в недалеком будущем предполагается разработка надежных диагностических методов не только для сердечно-сосудистых заболеваний, но и для других болезней.

Весьма интересно было бы затронуть тему о металлах и причинах возникновения так называемых эндемических (от греческого «эндемос» — местный) заболеваний, которые встречаются на ограниченных территориях, характерных низким содержанием в почвах и воде определенных микроэлементов. В изучение причин таких заболеваний большой вклад внесли крупные советские ученые — продолжатели идей В. И. Вернадского А. П. Виноградов и В. В. Ковальский.

Однако вместить в рамки научно-популярной книги все аспекты такой интереснейшей темы, как металлы и жизнь, трудно. Но остановимся напоследок еще хотя бы на одной весьма важной проблеме, которую можно сформулировать так: металлы и рак.

О причинах, вызывающих раковые заболевания, сегодня имеется довольно много различных гипотез. Одна из них имеет прямое отношение к нашей теме. Ее авторы усматривают причину рака в проникновении в живые клетки «чужеродного» металла, который, конкурируя с «родным» металлом того или иного фермента, вызывает изменение его активности. Таким образом, противораковая стратегия, основанная на этой гипотезе, заключается в том, чтобы подобрать вещество, которое могло бы удалять из организма такие «вредоносные» металлы. В общих чертах эта проблема нам знакома. Мы знаем, что вредные металлы можно выводить с помощью лигандов, связывающих их в комплексы.

Однако подобрать вещества, которые целенаправленно прекращали бы рост опухолей, чрезвычайно трудно. Сегодня некоторые из них найдены. Они представляют именно комплексные соединения в основном органических веществ. Хотя механизм их действия до конца не ясен, сторонники «металлической» гипотезы предполагают, что такие соединения способны образовывать в организме хелаты с металлами. Более того, утверждается, что противораковая активность этих веществ повышается, если их вводить в больной организм в виде комплексов с металлами.

В 1969 году было сделано открытие, которое, в общем-то, подтверждало это предположение. Впервые удалось доказать, что значительной противоопухолевой активностью обладают и неорганические комплексы. Это оказались соединения платины. К достоинствам комплексных соединений платины относят широкий спектр терапевтического действия и активность против опухолей различного происхождения. Эти соединения оказались первыми представителями нового класса противоопухолевых препаратов — координационных неорганических соединений металлов, которые в настоящее время весьма интенсивно изучаются исследователями различных стран.

К сожалению, торжествовать победу над грозным недугом еще не пришло время: платиновые комплексы оказались довольно токсичными, что не дает права применять их в полной мере. Поиски продолжаются, и новые открытия еще впереди.

В заключение отметим, что биометаллы вызывают к себе интерес не только тем, что они связаны с процессами жизнедеятельности. Исследование их свойств, особенно проявляющихся при ферментативном катализе и фотосинтезе, позволяет надеяться на создание принципиально новых процессов химической технологии и энергетики. В случае успеха сегодня даже трудно себе представить масштабы изменений, которые могут вторгнуться в нашу жизнь.

 

 

Маленький словарик,

 

в котором дается толкование терминов, использованных без достаточного толкования в тексте

 

Азотфиксаторы (азотфиксирующие микроорганизмы) усваивают молекулярный азот воздуха и восстанавливают его в аммиак. Они участвуют в круговороте азота в природе и снабжают растения доступными для усвоения формами азота.

Активный центр—- часть молекулы фермента, обусловливающая его каталитические свойства и непосредственно взаимодействующая с субстратом. В состав активного центра входят функциональные группы боковых цепей аминокислот, а также во многих случаях атомы металлов и коферменты.

Аминокислоты — органические соединения, содержащие карбоксильные (—СООН) и аминогруппы (—NH2), обладают свойствами кислот и оснований, участвуют в обмене азотистых веществ в организме. Около 20 важнейших аминокислот служат мономерными звеньями, из которых построены все белки (порядок включения в них аминокислот определяется генетическим кодом).

Большинство микроорганизмов и растения синтезируют необходимые им аминокислоты. Животные и человек не способны к образованию некоторых так называемых незаменимых аминокислот и получают их только с пищей.

Аминокислоты служат также исходными соединениями при биосинтезе ферментов, витаминов, гормонов, пигментов и других необходимых организму веществ.

Антибиотики — химические вещества, выделяемые бактериями, плесневыми и дрожжевыми грибками или актиномицетами (лучистыми грибками). Они способны подавлять рост болезнетворных микроорганизмов и даже убивать их, не повреждая при этом клетки человеческого организма. Поэтому некоторые из антибиотиков применяют в лечебных целях: пенициллин, стрептомицин, синтомицин, грамицидин и другие. Антибиотики используются также и при биохимических исследованиях.

Апофермент — белковая составная часть фермента, неактивная в отсутствие кофермента. Апофермент определяет избирательность действия фермента и возможность регуляции его активности.

Белки — органические вещества, построенные из остатков 20 аминокислот. Составляют основу жизнедеятельности всех организмов. Различают простые (протеины) и сложные (протеиды) белки. Протеиды содержат кроме аминокислот небелковый компонент, или простетическую группу.

Белки в живых организмах служат для построения тканей и клеточных компонентов, а также выполняют определенные функции в виде ферментов, гормонов, дыхательных пигментов и т. д.

В организме человека насчитывают свыше миллиона (!) различных белков. Необходимость их постоянного обновления лежит в основе обмена веществ.

Решающая роль в биосинтезе белков принадлежит нуклеиновым кислотам.

Б и о г е о х и м и я — раздел геохимии; изучает' химический состав живого вещества и химические процессы, протекающие в биосфере Земли при участии живых организмов.

Бионеорганическая химия (неорганическая биохимия) изучает комплексы ионов металлов с белками, нуклеиновыми кислотами, липидами и другими веществами. При этом, как правило, рассматриваются ионы десяти важнейших биометаллов, о которых идет речь в книге.