И снова гемоглобин и Шерлок Холмс

 

 

 

Мы говорим: кислород — окислитель. Но союз кислорода и двухвалентного железа в гемоглобине просто невероятное исключение. Здесь никакого окисления не происходит, так как железо сохраняет свою валентность. Недаром английский физиолог, один из основоположников науки о дыхании, Дж. Баркрофт назвал гемоглобин «самым удивительным веществом в мире». Напрашивается такая аналогия: ион двухвалентного железа гемоглобина «берет за руку» молекулу кислорода и «ведет» ее к месту свершения действительного окисления, где и «отпускает».

Но гемоглобин не был бы самым удивительным веществом, если бы не выполнял и другую функцию — выведение углекислого газа с места окисления. И если кислород вводится в клетку гемом, то углекислоту оттуда транспортирует глобин. Таким образом, эритроцит, набитый 280 млн. молекул гемоглобина, представляет собой нечто вроде автобуса, у которого не бывает холостых пробегов. Вот так рационально устроено все в хозяйстве природы. Впрочем, все ли?

«Угарный газ!» — вскричал он... Заглянув в дверь, мы увидели, что комнату освещает только тусклое синее пламя, мерцающее в маленькой медной жаровне посередине. Оно отбрасывало на пол круг неестественного, мертвенного света, а в темной глубине мы различили две смутные тени, скорчившиеся у стены. В раскрытую дверь тянуло странным ядовитым чадом, от которого мы задыхались и кашляли. Холмс взбежал по лестнице на самый верх, чтобы вдохнуть свежего воздуха, и затем, ринувшись в комнату, распахнул окно и вышвырнул горящую жаровню в сад».

Да, как вы догадались, это опять Конан Дойл. Всем известно, что угарный газ, точнее окись углерода, чрезвычайно ядовит и поэтому часто является причиной случайных и преднамеренных отравлений. Это его свойство и использовано знаменитым автором детективных историй в одном из рассказов.

Так вот, окись углерода как раз и является примером того, что не все ладится в хозяйстве природы. Этот газ не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха и, несмотря на свою сильную ядовитость, не оказывает никакого раздражающего действия на организм. Поэтому его присутствие может быть совершенно незаметно. Поступая через легкие в кровь, окись углерода в 300 раз быстрее, чем кислород, соединяется с гемоглобином, блокируя, таким образом, его доставку организму. «Обманутый» гем вместо двух атомов молекулярного кислорода тащит за собой молекулу окиси углерода. Жизненно необходимые углерод и кислород, объединенные в молекулу угарного газа, образуют зловещее вещество. Чем больше концентрация угарного газа, тем больше его попадает в организм, тем быстрее наступает отравление. Поэтому всегда следует помнить, что рядом с нами находится коварный невидимка, который уже при содержании в воздухе в один процент делает свое черное дело.

В прошлом, в том числе и недалеком, люди чаще всего угорали, когда топили печи. Конечно, в наш благословенный век центрального отопления с печами в быту приходится иметь дело редко. Однако случаев отравления окисью углерода не становится меньше, ибо она содержится и в выхлопах двигателей внутреннего сгорания, и в горючих газах, нашедших самое широкое применение. Даже в небе подчас нет спасения от этого врага. Криминалисты полагают, что некоторые авиационные катастрофы происходят из-за повышения концентрации окиси углерода, возникающего при износе двигателей или плохой их регулировке. Проникая в кабину, угарный газ может явиться причиной отравлений экипажа. Современные воздушные лайнеры оборудованы герметичными кабинами, имеющими системы наддува и вентиляции, что значительно снижает вероятность вредного воздействия выхлопных газов двигателя.

Спасительное средство при отравлении угарным газом — свежий воздух. Этим и были продиктованы уверенные действия Холмса — ведь Конан Дойл был врачом... Свежий воздух! Когда он наполняет наши легкие, кровь становится алой. Это оксигемоглобин разносит по артериям кислород. Отработанная — венозная —. кровь имеет характерный вишнево-красный цвет: она насыщена углекислотой, которую транспортирует карбогемоглобин. Гемоглобин, связанный с окисью углерода, получил название карбоксигемоглобин. Во всех этих видах гемоглобин обладает свойством обратимого соединения с кислородом, углекислым газом и окисью углерода.

Хуже обстоит дело, когда под влиянием ядовитых веществ, таких, например, как анилин или нитраты, железо в теме из двухвалентного переходит в трехвалентное. Образуется метгемоглобин, не способный переносить кислород.

И все же не будем сетовать на природу — описанные явления представляют редкое исключение. По сути же, все в ней устроено наисовершеннейшим образом. Образец такого устройства — математически точная связь гемоглобина и кислорода, которая обеспечивает дыхание.

 

 

Арифметика крови

 

 

Всякий, кому приходилось сдавать кровь на анализ, получив результат, прежде всего интересуется содержанием гемоглобина. О чем говорят цифры? Кровь здорового человека содержит от 13 до 16 % гемоглобина, причем за 100 % принято его содержание в 100 мл, равное 16,7 г. Но так как в нормальной крови 100 % гемоглобина не бывает, то, скажем, 80 %, правильнее — единиц, означает содержание в 13,4 г.

Молекулярная масса гемоглобина примерно 66 500. На долю гема в этой молекуле приходится 3,15 %, а на долю железа — 0,35 %. В молекуле гемоглобина содержится всего четыре атома железа, но они умеют многое. Вот что установлено. При вдохе 1 мл крови соприкасается с 1,48 см воздуха. Оказывается, число молекул кислорода, содержащееся в этом объеме, соответствует числу атомов железа во всех эритроцитах, находящихся в 1 мл крови. Иными словами, 1 г гемоглобина связывает 1,34 см3 кислорода.

Эти цифры показывают, как четко и слаженно должен работать наш организм, чтобы строго в единицу времени направлять в кровь из запасников определенное количество эритроцитов, чтобы вырабатывать в костном мозге нужное количество гемоглобина, чтобы сердце подавало точно отмеренный расход крови, чтобы легкие ритмично делали вдох и выдох.

И все же многое еще неясно в механизме доставки кислорода гемоглобином. Этот процесс, как представляется сегодня, не может быть связан только простыми количественными соотношениями. Возможно, в крови происходят еще какие-то, пока невыясненные каталитические процессы.

Не весь кислород, доставляемый гемоглобином, сразу же идет в дело. Часть его остается в мышцах и вот для чего. Когда из-за сокращения мышц многие кровеносные сосуды оказываются сдавленными, доставка кислорода обычным путем крайне затруднена. Поэтому и приходится держать наготове запас кислорода.

Эстафету гемоглобина в мышцах принимает другой гемосодержащий белок — миоглобин. Это «младший брат» гемоглобина. Окраска миоглобина также зависит от содержания в нем железа.

Вот почему мясо красное. Традиционное же мнение — потому, что оно пропитано кровью,— не верно. Кровь тут совершенно ни при чем.

А заблуждение насчет того, что красный цвет мышцам, а значит и мясу, придает кровь, бытует давно. Об этом еще в 1726 году упоминает известный швейцарский естество испытатель, академик Петербургской академии наук Д. Бернулли в своем труде «О движении мышц». Только в 1883 году появилось исследование русского ученого К- С. Мережковского, в котором высказывался совершенно новый для того времени взгляд на функцию так называемо го мышечного гемоглобина в организме. В дальнейшем было установлено различие между гемоглобином крови и гемоглобином мышц — его-то в 1921 году и назвали многлобином.

 

 

 

Гемоглобин под рентгеном

 

 

Окончательная разгадка строения молекул гемоглобина и миоглобина связана с именами известных ученых Макса Перутца и Джона Кендрю, начинавших свою деятельность в знаменитой Кавендишской лаборатории Кэмбриджского. университета в Англии. Именно там был разработан, рентгеноструктурный анализ, сыгравший исключительную роль не только в исследовании кристаллов белков, но также самой, пожалуй, знаменитой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Однако это произойдет позже, в 50-е годы. А пока, во второй половине 30-х годов, М. Перутц, австриец по происхождению, стажируется в Кавендишской лаборатории. Его привлекал рентгеноструктурный анализ. А так как он интересовался еще и биохимией, то обратил внимание на гемоглобин и химотрипсиы, дававшие хорошие кристаллы.

Вскоре выяснилось, что химотрипсин чрезвычайно труден для исследования, и Перутц сосредоточился только, на гемоглобине. Но и гемоглобин оказался не менее крепким орешком. Понадобилось чуть ли не 30 лет (!), прежде чем удалось установить его строение. Разумеется, Перутц на такой срок работы не рассчитывал. Однако он отдавал себе отчет, что берется за весьма нелегкую задачу. Много позднее он по этому поводу не без иронии говорил: «...Когда темой своей диссертации я выбрал рентгено-структурный анализ гемоглобина, мои товарищи не могли смотреть на меня без сожаления. В ту пору самым сложным органическим веществом, структура которого была установлена с помощью рентгеноструктурного анализа, оставалась молекула красителя фталоцианина, состоящая из 58 атомов. Как мог я надеяться выяснить расположение тысяч атомов в молекуле гемоглобина?»

В 1946 году к Перутцу присоединился армейский офицер королевских ВВС Дж. Кендрю, который после демобилизации решил посвятить себя молекулярной биологии. До войны здесь же в Кембридже, в Тринити-колледже, он блестяще окончил курс естественных наук, получив степень бакалавра, а затем и магистра (примерно соответствующую нашей кандидатской).

К приходу Кендрю результаты десятилетних усилий Перутца в исследовании гемоглобина были весьма скромными. Поэтому Кендрю выбрал себе более простой объект для экспериментов — миоглобин кашалота. Этот белок в больших количествах был найден в мышцах китов и тюленей, что и объясняет их способность долго находиться под водой. Мы уже знаем о том, что молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранятся надежно, пока не потребуются клетке.

Долгие годы неудач не сломили Перутца. Он не отступил. Стало ясно, что нужно менять тактику исследований. Обычные методы рентгеноструктурной дифракции оказались недостаточными для расшифровки чрезвычайно сложной молекулы гемоглобина.

В то время руководителем Кавендишской лаборатории был У. Л. Брэгг, нобелевский лауреат, один из основателей рентгеноструктурного анализа. Естественно, что он был живо заинтересован в установлении структур белковых молекул — сложнейших в природе. Он постоянно наблюдал за ходом экспериментов и частенько захаживал в лабораторию Перутца, чтобы взглянуть на свежие рентгенограммы: Потом сэр Брэгг отправлялся домой и на досуге долго размышлял над полученными результатами.

Изготовление рентгенограммы кристалла () — лишь половина дела. Далее пятна на снимке, соответствующие определенным структурным центрам, с помощью специального оптического прибора преобразуют в ряд дифракционных полос. Затем их совмещают, и только тогда получают нечто вроде контурных карт, по которым определяют строение вещества.

Чтобы добиться изображения, отражающего реальную структуру, нужно правильно расположить набор дифракционных полос по отношению к определенной, но произвольно выбранной исходной точке. Получая такой набор, довольно легко определить амплитуду волны. Но не ее фазу! Здесь-то «зарыта собака» всей многолетней проблемы: изображений могло получиться бесчисленное множество— в соответствии с выбранной фазой для каждого ряда полос. Попробуй, угадай, какое из них правильное.

Вот как сам Перутц писал про это: «Сама по себе рентгенограмма говорит нам только об амплитудах, но ничего не говорит о фазах полос, которые дает каждая пара пятен; таким образом, половина информации, необходимой для получения изображения, отсутствует. Из-за этого рентгенограмма кристалла оказывается иероглифом без ключа для его расшифровки. Терпеливо измеряя в течение ряда лет интенсивность нескольких тысяч пятен на рентгенограммах гемоглобина, я испытывал танталовы муки, которые может понять только исследователь, заполучивший коллекцию табличек с надписями на неизвестном языке....Мы с Брэггом пытались разработать методы расшифровки фаз, но не добились большого успеха».

 

 

"Золотой" миоглобин

 

 

 

Заветный ключик был подобран только в 1953 году. Именно тогда Перутца осенила блестящая и, в общем-то, простая идея. Он подумал о том, что не худо было бы воспользоваться методом, разработанным для расшифровки структур простых кристаллов. В этом случае к молекуле «цепляли» атомы каких-нибудь тяжелых металлов, существенным образом менявших интенсивность дифракционных полос. Сравнивая амплитуды, которые давали молекулы с атомами металлов и без них, можно было установить разницу. Определение по ней величины фазы представлялось, как говорится, делом техники. В качестве тяжелого металла выбрали ртуть.

«...Пока я проявлял свою первую рентгенограмму гемоглобина с введенной в его молекулу ртутью,— рассказывал Перутц,— я то предавался оптимистическим надеждам на немедленный успех, то впадал в отчаяние, перебирая в уме все возможные причины неудачи, наконец на бумаге появились дифракционные пятна — точно в тех же местах, что и в случае свободного от ртути гемоглобина, однако интенсивность их была несколько иная — что я и ожидал. Ликуя, я ворвался в комнату Брэгга, считая, что выяснение структуры гемоглобина и многих других белков уже у нас в руках. Брэгг разделил мой энтузиазм. Никто из нас в тот момент не мог представить себе те огромные технические трудности, которые задержат нас еще на пять лет».

Дело заключалось в чрезвычайно трудоемких вычислениях. Судите сами. Число пятен на рентгенограммах может достигать сотен тысяч. Для каждого нужно измерить интенсивность с атомами ртути и без них, затем внести поправки на различные геометрические факторы и потом, накладывая друг на друга десятки тысяч дифракционных полос, получить искомую структуру. Таким образом, приходилось оперировать многими миллионами чисел. Конечно же, без помощи ЭВМ эту работу выполнить было невозможно. И даже с ее применением громоздкие расчеты заняли еще несколько лет.

Перутц являл собой пример истинного исследователя, который ни под каким видом не сворачивал с пути и твердо, пусть чуть ли не ползком, продвигался к намеченной цели.

Заметим попутно, что в то же самое время, в: той же самой Кавендишской лаборатории английский физик Фрэнсис Крик, работавший над докторской диссертацией «Исследования поведения кристаллов гемоглобина в растворах солей различной плотности», и американский генетик Джеймс Уотсон, приехавший на стажировку, чтобы заняться миоглобином, буквально за два года теоретически обосновали и разработали структуру знаменитой двойной спирали — молекулы ДНК- И, как они сами говорили всерьез, дожидались за это Нобелевской премии.

Перутц, их научный руководитель, все еще не пришел к

окончательным результатам. Даже Кендрю почти закон

чил расшифровку строения молекулы миоглобина. Именно

он впервые начал применять ЭВМ и, набив на этом руку,

резко продвинулся вперед. Из-за некоторых особенностей

работы с миоглобином ртуть была неприменима для пост

роения структурных карт, зато вполне подошло золото.

Кендрю получил 400 рентгенограмм простого и столько же

«золотого» миоглобина, затем с помощью вычислительных

машин подобрал плотность молекулы при 4000 различных

значений и нанес их на прозрачные карты. В 1957 году он

наконец смог создать первую модель молекулы миоглоби

на, дававшую весьма приблизительное представление

лишь о форме белковой цепи. Для окончательной расшиф

ровки понадобилось еще 10 000 рентгеновских снимков

и несколько месяцев, в течение которых шесть сотрудников

обрабатывали эти данные на ЭВМ. Окончательная модель

молекулы миоглобина, учитывающая расположение почти

каждого атома, была построена в 1959 году.

 

 

 

Гадкий утёнок

 

 

Что же увидели исследователи, взглянув на творение своих рук? Скажем сразу, поначалу плоды многолетних трудов их весьма разочаровали. Получился какой-то монстр. Казалось, молекула миоглобина представляла собой клубок переплетенных и извивающихся червей. Макс Перутц, увидев ее, в сердцах воскликнул: «Неужели поиски абсолютной истины могут привести к установлению столь отталкивающей структуры, напоминающей внутренности? Неужели вместо золотого самородка нашли всего лишь свинцовую глыбу? — Затем, как бы полемизируя сам с собой и успокоившись, он закончил: — К счастью, подобно многим другим природным объектам, миоглобин выигрывает в красоте при более близком рассмотрении. По мере уточнения структуры миоглобина... стали яснее внутренние причины, объясняющие странную форму его молекулы. Эта форма оказалась не уродством, а принципиальной закономерностью, свойственной, очевидно, миоглобинам и гемоглобинам всех позвоночных» (рис. 6).

Перутц оказался тысячу раз прав: выявленная исследователями совершенно невообразимая форма молекулы миоглобина была обусловлена теми функциями, которые она должна выполнять в организме. Но об этом несколько позже. Давайте не забывать о том, что и миоглобин, расшифрованный Кендрю, и более сложный по строению гемоглобин, над разгадкой которого бился Перутц, это прежде всего белки, соединенные с гемовыми группами.

И коль скоро у нас зашел разговор о белках, то полезно вспомнить, что они построены из множества остатков 20 аминокислот, представляющих собой как бы последовательную цепь, или, как еще говорят, белковый текст. Его можно расшифровать химическим путем и найти таким образом первичную структуру белка. Вторичную структуру — пространственную организацию цепи аминокислотных групп определяют при помощи метода, основанного на поляризации света и получении определенных спектров. Третичную структуру — пространственное строение молекулы белка установить гораздо сложнее.

В самом деле, в нашем организме насчитывается более миллиона различных белков. Из них для 800 установлена первичная структура. Но едва лл наберется сотня белков, пространственная структура которых известна.

Первым, кто рискнул заняться выяснением пространственной структуры белков, был один из выдающихся химиков нашего времени американский ученый Лайнус Полинг, ныне дважды заслуживший Нобелевскую премию. Именно он в самом начале 50-х годов построил из разноцветных шариков пространственную модель полипептидной цепи и показал ее спиральное строение. Эту структуру он назвал а-спираль.

Разработанная чисто теоретическим путем, такая структура вскоре подтвердилась и рентгенографически, что сыграло большую роль в нелегкой работе Перутца и Кендрю. Более того, при ближайшем рассмотрении оказалось, что неудобоваримая форма молекулы миоглобина есть не что иное, как а-спираль, свернутая в клубок. А в ее изгибе расположилась единственная группа гема с единственным же атомом железа.

Так миоглобин стал первым белком, молекула которого поддалась пространственной расшифровке. Она содержит около 2500 атомов и состоит из 153 аминокислотных остатков.

Летом 1959 года наступил звездный час Макса Перутца: структура гемоглобина была, наконец, установлена, правда, еще не совсем в окончательном виде.

Столь долгий путь был проделан недаром. Эта молекула оказалась гораздо сложнее, чем молекула миоглобина. Гемоглобин содержит почти 10 тыс. атомов и состоит из 574 аминокислотных остатков. И если у миоглобина одна полипептидная а-цепь, то у гемоглобина их две, да еще две Р-цепи и соответственно 4 группы тема, каждая из которых содержит атом железа. Таким образом, молекула гемоглобина в 4 раза больше молекулы миоглобина.

Природа экономна. Помните — гемоглобин переносит не только кислород, но и углекислый газ. Миоглобин же лишен этой способности. Он запасает только кислород, и поэтому его молекула меньше.

Природа экономна, но она и расточительна, когда в этом есть необходимость. Подумать только: 4 атомам железа помогают.10 тыс. других атомов. Именно такое количество атомов необходимо, чтобы,4 цепи гемоглобина, изогнувшись, словно щупальца спрута, захватили своими гемовыми присосками молекулу кислорода.

В а-спирали закручена не вся белковая цепь. Некоторые участки в ней неупорядочены, и поэтому она свертывается в глобулу — шар. В такой пространственной структуре сохраняется некоторая подвижность белковой цепи. Скажем, цепь миоглобина свернута примерно на 75 %. Все 4 гемоглобиновые цепи также свернуты в глобулу. Такие белки называют глобулярными в отличие от фибриллярных,, фигурирующих в виде волокон.

Итак, наши белки обладают способностью менять свою конфигурацию — как говорят специалисты, подвергаться конформационным изменениям. О том, что молекула гемоглобина могла подвергаться таким превращениям, догадывались давно. Еще в 1937 году американский ученый Ф. Гауровиц, работавший тогда с гемоглобином в Праге, как-то после окончания экспериментов поставил в холодильник суспензию игольчатых кристаллов оксигемоглобина. Несколько недель спустя, натолкнувшись на забытый препарат (вспомним шведский гематит немецких исследователей) Гауровиц с интересом стал рассматривать его под микроскопом. Оказалось, что алые иголки оксигемо-глобина превратились в шестиугольные темно-красные пластинки восстановленного гемоглобина. Это случилось потому, что весь кислород в суспензии... «съели» бактерии. Пока велось наблюдение, кислород, проникший под покровное стекло микроскопа, снова вызвал появление алых иголок оксигемоглобина. Гауровиц долго размышлял над этим любопытным явлением, пока не пришел к весьма остроумному выводу: взаимодействие гемоглобина с кислородом должно влиять на пространственную организацию белковой молекулы.

Собственно говоря, эти наблюдения в свое время и навели Макса Перутца на мысль заняться вплотную именно гемоглобином. И только через четверть века он смог вместе со своей аспиранткой X. Мюирхед доказать, что молекула гемоглобина как бы дышит, когда присоединяет кислород. В это время ее глобула сжимается. Отдавая кислород, она снова расширяется (рис. 7).

Долгие и драматические поиски структуры гемоглобина закончились вполне счастливо. В 1962 году Максу Перутцу ' и Джону Кендрю была присуждена Нобелевская премия «За исследование в области глобулярных белков». Интересно, что одновременно с ними лауреатами этой премии стали Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, открывшие структуру ДНК и дожидавшиеся этой почетной награды 10 лет.

 

 

 

Роковая опечатка

 

 

Напрасно думать, что Нобелевская премия поставила точку в истории изучения гемоглобина, в истории 4 атомов железа. Эта история продолжается. Достаточно сказать, что ежегодно во всем мире в печати появляется около 200 научных работ, посвященных гемоглобину. Это значит, что каждые два дня выходит новая публикация.

Существует множество различных гемоглобинов, которые отличаются друг от друга частностями. Мы не будем подробно перечислять их, памятуя, что наш рассказ все же о железе. Но совершенно невозможно умолчать о том, что даже единожды нарушенный порядок в белковой молекуле чреват большой опасностью для организма и мешает четкой работе атомов железа.

Надо сказать, что гемоглобин интересовал не одного только Перутца. В 40-х годах им занимался и Полинг. Он задался далеко не праздным вопросом: есть ли разница между нормальным гемоглобином и так называемым гемоглобином S? Дело в том, что существует тяжелая наследственная болезнь крови — серповидноклеточная анемия, при которой эритроциты имеют как бы серпообразную форму. В США, например, около 10 % негритянского населения являются носителями гена такой болезни. В некоторых районах Африки эта величина достигает даже 60 %.

Люди, получившие аномальный ген только от одного из родителей, не болеют. Страдают от анемии те, кто унаследовал ее от обоих родителей. Обычно эти люди умирают очень рано.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что распространение этой болезни в некоторых районах Африки, Средиземноморья и в странах Юго-Восточной Азии связано с биологическим парадоксом. Люди, у которых имеется ген сер-повидноклеточной анемии в активной или скрытой форме, не болеют малярией. А ведь малярия — страшный бич названных регионов. В серповидных эритроцитах возбудитель малярии — плазмодий не размножается.

Препятствием для размножения плазмодия является гемоглобин, точнее — то его место, где возникает «опечатка»' белкового текста. Шестое место от начала р-цепи нормального гемоглобина занимает остаток глутаминовой кислоты. При серповидноклеточной анемии в эритроцитах присутствует аномальный гемоглобин 5, шестое место р-цепи которого принадлежит другому остатку — валину. Вот и все. Один-единственный аминокислотный остаток не тот — и вся молекула перестает исправно выполнять свои функции. Такой аномальный гемоглобин труднее растворим, чем обычный, и выкристаллизовывается, изменяя форму эритроцита. Ущербные же эритроциты способствуют тромбозам и быстро подвергаются гемолизу — распаду. Но самое, пожалуй, страшное то, что железо в таком гемоглобине окислено до трехвалентного и, следовательно, не способно в полной мере переносить кислород.

Полинг, сравнивая нормальный и серповидный гемо-глобины, обнаружил, что первый оказался более кислым. Это могло, по его мнению, указывать на то, что нормальная молекула гемоглобина содержит несколько больше кислых остатков в пептидных цепях. Однако методы применявшегося тогда качественного анализа не позволили Полингу обнаружить какую-либо разницу в аминокислотном составе исследовавшихся молекул.

Только десять лет спустя стало возможным перебрать почти 600 аминокислотных остатков, чтобы установить, какой же из них дефектный. Это сделал в 1959 году американский биохимик, занимающийся молекулярной биологией, Верной Ингрэм.

Поскольку перед ним не стояла задача исследования пространственной структуры белка, Ингрэм использовал довольно простой хроматографический метод. Однако он его несколько усовершенствовал, для того чтобы более определенно выявить различие в аминокислотных остатках.

Хроматография основана на разделении смесей. В данном случае Ингрэм применил хроматографию на бумаге. Скажем, если бы мы капнули смесью разноцветных чернил на промокашку, то они по-разному расползлись бы на ней. Зная «степень расползания» для чернил каждого цвета, можно легко установить их наличие в капле. Совмещая хроматограммы разных гемоглобинов, выявляют несовпадающие участки и определяют, к каким именно аминокислотным остаткам они относятся. Этот метод получил шутливое название «метода отпечатков пальцев». Однако здесь все не так просто, как в дактилоскопии. Из-за незначительного различия в строении остатков, их часто невозможно отличить даже по хроматограмме. Поэтому Ингрэм прибегнул к маленькой хитрости, поместив бумагу с исследуемым материалом в электрическое поле. Тем самым удалось еще больше растащить аминокислоты, так как под воздействием электрического тока путь зависел еще и от их электрического заряда, обусловленного кислотными или щелочными свойствами.

Когда сравнили «отпечатки пальцев» нормального и серповидного гемоглобинов, они не совпали только в одном месте. Оно соответствовало более кислой среде в нормальном гемоглобине. Полинг оказался прав. Теперь оставалось самое главное и интересное: установить, какие именно остатки не совпадают. Оказалось, что «более кислая» глутаминовая кислота нормального гемоглобина была замещена валином в серповидном. Так установили причину этой молекулярной, как назвал ее Полинг, болезни.

Сегодня открыты еще сотни молекулярных болезней, из которых многие вызваны «опечатками» в молекуле гемоглобина. Такие болезни крови называют гемоглобинопатии. В настоящее время известно около 400 аномалий гемоглобина. Почему даже единственная замена среди множества аминокислот приводит к печальным последствиям? Все дело в строении аминокислотных остатков, которое обусловливает их свойства. В последнее время удалось разобраться в механизме некоторых молекулярных болезней. Вот как объясняется, например, одна из гемоглобинопатии, при которой в аномальной молекуле гемоглобина два атома железа из четырех легко окисляются до трехвалентных. При этом кровь больных имеет в 2 раза меньшую кислородную емкость, чем нормальная..

Устойчивость двухвалентного состояния железа в молекуле гемоглобина обеспечивается расположенным рядом аминокислотным остатком — гистидином. В его состав входит имидазольное кольцо (такое же как и пиррольное кольцо, но с лишним атомом азота в одном из углов), способное создавать определенное электрическое поле, которое прочно удерживает электроны атома железа. Если же происходит «опечатка» в наследственном механизме — и место гистидина занимает чужой аминокислотный остаток— тирозин, то картина резко меняется. Тирозин тоже имеет кольцо, но совсем другое — оксибензольное, которое уже не обладает определенной электрической активностью и не может уберечь атом железа от окисления. Он при этом переходит в трехвалентное состояние и теряет способность переносить кислород.

Конечно, сегодня еще рано говорить об изгнании «беса» наследственности, путающего генетические карты нашего организма; но бороться с некоторыми гемоглобинопатиями уже можно, тем более зная породившие их причины. Лайнус Полинг, например, ратует за применение витамина С. Это хороший восстановитель — он может способствовать переходу трехвалентного железа дефектного гемоглобина в двухвалентное.

 

 

Железо и.....молоко

 

 

 

О гемоглобииопатиях узнали совсем недавно; о других же болезнях крови было известно очень давно. Пожалуй, раньше всего люди познакомились с малокровием, или, как его называют врачи, анемией. Причин, вызывающих анемию, множество. Достаточно сказать, что сегодня медики насчитывают несколько сот разновидностей этой самой распространенной болезни крови.

Вместе с кровью из тела уходит жизнь. Эту истину усвоили еще первобытные люди, наблюдая за истекающими кровью воинами или ранеными животными. С тех далеких времен кровь стали отождествлять со здоровьем, с жизненной силой. Бледный, хилый человек считался малокровным; часто так оно и было. Бледность, действительно, первый симптом анемии.

Издавна уже догадывались, что малокровие надо лечить препаратами железа. Именно железо как общеукрепляющее средство было известно и древним китайцам, и египтянам, и грекам. Строки, посвященные целительным свойствам железа, можно найти и у величайшего врача древности Гиппократа, и в «Каноне врачебной науки» у знаменитого целителя средневековья Ибн Сины.

Разумеется, в прошлом советы применять в лечебных целях железо нередко были наивны; но нам с вами важно отметить по крайней мере интуитивное понимание и учеными и медиками тех времен его роли в жизнедеятельности организма.

В обширном арсенале средств современной медицины железо остается неизменным компонентом при лечении малокровия.

Еще в конце прошлого века немецкий физиолог.и биохимик Густав Бунге, работавший одно время в Дерптском университете в России, на конгрессе в Мюнхене заявил, что «железо следует покупать не в аптеке, а на рынке и в первую очередь яйца и шпинат». Он имел в виду, что организм — в том числе и здоровый организм — должен получать необходимое количество железа прежде всего из продуктов питания.

Приведем краткую таблицу, демонстрирующую содержание железа в 100 г некоторых продуктов питания (в мг):

фасоль 12,4

говяжья печень 9,8

гречневая крупа 8,0

шпинат 3,0

яйцо (1 шт.) 2,7

хлеб до 2,8

яблоки 2,2

молоко 0,1

Обращает на себя внимание низкое содержание железа в молоке. Это, казалось бы, нелогично: ведь известно, что организм младенца остро нуждается в железе, особенно в первые недели после "появления на свет. А дело в следующем. Чем меньше организм, тем больше относительная его поверхность, тем больше теряет он тепла (вот почему маленьких детей хорошо укутывают). Для поддержания необходимой температуры тела процессы обмена и дыхания у детей должны происходить весьма интенсивно, что обеспечивается значительным потреблением железа для работы ферментов. В организме плода в период внутриутробного развития содержание железа невелико: потребность в нем удовлетворяется за счет материнской крови. Незадолго до рождения содержание железа резко увеличивается, и ребенок появляется на свет с некоторым запасом этого необходимейшего металла. Запаса железа хватает в среднем на полгода — дальше он истощается, и это обстоятельство является как бы сигналом растущему организму: пора отказываться от материнского молока и переходить на дополнительное питание. Отметим, что таким образом железо «сигналит» детенышам едва ли не всех млекопитающих.

Наиболее богаты железом продукты животного происхождения: говядина, баранина, свинина, печень, в меньшей степени рыба, куриное мясо и яйца. Из мясной пищи усваивается до 20 % железа, тогда как из растительной — только до 6 %. Все это, кстати сказать, стоит иметь в виду тем, кто хочет стать вегетарианцем.

 

 

 

Превращения железа

 

 

В условиях обычного умеренного климата здоровому человеку требуется в продуктах питания 10—15 мг железа в день. Этого количества вполне достаточно, чтобы покрыть его потери из организма. В нашем теле содержится от 2 до 5 г железа, в зависимости от уровня гемоглобина, веса, пола и возраста. Особенно много его в гемоглобине крови — две трети всего количества, содержащегося в организме; остальное запасено во внутренних органах, главным образом в печени.

Железо, поступающее с пищей, усваивается в кишечнике и переносится в кровеносные сосуды, где захватывается особым транспортным белком. Этот белок впервые был обнаружен еще в 1920 году в сыворотке крови. Но существовавшие в то время методы анализа не позволили точно определить его строение. Лишь в 1945 году шведские ученые К- Холмберг и К.-Б. Лаурелл детально исследовали этот железосодержащий белок, установили его природу и дали ему название «трансферрин».

Интересно, что сходный белок был выделен также в 1939 году из молока и получил название «лактоферрин». Молекулярные массы этих белков примерно одинаковы и составляют около 80 тыс. Они способны связывать 2 атома железа, придающих им характерную красноватую окраску. Лактоферрин затем был обнаружен в слезах, желчи и других жидкостях организма. Собственно говоря, транспортные белки выполняют сходную функцию с гемоглобином, только они переносят не кислород, а железо, причем трехвалентное. Оно транспортируется главным образом в костный мозг, небольшая часть поступает в печень и селезенку, где хранится как запасной фонд; незначительное количество идет на образования миоглоби-на и некоторых ферментов тканевого дыхания. Основные органы, в которых происходит обмен железа, это костный мозг, печень и тонкий кишечник, где имеются специальные рецепторы, служащие для приема трансферрина.