Айзек Азимов

Кровь: река жизни

От древних легенд до научных открытий

Посвящается доктору миссис Дж. Франклин Йегер в благодарность за гостеприимство из чувства долга и не только

Глава 1

Частица океана

Любое одноклеточное существо, живущее в море, настолько крошечное, что его можно разглядеть только под микроскопом, имеет запас крови, в миллиарды раз превосходящий человеческий.

Поначалу это может показаться невозможным, но, когда вы поймете, что для одноклеточного существа кровью является целый океан, все станет на свои места. Это создание поглощает из воды пищу и кислород так же, как наши ткани получают их из крови. Отходы жизнедеятельности одноклеточного организма тоже поступают в океан, как и человеческие в кровь.

Вероятно, именно так и зародилась жизнь: в виде микроскопического сгустка живой субстанции, лениво пожирающей съедобные вещества, которыми буквально кишит океан и которые, в свою очередь, образовались из более простых молекул под действием ультрафиолетовых лучей солнца. Когда формы жизни приумножились, а запасы пищи уменьшились, стали предпочтительны более эффективные способы сосуществования. Примитивная жизнь была выброшена из своего Эдема, что вынудило ее бороться за выживание.

Одним из результативных способов борьбы стало группирование клеток в кооперативные сообщества, подобно объединению первобытных людей в племена или поселения. Клетки стали выбирать себе определенный вид деятельности: одни специализировались на том, чтобы удерживать организм на камнях, другие на усвоении пищи и так далее.

Но даже у самых сложных морских растений, водорослей, эта специализация не заходила слишком далеко. Хотя и некоторые водоросли достигли значительных размеров, все они состоят из тонких ответвлений, клетки каждого из которых омываются океаном или, что встречается гораздо реже, отделяются от воды очень тонким слоем других клеток. В итоге в каждую клетку водоросли могут поступать питательные вещества и кислород.

Даже в наши дни морские растения ведут неподвижный образ жизни, при наличии солнечного света, двуокиси углерода и различных минералов они сами производят пищу для себя. Им не нужно двигаться, все необходимое само поступает в их ткани. Солнечного света бывает достаточно, если только растения находятся в верхних слоях океана, а двуокись углерода и минералы растворены в воде. Для растений жизнь не является, как для нас, борьбой.

Более сложные наземные растения, живущие на суше, должны иметь больше разных клеток по сравнению с морскими. У наземных растений есть стебли, листья, цветы, корни и тому подобное, каждые из которых состоят из различных клеток. Но жизнь наземных растений тоже нельзя назвать борьбой. Необходимую им двуокись углерода они усваивают из воздуха, а их листья поглощают солнечный свет. На суше вода не так доступна, как в океане, но растения обеспечивают себя водой с помощью корневой системы, пронизывающей землю вширь и вглубь. Корни, как промокательная бумага, впитывают воду, и она медленно поступает в наземные части растения по особым клеточным системам, неся с собой из почвы растворимые минералы.

Растения — простые, неподвижные формы жизни на земле и на суше, и с нашей точки зрения они платят за свое существование небывалую цену. Растения независимы, так как не должны искать пищу, но они всю жизнь остаются неподвижными и поэтому почти всегда беззащитны. У некоторых из них появились колючки или яд, но даже эти формы защиты весьма пассивны. Можно сказать, что растения не живут, а существуют.

Но есть и другая группа живых организмов — царство животных, которая пожертвовала способностью получать пищу из простых веществ при помощи энергии солнечного света. Это царство разбойников, поглощающих запасы пищи, так медленно и с таким трудом накопленные растениями. За несколько дней животное может безжалостно уничтожить то, что растения создавало месяцами.

Питаясь концентрированной пищей, животное может использовать и использует энергию намного шире, чем растения. Оно имеет свои недостатки. Животное чаще сталкивается с неудачей, чем растение. Животное может быстрее погибнуть от временной нехватки пищи, воды или воздуха.

Однако у организмов с высоким уровнем энергетических затрат есть и преимущества. У животного достаточно энергии, чтобы свободно двигаться, наращивать мышечную силу и вырабатывать способы нападения.

Для более эффективного выполнения этих задач клетки животного, соединившиеся в сложном организме, должны обладать более широким спектром специализации, чем растительные. Одни клетки становятся мышечными, способными сокращаться и расслабляться. Другие превращаются в нервные клетки, улавливающие изменения в окружающей среде и отвечающие на них стимуляцией других клеток, чтобы те приспособились к этим изменениям. Есть клетки, вырабатывающие особые вещества, используемые всем организмом, а есть и такие, которые защищают поверхность организма.

По мере того как животных становилось все больше и они заполняли океан, усиливалась борьба между видами. Во многих случаях эта борьба закончилась тем, что один вид животных научился поедать другой, получая запасы чужой энергии, в свою очередь похищенной у растений. Выжили те животные, которые научились наиболее эффективно использовать условия окружающей среды. Увеличивающиеся размеры организмов и специализация их клеток были не единственным путем к достижению результата, в конце концов и сегодня процветает множество видов одноклеточных организмов. Но тем не менее это был один из путей, и по прошествии миллионов лет размеры животных все увеличивались, а вместе с ними росли и их отличительные особенности.

Но увеличение размера живых организмов повлекло за собой трудности. Огромным массам клеток стал исключен доступ к океану. Они были заблокированы в центральных органах тела животного, и от воды их отделяли слои других клеток. Как получать пищу? Кислород? Как им избавляться от продуктов распада?

Это было похоже на то, как если бы стол, за которым могли расположиться всего пять человек, накрыли на сто. Пятеро счастливцев могли наесться досыта. Стоящие за ними десять — двадцать человек способны поесть, но им нужно дотянуться до пищи. Но остальные, те, кто находится дальше расстояния вытянутой руки, умрут с голода, сколько бы пищи ни было на столе, если не смогут до нее добраться. Этот предел был быстро достигнут, животные достигли таких размеров, что им стали необходимы какие-то особые способы получения пищи.

К счастью, решение было найдено. Разрастающиеся клетки вместо плотной массы превращались в трубку, полую в центре. Внутрь трубки попадала вода, омывавшая животный организм изнутри, в то время как сам океан омывал его снаружи.

Клетки, расположенные близко к внешней поверхности тела животного, питались непосредственно из океана, поэтому тут проблем не возникало. Клетки, выстилающие внутреннюю поверхность организма, получали питание из постоянно заглатываемой животным воды. И наконец, те жизненно важные клетки, которые были расположены далеко от внешней и внутренней поверхности, омывались частицами морской воды, захваченной самими тканями животного, можно сказать, внутренним «океаном», так что и эта проблема была тоже решена.

Конечно, все было не так уж просто. Животному приходилось придумывать способы добывания пищи и кислорода для этих частиц океана, чтобы омываемые им внутренние клетки могли постоянно подпитываться. Более того, продукты жизнедеятельности этих клеток также попадали во внутреннюю океанскую среду, заключенную в тканях, и животному нужно было выводить их непосредственно в океан. Поэтому происходила дальнейшая более узкая специализация: появление новых типов клеток для формирования почек и жабер.

По мере увеличения размеров животных небольшого внутреннего запаса морской воды уже не хватало. Чтобы вода могла добраться до всех клеток, полость трубки все больше и больше разветвлялась, пронизывая все ткани сложной сетью, в итоге каждая клетка могла получить порцию воды из океана или хотя бы приблизиться к ней.

Однако любое решение одних проблем влечет возникновение новых. Предположим, пища и кислород из внешней среды поступали во внутренний «океан», наполняя сложную систему разветвлений. Можно ли быть уверенным, что они проникнут в каждую щелочку и уголок? Могут ли они проникнуть достаточно быстро в каждую мельчайшую внутреннюю извилинку и изгиб, чтобы снабдить пищей нетерпеливые клетки?

Ответ будет отрицательным. За исключением очень маленьких животных, никто не может рассчитывать на тщательное проникновение. Для этого внутренний океан должен стать рекой. Жидкость должна постоянно циркулировать, жизненно необходимые вещества должны разноситься ко всем клеткам, а не медленно плыть к ним.

Значит, в организме должен появиться насос, поддерживающий постоянное течение внутренней реки.

Когда это произошло, было налажено столь обильное жизнеобеспечение клеток, что животные могли достигать любого размера. Эффективность внутренней реки стала так велика, что многие животные могли выходить из океана, являвшегося непосредственным источником пищи и местом для выброса продуктов распада. Животные начали превращать в средство защиты внешнюю поверхность, утолщая ее, покрываясь чешуей, раковиной или костяными пластинками.

Дальнейшее увеличение размера организмов и их силы означало, что у некоторых животных должен был появиться внутренний каркас для поддержания массы клеток в устойчивом положении и придания опоры мышцам во время сокращения. Так появились сначала хрящи, а потом кости.

И наконец, как только животные стали независимы от океана, некоторые покинули его и переселились сначала в пресноводные реки и озера, а потом и на сушу. Но даже на земле внутренняя река морской воды осталась с животными, они по-прежнему жили будто в океане, как бы далеко он от них ни находился, но в океане, который могли сами контролировать.

Предприимчивые сухопутные животные научились многим хитроумным уловкам. У них появились легкие вместо жабер, чтобы получать из воздуха кислород, и более сложный насос для полноценного его использования.

Все это время река морской воды в организме животных усложнялась все больше и больше. Она наполнялась особыми клетками, которые не имели отношения к остальному организму и жили только в этой реке. Животные начинали вырабатывать особые сложные вещества, которые растворялись в реке, выполнявшей теперь сотни задач, недоступных прежнему океану.

Морская вода превратилась теперь в нечто большее. Это была живая река крови. Русла, по которым она течет, называются кровеносными сосудами. Насос, способствующий ее циркуляции, — сердце.

Без этой живой реки невозможна любая форма жизни, более сложная, чем растение или крошечное примитивное животное, состоящее всего из горстки клеток.

Человечество всегда понимало, что именно кровь делает жизнь возможной. Задолго до появления современной науки и медицины было замечено, что продолжительное кровотечение приводило к ослаблению организма и смерти не только у человека, но и любого животного. Как будто вместе с кровью вытекала жизнь.

Даже когда причиной смерти было инфекционное заболевание или удар, не вызывающий кровотечения, или когда человек внезапно загадочно умирал, присутствовал один общий симптом — сердце больше не билось. Другим признаком, отличающим смерть от сна, потери сознания или оцепенения, было прекращение дыхания. Но это было не самое страшное. В конце концов, дыхание можно было произвольно задержать на несколько минут, в то время как сердце не могло по воле человека перестать биться хотя бы на минуту.

Человек, не знавший науки, переоценивал значение сердца и крови. Он считал, что в сердце сосредоточены все чувства, возможно, потому, что в зависимости от эмоций оно бьется то чаще, то реже, а древние люди часто считали кровь синонимом жизни. Так, в частности, полагали древние евреи, и это ясно отразилось в Библии. В Книге Бытия (1: 29–30) на шестой день творения Бог обращается к человеку: «Вот, Я дал вам всякую траву, сеющую семя, какая есть на всей земле, и всякое дерево, у которого плод древесный, сеющий семя; вам сие будет в пищу; и всем зверям земным, и всем птицам небесным, и всякому гаду, пресмыкающемуся по земле, в котором душа живая, дал Я всю зелень травную в пищу».

В этом отрывке растительный мир отличается от неживого неорганического лишь тем, что растения дают семена и обладают способностью к воспроизведению. Однако описание этого не идет дальше «травы, сеющей семя, дерева, у которого плод древесный…». Только к миру животных применяется слово «жизнь»: «…и всем зверям земным, и всем птицам небесным, и всякому гаду, пресмыкающемуся по земле, в котором душа живая…»

С библейской точки зрения жизнь — дар Бога и никто, кроме него, не может отнять ее у живого существа. Поэтому первоначально в пищу человеку и животным предназначались лишь растения. Они были бескровны, то есть их нельзя было назвать живыми в полном смысле этого слова.

Даже после изгнания из Эдема человеку было заповедано оставаться вегетарианцем, и эта заповедь носила более жесткий характер. Одним из наказаний Адама и Евы за неповиновение было дальнейшее сужение их рациона. Бог сказал (Бытие, 3: 17–18): «…проклята земля за тебя; со скорбью будешь питаться от нее во все дни жизни твоей; терния и волчцы произрастит она тебе; и будешь питаться полевою травою…»

Сначала «…всякая трава… и всякое дерево… вам сие будет в пищу». Теперь же впервые земля будет давать плоды не добровольно, а после тяжкого труда, но даже и тогда на ней будут произрастать «тернии и волчцы». Но, несмотря на уменьшение количества съедобных растений, ясным оставался приказ: «будешь питаться полевою травою».

Только после Потопа рацион человека был расширен. В Книге Бытия (9: 2–3) Господь обращается к Ною: «Да страшатся и да трепещут вас все звери земные, и весь скот земной, и все птицы небесные, все, что движется на земле, и все рыбы морские: в ваши руки отданы они; все движущееся, что живет, будет вам в пищу; как зелень травную даю вам все».

Другими словами, человек мог превратиться в хищника. Возможно, расширение его диеты было нужно из-за уничтожения запасов пищи Потопом и необходимости быстрого размножения выживших, но в Библии об этом не говорится.

Зато подчеркивается тот факт, что новый завет не посягает на святость жизни. Жизнь по-прежнему дарована Богом, и никто не может ее отнять. В следующих строках (Бытие, 9: 4) Господь говорит: «Только плоти с душою ее, с кровью ее, не ешьте».

Древние евреи верили, что жизнь была в крови животного, и как только кровь уходила, тело становилось бездыханным, как любое бескровное растение, и теперь его можно безнаказанно употреблять в пищу.

Эта уверенность высказана еще более ясно в Левите, где даются подробные наставления еврейским священникам, как следует приносить жертвы. Каждый раз, когда в жертву приносится животное, особое внимание уделяется удалению крови. Первое и главное наставление всегда касается именно крови. Господь говорит: «И заколет тельца пред Господом; сыны же Аароновы, священники, принесут кровь и покропят кровью со всех сторон на жертвенник…» (Левит, 1: 5).

Другими словами, жизнь животного в виде крови отдается Богу на жертвеннике сразу же после смерти животного. После этого безжизненное тело можно обмыть, сжечь и съесть, согласно предписаниям.

До сегодняшнего дня ортодоксальные евреи перед приготовлением мяса стараются удалить всю кровь.

Кое-что от этого таинственного отношения к крови сохранилось и у современных европейцев, не придерживающихся законов Моисея. Например, до недавнего времени многие верили, что договор с дьяволом подписывается кровью. Что может быть сильнее, чем скрепленная собственной жизнью бумага, после того как отдана душа? В «Фаусте» Гете Мефистофель говорит: «Кровь, надо знать, совсем особый сок». Это и на самом деле так, хотя и по другим причинам.

Мало кто из нас сейчас всерьез верит в эти предрассудки. Мы можем наслаждаться бифштексом с кровью и подписывать важные бумаги чернилами, но все равно в устойчивых выражениях сохранилось признание особого предназначения крови.

О здоровом сильном человеке говорят «кровь с молоком», об аристократе можно сказать, что у него «голубая кровь». О смелом человеке говорят, что у него «верное сердце», тогда как у труса оно «робкое». К крови относятся так, словно это она определяет характер человека, отсюда выражения «благородная кровь» и «дурная кровь». Про потомков одного и того же человека говорят, что у них в жилах течет «одна кровь», и мы говорим о «кровных родственниках», противопоставляя их «родственникам по мужу или жене».

Такое отношение к крови не распространяется только на метафоры. Некоторые люди по-прежнему думают, что кровь намного больше связана с жизнью, чем другие ткани и органы, и что переливанием крови можно передать качества одного человека другому. Во время Второй мировой войны из-за глупых предрассудков в США были попытки помешать представителям Красного Креста смешивать кровь американских негров с кровью их светлокожих сограждан. В действительности между кровью негров и белых разница не больше, чем между кровью двух разных белых людей.

Хотя чувства не скрываются в сердце, хотя кровь не значит жизнь и не определяет характер человека, истинные свойства крови намного замечательнее, чем выдуманные человеком мифы, и даже вызывают священный трепет.

Глава 2

Вода — основа жизни

Жизнь возникла благодаря воде. Химические реакции, происходящие в живых тканях, требуют участия молекул, плавающих в воде или находящихся на поверхности мембран, которые омываются водой. Эти реакции часто и происходят с участием самих молекул воды.

Этому не надо удивляться. Жизнь зародилась в океане и никогда не покидала его. Внутри нас по-прежнему океан.

Единственными тканями в нашем организме, в которых содержание воды относительно невелико, являются жировая и костная (скелет). В них содержится всего около 25 % воды. И жировая, и костная ткани довольно пассивны. Нельзя сказать, что они не живые и в них не происходит никаких процессов. Просто процессы эти замедленны по сравнению с другими тканями. В бурном круговороте химических веществ в организме жировая и костная ткани могут сравниться с тихими улочками посреди оживленных проспектов.

С кровью дело обстоит совсем иначе. Поскольку это жидкость, то можно предположить, что она содержит воды больше, чем другие ткани. Но это не совсем справедливо.

В целом в тканях организма, если не принимать во внимание жировую и костную, содержится от 70 до 85 % воды. В этом отношении кровь представляет собой нечто среднее. Она на 80 % состоит из воды. Сердце и почки также состоят из воды на 80 %, хотя они и не жидкие, как кровь. Больше всего воды содержится в сером веществе головного мозга — 85 %.

И тем не менее серое вещество плотное, а кровь жидкая. Несмотря на высокое содержание воды, серое вещество состоит из соединенных между собой неподвижных клеток. В крови также есть клетки, но они не соединены и находятся в движении. Они циркулируют в жидкости независимо друг от друга. Кровь движется и переносит клетки.

Если бы единственной функцией крови было перемещение кровяных клеток с места на место, то для этой цели сгодилась бы любая жидкость. Если бы жизнь зародилась в океане, состоящем не из воды, а из другой жидкости, эта жидкость выполняла бы ту же функцию, что и вода.

Однако у крови много и других функций, и по многим причинам ни одна другая жидкость не может заменить воду.

Например, из всех известных веществ только вода является лучшим растворителем, то есть она может растворять многие вещества, не повреждая при этом их молекулы. По своему опыту мы все знаем, что столовая соль, двууглекислый натрий, сахар и алкоголь — самые обычные вещества, растворимые в воде. Существуют еще тысячи веществ, которые растворяются в воде столь же легко, а также тысячи других, растворяющихся не полностью.

В результате жидкая часть крови переносит не только клетки, но и все растворимые вещества. Ни одна другая жидкость на это не способна, ни в одной жидкости не может происходить так много разных реакции, и ни одна жидкость не в состоянии обеспечить живые ткани столь большим разнообразием химических веществ.

Есть и вторая причина, по которой вода является самой совершенной жидкостью для нашей реки жизни. Но эта причина требует более сложного объяснения, поэтому я подойду к ней постепенно, начав с истории эволюции.

Когда животные в первый раз решились выбраться из воды на сушу, оказалось, что окружающая среда намного суровее, чем среда в океане, к которой животные успели приспособиться за миллионы лет.

Прежде всего температура воздуха изменялась каждый день и в каждое время года. В отдельные дни температура утром и после полудня могла различаться на 20 или 30°. Разница между зимой и летом могла составлять 100° или более. С другой стороны, в океане, за исключением тонкого слоя на поверхности тропических морей, температура оставалась постоянной каждый день, не меняясь ни зимой, ни летом. Эта постоянная температура была близка к точке замерзания воды, но это не являлось преградой для развития жизни. Газы растворяются в холодной воде быстрее, чем в теплой, поэтому в холодной воде было больше кислорода и она могла поддерживать жизнедеятельность более крупных животных.

Самые древние формы наземной жизни, включая беспозвоночных, таких, как улитки и насекомые, и позвоночных, таких, как амфибии и рептилии, сумели приспособиться к температурным изменениям новой среды обитания. Они остались холоднокровными.

Это не значит, что кровь этих животных была заморожена. Просто их тела принимали температуру воздуха окружающей среды. Поскольку температура воздуха поднималась выше 37 °C (температура человеческого тела) всего на несколько дней в году, а в остальное время всего на несколько часов в день, температура тела холоднокровных животных всегда была ниже температуры тела человека. Эти животные обладали холодной по сравнению с нашей кровью.

Но у этой особенности были свои недостатки. Если температура воздуха опускается ниже точки замерзания воды, снижается и температура тела холоднокровного животного. Если вода в его организме замерзнет, оно умрет. Единственным способом для вида выжить в суровую зиму было, прежде чем погибнуть, отложить яйца до весны, или временно вернуться в воду (под слой льда), или мигрировать в более теплые края, или впасть в спячку в каком-либо защищенном от холода месте. Океан, кроме верхнего слоя в полярных областях, никогда не замерзает, поэтому у морских животных такой проблемы никогда не возникает.

С повышением температуры химические реакции протекают быстрее, а с понижением их скорость замедляется. Поэтому температуру в комнате можно определить по тому, как стрекочет сверчок. Эти звуки вызываются трением ножек насекомого о крылья. Частота стрекота зависит от частоты сокращения мышц, а та, в свою очередь, от скорости химических реакций в мышечных клетках и, следовательно, от температуры этих клеток и, наконец, температуры воздуха в помещении, где находится сверчок.

Химические реакции в организме холоднокровного животного проистекают с нормальной скоростью при теплой погоде. Когда температура падает, животное становится вялым.

Животное, выработавшее способ сохранять постоянную температуру тела, несмотря на атмосферные изменения, приобретает огромное преимущество над своими холоднокровными собратьями. Оно может спокойно обитать в тех областях, где слишком холодно для животных с холодной кровью. В прохладный день оно может двигаться и реагировать быстрее, чем холоднокровное животное. Оно может легко избежать поимки крупным холоднокровным существом и само поймать и съесть более мелкое.

Несомненно, что теплокровность стала ключом к более оптимальному выживанию, поэтому самые высокоразвитые современные млекопитающие и птицы являются теплокровными.

Источник тепла не представляет собой проблему. Химические реакции, происходящие в организме, способны производить тепловую энергию в изобилии. Единственная сложность — как удержать тепло в организме и не дать ему уйти через кожу слишком быстро.

Одним из способов сохранения тепла является увеличение размера тела. Чем животное больше, тем меньше площадь поверхности его тела по сравнению с его массой. Если массу мыши увеличить в сто раз, оставив без изменений форму ее тела, она станет вырабатывать в сто раз больше тепла. Однако площадь соприкосновения мыши с окружающей средой, ее шкурка, увеличится только в десять раз, поэтому животное станет терять тепло только в десять раз быстрее.

Приведенные расчеты позволяют сделать вывод, что большим животным легче сохранять тепло, чем мелким. Это может быть одной из причин, по которой некоторые холоднокровные динозавры и родственные им рептилии достигали таких огромных размеров. Также это может объяснять большие размеры некоторых теплокровных животных, обитающих в арктических зонах: китов, моржей и белых медведей.

Кроме увеличения массы тела, существует еще один способ сократить потерю тепла. Воздух является очень плохим проводником тепла. Если слой воздуха вокруг тела животного будет сохраняться в неподвижности, то даже в холодные дни потеря тепла будет идти медленнее. Но проблема в том, что воздух не может удерживаться на месте. Даже если бы не было ветра, движения животного будут производить колебания воздуха. А именно движущийся воздух приводит к потере тепла.

Как же животному удержать воздух вокруг своего тела в неподвижности? Две различные группы животных решили эту задачу по-разному. У предков млекопитающих появилась шерсть, а у предков птиц — перья. И шерсть, и перья постепенно сформировались из чешуи. Шерсть и перья задерживают у поверхности кожи слой «мертвого» воздуха, чем уменьшают потерю тепла; при этом перья действуют намного эффективнее шерсти. Когда потеря тепла уменьшается, естественное тепло, образующееся в организме в ходе химических реакций, согревает млекопитающих и птиц даже в холодные дни.

Человек, который потерял почти все покрывающие тело волосы, стал заменять естественный покров искусственным в виде одежды в холодный день и одеяла ночью. У китов, также потерявших волосяной покров, но тем не менее вернувшихся в ледяной океан, сформировался толстый слой подкожного жира, который также хорошо препятствует потере тепла.

Когда решена проблема потери тепла, возникает трудность иного рода. В теплые дни в организме может накапливаться слишком много тепла. Во время повышенной активности скорость химических реакции увеличивается и, следовательно, производится большее количество тепла. Получается, что теплокровные животные, научившись сохранять тепло, должны научиться избавляться от него, когда возникает такая необходимость.

У нас, например, есть потовые железы, постоянно выводящие избыток жидкости на поверхность кожи. Там она испаряется, превращаясь в газ. Водяные пары обладают большей энергией, чем жидкость при той же температуре. Следовательно, чтобы жидкость превратилась в пар, нужно тепло, самая простая форма энергии. Необходимое тепло поступает из наиболее доступного источника: из кожи, с которой тесно связано потоотделение.

Другими словами, испарение потовых выделений охлаждает кожу. В прохладные дни потовые железы работают менее активно, поэтому охлаждение замедляется. В теплые дни или в периоды повышенной активности потоотделение становится более обильным, и кожа охлаждается.

Поэтому потоотделение является естественной системой охлаждения. Способность потеть позволяет человеку выживать при высокой температуре, при которой может даже закипеть вода. Если раскаленный воздух абсолютно сухой, усиливается потоотделение, и испаряющаяся с поверхности тела жидкость охлаждает кожу быстрее, чем тепло успевает образоваться в организме.

Ценность системы охлаждения становится особенно понятной в тех случаях, когда она работает с перегрузками. Иногда мы так активно двигаемся, что вырабатываем тепла больше, чем может вывестись на поверхность кожи с потом. Потоотделение происходит очень быстро, пот не успевает испариться, и его капельки собираются на коже. В жаркий и влажный день испарение настолько замедляется, что капельки пота образуются на коже, даже если мы находимся в неподвижном состоянии. В любом случае отказ системы охлаждения приводит к неприятным последствиям.

Другой способ регуляции температуры тела происходит с участием крови. В самой химически активной части тела температура будет выше, чем в остальных органах. В тех органах, которые расположены ближе к более холодной окружающей среде, температура будет ниже.

Кровь уравнивает эти разницы температур во время циркуляции. Она поглощает тепло, проходя через активные органы, например печень, затем, проникая в более холодные ткани, такие, как кожа, кровь отдает им тепло. Таким образом она охлаждает печень и согревает кожу.

В жаркие дни тело медленно отдает тепло окружающему нагретому воздуху. В качестве компенсации в организме происходит расширение мелких кровяных сосудов. Это происходит из-за расслабления крошечных мышечных клеток в стенках кровеносных сосудов. Расширенные сосуды пропускают больше крови, поэтому в окружающую среду выводится больше тепла. Это компенсирует его более медленную потерю. Поэтому лицо человека краснеет в жаркий день, или после напряженной работы, или физических упражнений, когда производимое мышцами количество тепла превосходит обычное.

С другой стороны, когда температура воздуха опускается ниже обычной, происходит повышенная потеря тепла, и организм должен компенсировать эти затраты. Одним из способов является сокращение мышц мелких сосудов, что приводит к их сужению. Таким образом поступление крови к коже снижается, и потеря тепла уменьшается. Поэтому мы и синеем от холода. Холод также вызывает дрожь, при этом повышение мышечной активности приводит к выработке дополнительного тепла; на холоде возникает «гусиная кожа», когда поднимаются до этого бесполезные маленькие волоски, и организм таким образом пытается удержать у своей поверхности более толстый слой воздуха.

Какую роль играет вода в процессе теплообмена, проходящем с участием крови и потоотделения? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, сколько тепла могут удерживать различные вещества.

Допустим, вы нагрели литр воды до температуры 100 °C, то есть вода дошла до точки кипения. Далее, у вас есть литр этилового спирта при температуре 0 °C, то есть в точке замерзания воды.

Теперь смешайте литр горячей воды и литр холодного алкоголя, стараясь не потерять большое количество жидкости в результате активного испарения. У вас получится два литра водно-алкогольной смеси со средней температурой. Здравый смысл подскажет вам, что температура этой смеси должна составлять нечто среднее от двух температур: 50 °C.

Однако в этом случае здравый смысл ошибается, как в общем-то часто и происходит. Окончательная температура будет, скорее всего, равна 65 °C.

Вода способна удержать больше тепла, чем алкоголь. Для повышения температуры воды требуется больше тепла. И если температура падает, вода отдает больше тепла, чем алкоголь. Количества тепла, отдаваемого водой при охлаждении на 35°, достаточно для нагревания алкоголя до 65°.

Для нагревания одного кубического сантиметра воды на 1 °C требуется 1 тепловая калория. (Точное количество калорий может несколько различаться в зависимости от начальной температуры, но не будем это принимать во внимание.) При температуре тела потребуется всего 0,6 тепловой калории, чтобы нагреть один кубический сантиметр этилового спирта на 1 °C, а для нагревания такого же объема оливкового масла потребуются и того меньше — всего 0,5 калории.

Некоторые известные всем твердые вещества удерживают тепло еще хуже, чем оливковое масло. Кубический сантиметр стекла при обычной температуре нагреется всего на 1° после поглощения 35–50 тепловых калорий. Точная цифра зависит от разновидности стекла. Некоторые металлы удерживают тепло еще слабее. При обычной температуре кубический сантиметр меди нагреется на 1° после поглощения 22 калорий. Для серебра это будет примерно 15 калорий, а для золота всего 8 калорий. Температура пустого чайника на огне поднимется моментально, однако небольшое количество воды в том же чайнике будет нагреваться очень медленно.

Количество тепла, удерживаемого тем или иным веществом, называется удельной теплоемкостью, ранее я уже пытался объяснить вам, что удельная теплоемкость у воды выше, чем у любого другого вещества.

Когда кровь поглощает тепло, выделяющееся в ходе химических реакций, которые протекают в печени или работающих мышцах, ее температура повышается медленнее, чем это происходило бы, будь в составе крови не вода, а какая-нибудь другая жидкость. Когда, поступая к коже, кровь отдает тепло, то теплоотдача тоже происходит медленно. Необычайно высокая удельная теплоемкость воды помогает крови более эффективно уравнивать температуру.

Сходное воздействие оказывает вода и на погоду. Удельная теплоемкость у морской воды выше, чем у сухой почвы. Таким образом, температура океана под воздействием летней жары повышается медленнее, чем температура почвы, и так же медленно уменьшается с приходом зимы. Поэтому океан оказывает смягчающее воздействие на температуру окружающей среды: в прибрежных районах прохладнее летом, чем в глубине материка, и теплее зимой. Кровь, как я уже говорил, тоже наш океан, а омываемое им тело является как бы прибрежной зоной.

Так же как для повышения температуры воды требуется очень много тепла, так и для ее испарения требуется значительное тепло. Нужно около 550 тепловых калорий, чтобы испарился один кубический сантиметр воды, а для испарения такого же количества алкоголя требуется всего треть этого количества. Ученые-химики говорят, что для испарения воды требуется самое большое количество скрытой теплоты.

Капелька алкоголя с кожи испаряется быстрее, чем вода, поэтому и охлаждает кожу сильнее. Однако от алкоголя скоро не остается и следа. Капелька воды такого же размера продержится на коже дольше, действуя более медленно, и выведет из организма в три раза больше тепла. Потоотделение не было бы таким эффективным средством охлаждения, если бы пот состоял не из воды, а из другой жидкости.

Именно высокие теплоемкость и скрытая теплота испарения воды пришли мне на ум, когда в начале этой главы я упомянул о другой причине того, что только вода особенно хорошо подходит для жизни.

Глава 3

Дыхание и жизнь

Из всего разнообразия веществ, находящихся в окружающей среде, воздух, или, точнее, кислород, является самым жизненно необходимым. Если нужно, мы можем несколько дней обходиться без воды, а без пищи неделями. Я не хочу сказать, что это приятный процесс, однако наш организм способен накапливать питательные вещества и воду, чтобы поддерживать нас в трудный период.

Когда речь заходит о воздухе, дело обстоит совсем по-другому. Стоит прекратить доступ воздуха всего на пять минут, и наступит смерть.

Раз кислород так необходим, организм должен обладать специальной системой, которая бы снабжала им все органы. Хорошенько запомните следующее: кислород нужен не только вам и вашему организму в целом. Он необходим каждой из множества миллиардов микроскопических клеток. У каждой клеточки должен быть свой запас кислорода, иначе она погибнет. Клетка не сможет выжить, если кислород есть у ее соседок. Ей нужен свой собственный.

Всем известно, что кислород поступает в организм из воздуха при дыхании. Однако это только первый шаг. Простой вдох приводит всего лишь к тому, что воздух через нос попадает в легкие. Это ни в коей мере не поможет какой-нибудь клетке большого пальца ноги заполучить свою порцию кислорода.

Попав в легкие, кислород начинает свое путешествие. Внутренняя оболочка легких покрыта тончайшей пленкой воды, в которой растворяется кислород. Воздух состоит на одну пятую часть из кислорода и на четыре пятых из азота. Азот, не приносящий пользу организму в том виде, в каком он находится в воздухе, также растворяется в этой водной пленке, но пока давайте поговорим о жизненно важном кислороде.

Только кислород, попавший на водную пленку, успевает раствориться в ней прежде, чем вы сделаете выдох, вытолкнув почти весь воздух из легких, и вдохнете новый. Если бы легкие были просто полыми камерами, похожими на футбольные, кислород не смог бы попасть на внутреннюю пленку и раствориться в ней. К счастью, легкие совсем не похожи на футбольные камеры.

Воздух проходит через рот или нос и попадает в дыхательное горло, или, по-научному, трахею. Ее можно нащупать на шее, над и под адамовым яблоком. У самого основания шеи трахея разделяется на два бронха, каждый из которых входит в легкие. В легких бронхи делятся снова и снова, подобно мелким веточкам дерева. Каждое крошечное ответвление заканчивается полым мешочком, который получил название легочной альвеолы. Легкие сплошь состоят из этих мешочков, что делает их похожими на губку.

Когда вы делаете вдох, воздух попадает в миллионы альвеол. Каждая альвеола снабжена тонкой водяной пленкой, выстилающей внутреннюю поверхность; альвеола настолько мала, что весь кислород находится вблизи от этой пленки. Внутренняя поверхность всех вместе взятых альвеол огромна, и так же огромна площадь водных пленок. Если бы можно было разгладить поверхность всех альвеол, она бы покрыла площадь около ста квадратных метров или пять больших комнат.

Благодаря влажной поверхности, в которой может растворяться кислород, между вдохом и выдохом одна пятая часть кислорода воздуха, попавшего в легкие, растворяется в водной пленке. Мы вдыхаем 20 % кислорода, а выдыхаем только 16 %. При обычном спокойном дыхании в легкие попадает и выдыхается около 500 кубических сантиметров воздуха. Из них 100 кубических сантиметров составляет кислород. 100 кубических сантиметров вдыхается, выдыхается всего 80, а 20 кубических сантиметров поглощается. Конечно, при повышенной мышечной активности или во время сильных эмоций, когда требуется больше кислорода, дыхание автоматически учащается и становится глубже.

Что происходит с кислородом после того, как он растворился во влажной внутренней пленке альвеол? Мембрана, покрывающая альвеолы, очень тонкая. Ее толщина всего около одного микрона. Микрон — одна из единиц системы измерения, используемая учеными всего мира и жителями всех стран, за исключением англоговорящих. Микрон равен одной миллионной части метра или одной десятитысячной части сантиметра.

Итак, эта мембрана слишком тонка, чтобы удерживать воду. Маленькие молекулы, например молекулы воды (состоящие из трех атомов) или кислорода (состоящие из двух атомов), просачиваются сквозь нее, проходя через микроскопические отверстия в мембране или передвигаясь между молекулами, из которых она состоит, или, возможно, при помощи какого-то другого, пока неизвестного нам способа.

Мембрана, которая пропускает молекулы, называется проницаемой. Процесс, во время которого молекулы проходят сквозь вещество (будь то газ, жидкость или твердое тело) или тонкую мембрану, называется диффузией.

Мембраны, выстилающие альвеолы, пропускают только мелкие молекулы. В человеческом организме есть и более крупные молекулы, состоящие из сотен или даже тысяч атомов. Они не могут пройти через альвеолярную мембрану. Поэтому она называется полупроницаемой. Другими словами, она проницаема для одних молекул, но непроницаема для других.

Все живые клетки окружены полупроницаемыми мембранами, и это жизненно важно. Если бы клетка была не в состоянии удерживать одни молекулы внутри, а другие снаружи, по химическому составу она бы не отличалась от окружающей среды и не могла бы существовать.

Продолжим наш рассказ. Кислород проходит сквозь мембрану альвеол не только в одном направлении, то есть из окружающей среды в альвеолы и организм. На «воздушной» стороне мембраны, контактирующей с окружающим воздухом, достаточно много кислорода, а на стороне, контактирующей с организмом, его меньше, поэтому диффузия молекул идет таким образом, чтобы уравнять количество кислорода с обеих сторон, подобно воде, которая стремится к одному уровню, не важно, течет ли она со склона, как ручей, или вырывается из земли ключом.

В итоге кислород из воздуха переходит в клетки, выстилающие альвеолу. Под этими клетками расположена еще одна мембрана. Она не толще первой и представляет собой стенки крошечных кровеносных сосудов — капилляров. Частая капиллярная сеть плотно охватывает каждую альвеолу. Стенка капилляра также представляет собой полупроницаемую оболочку. Молекулы кислорода проникают сквозь нее, чтобы уравнять количество кислорода с обеих сторон. Как только кислород проходит через стенку, он оказывается в кровяном русле, где начинается другая стадия его путешествия.

Если вам показалось, что самая трудная часть путешествия кислорода из воздуха к клеткам организма осталась позади, если вы думаете, что кровь просто переносит молекулы кислорода из легких в другие органы, что они без труда через стенки капилляров попадают во все клетки организма, то вы ошибаетесь. Перенести необходимое количество кислорода не так легко, как кажется, и для этой цели существует сложный химический механизм.

Прежде чем приступить к обсуждению сложностей и возможностей решения вопроса перемещения кислорода, я бы хотел познакомить вас с еще несколькими единицами измерения.

Литр — единица измерения объема. Миллилитр — одна тысячная литра. Это относительно маленькая единица.

Грамм — единица измерения массы. Это маленькая единица. Миллиграмм — одна тысячная доля грамма.

Если чистый кислород пропустить через литр ледяной воды, то в воде растворится только часть кислорода, далеко не весь. В литре ледяной воды растворится всего 70 миллиграммов кислорода.

Напомню, это происходит, если кислород пропустить через воду. Если бы пропускали пузырьки обычного воздуха, состоящего всего на одну пятую из кислорода, то растворилась бы только эта одна пятая часть. В литре ледяной воды растворилось бы 14 миллиграммов кислорода. Растворилось бы также какое-то количество азота, но пока не будем говорить об азоте.

Может показаться, что 14 миллиграммов на литр воды — настолько незначительное количество, что можно не обращать на него внимания, однако от этого количества зависит жизнь. Рыбы и другие животные, дышащие жабрами, извлекают кислород не из атмосферы, иначе они начинают задыхаться, а из воды, где он растворен.

Конечно, нельзя недооценивать растворенный в морской воде кислород. Его количество в одном литре очень мало, но в океане много литров воды. В кубическом километре морской воды при температуре замерзания будет содержаться целых 60 000 тонн растворенного кислорода, а на Земле сотни кубических километров океана.

Вы заметили, что я все время говорю о ледяной воде. Это потому, что количество газа, который может раствориться в воде, зависит от ее температуры. Чем теплее вода, тем меньше газа в ней растворяется. В литре воды при 37 °C (температура человеческого тела) растворится всего около половины того кислорода, который может раствориться в ледяной воде, — 7 миллиграммов.

Но давайте оставим в покое океан и вернемся к крови. Сколько кислорода может раствориться в крови? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала задать другой. Сколько крови в человеческом теле?

Это не так уж легко определить. Самым простым способом ответить на этот вопрос было бы взять тело только что умершего человека, выпустить из него всю кровь и измерить ее объем. Беда в том, что из тела выпустить всю кровь практически невозможно. Какое-то количество ее все равно останется в микроскопических капиллярах.

Более сложный, но и более точный метод заключается в том, чтобы взять определенное количество безвредного красителя и ввести его в вену. Краситель разнесется по кровеносной системе, смешиваясь с кровью. После того как они хорошо смешаются, берется анализ крови. По ее цвету можно судить, сколько в ней растворилось красителя. Цвет окрашенной крови сравнивается с первоначальным цветом крови и красителя. Это делается не на глаз, а при помощи точных инструментов, фотоэлектрических колориметров, в которых используются фотоэлементы, а также специальные фильтры или кварцевые призмы, чтобы на фотоэлементы попадал свет только определенных цветов. Если после смешивания цвет красителя в крови сохраняет всего одну тысячную долю первоначальной интенсивности, значит, он смешался с одной тысячной долей своего объема. Зная объем введенного красителя, мы можем легко вычислить объем крови.

Но и тут случаются ошибки. Например, некоторые красители могут просто вытечь из крови. Однако, используя методы, подобные этому, мы можем узнать, что кровь составляет от шести до восьми процентов от веса тела. Объем крови у всех людей немного различается, и у мужчин он больше, чем у женщин. Другими словами, на каждый килограмм массы тела (1 килограмм равен 1000 граммов) приходится около 77 миллилитров крови у мужчин и 66 миллилитров крови у женщин. В теле семидесятикилограммового мужчины содержится около 5,4 литра крови, пятидесятикилограммовой женщины — около 3,3 литра крови.

Но из всего количества крови вода составляет 80 %, и в основном в ней растворяется кислород. Количество воды в кровеносных сосудах среднего человека массой 70 килограммов составляет около 4,3 литра. При температуре тела в каждом литре воды растворится 7 миллиграммов кислорода, то есть всего около 30 миллиграммов.

Обычному взрослому мужчине требуется не менее 23 400 миллиграммов кислорода в час или около 390 миллиграммов в минуту, при условии что он находится в теплом помещении и ничего не делает.

Все выглядит очень просто. При каждом вдохе тело поглощает около 20 миллилитров кислорода. Поскольку в спокойном состоянии человек делает примерно 16 вдохов в минуту, значит, мы поглощаем в минуту около 450 миллиграммов кислорода. Один миллилитр кислорода весит 1,43 миллиграмма. Этого достаточно, чтобы обеспечить уровень жизнедеятельности выше минимального. При этом мы можем не просто безмятежно лежать.

Конечно, когда человек начинает работать физически, увеличивается его потребность в кислороде, и он начинает дышать чаще. С другой стороны, женщина, у которой в кровеносных сосудах меньше воды, усваивает меньше кислорода, чем мужчина, потому что, во-первых, у средней женщины меньше масса тела и, во-вторых, значительную часть этой массы составляет жир, которому требуется намного меньшее количество кислорода для производства энергии.

Но теперь сравним 30 миллиграммов кислорода, в среднем растворяющегося в крови, с минимально необходимым организму количеством кислорода в минуту — 390 миллиграммами. Даже при условии, что кровь быстро доставит кислород из легких клеткам, его запаса в крови хватит всего на 4,5 секунды. Если это было бы действительно так, то прекращение дыхания через несколько секунд заканчивалось бы смертью.

Но все обстоит по-другому. Возможно, вы способны задерживать дыхание на минуту или даже на две, если сильно постараться, не потеряв при этом сознания. Люди могут находиться под водой или переставать дышать по другим причинам на более длительное время и все равно возвращаются к жизни при помощи искусственного дыхания. Значит, в организме должно быть больше кислорода, чем выявлено при подсчетах его содержания в крови.

Если взять некоторое количество крови и поместить ее в вакуум, чтобы из крови вышли все газы, то можно измерить количество кислорода, содержащегося в ней. Оказывается, в литре крови, прошедшей через легкие и пополнившейся запасом воздуха, кислорода не меньше 285 миллиграммов или примерно в 50 раз больше, чем могло бы раствориться в содержащейся в крови воде.

Тогда возникает другой вопрос: откуда появляется весь этот кислород? 2 % находятся в растворе. Остальные 98 % должны каким-то другим способом удерживаться кровью.

Если каплю крови поместить под микроскоп, то вы увидите маленькие тельца, плавающие в жидкости. Они называются форменными элементами, потому что имеют определенную форму по сравнению с бесформенной жидкой массой, окружающей их.

Если образец крови перелить в пробирку и быстро прокрутить (в аппарате под названием центрифуга), элементы крови под действием центробежной силы осядут на дно пробирки. Когда вы вынете пробирку из центрифуги, увидите, что нижняя часть ее содержимого представляет собой темно-красную массу спрессованных кровяных телец. Верхняя часть свободна от них, там осталась лишь бледно-желтая жидкость — плазма крови или просто плазма.

Точнее говоря, форменные элементы крови составляют около 45 % ее объема, а оставшиеся 55 % представлены жидкой плазмой. Это может показаться странным, потому что выше я говорил, что кровь на 80 % состоит из воды, но не забывайте, что форменные элементы также содержат значительное количество воды. Ни в коем случае нельзя считать, что плазма полностью состоит из воды. Дело обстоит так: в форменных элементах находится от 65 до 70 % воды, в плазме — около 92 %, в цельной крови, как ее часто называют, — 80 % воды.

В крови имеется три вида форменных элементов. В порядке уменьшения их размера это:

1) лейкоциты, или белые клетки,

2) эритроциты, или красные клетки,

3) тромбоциты.

В свое время я расскажу о каждом из этих видов клеток, но именно эритроциты отвечают за работу механизма по переносу кислорода, поэтому сейчас мы обратимся к ним.

Красные клетки (по-гречески «эритроциты») нельзя назвать полноценными. Полноценная клетка состоит из центральной части, отделенной от содержимого клетки тонкой оболочкой, эта часть называется клеточным ядром. Часть клетки, окружающая ядро, называется цитоплазмой. В цитоплазме клетки протекают почти все химические процессы, но именно ядро ответственно за механизм репродукции (воспроизведения) клетки, то есть ее деления на две новые.

В красных клетках человека нет ядра. Первоначально они формируются в костном мозге черепа, ребер и позвоночника. У детей они также могут формироваться в костном мозге в окончаниях длинных костей рук и ног. Сначала появляется большая клетка с ядром, не обладающая характерным красным цветом. Она носит название мегалобласта. Затем она окрашивается в красный цвет и становится эритробластом. Продолжая развиваться, клетка уменьшается в размере и становится нормоцитом. После этого она утрачивает ядро и превращается в ретикулоцит. Ретикулоциты попадают в кровеносную систему и через несколько часов становятся полноценными красными клетками. В нормальной крови одна красная клетка из двухсот находится на стадии ретикулоцита.

Красная клетка выполняет свои обязанности в крови, но без ядра не может больше расти и развиваться. Истощившись, она расщепляется. У нее не остается потомства. Ее должны заменить новые красные клетки. Из-за отсутствия ядра эритроциты называются иногда не клетками, а красными тельцами.

Красная клетка также меньше обычных клеток. К примеру, диаметр белой клетки, обладающей ядром, — от 10 до 20 микронов. Диаметр красной клетки всего 7,5 микрона. Это не намного больше размера ядра обычной клетки, иногда даже меньше. Красная клетка по форме напоминает диск или монету, ее толщина около 2 микронов. Этот диск двояковогнутый: то есть средние части плоских сторон вдавлены внутрь.

Цвет отдельного эритроцита совсем не красный, а скорее напоминает желтый. Однако когда эти клетки собираются в массу, то приобретают насыщенный красный цвет. Из-за своей формы они всегда находятся в крови группами, как игральные кости.

Количество красных клеток можно рассчитать, разведя определенное количество крови солевым раствором и поместив капельку разбавленной крови на предметное стекло микроскопа, разделенное на крошечные квадратики. Подсчитав количество клеток на каждом квадратике, можно узнать их общее количество в крови.

Оказывается, в крови взрослого мужчины содержится в среднем 5 400 000 красных клеток на каждый кубический миллиметр, а в крови взрослой женщины — 4 800 000 клеток.

Кубический миллиметр — очень маленькая единица измерения. В одном литре содержится 1 000 000 кубических миллиметров, а в организме мужчины весом в 70 кг 5,4 литра крови. Таким образом, в крови среднего мужчины находится около тридцати триллионов красных клеток. Если их поделить между всеми людьми на планете, то каждому мужчине, каждой женщине и каждому ребенку достанется более 8000 клеток.

В организме имеется резервуар для крови — селезенка, орган размером с кулак, расположенный справа возле желудка. В ней находятся полости (синусы), наполненные кровью, которая особенно богата красными клетками. В запасе имеется 5 000 000 000 000 (пять триллионов) красных клеток. Сокращение селезенки во время физической нагрузки, в жаркие дни или при внезапном испуге приводит к выбросу красных клеток в кровь.

Вес женщины меньше, чем у мужчины, поэтому у нее также меньше крови и, следовательно, меньше красных клеток. У средней женщины массой 55 кг в организме имеется 17 000 000 000 000 (17 триллионов) красных клеток. Это всего две трети от содержащихся в мужском организме, однако женщины от этого не страдают. Можно сказать, что у них есть преимущества. В Соединенных Штатах средняя продолжительность жизни женщины на три года больше, чем мужчины, и женщина меньше подвержена расстройствам системы кровообращения.

Красная клетка состоит в основном из гемоглобина и воды, покрытых полупроницаемой мембраной.

Гемоглобин — это белок. Белки — сложные и важные молекулы организма. Молекула гемоглобина довольно крупная и состоит из тысяч атомов шести разновидностей. Ее размер, как и размер любой другой молекулы, количественно измеряется молекулярной массой. При этом сравниваются масса молекулы и масса атома кислорода, который, как произвольно установили, равен 16. Таким образом, молекулярная масса молекулы водорода, состоящая из двух самых маленьких атомов, равняется всего 2. Молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеет массу, равную 18. Масса же молекулы гемоглобина — 68 000.

Что касается транспортировки кислорода, то самую важную роль в этом процессе играют четыре атома железа, которые содержит каждая молекула гемоглобина. Оказываясь поблизости от молекул кислорода, гемоглобин связывается с ними, в результате чего получается новое вещество — оксигемоглобин. Точками взаимодействия являются атомы железа, поэтому они так важны. Поскольку в молекуле гемоглобина содержатся четыре атома железа, каждая из них может перенести до четырех молекул кислорода.

Теперь давайте вернемся к маленьким капиллярам, пронизывающим каждую легочную альвеолу. Эти капилляры настолько малы, что даже крошечная красная клетка с трудом проникает в них. Чтобы попасть внутрь, ей приходится немного сжиматься, подобно человеку, ползущему по узкому туннелю на локтях и коленях, поэтому красная клетка по капилляру передвигается медленно.

Молекулы кислорода, проникшие через альвеолярную мембрану и стенки капиллярных сосудов, могут попасть через полупроницаемую мембрану в красные клетки, медленно продвигающиеся по капиллярам. Оказавшись в красной клетке, молекула кислорода притягивается к атомам железа, которые содержат молекулы гемоглобина. Красная клетка настолько мала, что молекулы кислорода могут проникнуть в любую ее часть прежде, чем она окажется вдали от альвеол. У покинувшей легкие красной клетки молекулы кислорода прикреплены примерно к 95 % атомов железа.

Это намного более эффективный способ переноса кислорода, чем его растворение в крови. В одной красной клетке содержится 270 000 000 (270 миллионов) молекул гемоглобина. Если каждая из них будет переносить по четыре молекулы кислорода, то в одной клетке их окажется свыше 1 000 000 000 (1 миллиарда). Если бы красная клетка состояла только из воды, то могла перенести всего 14 000 000 (14 миллионов) молекул кислорода, растворив их в воде. Поэтому в качестве транспортного средства для молекул кислорода красная клетка намного эффективнее воды, и поэтому мы можем надолго задерживать дыхание.

Но мы должны помнить, что гемоглобин крови является единственным резервуаром кислорода в организме. Даже если каждая молекула гемоглобина будет переносить кислород, то его запаса все равно хватит лишь на несколько минут. Поэтому мы должны дышать днем и ночью, год за годом.

Прежде чем продолжить рассказ о кислороде, я должен остановиться и сказать несколько слов о сердце и кровеносных сосудах.

Сердце — полый мышечный орган. Он вертикально разделен на две равные части, правую и левую. В свою очередь, каждая часть разделена горизонтально, так что в целом сердце имеет четыре отделения. Верхние отделения называются предсердиями, а нижние — желудочками. Таким образом, сердце состоит из правого и левого предсердий и из правого и левого желудочков.

Давайте начнем с правого желудочка. По мере сокращения сердца из него выталкивается кровь. Она не может двигаться в предсердие, поскольку между желудочками и предсердиями находятся клапаны, пропускающие кровь только в одном направлении. Кровь легко переходит из предсердия в желудочек, но не наоборот, если только человек не страдает заболеванием сердца. Вытолкнутая из правого желудочка кровь выходит из сердца и попадает в кровеносный сосуд — легочную артерию. Артерией называется любой крупный кровеносный сосуд, переносящий кровь от сердца.

По легочной артерии кровь поступает к легким. Там артерия разделяется и многократно разветвляется, пока не образует сеть капилляров, о которой я уже упоминал. В этих капиллярах молекулы гемоглобина, содержащегося в красных клетках, собирают кислород и превращаются в оксигемоглобин.

Кровь медленно покидает капилляры и начинает движение из легких обратно к сердцу. По пути капилляры сливаются, образуя все более крупные сосуды, пока наконец не превращаются в легочную вену. Веной называется любой крупный сосуд, переносящий кровь к сердцу.

По легочной вене кровь несет к сердцу запас оксигемоглобина и попадет в левое предсердие. Из левого предсердия через клапан кровь попадает в левый желудочек. Сердце опять сокращается, кровь из левого желудочка устремляется вперед со скоростью 25 метров в минуту прямо в самую крупную артерию организма — аорту. В самом начале от аорты ответвляются несколько артерий, включая сонную артерию, и ведут к голове и рукам. Главный ствол аорты тянется по всему туловищу и в области поясницы разделяется на две подвздошные артерии, ведущие к органам таза и ногам. Все крупные артерии делятся на более мелкие артерии, которые, в свою очередь, разветвляются на сеть капилляров, пронизывающих все тело, кроме легких.

В очередной раз красным клеткам приходится проталкиваться по узким капиллярам и двигаться со скоростью всего 2,5 сантиметра в минуту. По другую сторону капиллярной стенки уже нет того скопления молекул кислорода, как это было в альвеолах. Наоборот, там полно жаждущих кислорода клеток. Оксигемоглобин непрочно связывает молекулы кислорода, и они, повинуясь законам диффузии, заставляющим их уравнивать свое количество по обеим сторонам мембраны, отрываются от молекул гемоглобина, проникают сквозь мембрану эритроцитов (красных клеток), стенки капилляров, полупроницаемые мембраны, окружающие остальные клетки организма, и попадают в сами эти клетки.

Постепенно оксигемоглобин красных клеток опять превращается в простой гемоглобин, а кровь теряет свой запас кислорода. Когда она проходит через капилляры, кислорода в ней почти не остается. Капилляры начинают соединяться в венулы, затем во все более крупные вены, пока «использованная» кровь не попадает в нижнюю полую вену, несущую кровь к сердцу от ног и туловища, и верхнюю полую вену, которая несет кровь от рук и головы. Из этих вен кровь попадает в правое предсердие.

Оказавшись в правом предсердии, кровь проходит в правый желудочек и из него вытекает в легочную артерию, чтобы вернуться к легким и начать свой путь заново.

Таким образом, кровь движется по кругу, поэтому мы говорим о системе кровообращения. Стенки правого желудочка сравнительно тонкие, потому что ему приходится подавать кровь только в легкие (малый круг кровообращения). Стенки левого желудочка намного толще, поскольку он снабжает кровью все остальные органы (большой круг кровообращения). Оба желудочка сокращаются одновременно, поэтому оба этих вида кровообращения синхронны.

Однако не следует думать, что весь гемоглобин в крови сразу превращается в оксигемоглобин и наоборот и что в один момент в нашем организме полно кислорода, а в другой — его мало.

Одна молекула гемоглобина превращается в оксигемоглобин в легких и опять становится гемоглобином в тканях, однако ситуация в крови остается стабильной. В легких всегда есть красные клетки, собирающие кислород. Другие постоянно находятся в тканях, высвобождая его там. В легочных капиллярах все время в ожидании кислорода находятся красные клетки. За клетками, потерявшими запас кислорода в тканях, следуют новые.

Вы можете представить себе эту картину, если посмотрите на товарные вагоны, перевозящие груды угля с шахты на фабрику. Один вагон идет на фабрику, нагруженный углем, тогда как возвращается пустой, таким образом, все вагоны постоянно циркулируют туда-обратно, так что шахта постоянно поставляет запас угля, а фабрика его получает, невзирая на ход отдельных вагонов.

Кровь, наполненная кислородом, почти весь гемоглобин которой превратился в оксигемоглобин, называется артериальной кровью, потому что обычно она бывает в артериях, где движется от сердца и еще не добралась до жаждущих кислорода тканей. Исключением является кровь в легочной артерии, которая уже вернулась из тканей и теперь движется к легким.

Кровь, лишенная кислорода и почти не имеющая гемоглобина, называется венозной кровью. Судя по названию, она течет по венам, которые несут ее к сердцу после прохождения через испытывающие кислородный голод ткани. И опять исключением является кровь в легочной вене, только что вернувшаяся из легких.

Помимо количества кислорода, у артериальной и венозной крови есть и другие различия. Например, у них разный цвет. Артериальная кровь яркая, а венозная имеет синеватый оттенок. Именно артериальная кровь имеет свой характерный цвет, который мы видим, когда она начинает течь из поврежденных тканей. Даже если порезана вена и из раны вытекает венозная кровь, то все равно при контакте с воздухом она превращается в артериальную. Она быстро поглощает кислород, и оксигемоглобин тут же окрашивает ее в ярко-красный цвет.

Если хотите увидеть цвет настоящей венозной крови и если у вас светлая кожа, то посмотрите на вены тыльной стороны ладони или внутренней поверхности запястья. Они должны быть синеватого цвета, но поскольку вены находятся под слоем кожи, в которой содержится желтый пигмент — каротин, а желтый цвет при смешивании с синим становится зеленым, вены имеют зеленоватый оттенок.

Просвечивающий сквозь полупрозрачную кожу оксигемоглобин приводит к тому, что у светлокожих людей обычно румяное лицо. Там, где кожа особенно тонка, например на губах или во рту, цвет ее и вовсе красный.

Расширение сосудов в коже приводит к появлению покраснения вследствие прилива крови к капиллярам. Так краснеет кожа при воспалении, так появляется красный след от удара или румянец на морозе.

Когда в организм поступает недостаточно кислорода и количество оксигемоглобина снижается, покраснение кожи также уменьшается. Начинает проявляться цвет самого гемоглобина, и кожа приобретает синеватый оттенок. Это особенно заметно на людях, страдающих приступами удушья. Посинение кожи называется цианоз от греческого слова «синий».

Глава 4

Препятствия на пути кислорода

В нормальной атмосфере гемоглобин связывает только кислород. Это значит, что на связывание кислорода не оказывают воздействия другие компоненты воздуха: азот, двуокись углерода, пары воды или аргон. Гемоглобин собирает исключительно молекулы кислорода.

Однако некоторые газы могут этому помешать.

Например, если углерод или углеродсодержащее вещество, такое, как уголь или бензин, сжечь при недостатке кислорода, образуется некоторое количество моноокиси углерода, или угарного газа. Молекула угарного газа состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода. Когда кислорода в достатке, образуется двуокись углерода. Ее молекула состоит из атома углерода и двух атомов кислорода.

Угарный газ — довольно активное вещество. Он может соединиться с кислородом и превратиться в менее активную двуокись углерода. Угарный газ способен соединяться и с другими веществами, например с железом.

Если в воздухе присутствует небольшое количество угарного газа, он попадет в легкие, и некоторые молекулы газа проникнут через мембраны альвеол в кровь. Оказавшись в крови, молекулы угарного газа прикрепятся к атомам железа, находящимся в составе гемоглобина.

Любая молекула гемоглобина, переносящая угарный газ вместо кислорода, бесполезна для дыхания. Если вывести из строя небольшое количество гемоглобина, последствия не будут серьезными, потому что в организме есть его запасы. В любое время вы можете сдать Красному Кресту пол-литра крови и нисколько не пострадать от этого. Однако угарный газ имеет отвратительное свойство, которое делает его особенно опасным. Прикрепившись к атому железа, он держится очень крепко. Он не может легко освободиться от него в отличие от молекулы кислорода.

Вследствие этого, когда кровь завершает свой круг в организме и возвращается в легкие, она несет почти нетронутый запас угарного газа. Если этот газ присутствует в воздухе, а значит, и в альвеолах, он продолжает связываться с другими молекулами гемоглобина.

Происходит процесс накопления. И хотя содержание угарного газа в воздухе мало, со временем большая часть гемоглобина в крови начинает циркулировать впустую. Его молекулы, связанные с угарным газом, не могут связывать кислород, и в итоге постепенно развивается удушье. При наличии в воздухе всего 0,5 % угарного газа смерть наступает менее чем через полчаса.

Поэтому плохо вентилируемые угольные печи представляют опасность, и по этой же причине может наступить смерть, когда в закрытом гараже работает автомобильный двигатель. Бытовой газ, используемый для приготовления пищи, часто содержит моноокись углерода, поэтому также может стать причиной отравления. Гемоглобин, несущий на себе угарный газ, приобретает вишневый цвет, поэтому у людей, погибших от отравления этим газом, кожа имеет характерный красный цвет.

Если человек пострадал от отравления угарным газом, его необходимо вынести на свежий воздух и сделать искусственное дыхание или, если возможно, надеть на него кислородную маску. Моноокись углерода медленно отрывается от молекул гемоглобина, и, если прекратить доступ этого газа, есть шанс, что красные кровяные тельца восстановят свои функции, прежде чем наступит смерть от удушья.

Атом железа, входящий в состав молекулы гемоглобина, может существовать в одной из двух форм: как двухвалентный ион или как трехвалентный ион. Они различаются электрическим зарядом. Двухвалентное железо имеет двойной положительный заряд, а трехвалентное — тройной положительный заряд.

В гемоглобине присутствует двухвалентное железо, и прикрепляемая к нему молекула кислорода не изменяет его свойства. Атомы железа в оксигемоглобине по-прежнему двухвалентные. Это кажется странным, поскольку двухвалентное железо не такое стабильное, как трехвалентное, и в присутствии кислорода имеет тенденцию превращаться в последнее.

Но если мы рассмотрим этот процесс подробнее, все прояснится. Двухвалентное железо гемоглобина действительно превращается в трехвалентный ион в присутствии кислорода, и этот процесс постоянно происходит в крови. Изменение двухвалентного иона на трехвалентный является примером типа химических изменений, известных под названием окисление. Окисленный гемоглобин становится метгемоглобином. К счастью, в крови есть вещество, которое способно изменять трехвалентный ион сразу после его появления на двухвалентный. Такое обратное изменение представляет собой пример химической реакции под названием восстановление. По этой причине вещество, изменяющее трехвалентный ион на двухвалентный, называется восстановителем метгемоглобина, или, по-научному, метгемоглобинредуктазой.

Причиной, по которой организм должен следить, чтобы двухвалентное железо не превращалось в трехвалентное, является тот факт, что трехвалентное железо не способно присоединять кислород. Если говорить о дыхании, то метгемоглобин бесполезен для организма, а дыхание — это основа жизни. Один дополнительный положительный заряд на атоме железа, и мы мертвы; эта угроза сохраняется постоянно, и организм все время борется с ней при помощи специального механизма. То, что организм придумывает различные приемы, уловки и приспособления для поддержания внутренней среды в благоприятном состоянии, не значит, что он расширяет возможности для жизни. В конце концов акробат может научиться виртуозно ходить по канату, но от этого канат не станет ни на сантиметр шире.

Иногда дети рождаются с дефектом системы восстановления метгемоглобина. Их организм не в состоянии полностью перевозить метгемоглобин в крови в обычный гемоглобин в крови, и от 10 до 45 % их гемоглобина пребывает в этом бесполезном для жизни состоянии. Это не обязательно мешает им жить, как живут все обычные люди, но часто после физических нагрузок возникает затрудненность дыхания, когда нужно больше кислорода и организм не может позволить себе нехватку гемоглобина. Это состояние называется врожденной метгемоглобинемией.

Словом «врожденный» обозначают заболевания или расстройства функций организма, присутствующие у человека с момента рождения. Окончание «-емия» обозначает аномальный процесс, происходящий в крови, поэтому метгемоглобинемия значит «ненормальное количество метгемоглобина в крови». Использование греческого или латыни в медицинских и научных терминах отнюдь не является попыткой врачей или ученых выражаться непонятно. Так повелось с тех времен, когда латынь и греческий учили и понимали все ученые в Европе. Старая терминология используется и поныне. Ученые пользуются терминами, потому что международный характер науки вызывает необходимость использовать общепринятые слова, которые бы понимали одинаково хорошо представители научного мира всех народов.

Существуют химические вещества, в том числе и некоторые лекарства, которые при приеме внутрь способствуют превращению гемоглобина в метгемоглобин с такой скоростью, что метгемоглобинредуктаза не справляется со своими обязанностями. Это представляет особую опасность, если такие вещества содержатся в питьевой воде. Взрослые и дети более старшего возраста мало подвержены их воздействию, хотя и у них в крови образуется некоторое количество метгемоглобина. Однако маленькие дети до двух лет не способны справляться с метгемоглобинемией и могут серьезно заболеть.

Но чтобы показать вам, что все не так уж плохо, замечу, что при некоторых условиях метгемоглобин перестает причинять неприятности организму и, наоборот, становится спасительным.

Есть химические вещества, которые особенно легко взаимодействуют с железом, когда этот металл является трехвалентным. В качестве примеров можно назвать синильную кислоту (газ, используемый для умерщвления преступников в газовых камерах) и сероводород (газ с запахом тухлых яиц, знакомый каждому, кто побывал в химической лаборатории, учась в старших классах).

Оба газа чрезвычайно ядовиты, потому что в клетках соединяются с определенными жизненно важными белками. Эти белки (цитохромы) содержат трехвалентные атомы железа и присутствуют в незначительных количествах. Даже ничтожные количества сероводорода или синильной кислоты, взаимодействуя с железом, полностью выводят цитохромы из строя, поэтому способны погубить организм.

Если человек пострадал от подобного отравления, одним из способов лечения является введение в его организм таких химических веществ, которые превратят некоторое количество гемоглобина в метгемоглобин. Как только атомы железа станут трехвалентными, они возьмут на себя молекулы сероводорода или синильной кислоты и восстановят работу цитохромов.

Организм может позволить себе потерять таким образом небольшое количество гемоглобина, а циангемоглобин или сульфгемоглобин, образующиеся в результате взаимодействия метгемоглобина с синильной кислотой или сероводородом, соответственно, сравнительно безопасны. Когда цитохромы возвращаются к своему нормальному состоянию, в процессе дыхания организм может избавиться от ядов.

Сульфгемоглобин имеет синий цвет, и у людей, страдающих сульфгемоглобинемией, может до двух месяцев, пока они не избавятся от сульфгемоглобина, сохраняться цианоз без особо вредных последствий. Однако это зрелище может быть очень устрашающим.

Иногда нарушения утилизации кислорода возникают не из-за присутствия в атмосфере какого-то газа или наличия в пище или воде ядовитых соединений, а по причине нехватки одного из веществ, необходимых для нормального дыхания.

В качестве примера можно привести хроническую кислородную недостаточность. Она случается на большой высоте. Там атмосфера становится разреженной, и на высоте трех километров две трети земной атмосферы остаются внизу, и при вдохе в легкие поступает всего две трети кислорода по сравнению с тем количеством, которое мы вдыхаем, будучи на уровне моря.

Люди, привыкшие жить на уровне моря, испытывают нехватку воздуха на высокогорных плато и не выдерживают длительной физической нагрузки. Однако некоторые народы, например коренные жители Анд, обитающие в высокогорных районах Перу и Боливии, приспособились к существованию на таких высотах и живут высоко в горах нормальной жизнью, как и все остальные люди.

Их организм приспособился к нехватке кислорода. Их легкие больше наших, а капилляры в них более густо разветвлены. Обычно в крови местных жителей содержится чрезвычайно большое количество красных кровяных телец, до 8 000 000 на один кубический миллиметр, поэтому поступающий в легкие кислород более эффективно захватывается кровью.

Человек, живущий на уровне моря и попавший на высокогорное плато, если его заставить прожить там определенный период времени, обнаруживает, что постепенно привыкает к кислородному голоданию. В ответ на низкий уровень кислорода в крови его механизм по выработке красных кровяных телец, находящийся в костном мозге, приступает к производству дополнительных красных клеток, и постепенно кровь становится более эффективным переносчиком кислорода.

Состояние, при котором в крови увеличено содержание красных телец, называется полицитемией (от греческих слов, означающих «много клеток в крови»). Когда человек живет на высокогорном плато, полицитемия только желательна. А на уровне моря она может стать опасной, поскольку слишком большое количество красных клеток сгущает кровь, делая ее более вязкой, что препятствует нормальной циркуляции крови и функционированию организма в целом.

Именно это может произойти, если у человека нарушены регуляторные механизмы. Например, уплотнение или утолщение стенок кровеносных сосудов, питающих костный мозг, может привести к тому, что к нему будет поступать недостаточно крови. Испытывая кислородное голодание, костный мозг приступит к выработке дополнительного количества красных клеток, которые на самом деле организму не нужны. Эритроцитоз — это серьезное неизлечимое заболевание.

Другой причиной неполадок в организме, не связанной с содержанием кислорода в атмосфере, может быть недостаток гемоглобина. Иногда по той или иной причине в организме человека вырабатывается недостаточное количество гемоглобина. Это может происходить из-за нехватки красных клеток или потому, что в самой красной клетке недостаточно гемоглобина.

Какой бы ни была причина, это расстройство носит название анемии (от греческого слова «малокровие»). Дефицит гемоглобина лишает кровь ее основного свойства: цвета. Люди, страдающие анемией, обычно бледны, словно им и в самом деле не хватает крови. При недостатке гемоглобина снижается поступление кислорода к клеткам. В результате производится меньше энергии, и люди быстрее устают.

Самой распространенной причиной анемии является нехватка железа в организме. Иногда это происходит из-за недостатка железа в пище, но часто химический анализ показывает, что железа в рационе более чем достаточно, а в организме его по-прежнему не хватает.

Причина кроется в том, что организм с трудом усваивает железо из пищеварительного тракта. Атомы железа в составе простых молекул довольно легко проникают сквозь стенки кишечника. Железо в составе гемоглобина, являющееся частью сложной системы атомов — гема, усваивается с трудом. К сожалению, почти все железо в пище содержится в форме гема. По этой причине всего около 10 % железа усваивается организмом, а остальное выводится.

Это очень тяжелое состояние, и интересно было бы узнать, что его вызывает.

Как я уже говорил, жизнь зародилась в океане, и живая ткань в основном состоит из присутствующих в океане элементов. В земной коре чаще всего встречаются три элемента, которых совсем мало в океане. Это кремний (второй по распространенности элемент), алюминий (третий) и железо (четвертый).

Эти элементы редки в океане потому, что находятся в земной коре в виде сложных веществ, нерастворимых в воде. Они не растворяются дождями и речными потоками и попадают в океан в ничтожных количествах.

В результате кремний и алюминий не входят в состав живых тканей. Они могут попадать туда лишь в малых количествах в результате случайного отравления. Только некоторые крошечные микроорганизмы используют двуокись кремния для создания защитного панциря, но это совсем другой случай.

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 — азот^14 и азот^15. Из них чаще встречается азот^14. Из всех атомов азота он составляет 99,64 %, а азота^15 всего 0,36 %. Молекула гемоглобина состоит из 750 атомов азота, из которых всего два атома (в среднем) представлены азотом^15, а остальные — азотом^14.

Ученые сумели выделять изотопы и создать азотсодержащие вещества с необыкновенно высоким содержанием азота^15. Одним из таких веществ является глицин, который при добавлении в пищу усваивается организмом и включается во все белки, в том числе и в гемоглобин. Он может как включиться целиком в глобин, так и в виде фрагментов, содержащих атомы азота, в гемовую часть молекулы гемоглобина.

Ученый-экспериментатор может выяснить, включился ли глицин в гемоглобин. Для этого требуется выделить некоторое количество гемоглобина от крови (легко проделать), отделить атомы азота от молекул гемоглобина (тоже просто) и определить в них процентное содержание азота^15. Последняя процедура уже не столь проста, она требует наличия сложного инструмента — масс-спектрометра, который измеряет массу отдельных атомов и может отличить более тяжелый атом азота^15 от более легкого азота^14. Если окажется, что молекула гемоглобина необыкновенно богата азотом^15, самым простым объяснением этого явления будет то, что содержавшийся в пище глицин по крайней мере включился в гемоглобин.

Из-за того что это необычный изотоп, мы можем проследить за его переходом из одного вещества в другое, мы в состоянии определить его местонахождение и степень включения в те или иные вещества во время их химических превращений в живых тканях. Такие изотопы можно сравнить с ярким ярлычком, который позволяет нам легко отличить свою сумку или чемодан среди чужих вещей в багажном отделении, когда мы путешествуем по железной дороге. По этой причине вещества, содержащие различные изотопы, называются мечеными.

Теперь давайте выясним, как меченый глицин помогает определить срок жизни красной клетки. Допустим, в течение двух дней человек получает его с обычной пищей. У испытуемого через определенные промежутки берут анализ крови и проверяют гемоглобин на содержание азота^15. Экскременты также анализируют на содержание этого изотопа. В течение недель в гемоглобине повышается содержание азота^15, так как глицин медленно включается в молекулы гемоглобина. Причина такой медлительности кроется в том, что значительная часть глицина сначала попадает в другие белки и только после этого в гемоглобин.

После первых двух недель содержание азота^15 в гемоглобине достигает своей высшей точки, после чего в течение трех месяцев или более остается неизменным. В то же время уровень азота^15 в экскрементах остается стабильно низким. Это показывает, что красные клетки не расщепляются случайно, поскольку если бы это было так, то азот^15 начал бы выводиться из организма сразу же после достижения пика своего содержания. Кроме того, в желчных пигментах накапливалось бы все больше и больше азота^15, поскольку эти пигменты представляют собой расщепленные гемы. Они бы выводились из организма, и в экскрементах наблюдалось бы повышенное содержание азота^15.

Однако ничего этого не происходит. Наоборот, после примерно ста двадцати дней стабильности наблюдается внезапное уменьшение содержания азота^15 в гемоглобине и одновременно резкое увеличение его выделения из организма. Очевидно, прожив около четырех месяцев, красные клетки, образовавшиеся в то время, когда в организм вводили меченый глицин, начинают расщепляться более или менее одновременно.

Этот эксперимент позволил ученым сделать вывод, что средняя продолжительность жизни человеческой красной клетки равняется примерно ста двадцати пяти дням. Некоторые живут немного дольше, некоторые меньше, так же как и средняя продолжительность жизни людей равна семидесяти годам, но одни умирают молодыми, а другие живут до глубокой старости. Результаты, полученные при помощи изотопов, подтверждаются более ранними опытами с использованием менее точных методов. Научные выводы всегда бывают основательнее, если сделаны на основании независимых исследований. Конечно, некоторые красные клетки образуются каждую секунду, а некоторые каждую секунду достигают своей зрелости и погибают.

Если в организме взрослого человека в среднем находится 25 000 000 000 000 (25 триллионов) красных клеток и каждый день разрушается 0,8 % из них, значит, каждый день гибнут 200 000 000 000 (200 миллиардов) клеток, а в секунду — 2 300 000. Само собой, это не должно вас волновать. Организм способен заменять погибшие клетки сразу же после их гибели.

Красные клетки в организме других животных не обязательно живут такое же время, как и в организме человека. Красные клетки собак живут всего около 107 дней, а у кошек и кроликов только 68 дней.

В экспериментах над животными можно использовать радиоактивные изотопы, которые обычно не существуют в природе, их получают в лабораторных условиях. Радиоактивные изотопы неустойчивы и постоянно расщепляются, освобождая обладающие высокой энергией субатомные частицы, которые можно легко заметить с помощью специальных приборов — счетчиков. Наиболее известным из них является счетчик Гейгера.

Радиоактивные изотопы легко определить количественно, и для анализа их нужно совсем немного. Определение не требует наличия дорогого и громоздкого масс-спектрометра. Поэтому большинство экспериментов проводятся с радиоактивными изотопами, а не с необычными, но безвредными, как, например, азот^15. К тому же одним из величайших преимуществ атомных исследований является то, что ядерные реакторы способны производить радиоактивные изотопы в таких количествах, что вещества, в состав которых они входят, можно купить по сравнительно невысокой цене.

Радиоактивные изотопы людям не вводят, кроме особых случаев. Излучение субатомных частиц, высвобождаемых при расщеплении изотопов, может повреждать ткани и вызывать лучевую болезнь, если его доза слишком высока. Ученые, работающие с радиоактивными изотопами, должны следить, чтобы уровень радиации никогда не превышал безопасных для жизни значений. Эта работа не опаснее, чем работа бактериолога, принимающего все меры, чтобы не заразиться патогенными бактериями, которые он изучает, или мясника, которому следует беречь пальцы от своего топора.

Если организму достаточно запасенного впрок железа, а к тому же еще и с пищей поступает небольшое количество этого элемента, то зачем беспокоиться об анемии? Взрослому мужчине обычно это делать и не приходится. Создав в организме достаточный запас железа, можно не беспокоиться о будущем, все должно идти гладко.

В случае чрезвычайной ситуации, если человек получил травму и у него развилось кровотечение, бывает необходимым возместить потерянную кровь и все содержащиеся в ней элементы, в том числе атомы железа. Тогда-то и пригодятся атомы железа, входящие в состав ферритина, и тогда поступление железа с пищей пополнит запасы этого белка.

Ситуация с женщинами моложе пятидесяти лет обстоит менее благополучно. Мужчина может вести себя осторожно и избежать кровотечения, однако женщина теряет кровь регулярно (обычно каждые четыре недели) в результате менструального цикла. Таким образом, ее потребность в железе выше, чем у мужчины. Поэтому простая железодефицитная анемия намного чаще встречается у женщин (особенно молодых, которые, ко всему прочему, хотят сохранить стройную фигуру при помощи самостоятельно разработанной и не контролируемой врачом диеты с недостатком минералов и витаминов).

Проблема дефицита железа особенно остро встает во время беременности. В это время менструации прекращаются и происходит формирование плода, который получает все питательные вещества из материнского организма, в том числе и необходимые для создания запасов крови. Материнский организм должен не только поставлять железо для крови плода (даже ценой опасного для здоровья будущей матери дефицита этого микроэлемента), но и запасы железа, которые будут служить резервом для ребенка в течение первых месяцев после рождения. Переход железа в растущий плод примерно на 60 % больше, чем количество, которое потерялось бы при менструациях в течение девяти месяцев, если бы женщина не была беременна. Понятно, почему таблетки, в состав которых входят легко усваиваемые вещества, содержащие неорганическое железо, прописываются почти каждой беременной женщине.

Ребенок рождается не только с запасом железа, но и с необычайно высокой концентрацией красных клеток в крови, другими словами, с легкой формой полицитемии. Это может быть результатом нехватки кислорода, испытываемой плодом до появления на свет. Находясь в утробе матери, он лишен доступа воздуха и живет только за счет кислорода, попадающего с кровью матери.

В любом случае запасы железа и дополнительные красные клетки необходимы в течение первых месяцев жизни младенца, когда он растет и в его организме происходит нарастание количества красных клеток без поступления железа с пищей. В молоке, которое, скорее всего, является его единственной пищей в течение нескольких месяцев, очень мало железа. Это один из немногих недостатков молока. Другой недостаток заключается в том, что в нем содержится очень мало витамина D. Как можно раньше в рацион надо вводить яйца или кашу. В них достаточно железа для удовлетворения потребностей детского организма.

Девочке необходимо пополнять запасы железа всю жизнь до наступления менопаузы. Мальчику нужно это делать, только пока он растет, а максимальная потребность в железе приходится на раннюю юность — 15–16 лет.

Глава 5

Красный витамин

Иногда возникают сложности не с выработкой гемоглобина в организме, а с выработкой самих красных клеток — «мешочка», в котором содержится гемоглобин. Этот «мешочек» называется стромой. Красные клетки, помещенные в дистиллированную воду, через некоторое время лопнут, и из них выйдет гемоглобин. Останется пустая мембрана, получившая драматическое название «тени» красной клетки. Вероятно, строма пронизывает внутреннюю часть клетки, создавая секторы. Иногда удается разрушить клетку таким образом, что часть гемоглобина выходит наружу, а часть остается в клетке, очевидно окруженная тонкими перегородками — стромой.

Когда нарушается образование стромы, красные клетки изменяют свой внешний вид и разрушаются очень быстро. Вместо обычных 125 дней они живут всего сорок. В каждой клетке, как и положено, есть запас гемоглобина, только его больше, чем в обычных клетках. Они также крупнее нормальных эритроцитов, поэтому их называют макроцитами. Беда в том, что количество клеток мало и постоянно уменьшается, так что в конце концов их содержание не превышает 2 500 000 на кубический миллиметр.

Такое состояние называется злокачественным малокровием. Это название подразумевает фатальный исход, и действительно, до 1926 года он был фатальным. Обычную железодефицитную анемию можно было вылечить, принимая таблетки с содержанием железа, но злокачественная анемия была так же смертельна, как выстрел в сердце, хотя и означала не столь мгновенную смерть (болезнь длилась от двух до пяти лет).

В 1926 году два врача из клиники при Гарвардском университете, Дж. Р. Майнот и У. П. Мерфи, решили добавить в рацион больных злокачественной анемией печень. Вы можете спросить, почему именно печень? Несколькими годами ранее ученый из Калифорнийского университета Дж. Уипл вызывал анемию у собак посредством кровопускания, а затем испытывал на них различные продукты, чтобы узнать, какой из них наиболее быстро вернет животных к нормальному состоянию. Печень оказалась эффективнее всего. Естественно, собаки страдали не злокачественной анемией, а анемией, вызванной постоянными кровотечениями. Однако Майноту и Мерфи было нечего терять. Печень съедобна, а пациентам грозила гибель, поэтому врачи решили попробовать.

Метод сработал. Больным почти сразу же стало лучше. Им приходилось периодически включать в свой рацион питания большие порции печени. Если пациенты делали длительный перерыв, болезнь возвращалась. Однако если вы стоите перед выбором: есть печень или умереть, то ответ очевиден.

В 1934 году Майнот, Мерфи и Уипл получили за свое открытие Нобелевскую премию в области медицины.

Хотя по сравнению с тем, что было раньше, был сделан большой прорыв, ситуация все же прояснилась далеко не до конца. Что же такое содержалось в печени, что больные злокачественной анемией возвращались к жизни? В 1927 году Э. Дж. Кон совместно с Майнотом и другими исследователями из Гарвардского университета попробовали разделить печень на фракции, пытаясь выделить фактор, препятствующий развитию анемии.

Сначала некоторое количество печени тщательно измельчали до получения однородной массы — гомогената. Растертую ткань соединяли с водой определенной кислотности и тщательно перемешивали. Некоторые компоненты гомогената растворялись в воде, другие нет.

Смесь фильтровали, а затем некоторые компоненты гомогената и нерастворенные частицы испытывали отдельно на больных злокачественной анемией, добавляя растворимую фракцию и осадок в пищу. Через определенные промежутки времени у пациентов брали кровь на анализ, чтобы проверить, не произошло ли увеличение количества незрелых красных клеток (ретикулоцитов). Такая «ретикулоцитная реакция» означала бы наличие противоанемического фактора.

Оказалось, что в водном растворе, или экстракте печени, этот фактор присутствовал, а в нерастворимой части его было очень мало или совсем не было. Таким образом, нерастворимую часть можно было изъять и продолжить работу с экстрактом.

Позднее наличие или отсутствие этого фактора определялось внутривенным введением небольших доз различных фракций печени. Это был более точный эксперимент, нежели добавление фракций в пищу; при этом сохранялась бóльшая часть фракции, которая подвергалась дальнейшему очищению. Поскольку злокачественная анемия довольно редкое заболевание, были предприняты попытки использовать в этих испытаниях животных вместо людей, но эти эксперименты успеха не имели.

Экстракт печени нагревали. При этом свертывался белок, находящийся в экстракте. Фактор по-прежнему оставался в растворе.

После фильтрации (для отделения свернувшегося белка) раствор обрабатывали эфиром. Эфир не соединяется с водой, а образует отдельный слой жидкости над поверхностью воды. Когда два слоя при сильном взбалтывании временно смешиваются, некоторые вещества из воды переходят в эфир и растворяются в нем. После разделения эфирного и водного слоев антианемический фактор обнаруживался в воде.

Затем раствор помещали в коллодиевый мешочек и погружали его в дистиллированную воду. Коллодий подобен полупроницаемой мембране, через которую относительно мелкие молекулы, в частности молекулы фактора, выходили из мешочка в воду, а более крупные оставались внутри. Эта процедура называется диализом. Затем к материалу, прошедшему через мембрану (диализат), добавляли различные химические вещества, способные, связываясь с другими веществами (но не с фактором), образовывать нерастворимые соединения, которые можно затем удалить из раствора.

Такими методами, а также некоторыми из тех, что были мной упомянуты ранее, рамки поисков медленно, но верно сужались, и исследователи получали все более чистую форму антианемического фактора. Естественно, этот процесс трудоемкий. Результатом может быть как успех, так и провал, хотя опытные ученые, благодаря знанию химических и физических принципов, обычно интуитивно чувствуют, какие процедуры выбрать, чтобы получить удачный результат; иногда опыты заходят в тупик, и приходится повторять попытки бесчисленное количество раз.

В 1930 году, после трех лет работы, Кон и его коллеги выделили фракцию печени, эффективную при борьбе со злокачественной анемией в дозе всего 140 миллиграммов. Эта фракция была по крайней мере в сто раз мощнее обычной печени. Больные злокачественной анемией, получавшие лечение этим экстрактом, избавлялись от необходимости постоянно включать печень в рацион.

Работа по очистке антианемического фактора приостановлена, так как единственным способом обнаружить фактор оставалась реакция на него самих больных злокачественной анемией. Из-за неизбежных потерь на каждой стадии очистки и дополнительных потерь во время анализов оставались слишком малые количества вещества. К счастью, в 1940-х годах ученые из американской компании «Мерк», а также из нескольких английских лабораторий независимо друг от друга обнаружили, что даже ничтожное количество фактора (измеряемое в пикограммах — миллионной доле одной миллионной части грамма) ускоряет рост определенных бактерий.

Это неудивительно, хотя у бактерий и нет красных клеток. Давно существовали подозрения, что антианемический фактор является витамином. Когда витамины были впервые открыты, их считали всего лишь загадочными веществами неизвестного состава, которые присутствовали в пище в малых количествах и были необходимы для поддержания здоровья человека. Сначала были известны два витамина: витамин А, растворимый в жире, но нерастворимый в воде, и витамин В, который, наоборот, растворялся только в воде. Дальнейшие исследования показали, что витамин В был на самом деле смесью многих компонентов, которая получила название витаминного комплекса В.

Различные компоненты этого комплекса стали называться витамином В_1, В_2 и так далее. Постепенно, по мере установления химической структуры разных витаминов, они все получили названия. Например, витамин В_1 стал называться тиамином, а витамин В_2 — рибофлавином.

У витаминов группы В есть одна общая черта: они необходимы для нормального химического функционирования всех известных клеток животных, растений и бактерий. Если клетка сама не может вырабатывать этот витамин, значит, она должна получать его с пищей.

Антианемический фактор вел себя как витамин В, поэтому его называли витамином В_12. Подобно другим витаминам В-комплекса, он нужен всем клеткам. У человека дефицит витамина В_12 может привести к прекращению выработки красных клеток, но это только вершина айсберга. Более серьезная опасность кроется в том, что нарушается течение химических реакций во всех клетках организма. Бактериальные клетки также страдают от дефицита витамина В_12, и бактерии, не способные самостоятельно вырабатывать этот витамин, при недостатке его в пище перестают расти. Если витамин В_12 добавлять в питательную среду, то рост бактерий возобновляется, что можно использовать для распознавания наличия антифактора.

К 1948 году с помощью нового метода были наконец выделены крошечные дозы чистого витамина В_12. Это было сделано почти одновременно теми же независимыми исследовательскими коллективами: «Мерк» в Америке и несколькими лабораториями в Англии.

Витамин В_12 оказался красным веществом. Этот цвет был необычен, и поначалу ученые были уверены, что он присутствует только у недостаточно очищенного вещества. Однако и в процессе очищения цвет витамина оставался неизменным.

Это удивило исследователей. Витамин напоминал по цвету некоторые известные соединения, содержащие кобальт (металл, сходный по свойствам с железом). Казалось, что это простое совпадение, потому что кобальт никогда не был обнаружен в веществах, выделенных из живой ткани. Тем не менее некоторое количество витамина В_12 было сожжено (медленно, но интенсивно нагревалось, пока не остался лишь легкий минеральный осадок). Произвели анализ пепла и пришли к выводу, что он содержал кобальт!

Поскольку витамин В_12 необходим для функционирования всех клеток, а кобальт входит в его состав, значит, он принадлежит к жизненно важным элементам. Так как человеку требуется ничтожное количество кобальта, он называется незаменимым микроэлементом. В организме взрослого мужчины содержится не более 12 миллиграммов кобальта. Это эквивалентно кубику из кобальта, грани которого едва превышают миллиметр. Столь незначительное количество элемента так необходимо для жизни.

С другой стороны 12 миллиграммов — это не так мало, как вы можете подумать. В них содержится более 100 000 000 000 000 000 000 (100 миллионов триллионов) атомов. Если все эти атомы распределить равномерно между всеми клетками человеческого тела, то на каждую клетку придутся сотни тысяч атомов кобальта.

В процессе изучения витамина В_12 выяснилось, что на его основе можно приготовить несколько сходных между собою соединений. Они получили название витаминов В12a, В12b и так далее. Вместе они получили имя «кобаламинов», потому что все содержали кобальт (буква «т» в слове «кобальт» была опущена в целях благозвучия). В состав витамина В_12 также входит цианогруппа, поэтому он называется цианокобаламином. Цианиды ядовиты, но в цианокобаламине цианогрупп слишком мало, чтобы нанести вред, к тому же они так прочно прикреплены к молекуле витамина, что не могут оторваться и присоединиться к атомам железа.

Как только удалось выделить цианокобаламин в чистом виде, ученые предприняли попытки выяснить его структуру. Какие еще атомы помимо кобальта находились в молекуле? Их было много, и они соединялись в сложную структуру, настолько сложную, что для ее установления понадобилось еще восемь лет.

Сначала молекулу цианокобаламина обрабатывали сильнодействующими химическими веществами для расщепления ее на более мелкие фрагменты. Была выявлена более простая структура отдельных фрагментов. В результате в начале 1950-х годов химикам стало почти точно известно, что молекула цианокобаламина состоит из 63 атомов углерода, 88 атомов водорода, 14 атомов кислорода, 14 атомов азота, 1 атома фосфора и 1 атома кобальта. Большинство атомов удалось расположить в определенном порядке, однако общая модель всей молекулы оставалась неясной.

Доктор Дороти Ходжкин из Оксфорда изучала поведение рентгеновских лучей при пропускании их сквозь кристаллы цианокобаламина. Некоторые из этих лучей преломлялись. То, как они преломлялись, — степень и угол преломления — можно было определить, дав лучу попасть на фотопластинку после его прохождения через кристалл. Если бы кристаллов не было, то на месте попадания луча появилось бы одно затемнение. Но когда на пути находились кристаллы, на всей пластинке появлялись очаги затемнения в тех местах, куда попали преломленные лучи.

По расположению этих точек можно представить электронную плотность молекулы. То есть вычислить, в какой части молекулы, скорее всего, находился электрон, а в какой — нет. (Электроны — это крохотные частицы, они намного меньше атомов и являются частью их структуры.) Затем можно начертить линии, соединив все точки одинаковой электронной плотности, прямыми линиями начертить график, так же как на графике погоды чертят линии для обозначения перепадов температуры или атмосферного давления. Линии электронной плотности представляют собой призрачное изображение атомов в молекуле. Исходя из этого графика и из того, что уже известно о структуре отдельных участков молекулы, можно определить ее структуру.

Однако вычисление электронных плотностей по преломлению рентгеновских лучей — долгий, утомительный и довольно сложный процесс. Доктору Ходжкин удалось разрубить этот гордиев узел при помощи компьютера. Информация была загружена в Национальное бюро стандартов западных автоматических компьютеров, и вскоре был получен ответ.

В итоге в 1956 году была установлена структура молекулы цианокобаламина. Она состоит из несимметричного порфиринового кольца (в нем не хватает одного атома), как в геме, а в центре кольца, на месте атома железа (как у гема), находится атом кобальта. На разном расстоянии к кольцу прикрепляются группы атомов, более сложные по строению, чем аналогичные группы в составе гема.

Молекула цианокобаламина слишком сложна, чтобы ее можно было синтезировать в лаборатории, но для медицинских целей большие количества витамина В_12 можно получать из печени. Именно в этом органе откладываются запасы питательных веществ на случай голода, поэтому печень вылечивала больных злокачественной анемией и полезна даже для здоровых людей. Сегодня во многих коммерческих мультивитаминных комплексах содержится небольшое количество цианокобаламина.

Одна из загадок цианокобаламина заключается в том, что он необходим организму в очень малых количествах. В случае с другими витаминами группы В организму их требуется около миллиграмма в день или больше. А один или два микрограмма цианокобаламина в день — вполне достаточная доза (одна тысячная часть от количества комплекса витамина В).

Но если это так, то почему тогда возникает злокачественная анемия? Этот витамин содержится во многих продуктах, правда, в очень малых количествах, но его вполне должно хватить, чтобы создать запасы. Практически невозможно представить диету, в которой не содержалось бы цианокобаламина.

Чтобы разобраться во всем, обратимся к другому виду анемии, причиной которого является недостаток меди в диете. Медь, как и кобальт, незаменимый микроэлемент. Она входит в состав молекул группы белков — ферментов, которые необходимы в малых количествах для осуществления различных химических реакций. Некоторые медьсодержащие ферменты были выделены. Один из них, который выделить пока не удалось, необходим организму для контроля химических реакций (тоже пока неизвестных), способствующих правильному обмену железа. Из-за недостатка меди в организме атомы железа не используются по назначению, это приводит к снижению уровня гемоглобина, и в результате — меднодефицитная анемия. Однако в пище так много меди, что меднодефицитная анемия никогда не встречается у людей. Ученые могут изучать ее только на животных, например на молодых собаках, месяцами держа их на особой диете, из которой ценой больших усилий удаляется вся медь.

Почему же дела обстоят совсем не так, как со злокачественной анемией, обусловленной недостатком кобальта? Еще удивительнее, что многие бактерии, в том числе и те, которые живут в кишечнике человека, могут вырабатывать цианокобаламин из простых веществ. По этой причине даже если кобальт в пище находится не в виде цианокобаламина и таким образом является бесполезным для нас, то бактерии могут использовать его для синтеза витамина В_12. Так и происходит, и бактерии синтезируют цианокобаламина больше, чем мы способны усвоить, часть его не всасывается стенкой кишечника, проходит неизменной через пищеварительный тракт и выводится из организма.

Это и есть ключ к разгадке. Наличие цианокобаламина в кишечнике — не то же самое, что его наличие в организме. При самых благоприятных обстоятельствах у здоровых людей только малая часть этих больших молекул (у других витаминов В молекулы значительно меньше) усваивается организмом, хотя этого количества хватает для удовлетворения наших потребностей. У больных злокачественной анемией цианокобаламин почти не усваивается. Это выражается в том, что экскременты у таких больных содержат больше цианокобаламина, чем у здоровых людей (именно из-за его отсутствия в организме больные умирают).

У них нарушен механизм усвоения цианокобаламина, поэтому наличие или отсутствие его в пище не имеет никакого значения. Поэтому и способ введения витамина В_12 больным злокачественной анемией имеет большое значение. Два микрограмма цианокобаламина в виде инъекций в кровь вызывают заметное увеличение ретикулоцитов. Для получения такого же результата внутрь необходимо принять почти в сто раз больше. У нормальных людей такое же количество цианокобаламина действует одинаково эффективно при инъекциях и приеме внутрь.

На ранней стадии исследований интерес был сосредоточен на желудочной секреции больных злокачественной анемией. Обычно желудочный сок богат соляной кислотой. Это очень сильная кислота, а желудочный сок — самая кислотная жидкость во всем организме. Эта кислота полезна, несмотря на уверения в обратном тех, кто производит противокислотные таблетки, она помогает переваривать содержимое желудка и необходима для работы самого важного пищеварительного фермента. В редких случаях желудочный сок не содержит соляной кислоты — такое состояние называется ахлоргидрией. Без соляной кислоты пищеварение в желудке нарушается, но зато оно происходит более интенсивно в остальной части пищеварительного тракта, поэтому если у человека нет сопутствующих заболеваний, то он может чувствовать себя нормально.

Однако у больных злокачественной анемией ахлоргидрия почти неизбежна, поэтому такое внимание ученые уделяли желудочному соку. Например, было установлено, что мясо, обработанное нормальным желудочным соком, вызывает ретикулоцитарную реакцию в десять раз более выраженную, чем обработанное раствором соляной кислоты. Очевидно, в желудочном соке, помимо соляной кислоты, есть что-то еще, что помогает усвоению витамина В_12.

В 1929 году американский ученый У. Б. Кастл назвал это вещество внутренним фактором, то есть находящимся в организме. Цианокобаламин, который тогда был таким же загадочным веществом, иногда называли внешним фактором, потому что он присутствовал в пище, то есть вне организма.

Теперь известно, что внутренний фактор — это небольшая белковая молекула, составляющая примерно одну четверть размера молекулы гемоглобина. В нее входят определенные группы атомов, похожие на те, что находятся в молекуле сахара. Такой сахаросодержащий протеин называется мукопротеином.

Хотя злокачественная анемия уже не считается смертельно опасной болезнью и легко поддается лечению, ученых по-прежнему интересуют многие вопросы. Какова именно структура внутреннего фактора? Как он помогает цианокобаламину проходить сквозь стенки кишечника? Как цианокобаламин, оказавшись в организме, участвует в химических процессах и почему его требуется так мало? Как его отсутствие сказывается на выработке стромы?

В книге науки могут заканчиваться главы, но сама книга не имеет конца.

Следует отметить, что история изучения злокачественной анемии показывает, какую пользу могут принести эксперименты на животных. Конечно, нехорошо заставлять собаку истекать кровью, чтобы только узнать, как скоро она восстановит ее запасы. Приложив все старания, чтобы животное не испытывало боли и неудобств, и проводя опыты как можно гуманнее, доктор Уипл вряд ли испытывал удовольствие, занимаясь работой, за которую он получил Нобелевскую премию. Но это была необходимая работа. В итоге болезнь, раньше считавшаяся смертельно опасной, стала излечиваться, и начались исследования, в результате которых мы многое узнали о нашем организме. Если бы не проводились эксперименты на собаках, Майнот и Мерфи продолжали бы кормить своих больных печенью, но, с другой стороны, этого могло и не случиться, и тогда злокачественная анемия по-прежнему бы уносила человеческие жизни.

Глава 6

Дар крови

Иногда с красными клетками происходят разного рода неприятности не по их вине, а скорее из-за попадания в систему кровообращения чужеродных тел. Например, некоторые змеиные яды, а также яды скорпионов и многоножек содержат химические вещества, способные расщеплять элементы стромы красных клеток. В итоге строма повреждается, и в плазму крови выходит гемоглобин.

Феномен распада красных клеток называется гемолизом и может также вызываться паразитами, попадающими в красную клетку, размножающимися в ней и постепенно разрушающими ее. Самой распространенной болезнью этого типа является малярия.

Другое опасное нарушение деятельности красных клеток может вызываться извне. В кровь проникают вещества, вызывающие склеивание, или агглютинацию, красных клеток. Любое вещество, приводящее к этому, называется агглютинином. Опасность агглютинации очевидна. Склеенные клетки не могут выполнять свои функции, и, что еще опаснее, они закупоривают мелкие кровеносные сосуды. Закупорка жизненно важного сосуда, например в мозгу, может вызвать паралич и даже смерть.

Самые важные агглютинины находятся в крови, и именно они вызывают больше всего проблем во время переливания крови одного человека другому.

Как я уже говорил в первой главе, еще в доисторические времена человечество поняло, что потеря крови ведет к смерти. В последующие века были случаи, когда какой-нибудь обладающий богатым воображением или отчаявшийся врач пытался спасти больного от потери крови, переливая ему в вены кровь, взятую обычно у животного, например овцы или козы. Это не помогало.

Даже когда начали предприниматься попытки ради спасения жизни переливать одному человеку кровь другого, результаты были не всегда хорошие. Иногда больной выживал, но чаще вскоре умирал. Почему это происходило? Ответ на этот вопрос был найден только в XX веке.

Тайна была раскрыта австрийский врачом Карлом Ландштейнером в 1901 году. Он разделил всех людей на три группы (четвертая была добавлена в 1902 году) исходя из того, как кровь одного человека воздействовала на агглютинацию эритроцитов крови другого человека, и наоборот.

Необходимость такого разделения заключается в том, что в человеческой плазме могут содержаться разные агглютинины. Строма человеческих красных клеток также может содержать одно из двух веществ, при помощи которых агглютинины вызывают склеивание эритроцитов. Эти компоненты стромы называются агглютиногенами.

Два агглютиногена получили названия: агглютиноген А и агглютиноген В. В красных клетках одного человека могут содержаться только агглютиногены А, у другого — только агглютиногены В, у третьего — и те и другие, а у четвертого — никаких. Это и есть четыре группы крови.

Кроме того, в плазме человека может находиться агглютинин, вызывающий агглютинацию красных клеток, содержащих агглютиноген А. Этот агглютинин особенный, то есть вступает в реакцию только с агглютиногеном А, а не с В. Он называется анти-А. В плазме также может находиться другой агглютинин, вступающий во взаимодействие с агглютиногеном В, он называется анти-В, или там могут находиться оба агглютинина, или ни одного. Снова получается четыре группы.

Такое двойное разделение крови на четыре группы не является независимым, поскольку у человека с определенным видом агглютиногенов в красных клетках в плазме будут находиться соответствующие агглютинины. У каждого человека в плазме находятся только те агглютинины, которые не сочетаются с агглютиногенами в красных клетках. Любое другое соотношение сделает жизнь невозможной.

Например, у человека с агглютиногеном В в красных клетках в плазме обязательно будет присутствовать анти-А, не оказывающий воздействия на его В-агглютиногены. У человека, в чьих красных клетках содержится агглютиноген А, в плазме будет содержаться анти-В. У кого в клетках нет ни А, ни В-агглютиногенов, в плазме окажутся и анти-А, и анти-В. И наконец, у человека, в клетках которого есть А и В-агглютиногены, в плазме не будет ни анти-А, ни анти-В.

Вообще-то в красных клетках, где нет ни А-вещества, ни В-вещества, находится другой подобный элемент — агглютиноген Н, однако агглютининов к нему не существует, поэтому на него можно не обращать внимания.

Все вышесказанное вкратце выглядит следующим образом:

На основе этой таблицы все люди делятся на четыре группы. Три из них — это А, В и АВ, в зависимости от типа агглютиногенов в красных клетках. Люди, в чьих красных клетках нет ни А, ни В-агглютиногенов, имеют кровь группы 0.

Все эти группы неравномерно распределены среди людей. В США у 44,4 % населения кровь группы 0, а у 39,5 % — группы А. Это пять шестых всего населения. Представителей группы В — 11,8 %, а АВ — всего 4,2 %.

В идеале у пациента, нуждающегося в переливании крови, донор должен иметь ту же группу. Это ограничивает возможности «меньшинства», людей с группами В и АВ. Например, у пациента кровь группы АВ, и десять сотрудников больницы добровольно сдают свою кровь. Шансы два против трех, что ни у одного из этих людей нет крови группы АВ. Для больного смертельно опасно, если правила переливания крови не будут столь жесткими. К счастью, это не так.

Допустим, литр крови донора с группой В переливается пациенту с группой А. Эта кровь состоит примерно наполовину из красных клеток и наполовину из плазмы, каждая из которых может вызвать проблемы из-за несовместимости.

Во-первых, в плазме В-донора содержатся анти-А, а в красных клетках А-пациента находится агглютиноген А. Таким образом, плазма донора может вызвать агглютинацию красных клеток больного. Однако это не столь опасно. Обычно концентрация агглютининов в плазме невысока, и пол-литра плазмы не введут в кровь пациентов много агглютинина. Во-вторых, плазма донора быстро смешивается с большим объемом плазмы больного, так что количество анти-А еще больше уменьшается и почти не оказывает воздействия на красные клетки.

Но существует вторая угроза. Красные клетки донора содержат агглютиноген В. Поскольку у больного кровь группы А, в его плазме находится анти-В. Теперь вступают в действие его агглютинины. Красные клетки донора сталкиваются с полчищами анти-В, стоит им только попасть в кровь, и начинают слипаться. Красные клетки закупоривают сосуды почек и могут нанести вред больному и даже убить его.

Рассматривая опасность, подстерегающую нас при переливании крови, мы должны проверять красные клетки донора (а не его плазму) и плазму реципиента, кому переливается кровь (а не его красные клетки).

Начнем с донора с группой крови 0. В его красных клетках нет агглютиногенов, ни А, ни В, поэтому они не будут слипаться при смешивании ни с одной из групп крови. Таким образом, кровь группы 0 можно переливать любому человеку, не боясь склеивания красных клеток. Обычно анти-А и анти-В в плазме донора не приносят вреда. Значит, человек с группой крови 0 является универсальным донором. По этой причине во время Второй мировой войны и войны в Корее, когда на поле боя требовалось большое количество крови, особенно приветствовалась сдача крови группы 0.

Донор с группой крови А не может давать кровь больным, в плазме которых находится анти-А. Значит, он подходит только людям с группами крови А и АВ, но не подходит тем, у кого кровь группы 0 или В.

Таким же образом донор с группой В не может давать кровь пациентам с анти-В в плазме. Он подходит людям с кровью В и АВ и не подходит больным с группами А и 0.

Донор с кровью АВ не может давать кровь людям с анти-А или анти-В в плазме. Таким образом, он может давать кровь только людям с группой АВ.

С точки зрения пациента это происходит именно так. Пациент с группой крови АВ может получать кровь от человека с любой группой крови. Поэтому АВ-пациент, с которого мы начали наш рассказ, не так уж неприспособлен, как это могло показаться. Ему не нужно искать человека с группой крови АВ. Он может получать кровь от донора с любой группой крови. Пациент с группой крови А может получать кровь только от донора с группой А или 0. Пациент с группой крови В — только от донора с группой В или 0. Пациент с группой 0 — только от донора с группой 0.

Это можно изобразить в виде простой диаграммы, в которой стрелочки указывают допустимое переливание.

Очевидно, что при переливании крови необходимо знать группы крови реципиента и донора. К счастью, определить ее можно легко и быстро, взяв капельку крови, если, конечно, у врача или лаборанта есть запас анти-А и анти-В из крови известного типа. Каплю крови берут на анализ из кончика пальца или мочки уха, растворяют в специальном солевом растворе. Затем некоторая часть этой смеси соединяется с небольшим количеством анти-А, а другая — с анти-В. Если происходит агглютинация, то на дне маленькой пробирки появляется красный сгусток, а оставшаяся жидкость приобретает розовый цвет.

Если взятая на анализ кровь агглютинирует только с анти-А, значит, у человека кровь группы А. Если только с анти-В, значит, у него кровь группы В. Если агглютинация происходит и с анти-А, и с анти-В, значит, у него кровь АВ, а если агглютинации не происходит, то у него кровь группы 0.

Естественно, было бы хорошо, если бы агглютинины анти-А и анти-В содержались не только в крови, чтобы определение группы крови можно было производить, не имея на руках крови определенного типа. Такие вещества можно выделить из некоторых растений. Эти растительные агглютинины обычно склеивают красные клетки любой группы крови, но некоторые агглютинируют только с кровью группы А или 0 и А. Существуют даже один или два вида, которые реагируют только на клетки группы В. Американский биохимик Уильям Бойд первым обнаружил эти избирательные растительные агглютинины и назвал их лектинами (от латинского слова «выбирать»).

При определении группы крови лучше всего проверить также и плазму и узнать, содержатся ли в ней анти-А, анти-В, оба агглютинина или ни одного (в зависимости от типа красных клеток известной группы, которые будут участвовать в процессе агглютинации). Эта дополнительная проверка желательна, чтобы избежать случайностей и ошибок. Работники лаборатории тоже люди и могут ошибаться, а при определении группы крови такая ошибка может стоить пациенту жизни. Если в красных клетках человека содержится агглютиноген А, а в его плазме — анти-А, значит, что-то не так, значит, где-то была допущена ошибка, значит, нужно повторить анализ.

Количество (титр) анти-А или анти-В в плазме различно у всех людей. Необычно высокий титр в донорской плазме может нанести вред красным клеткам пациента и свести на нет весь эффект от переливания крови. Например, у некоторых доноров с группой 0 высокий титр анти-А, поэтому их нельзя использовать для переливания крови А-людям. Во время Второй мировой войны постоянно проверяли титр агглютинина группы 0, и только людей с низким титром можно было использовать как универсальных доноров, а люди с высоким титром подходили только для 0-пациентов.

В 1941 году была также введена практика нейтрализации анти-А и анти-В добавлением очищенных агглютиногенов А или В, взятых из крови животных. Таким образом, агглютинины связывались, а опасность негативной реакции организма значительно снижалась.

Часто при переливании крови необходимо использовать только плазму, поскольку запасы красных клеток в селезенке могут удовлетворить потребности больного. Именно недостаток плазмы чрезвычайно опасен, при этом высок риск падения кровяного давления до критически низкого уровня. При использовании одной плазмы возникает ряд преимуществ. Плазма хранится лучше, чем цельная кровь. Ее можно даже заморозить и высушить в вакууме (сушка сублимацией), чтобы получилась «быстрорастворимая плазма», для восстановления которой требуется только стерильная дистиллированная вода.

При отсутствии красных клеток не стоит беспокоиться о группе крови и агглютинации. Поэтому плазму от разных доноров можно спокойно смешивать. Это даже лучше, потому что малые количества агглютиногенов А и В, содержавшиеся в плазме крови доноров с группами А и В, нейтрализуются анти-А- и анти-В-агглютининами смешанной плазмы, поэтому такая смесь более безвредна, чем плазма одного человека.

Однако важно помнить, что плазма не всегда бывает панацеей. Она не может стать стопроцентной заменой крови. Поэтому неплохо было бы знать на всякий случай свою группу крови.

Группа крови передается по наследству. В клетке сперматозоида отца и яйцеклетке матери есть определенные структуры — гены. Они ответственны за природу различных химических механизмов в клетках организма, развивающегося из оплодотворенной яйцеклетки (результата слияния сперматозоида и яйцеклетки). Эти химические механизмы, в свою очередь, отвечают за характеристики человеческого организма.

Например, в клетках сперматозоидов и яйцеклеток есть ген, определяющий, будет ли у будущего человека в красных клетках агглютиноген А или агглютиноген В. Предположим, и в яйцеклетке, и в сперматозоиде был ген, управляющий теми химическими реакциями, которые определяют возникновение агглютиногена А. Назовем его А-геном. В этом случае у образовавшегося плода будут два А-гена. Будем называть его АА. У человека также могут быть два 0-гена или В-гена (0-ген не влияет на образование А-вещества или В-вещества), таким образом, это ВВ или 00.

АА-человек, естественно, имеет кровь группы А. ВВ-человек — кровь группы В, а 00 — группы 0.

Если АА-мужчина женится на АА-женщине, то каждый родитель передает своему ребенку А-ген. То же самое происходит при рождении ребенка от 00-родителей и ВВ-родителей: они передают ему 0- или В-гены соответственно.

Если семья состоит из АА-человека и ВВ-человека (не важно, в яйцеклетке или сперматозоиде находятся А-гены или В-гены, поэтому все равно, кому из родителей принадлежат те или иные гены), то АА-родитель передает ребенку А-ген, а ВВ-родитель — В-ген. Все дети наследуют один В-ген и один А-ген. И у каждого из них будет кровь группы АВ.

Пока все просто, и происхождение каждой из четырех групп крови можно легко объяснить. Однако возникают и трудности.

Возьмем, например, случай брака между АА-человеком и 00-человеком. Один передает потомству А-ген, другой — 0-ген. В итоге получаются дети А0. Но тут надо помнить одну важную вещь. А0-человек имеет только один ген для образования агглютиногена А, и он образуется в том же количестве, как и у АА-человека, обладающего двумя генами А. То же самое можно сказать о человеке с одним глазом, который читает не хуже, чем тот, у кого два глаза.

Это значит, что АА-человек и А0-человек имеют группу крови А. Аналогично ВВ-человек и В0-человек принадлежат к группе крови В. Если проверить кровь человека при помощи агглютининов плазмы, то между AA и A0 не будет разницы. Индивидуальная комбинация генов человека называется генотипом. Характеристики организма, обусловленные генами, имеют название фенотипов. A0-человек и AA-человек принадлежат к двум разным генотипам, но к одному и тому же фенотипу.

Однако иногда бывает возможно отличить AA от A0 или BB от B0 при помощи генетических методик.

Например, муж и жена относятся к типу А0. Клетки сперматозоидов мужа содержат только один ген: либо А, либо 0. Наличие каждого из них в сперматозоиде обусловлено чистой случайностью. Вероятнее всего, что в половине сперматозоидов будет A-ген, а в другой половине 0-ген. Подобным образом и яйцеклетка матери может нести либо 0-ген, либо A-ген.

Итак, при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом возможны четыре варианта:

1) А-сперматозоид может оплодотворить A-яйцеклетку;

2) А-сперматозоид может оплодотворить 0-яйцеклетку;

3) 0-сперматозоид может оплодотворить A-яйцеклетку;

4) 0-сперматозоид может оплодотворить 0-яйцеклетку;

Каждая из четырех комбинаций одинаково возможна.

В первом случае на свет появляется AA-ребенок. Во втором и третьем — А0-ребенок; не важно, оплодотворяет ли A-сперматозоид 0-яйцеклетку или наоборот — результат будет одинаковый. Во всех трех случаях у ребенка будет группа крови А. Однако четвертый случай самый интересный. На свет появляется 00-человек с группой крови 0.

Значит, если семью создают два человека с группой крови A и у них рождается хотя бы один ребенок с группой 0, то и отец, и мать — A0-люди. Если бы один из них или оба были AA-людьми, то у всех детей была бы группа крови А, поскольку в этом случае по крайней мере у одного из родителей не было бы гена 0, а человек должен получить ген 0 от каждого из родителей, чтобы принадлежать к 00-типу — единственной возможной комбинации у людей с группой крови 0.

Однако обратная ситуация может быть совсем другой. Допустим, у родителей с группой крови A есть дети с такой же группой. Вовсе не обязательно, чтобы и отец, и мать принадлежали к AA-типу. Они оба могут быть и A0, но по стечению обстоятельств все их дети родились в результате оплодотворения, произошедшего по первому, второму или третьему типу, указанными выше. Четвертой комбинации не было.

Хотя не всегда можно определить генотип человека исходя из его фенотипа, иногда это все-таки удается сделать, если принимать во внимание не только его фенотип, но и фенотипы его детей, родителей или других родственников.

Из этого следует несколько интересных выводов.

Допустим, A0-мужчина женится на B0-женщине, и у них рождаются A0- и B0-дочери и AB-и 00-сыновья (в порядке рождения). Все эти комбинации возможны, если родители A0 и B0. С точки зрения фенотипа отец и старшая дочь имеют группу крови A, мать и младшая дочь — B, старший сын — AB и младший — 0.

Теперь предположим, что младшему сыну с группой крови 0 срочно требуется переливание крови. Донорами не могут стать ни его родители, ни брат, ни сестры. Ни один из них, несмотря на кровное родство, не может дать свою кровь, потому что это причинит ему вред и может даже убить его. В этом случае в качестве донора можно использовать незнакомого человека, пусть даже иностранца из другой части света, при одном условии: его кровь должна принадлежать к группе 0.

Определение группы крови может помочь разрешить спор об отцовстве. Допустим, мужчина с группой крови В женился на женщине с группой крови 0. Поскольку у любого человека с группой 0 должен быть генотип 00, мать может передать будущему ребенку только 0-ген. В-отец может принадлежать к ВВ или В0-типу. Поэтому в его сперматозоидах может находиться В-ген или 0-ген.

В результате возможны только два сочетания. Дети могут быть только В0 или 00 — то есть фенотипы В и 0. Значит, в результате этого брака могут родиться дети с группой крови 0 или В.

Допустим, ребенку, родившемуся в результате такого брака, делается анализ крови, и выясняется, что у него кровь группы А. В данном случае не важно, какой у него генотип — АА или А0. В любом случае ребенок не мог родиться в результате этого брака. Ни у отца, ни у матери нет А-гена. Либо матери в больнице по ошибке дали другого ребенка, что маловероятно, но все же случается, либо, что более вероятно, ее муж не отец ребенка.

Однако противоположную ситуацию нельзя признать справедливой. Допустим, у той же пары родился ребенок с группой крови В или 0. Это не доказывает, что отцом ребенка является именно муж. Им может быть другой мужчина с группой крови В или даже 0. Анализы крови никогда этого не скажут, они могут только подтвердить, какой из мужчин не является отцом.

Другой случай. Предположим, женщина с группой крови В утверждает, что мужчина с группой крови А является отцом ее ребенка. Генотип этой женщины может быть либо ВВ, либо В0. А мужчины — АА или А0. В яйцеклетке мог быть В-ген или 0-ген, а в сперматозоиде — А-ген или 0-ген. В результате могут получиться следующие комбинации: А0 (группа крови А), В0 (группа крови В), 00 (группа крови 0) или АВ (группа крови АВ).

Ребенок может принадлежать к любому из четырех фенотипов, при этом исключить отцовство нельзя. Даже если мужчина не имеет к ребенку отношения, то анализы крови этого не докажут.

К счастью, для ученых еще не все потеряно. Еще в 1911 году заметили, что кровь представителей группы А можно разделить на две подгруппы. У большинства людей с этой группой крови красные клетки вступают в бурную реакцию с препаратами анти-А. Клетки соединяются в комки и опускаются на дно пробирки. Однако иногда, очень редко, реакция бывает слабой.

Люди с ярко выраженной реакцией относятся к группе А_1, со слабо выраженной к группе А_2.

Эти подгруппы также передаются по наследству. Если бы в вышеописанном случае мужчина принадлежал к группе А_1, а ребенок к группе А_2 или А_2В, то непричастность мужчины к рождению ребенка была бы доказана. Хотя и здесь сохраняется вероятность ошибки. Подгруппы А_1 и А_2 не всегда так легко отличить, как, например, группы А и В.

Возможно, что ребенок унаследует от одного из родителей ген А_1, а от другого А_2. В этом случае он будет А_1А_2. Ген А_1 является доминантой (то есть ген А превалирует над геном А_2, так же как А_2 и В-гены превалируют над геном 0, однако ни один из них не является доминирующим в комбинации АВ), поэтому ребенок А принадлежит к группе крови А_1.

Для обычного переливания крови важное значение имеют группы крови А, 0, В и АВ. Они определяются одним семейством генов. Значит, в яйцеклетке или сперматозоиде могут быть не более одного А-гена, или В-гена, или 0-гена. Такое семейство генов, из которых только один может находиться в сперматозоиде или яйцеклетке, называется аллелем.

В крови были обнаружены и другие факторы, регулирующие агглютиногены А и В и контролируемые генами, не являющимися аллелями. В 1927 году Ландштейнер и его коллега П. Левайн вводили красные клетки человека в кровь кроликов. Они хотели, чтобы животные стали вырабатывать агглютинины, которые бы вступили в реакцию с чужеродными клетками и нейтрализовали их. Красных клеток вводилось немного, чтобы не причинить кроликам вреда. Все животные, в том числе и человек, способны вырабатывать вещества, нейтрализующие чужеродные молекулы. Иногда в результате этого к какой-то определенной болезни развивается невосприимчивость — иммунитет. Иногда же в ответ на безвредное вещество возникает аллергия. В дальнейших главах мы еще будем обсуждать этот вопрос.

Как только у кролика выработался иммунитет к красным клеткам, был взят анализ его крови, от которой отделили жидкую часть. Обычно ее называют плазмой, но в процессе разделения какая-то часть растворенных в плазме веществ также удаляется, и то, что остается, называется сывороткой. Поскольку в сыворотке кроликов содержатся особые агглютинины, действующие против определенного типа красных клеток, она называется антисывороткой (греческая приставка «анти» означает «против»). Ученые, занимающиеся сывороткой и антисывороткой, называются иммунологами.

Если антисыворотку смешать с красными клетками, которые были введены кролику, то последние должны, соединившись с агглютининами сыворотки, нейтрализовать друг друга. Постепенно все агглютинины нейтрализуются, а оставшаяся часть антисыворотки уже не должна оказывать воздействия на кровь.

Однако Ландштейнер и Левайн выяснили, что это не так. После полной нейтрализации некоторое количество антисыворотки по-прежнему могло агглютинировать клетки крови групп А, В, 0 и АВ. Однако кровь разных групп неодинаково реагировала на антисыворотку. Образцы, в которых одна антисыворотка вызывала агглютинацию, не были чувствительны к другой, в то время как в третьих агглютинация вызывалась обеими антисыворотками.

Ученые пришли к выводу, что в красных клетках содержались какие-то другие факторы, помимо А, В, 0 и АВ. Во время обычной процедуры определения группы крови их нельзя было обнаружить, поскольку в крови человека не содержалось агглютининов. По этой же причине эти факторы не препятствовали переливанию крови. Тем не менее они существовали, и их можно было выявить, когда в организме кролика происходило вынужденное образование агглютининов.

Новые факторы не были аллелями групп A, B, 0 и AB. У человека с группой A эти факторы могли быть, но их могло и не быть. То же самое можно сказать и о человеке с группой крови B или 0.

Ландштейнер и Левайн назвали новые факторы М и N. Ими управляла пара аллелей. В сперматозоиде или яйцеклетке мог находиться М-ген или N-ген. Они могли встречаться в комбинации с группами А, В или 0. Если оба родителя обладали M-геном (или N-геном), то получался MM- или NN-ребенок с группой крови М или N. Если один родитель передавал M-ген, а другой — N-ген, то на свет появлялся MN-ребенок с группой MN, но, как и в случае с генами A и B, ни один из них не был доминирующим, и клетки такого человека реагировали как на M-антисыворотку, так и на N-антисыворотку. (В 1947 году были открыты более редкие аллели М и N, названные S и s.)

Типы крови М и N могут использоваться для точного установления отцовства. Мужчина с группой крови BM не может быть отцом ребенка с группой BN и наоборот. Если муж и жена оба BM, то ребенок не может или, скорее, не должен быть BMN или BN, но если один из родителей BM, а другой BN, то ребенок может принадлежать к группе крови BMN.

Были открыты и другие разновидности групп крови. К 1960-м годам стали известны по крайней мере девять наборов, которые могли сочетаться между собой в тысячах различных комбинаций. Их может быть так много, что кровь каждого человека индивидуальна, за исключением близнецов, как и отпечатки его пальцев. Тем не менее, за одним только исключением, ни одна разновидность групп крови, кроме А, В, 0 и АВ, не имеет значения при переливании крови и не важна для врача в его повседневной практике.

К этому исключению относятся вещества группы крови, находящиеся под контролем третьей серии аллелей. Они были открыты Ландштейнером и его коллегой, американским серологом А. С. Винером в 1940 году. Ученые вводили кроликам красные клетки, взятые у макаки-резуса, в результате чего в крови кроликов вырабатывалась антисыворотка, агглютинирующая некоторые образцы человеческой крови, вне зависимости от ее группы, была ли она А, В, 0, АВ или М, N или MN. Очевидно, в агглютинации были задействованы новые разновидности группы крови, названные Rh-группами (резус-группами) от названия обезьяны.

Наследование резус-групп довольно сложный процесс, потому что они контролируются десятком различных аллелей. Классификация различных аллелей по способу их передачи в генах представляет собой весьма спорный вопрос. Винер придерживается придуманной им системы, а британские серологи изобрели свою. По этому вопросу ведутся оживленные диспуты.

Для людей, не занимающихся иммунологией, важно, что есть один аллель, его обозначают rh, над которым доминируют все остальные аллели. Наличие его в организме человека никак не сказывается, если только не присутствует второй такой же аллель — rhrh. В этом случае кровь человека резус-отрицательная. Любой человек, обладающий только одним геном rh или вообще не обладающий им, независимо от сочетаний других генов, помимо rh, определяющих принадлежность его крови к той или иной группе, является резус-положительным. В США около 85 % населения резус-положительные, а 15 % — резус-отрицательные.

Если у реципиента и донора разные резусы, особенно если реципиенту уже было сделано несколько переливаний крови, могут возникнуть осложнения. Но самое неприятное — это то, что резус-несовместимость может представлять серьезную опасность для еще не родившегося ребенка.

Это почти неизбежно в тех случаях, когда у резус-отрицательной матери появляется ребенок от резус-положительного отца. У плода резус-фактор положительный. Кровь матери и плода часто несовместима даже в основных группах А, В и 0, но само по себе это не опасно, поскольку их кровь не смешивается. Кровеносные сосуды матери и плода, разветвившись на тонкие капилляры, сообщаются в особом органе — плаценте, который развивается во время беременности. Молекулы кислорода и питательных веществ проникают сквозь оболочку плаценты и попадают из капилляров матери в капилляры плода. Двуокись углерода и продукты распада просачиваются в обратном направлении.

Хотя в плаценту не могут попасть красные клетки, вполне возможно, что некоторые факторы, определяющие принадлежность крови к той или иной группе, отрываются от красных клеток и просачиваются внутрь. Если группы крови несовместимы, может начаться выработка агглютинина. До какой степени это происходит, зависит от конкретного фактора, попавшего внутрь, и его количества. По неизвестной причине резус-положительный фактор, попадая в кровь резус-отрицательной матери, иногда (предположим, в одном случае из двадцати) приводит к выработке необычайно высокого титра антирезус-положительных агглютининов.

Пока все еще не так плохо, однако антирезус-положительные агглютинины, вырабатываемые в организме матери, могут попасть в кровь плода и соединиться с его резус-положительными красными клетками. В результате происходит выкидыш или рождение мертвого ребенка. Даже если ребенок родится живым, он будет страдать от эритробластоза и потребуется полное переливание крови, чтобы избавить младенца от смертельно опасного агглютинина.

Сегодня будущие матери проверяют свои группу крови и резус-фактор, поэтому потенциальная возможность эритробластоза не застает врачей врасплох.

Глава 7

«Маленькое» отличие

После того как я познакомил читателя с передающимися по наследству вариациями в химическом составе красной клетки, мы можем идти дальше. К примеру, гемоглобин может существовать в нескольких разновидностях, которые также передаются по наследству, и обладание некоторыми из них иногда чревато серьезными последствиями.

У подавляющего большинства людей в крови находится обычный гемоглобин. По всей вероятности, между моим гемоглобином и вашим химики не найдут никакой разницы. Этот нормальный и обычный гемоглобин называется гемоглобином А.

Красные клетки в крови плода содержат гемоглобин, слегка отличающийся от обычного. У этих двух гемоглобинов разные электрические свойства, что требует дальнейшего обсуждения.

Все белки имеют электрические заряды, локализованные в разных точках на поверхности их больших молекул. Существует два типа электрического заряда — положительный и отрицательный, и все белки обладают обоими типами. Эти заряды, объединяясь, составляют суммарный заряд молекулы. Он считается положительным, если на белке больше положительных зарядов, чем отрицательных, и отрицательным — в обратном случае. Он также может быть нулевым, это значит, что молекула несет равное количество положительных и отрицательных зарядов.

Если через раствор белка пропустить электрический ток, молекулы с суммарным положительным зарядом потянутся к отрицательному электроду, а молекулы с отрицательным зарядом — к положительному. Молекулы с нулевым зарядом останутся неподвижны. Скорость передвижения белковых молекул зависит от их размера и формы, от величины суммарного заряда и распределения положительных и отрицательных зарядов на их поверхности. Существует множество комбинаций этих параметров, и поэтому можно быть уверенным, что две различные молекулы будут передвигаться с различной скоростью под влиянием электрического поля.

Близкородственные молекулы белка, которые, кажется, обладают одинаковыми характеристиками, могут обладать совершенно разными зарядами и передвигаться на различных скоростях. Если раствор с молекулами различных белков подвергнуть воздействию электрического поля, то одни молекулы станут передвигаться быстрее, чем другие, и оба вида начнут разделяться, подобно двум группам бегунов на беговой дорожке, когда одна группа вырывается вперед другой.

Процесс, позволяющий похожим белкам разделяться в соответствии со скоростями движения в электрическом поле, называется электрофорезом. Был изобретен сложный аппарат, при помощи которого химики могут следить за процессом разделения по небольшим изменениям в преломлении световых лучей, проходящих через белковый раствор в различных точках. Позднее удалось создать более простую версию этого прибора, в котором белки двигались по листу пористой бумаги, смоченной в растворе. Это электрофорез на бумаге.

Гемоглобин в красных клетках плода, отличающийся по электрофоретической подвижности от нормального гемоглобина, называется фетальным гемоглобином или гемоглобином F.

Еще одно различие между гемоглобином А и F заключается в том, что последний более прочно захватывает кислород. Если смешать растворы гемоглобина А и F и подвергнуть их воздействию кислорода, то гемоглобину F достанется львиная доля.

Ясно, что это происходит ради нормального развития плода, который, находясь в утробе, зависит от того, сколько молекул кислорода просочится через плацентарную оболочку из крови матери. Эритроциты матери с гемоглобином А находятся по одну сторону оболочки, а красные клетки плода с гемоглобином F по другую сторону. Поскольку гемоглобин F более крепко присоединяет молекулы кислорода, на плодной стороне плаценты бывает меньше свободного кислорода, чем на материнской. Так как кислород будет переходить из области высоких концентраций в область более низких, мать будет отдавать свой кислород плоду.

Тем не менее почти с самого начала развития плод учится пользоваться гемоглобином А, готовясь к самостоятельной жизни. Когда ему исполняется двадцать недель, одну шестнадцатую часть его гемоглобина составляет гемоглобин А. Когда проходит девять месяцев и ребенок появляется на свет, одну пятую часть его молекул гемоглобина составляет гемоглобин А. Через четыре месяца после рождения гемоглобин F почти полностью исчезает.

Как бы ни был полезен плоду гемоглобин F, очевидно, он не столь полезен взрослому. Иногда человек может наследовать от одного из родителей дефектный ген (или ген может стать таковым по стечению обстоятельств во время образования сперматозоида или яйцеклетки), который не в состоянии эффективно выполнять свою задачу по контролю за выработкой гемоглобина А. Тогда у человека остается только один нормальный ген: помните, что у каждого из нас по два гена, отвечающих за определенный признак, один от матери, другой от отца. Фактически один ген может выполнять работу обоих, но не всегда. Организм способен существовать, вырабатывая слишком мало гемоглобина А и удовлетворяя свои потребности гемоглобином F. (Любой человек может вырабатывать гемоглобин F в чрезвычайных ситуациях, подобных этой, иначе он никогда бы не выжил во время внутриутробного развития.) Это состояние, которое называется малой талассемией, не представляет угрозы для жизни.

Однако человек может унаследовать дефектный ген и от матери, и от отца. У этого несчастного ни один ген не в состоянии вырабатывать гемоглобин А. Количество гемоглобина F в красных клетках может достигать 100 %. В этом случае развивается большая талассемия, и обычно она заканчивается летальным исходом еще в раннем возрасте.

Известны и другие виды аномальных молекул гемоглобина. В 1910 году Джеймс Б. Херрик, осматривая двадцатилетнего негра из Вест-Индии, обнаружил в его крови красные клетки необычной формы. Они изгибались, подобно острию серпа, и ученый назвал их серповидными эритроцитами. После этого и у других людей, также чернокожих, были обнаружены подобные клетки. К 1928 году выяснили, что это наследственное заболевание и красные клетки приобретают серповидную форму, когда концентрация кислорода в крови ниже нормальной.

В 1949 году американский химик Лайнус Полинг и его коллеги выяснили, что красные клетки приобретают такую форму из-за содержания в них необычного гемоглобина, названного ими гемоглобином S (от слова «серповидный»). Эту разновидность гемоглобина легко выявить при помощи электрофореза. Гемоглобин F передвигается медленнее в электрическом поле, чем гемоглобин А, а гемоглобин S — еще медленнее.

Очевидно, главная проблема с гемоглобином S заключается в том, что он менее растворим, чем гемоглобин А или F; в условиях организма растворяется только одна двадцать пятая его часть. Он упакован в красных клетках довольно плотно, и в них едва хватает места для жидкости, чтобы он мог свободно плавать, при условии, что это растворимый гемоглобин А или F. Если часть гемоглобина представлена гемоглобином S, то последний образует маленькие твердые кристаллы. Они выпячиваются сквозь мембраны красных клеток и искажают их, придавая клетке серповидную форму. Оксигемоглобин S так же растворим, как оксигемоглобин А, поэтому искажение происходит лишь в том случае, когда содержание кислорода в крови уменьшается и оксигемоглобин S превращается в гемоглобин S.

Если бы красные клетки постоянно сохраняли свою серповидную форму, случилась бы беда. Они не только хуже присоединяют кислород, их искаженная оболочка необычайно хрупка, поэтому такая клетка разрушается быстрее нормальной. В результате развивается анемия.

К счастью для людей с одним геном гемоглобина S (к ним относятся большинство негров, чьи красные клетки можно превратить в пробирке в серповидные), образование аномальных клеток в обычных условиях происходит в организме редко. Такие люди могут вести обычную жизнь и жить не меньше, чем здоровые.

Опасение вызывает будущее ребенка, унаследовавшего оба гена гемоглобина S. Поскольку у него нет генов гемоглобина А, он его совершенно не вырабатывает, вместо этого вырабатывается гемоглобин S и, возможно, немного гемоглобина F. У таких детей красные клетки имеют серповидную форму даже при обычных условиях, вследствие чего развивается серповидноклеточная анемия, которая обычно заканчивается смертью в раннем возрасте.

Почему же гемоглобин S встречается только в организме негров? Как он образуется? Иногда ген может не передаваться по наследству. В процессе формирования сперматозоида или яйцеклетки часть химической структуры гена может случайно измениться. Его структура очень сложна, и во время часто повторяющихся воспроизводств этой структуры случаются ошибки и просчеты. Измененный ген может вместо гемоглобина А производить гемоглобин S. Изменение гена, которое приводит к появлению у ребенка нового признака, отсутствующего у его родителей, называется мутацией.

Мутации происходят не очень часто. Возможно, если говорить о данном случае, она произошла много поколений назад у какого-нибудь африканского негра и больше не повторялась, а в наше время проявляется только у тех, чьи гены имеют отношение к генам их далекого предка, то есть у негров.

Тропическая Африка — центр сосредоточения гена S, и гемоглобин S встречается там намного чаще, чем в остальном мире. Американские негры наследуют ген S от своих африканских предков, но, из-за того что их кровь в значительной степени смешалась с кровью американцев, ген гемоглобина S стал более «разбавленным» и встречается реже. Но все же у одного из одиннадцати афроамериканцев присутствует ген гемоглобина S, поэтому в крови обнаруживаются серповидные изменения клеток. Наличие их в малых количествах не причиняет вреда, и это состояние не следует путать с серповидноклеточной анемией. Лишь один из пятисот американских негров, имеющих ген S, страдает от этого заболевания.

Если среди некой популяции существует определенное количество гена S, то можно ожидать, что постепенно этот ген исчезнет. Когда у человека встретятся два таких гена, то он умрет прежде, чем успеет передать их своим детям. Это касается двух генов. Медленное, но постоянное выбывание гена истощит постепенно его количество в данной популяции. При обычных обстоятельствах так бы и произошло. Но ген S по-прежнему существует. Возможно, мутация, приведшая к появлению гена гемоглобина S, произошла не в Африке, а где-то еще, где ген полностью исчез. Возможно, она случайно возникла исключительно в Африке и там нашла подходящие условия для развития. Если так, то какие это условия?

Один ключ к разгадке был со временем найден. В регионах, где часто встречается ген S, также часты случаи малярии. Похоже, люди с одним геном S менее подвержены малярии. Возможно, малярийному вирусу, инфицирующему красные клетки людей и паразитирующему в них, приходится не по вкусу гемоглобин S. По этой причине люди с геном S в среднем живут дольше и отличаются более крепким здоровьем, тем самым у них больше времени, чтобы родить много детей.

В итоге невосприимчивость к малярии у людей с одним геном S приводит к тому, что такой ген встречается в популяции значительно чаще. Возможность умереть от двойной порции генов эту вероятность снижает. В результате образуется некоторое равновесие. Встречаемость гена S высока там, где свирепствует малярия, и низка в местах, где ее нет.

Возможно, если современной медицине удастся разработать новые способы контроля численности насекомых и поднять уровень гигиены в пораженных болезнью районах Африки, случаи заболевания малярией и рождение людей с геном S уменьшатся. Однако мы не вправе утверждать это с полной уверенностью, поскольку, возможно, дело не только в малярии.

После открытия гемоглобина S на свет появилась целая серия гемоглобинов, и трудно сказать, будет ли ей когда-нибудь конец. Возможно, что и нет. Обычно эти разновидности гемоглобина отличаются по своим электрофоретическим свойствам и обозначаются буквами. Пока кроме гемоглобина А, F и S обнаружены гемоглобины С, D, E, G, Н, I, J, К, L, М.

Гемоглобины G, Н, I, J, К, L, М обнаружены пока только у одной или двух семей, и об этих видах практически ничего не известно, кроме того, что они существуют. Так же как гемоглобин С, D, Е и S, они управляются генами — аллелями обычного гена гемоглобина. Если в вашем организме есть аномальный ген гемоглобина, то он занимает место нормального. Это несправедливо по отношению к гемоглобину F, который является аллелем гемоглобина А. Не важно, каково состояние ваших обычных генов гемоглобина, у вас все равно есть один нетронутый ген F, иначе вам бы не удалось выжить во время внутриутробного существования.

Из других аномальных видов гемоглобина у жителей северной Индии у 1 % населения встречается гемоглобин D.

Гемоглобин С чаще всего встречается у африканских негров, так же как и гемоглобин S. Однако гемоглобин С более редок и отмечен только в Западной Африке, а не в тропических ее районах, характерных для распространения гемоглобина S. Самое высокое содержание гемоглобина S выявлено в северных областях Ганы (бывший Золотой Берег). Гемоглобин С составляет там около 28 % всех генов гемоглобина.

Как и в случае с гемоглобином S, один ген С (или любой другой) не представляет опасности. Возможно, гемоглобин С даже защищает от малярии, и есть данные, что этот ген появился в результате недавней мутации и распространяется за пределы пораженных малярией районов. Встречаются редкие случаи, когда ребенок может наследовать два разных гена аномального гемоглобина: гемоглобин S и С. Это очень плохо и обычно приводит к смерти в раннем возрасте.

Гемоглобин Е чаще встречается в Юго-Восточной Азии. В Таиланде он составляет 13 % генов гемоглобина. В столице Индонезии Джакарте он составляет 6 % от всех генов. Идут споры о том, позволяют ли единичные гены D и Е организму более эффективно усваивать железо и тем самым обходиться меньшим его количеством.

Если это действительно так, то создается следующая картина. Аномальные виды гемоглобина появляются постоянно из-за случайных изменений (мутаций) генов гемоглобина. Почти всегда аномальный гемоглобин не столь эффективен, как обычный, и если не существует уравновешивающих недостатки преимуществ, а обычно их нет, то по истечении времени такой ген вымирает. Возможно, недавно обнаруженные виды аномального гемоглобина как раз из этой категории: мутации произошли недавно, и через несколько поколений такие гены могут исчезнуть.

С другой стороны, если один ген аномального гемоглобина позволяет людям более эффективно справляться с недоеданием или болезнями, как в случаях с генами С, D, Е и S, то они могут сохраниться за счет баланса своих достоинств и недостатков, если на достижение такого баланса хватит времени. Тогда аномальные гены чаще всего должны возникать в районах с низким уровнем жизни, а это так и происходит. Конечно, если аномальные гены будут проявляться чаще гена гемоглобина А, то последний может также исчезнуть.

Естественно, ученым было любопытно узнать, чем именно отличаются различные виды гемоглобина. При электрофорезе они ведут себя по-разному, следовательно, должны быть химические различия, однако выяснить это оказалось нелегким делом.

Обычные способы анализа белков показали, что химический состав гемоглобина А и S почти одинаков. Во всяком случае, не было выявлено никаких отличий. Однако каждая молекула состоит примерно из 8000 атомов. Если удалить или расположить по-другому всего несколько атомов, то в молекуле могут произойти изменения, хотя среди тысяч атомов нелегко выявить несколько расположенных в другом порядке.

Тем не менее, кажется, сейчас проблема уже решена.

Во-первых, атомы молекул белков расположены не в случайном порядке. Они располагаются маленькими группами, образуя соединения под названием аминокислоты, которые, в свою очередь (к сожалению), располагаются совершенно непредсказуемым образом. Существует девятнадцать различных аминокислот, из которых состоят почти все белки, и примерно столько же, которые встречаются только в некоторых белках. В молекуле гемоглобина нет необычных аминокислот — только девятнадцать обычных.

Молекула гемоглобина состоит примерно из шестисот аминокислот. Одна аминокислота в ней встречается около семидесяти пяти раз, другая — всего один раз, а остальные количественно представлены примерно равномерно. Поскольку они не расположены в повторяющемся порядке, проблема определения, где находится какая аминокислота, кажется неразрешимой. Число возможных комбинаций аминокислот в молекуле гемоглобина более чем 10^619, то есть единица с 619 нулями. Это порядочное количество. Как в нем разобраться?

Известно, что каждая молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых частей, поэтому можно узнать расположение только трехсот аминокислот в половине молекулы, но и это тоже непросто. Молекулу необходимо расщепить на более мелкие части.

Вернон М. Ингрэм из Кембриджского университета сделал это, обработав молекулу гемоглобина пищеварительным ферментом — трипсином. Трипсин вызывает расщепление цепи аминокислот в тех местах, где расположены аминокислоты лизин и аргинин. В результате половина молекулы гемоглобина распадается на двадцать восемь фрагментов.

Эти фрагменты представляют собой короткие цепочки аминокислот, которые называют пептидами. Некоторые пептиды могут состоять всего из двух или трех аминокислот, другие — из дюжины или больше, в зависимости от расположения групп лизина и аргинина в исходной цепочке. Естественно, все двадцать восемь пептидов смешаны между собой, и их нужно разделить.

Для этого каплю смеси помещают на пористую бумагу (фильтровальную бумагу, которая первоначально использовалась в химических лабораториях для фильтрования — отделения твердых частиц от жидкости), которую затем смачивают нужным раствором. К ней прикрепляют два электрода и через бумагу пропускают электрический ток. Пептиды, подобно протеинам, устремляются к положительному или отрицательному электроду с разной скоростью, которая зависит от степени электрического заряда каждого пептида. Это и есть электрофорез на бумаге, о котором я уже упоминал.

В результате этого процесса пептиды делятся на несколько групп и распределяются в виде пятен по бумаге. Эти пятна нельзя рассмотреть невооруженным глазом, но их можно увидеть, если прибегнуть к некоторым манипуляциям. Бумагу можно обработать химическим составом, который вступит с пептидами в реакцию, в результате которой образуются окрашенные соединения. Или можно использовать ультрафиолетовые лучи, чтобы обычно невидимые вещества, поглотив их, проступили в виде темных пятен, стали черными или, наоборот, стали светиться. В каждом пятне локализовано несколько пептидов с одинаковыми электрическими свойствами, поэтому эти пептиды нужно разделять дальше. Это делается при помощи хроматографии, о которой стоит поговорить особо.

Хроматографию изобрел в 1906 году русский ботаник Михаил Цвет. Он хотел разделить различные пигменты из листьев растений. Эти пигменты были настолько схожи по химическому составу, что обычные методы разделения были не эффективны. Тогда Цвет использовал совершенно новый способ.

Он приготовил из смеси пигментов раствор и вылил его в колонку, наполненную измельченным известняком. Пигменты прикрепились к поверхности крошечных частиц в верхнем слое известняка, а жидкость, в которой они были растворены, прошла по колонке вниз и вышла из нее. Первоначально окрашенный раствор вышел бесцветным, а в верхней части колонки осталась цветная полоска пигмента.

Затем Цвет пропустил через колонку другую жидкость — петролейный эфир. Эфир медленно вымывал пигмент из известняка. Причем каждый пигмент вымывался с различной скоростью. Те, которые связывались с известняком слабо (или очень хорошо растворялись в петролейном эфире), вымывались довольно быстро; те, которые связывались более прочно (или плохо растворялись в эфире), вымывались медленнее. Со временем исходная смесь пигментов была разделена на несколько цветных полос, в каждой из которых находился отдельный пигмент. Эти полосы можно было полностью вымыть из колонки и исследовать по отдельности.

Цвет назвал свой метод хроматографией, от греческих слов, означающих «цветное письмо», потому что состав смеси вырисовывался в виде цветных поперечных полос, располагающихся вдоль колонки. Естественно, этот метод применим и к бесцветным соединениям.

Много лет метод Цвета не получал признания, потому что первый доклад ученого был напечатан в довольно плохом немецком ботаническом журнале, а последующие доклады Цвета были на русском языке. Он был всего-навсего русским ботаником, и немецкие биохимики, правящие в науке в те времена, не обращали на него внимания. Однако в 1931 году немецкий биохимик Рихард Вильштеттер наткнулся на описание этого метода и начал его использовать. После этого хроматография получила широкое распространение.

Кроме известняка, в качестве наполнителя колонки использовались и другие измельченные вещества: окись алюминия, крахмал, позже стали применять ионообменные смолы. Смолы представляют собой ломкие вещества янтарного цвета, состоящие из крупных молекул, в состав которых входит бесчисленное количество групп атомов. Эти атомы в результате химических реакций способны в одних условиях соединиться с определенными видами молекул и, наоборот, отсоединяться от них в других условиях. Смолы разного состава обладают большим разнообразием свойств и поэтому подходят для многих видов исследований. Некоторые даже могут опреснять воду. Морскую воду пропускают через колонку со смолой и получают питьевую воду.

Большой шаг вперед был сделан в 1944 году, когда группа британских биохимиков из Кембриджского университета показала, что разделение смеси веществ на составляющие компоненты можно производить на фильтровальной бумаге. Вместо того чтобы пропускать растворитель через колонку, заполненную измельченным веществом, они смачивали им фильтровальную бумагу. Растворитель поднимался (или спускался) по бумаге, проходил то место, куда наносили каплю исследуемой смеси, и распространялся по бумаге дальше, увлекая за собой компоненты смеси, которые двигались с различной скоростью. В результате одно пятно смеси превращалось в несколько, каждое из которых соответствовало отдельному компоненту. Такой способ получил название бумажной хроматографии и сегодня является одним из часто применяемых методов из методического арсенала биохимиков. Почти каждое исследование завершается разделением смеси или очисткой отдельного вещества при помощи бумажной хроматографии.

Вернемся теперь к доктору Ингрэму и пептидной смеси, полученной при расщеплении гемоглобина.

Мы остановились на полученных с помощью электрофореза на бумаге пятнах, в каждом из которых находилось несколько пептидов. Затем он провел бумажную хроматографию пятен: смочил бумагу раствором, разделил их на «подпятна».

Когда все было сделано, на фильтровальной бумаге образовалось двадцать восемь отдельных пятен. Ингрэм пронумеровал каждое и проделал то же самое, только на этот раз с гемоглобином S, а не с гемоглобином А. При разделении фрагментов гемоглобина S у него также получилось двадцать восемь пятен.

Можно сказать, что он взял у каждой молекулы «отпечатки» и теперь ему оставалось их сравнить. Оказалось, что они у молекул гемоглобина А и S были одинаковы, за исключением одного пятна. Пятно под номером 4 в образце гемоглобина S отчетливо переместилось влево по сравнению с аналогичным пятном гемоглобина А.

Доктор Ингрэм неоднократно повторил эксперимент с обоими видами гемоглобина, каждый раз вырезая пятно номер 4, вымывал пептид из бумаги, пока не собралось достаточное количество материала. Конечно, это занятие было утомительным, но совершенно необходимым.

Под четвертым номером оказался пептид, состоящий из девяти аминокислот. Пептид расщеплялся при помощи соляной кислоты вначале на более мелкие фрагменты, а затем на отдельные аминокислоты. Те, в свою очередь, тоже разделялись и исследовались, и, наконец, Ингрэму удалось определить расположение аминокислот в четвертом пятне гемоглобина А. Он был таков: гистидин — валин — лейцин — лейцин — треонин — пролин — глутаминовая кислота — глутаминовая кислота — лизин (это названия различных аминокислот).

Расположение в гемоглобине S было следующим: гистидин — валин — лейцин — лейцин — треонин — пролин — валин — глутаминовая кислота — лизин.

Если вы сравните два списка, то увидите, что в них только одно различие. В том месте, где у гемоглобина А находится глутаминовая кислота, у гемоглобина S находится валин. Насколько нам сегодня известно, это единственное различие между двумя молекулами: несоответствие двух аминокислот из шестисот (по одной в двух одинаковых частях гемоглобина).

Один из коллег доктора Ингрэма, Джон Хаит, проделал тот же эксперимент с гемоглобином C, и в этом случае четвертое пятно оказалось другим. Его расчленили на два фрагмента. В гемоглобине C на месте глутаминовой кислоты, которая присутствовала в гемоглобине А, или валина — в гемоглобине S, оказался лизин. Поскольку фермент трипсин, используемый для расщепления молекулы на две части, атакует пептид в том месте, где находится лизин, четвертое пятно в гемоглобине С разделилось на два пептида, один из семи аминокислот и один из двух.

Теперь стало понятно, что было причиной различного поведения пептидов при электрофорезе. Глутаминовая кислота гемоглобина А несет отрицательный заряд. У валина в гемоглобине S заряда нет. Лизин в гемоглобине С имеет положительный заряд. В итоге заряды у каждого пептида различны, поэтому в электрическом поле они ведут себя по-разному.

Конечно, как и все, это громкое открытие немедленно вызвало новые вопросы. Почему такое ничтожное изменение состава молекулы гемоглобина так сильно влияет на его растворимость, устойчивость человека к малярии и тому подобное? Как гены влияют на состав молекулы? Как им удается контролировать соединение шести сотен аминокислот? И что может произойти с геном и заставить его изменить всего одну аминокислоту в молекуле белка?

Глава 8

Удаление шлаков

Как только благодаря гемоглобину и кровеносной системе кислород попадает в клетку, он соединяется с атомами молекул, полученных нами из пищи. В этом задействовано множество химических реакций, каждая из которых контролируется особым ферментом. В пище бесчисленное множество молекул, но в основном они состоят всего из четырех атомов: углерода, водорода, кислорода и азота. Эти четыре атома составляют 99 % всех атомов в пище.

Атомы водорода в органических соединениях (углеродсодержащие соединения, из которых состоят живые ткани и, следовательно, наша пища) легко соединяются в организме с кислородом, образуя воду. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атомы углерода в органических соединениях вступают в реакцию с кислородом и образуют углекислый газ. Молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Во время этих процессов происходит высвобождение энергии, так как смесь органических веществ и кислорода содержит больше энергии, чем образующиеся из нее углекислый газ и вода. Высвободившаяся во время перехода углерода от одного химического соединения к другому энергия выделяется в виде теплоты. Когда мы сжигаем уголь, нефть, природный газ, дерево, бумагу и тому подобное, углерод и водород, содержащиеся в этих материалах, соединяются с кислородом, и мы с благодарностью пользуемся полученным в результате этого теплом. Если реакция к тому же происходит быстро, то, кроме тепла, появляется и пламя.

Реакции в организме происходят намного медленнее, чем в фейерверке, и более строго контролируются. Пламя не возникает, и даже производство тепла сведено к минимуму; в основном энергия сохраняется в виде высокоэнергетических химических соединений. Они, в свою очередь, обеспечивают работу мышц, нервов, способствуют образованию сложных молекул, например белков, и тому подобное.

(Кислород, содержащийся в молекулах пищи, превращает лишь малое количество водорода и углерода в углекислый газ и воду. Для этого организму нужна дополнительная доставка его из атмосферы. Тем не менее пища вносит свой вклад в создание молекул углекислого газа и воды.)

Этому способствуют химические реакции, протекающие в клетках. Клетки запасают энергию или используют ее, а избыток выделяют в виде тепла. Возможно, работа организма эффективна всего где-то на 40 %, что кажется удручающе мало, однако это все же намного больше эффективности созданных человеком машин, таких, как паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, которые используют энергию от сжигания атомов углерода и водорода. После переработки пищи организм должен избавляться от образующихся химических соединений, так сказать, от «пепла» — воды и углекислого газа.

Вода не представляет никакой сложности. (Поскольку химические реакции, протекающие в живых тканях, называются метаболическими реакциями, образующаяся в их результате вода получила название метаболической, в отличие от той, которую мы пьем и которая первоначально попадает в наш организм.) У человеческого тела находится миллион способов применения воды, и нам доставляет больше неприятностей недостаток воды, нежели ее избыток.

Метаболическая вода и вода, содержащаяся в пище (даже сухая пища, например хлеб, на треть состоит из воды, и вы это быстро поймете, если попробуете съесть сухарь), составляет всего лишь половину потребностей организма в воде. Если мы будем только есть и не будем пить, то на второй день начнем страдать от жажды. По этой причине, кроме еды, мы выпиваем в день пол-литра, а то и литр жидкости (воды или молока, фруктового сока или пива).

Необходимость постоянного пополнения запасов воды возникает оттого, что она разными путями постоянно выводится из нашего организма. Некоторую часть уносит выдыхаемый воздух, и ее можно увидеть как пар, образующийся при дыхании в холодный день. Другая часть выводится с экскрементами (очень мало, в основном при диарее (расстройстве кишечника), и именно потеря воды делает ее столь опасной для новорожденных, у которых запасы воды еще малы). Вода также испаряется с потом даже в прохладные дни. И наконец, часть выводится в виде мочи.

При необходимости организм может «экономить» воду. Если потребление воды не соответствует потребностям организма, моча становится более концентрированной, и из организма выводится меньше воды. Обычно в день выделяется около 1300 миллилитров мочи. При необходимости ее может выделяться всего 500 миллилитров. Но это предел. Даже если вы умираете от жажды, организм все равно будет терять воду, которая ему так нужна. Именно по этой причине наступает смерть от нехватки воды.

Почки помимо прочего являются тем предохранительным клапаном, который защищает нас от того, чтобы мы не захлебнулись в собственной жидкости в тех редких случаях, когда пьем больше воды, чем нужно. Если, например, любовь к пиву выражена у человека до такой степени, что в организм поступает избыточное количество жидкости, то организм может легко и быстро избавиться от излишка при помощи почек. Поэтому у любителей пива после обильного возлияния напитка всегда бывает не менее обильное выделение разбавленной мочи.

У некоторых животных, особенно обитающих в пустыне, выработались механизмы сохранения воды, которые по совершенству намного превосходят наши. Вода из пищи и полученная в результате обмена веществ полностью заменяет им воду, которую они теряют. О таких животных пишут в разделах «Хотите верьте, хотите нет» или называют их животными, которые «никогда не пьют».

Углекислый газ представляет бóльшую проблему, чем метаболическая вода. Часть углекислого газа используется организмом. От излишка он должен избавиться, иначе погибнет. Клетки сразу же справляются с этой проблемой самостоятельно, выделяя углекислый газ в кровь. Таким образом, кровь служит как средством транспорта, так и местом выброса отходов одновременно, что может показаться нерациональным, но действует очень эффективно.

Когда кровь достигает легких, она избавляется от избытка углекислого газа, который, как свидетельствует название, представляет собой газ. Проходя через альвеолы, молекулы углекислого газа выходят в воздух, их наполняющий, в то самое время, как молекулы кислорода из воздуха переходят в кровь. В каждом случае происходит переход молекул из области большей концентрации в область меньшей. В результате, хотя вдыхаемый воздух на 20 % состоит из кислорода и на 0,03 % из углекислого газа, в выдыхаемом воздухе содержится 15 % кислорода и 5 % углекислого газа. (Оставшаяся часть представлена азотом.)

Возникает вопрос, как перемещается в крови двуокись углерода. С одной стороны, эта проблема не столь серьезна, как перенос кислорода. Кислород плохо растворяется в воде, поэтому его транспорт во многом определяется содержанием гемоглобина. В 100 миллилитрах воды при температуре тела растворяется всего 2,5 миллилитра кислорода, но зато целых 53 миллилитра углекислого газа. Это решает проблему его транспортировки, если вопрос заключается только в том, чтобы просто избавиться от углекислого газа.

Хотя химические свойства углекислого газа являются причиной многих осложнений, организм, справляясь с ними, сохраняет значительное количество этого продукта распада, чтобы он служил для выполнения жизненно важных функций. Чтобы это понять, понадобится дополнительное разъяснение.

Молекулы углекислого газа не просто растворяются в воде, а вступают в реакцию с молекулами воды, образуя угольную кислоту (ее часто называют просто углекислотой). Это можно изобразить химическим уравнением, где C обозначает углерод, O — кислород, а H — водород:

Обычно такая реакция проходит очень медленно, но в кровеносной системе она протекает быстрее. Углекислый газ, попадающий в плазму из клеток, может легко проходить сквозь мембрану красных клеток, так что часть молекул углекислого газа неизбежно окажется внутри эритроцита. В нем есть фермент, способный ускорять образование двуокиси углерода и воды. Обычно ферменты отвечают за ускорение реакций, которые протекают и без них, но со значительно более медленной скоростью. Этот фермент называется карбоангидразой, и в его молекулах содержится по крайней мере один атом металла — цинка. В организме есть и другие цинксодержащие ферменты, и одного этого достаточно, чтобы понять, почему цинк так важен для человека. Конечно, он нужен только в мизерных количествах, и в любой пище его вполне достаточно. В присутствии карбоангидразы быстро образуется угольная кислота, которая через мембрану красной клетки выходит обратно в плазму.

Угольная кислота также может расщепляться с образованием углекислого газа и воды. Поэтому у написанного выше уравнения две стрелочки, указывающие два направления. Карбоангидраза ускоряет процессы как расщепления, так и образования угольной кислоты. В результате такого двунаправленного процесса достигается равновесие, при котором происходит одновременное образование и расщепление угольной кислоты. Поэтому в крови есть как угольная кислота, так и углекислый газ.

В легких сквозь мембраны альвеол может просочиться только углекислый газ. Угольная кислота на это не способна, потому что она не газ. Однако, когда углекислый газ покидает кровь, хрупкое равновесие между содержанием его и угольной кислоты в крови нарушается. Тогда часть угольной кислоты превращается в воду и углекислый газ, чтобы сохранить равновесие, а углекислый газ, в свою очередь, опять выходит в легкие. Поэтому угольная кислота никогда не препятствует механизму выведения углекислого газа из организма.

Угольная кислота может расщепляться и другим способом. Кислота — это вещество, молекулы которого могут терять часть своих атомов водорода. Атом водорода, лишившийся одного электрона, называется ионом водорода. В оставшейся части находится дополнительный электрон (тот, который принадлежал атому водорода), и такой атом называется бикарбонатным ионом. Эта реакция происходит в обоих направлениях, между которыми также существует равновесие. Химическое уравнение реакции можно изобразить следующим образом:

Образующиеся в результате этой реакции ионы имеют электрические заряды. Бикарбонатный ион несет отрицательный заряд, а ион водорода положительный заряд, и это представлено маленькими значками «минус» и «плюс» в верхней правой части формулы ионов.

Получается, что когда углекислый газ попадает в кровь, то в ней появляются три разных вещества: собственно углекислый газ, угольная кислота и бикарбонатный ион. Все эти три вещества находятся в состоянии равновесия. Добавьте к ним немного любого из трех веществ, и часть его быстро превратится в оставшиеся два. Удалите какое-то количество одного из трех веществ, и два других частично заменят утерянное. Таким образом, когда углекислый газ выходит в легкие, угольная кислота расщепляется и образует двуокись углерода, а бикарбонатные ионы связываются с ионами водорода, чтобы пополнить запас углекислоты. Это происходит само собой: организм просто следует бесстрастным и объективным законам химического равновесия. В результате любое локальное изменение «разбавляется» в большом объеме и сводится к минимуму. Это самое полезное свойство живой ткани — тонкой и хрупкой конструкции, не способной выносить резкие изменения.

Только не поймите последнее утверждение неправильно. Наш организм в состоянии выносить резкие изменения. Мы можем выйти из жарко натопленного дома на морозный зимний воздух, потому что внутренняя температура нашего тела даже при резком перепаде наружной остается неизменной. Большая часть химической активности организма направлена на предотвращение влияния изменения внешних условий на стабильное состояние внутренних тканей.

В качестве примера возьмем равновесие между углекислотой и бикарбонатным ионом, о которых мы только что говорили. Это один из самых важных химических механизмов, при помощи которых организм защищает нежные клетки от изменений, и по этой причине организм никогда не избавляется от углекислого газа полностью, сохраняя часть этого продукта распада для поддержания жизни.

Теперь о воде. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сама по себе вода очень слабо распадается, теряя ион водорода (как это было в случае с угольной кислотой. Оставшаяся называется гидроксильным ионом (атом водорода + атом кислорода + электрон, оставшийся после отрыва иона водорода)[1].

Ионизация воды представляет собой еще одну реакцию, происходящую в двух направлениях для достижения равновесия. В чистой воде большинство молекул остаются целыми. Всего одна из шестидесяти миллиардов молекул воды ионизирована. То есть на шестьдесят миллиардов молекул приходятся всего один ион водорода и один гидроксильный ион. То, что в воде находится одинаковое количество ионов обоих видов, делает ее нейтральным веществом.

Эти два типа ионов поддерживают обратный баланс (по образцу качелей). Если концентрация ионов водорода увеличивается, соответственно падает концентрация гидроксильных ионов. Тогда этот раствор становится кислотой — чем больше в нем ионов водорода, тем сильнее выражена кислая реакция. С другой стороны, если концентрация ионов водорода уменьшается, концентрация гидроксильных ионов растет. Тогда раствор превращается в щелочь — чем больше гидроксильных ионов, тем сильнее выражена щелочная реакция. (При наличии воды концентрация обоих видов ионов никогда не достигает нулевой отметки.)

Ион водорода — одно из самых активных химических веществ. Почти любая химическая реакция проходит быстрее или медленнее, в зависимости от концентрации ионов водорода. Организм, в котором протекают тысячи реакций, должен следить, чтобы концентрация ионов водорода в тканях поддерживалась на нужном уровне.

Что касается крови, то концентрация ионов водорода должна быть такой, чтобы среда оставалась слегка щелочной. В крови только один ион водорода приходится на каждые двести сорок миллиардов молекул воды, это всего одна четверть от того числа, которое должно присутствовать, чтобы кровь была нейтральной.

Это маленькое количество ионов надо сохранить. Если концентрация ионов водорода увеличивается на 35 % или падает на 25 % от исходного уровня, нарушаются химические механизмы регуляции постоянства внутренней среды, и тогда может наступить смерть. В ходе химических реакций постоянно образуются или утилизируются щелочные или кислотные по природе вещества. Они могут попадать в поток крови или выходить из него. В любом случае они изменяют концентрацию ионов водорода в ту или другую сторону, и эти колебания должны быть сведены к минимуму.

Химики представляют концентрацию ионов водорода в растворе величиной pH[2]. Нейтральный уровень pH составляет 7,0. Меньшие значения pH указывают на кислый раствор — чем ниже pH, тем выше кислотность. Большие значения говорят о щелочном растворе. Поскольку pH — это обратный десятичный логарифм, то в растворе с pH, равным 6,0, концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем в растворе с 7,0. pH, равный 5,0, свидетельствует о том, что концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем при pH, равном 6,0. В растворе с уровнем pH 8,0 концентрация ионов водорода составляет всего одну десятую часть от присутствующих в растворе с pH 7,0. pH крови равен 7,4, он не должен опускаться ниже 7,32 и подниматься выше 7,46.

Одним из самых важных средств защиты от смертельно опасного изменения уровня pH является сочетание в крови углекислого газа, углекислоты и иона бикарбоната.

Предположим, что в процессе химических реакций в кровь попадает некоторое количество кислоты. Она является новым источником ионов водорода, поэтому их концентрация в крови возрастает, а уровень pH падает.

Но как только появляются эти дополнительные ионы водорода, некоторые из них соединяются с бикарбонатными ионами, образуя углекислоту, которая, в свою очередь, расщепляется на воду и углекислый газ, выводящийся через легкие. Таким образом, избыток ионов водорода не приводит к значительным изменениям уровня pH.

Допустим, что в кровь попадает некоторое количество щелочи — вещества, которое вступает в реакцию с ионами водорода и убирает их из раствора, снижая их концентрацию до опасно низкого значения.

Однако, чтобы этого не случилось, вновь на защиту встает углекислый газ, но на этот раз действия происходят в обратном порядке. Углекислота отдает ионы водорода, чтобы заместить потерянные, и переходит в бикарбонатные ионы. Чтобы восстановить содержание углекислоты в крови, углекислый газ, который до этого выходил из крови в легкие, задерживается в ней и, соединяясь с водой, образует угольную кислоту.

Таким образом, углекислый газ защищает кровь от нежелательных изменений уровня pH в крови. Бикарбонатный ион играет роль сухой губки, впитывающей ионы водорода, когда их слишком много. Углекислота действует как влажная губка, из которой можно выжать ионы водорода, когда их слишком мало. Они позволяют сохранить постоянный баланс pH.

Система, состоящая из углекислоты и бикарбонатных ионов, которая поддерживает pH на постоянном уровне, представляет собой пример того, что химики называют буферной системой, или просто буфером.

В крови содержатся и другие буферы, но система углекислоты и бикарбонатных ионов самая важная, потому что она находится под более тщательным контролем, чем остальные. Из всех буферов только этот представляет собой равновесие с газом, который может удаляться быстрее (при учащении дыхания) или медленнее (при замедлении дыхания).

Именно углекислый газ, а не количество кислорода в атмосфере контролирует частоту дыхания. Обычно границу между сферами деятельности этих двух газов провести сложно, поскольку, как правило, если в крови слишком много углекислого газа, то мало кислорода. Если вы начинаете дышать быстрее, чтобы избавиться от двуокиси углерода, то автоматически пополняете запас кислорода. То же самое происходит и в обратном случае.

Так как частота дыхания может регулировать уровень pH в крови, то последний можно изменять посредством изменения первого. Например, можно намеренно заставить себя на какой-то период времени дышать быстро и глубоко. В результате углекислый газ удаляется из организма, а углекислота очень быстро расщепляется, чтобы возместить потерю. Это, в свою очередь, ведет к тому, что ионы бикарбонатов присоединяют слишком много ионов водорода, чтобы восстановить содержание углекислоты. В итоге в крови снижается концентрация ионов водорода и повышается уровень pH, что приводит к дыхательному алкалозу. Вы как бы пьянеете от кислорода, у вас появляется головокружение. Если продолжать в том же духе, то можно потерять сознание, однако обычно мы не доходим до этого и возвращаемся к нормальному ритму дыхания. Мы начинаем дышать очень медленно, иногда даже задерживаем дыхание, чтобы восстановить в крови прежний уровень двуокиси углерода.

Можно, наоборот, задержать дыхание на пару минут, чтобы в организме увеличилось содержание углекислого газа, что приведет к накоплению углекислоты, в результате чего в кровь попадет больше ионов водорода. В итоге в крови увеличится концентрация ионов водорода и уменьшится уровень pH — разовьется дыхательный ацидоз. И опять вряд ли вы станете терпеть до того момента, когда потеряете сознание, вы в течение нескольких минут будете усиленно дышать, чтобы избавиться от избытка углекислого газа.

Углекислый газ переносится кровью не только в растворенном виде. Гемоглобин, чьей основной функцией является транспорт кислорода, также служит переносчиком углекислого газа.

Углекислый газ может соединяться с аминокислотой лизином, входящей в состав молекулы белка. Такое соединение называется карбаминовым. Гемоглобин не только занимает первое место среди других белков по содержанию в крови, но также содержит больше лизина, чей любой другой из них. Поэтому около одной пятой части всего углекислого газа в венозной крови представлено в виде карбгемоглобина.

Гемоглобин служит не просто средством транспортировки. Он активно способствует переносу углекислого газа в легкие.

Давайте подробнее рассмотрим, что происходит, когда кровь из легочной артерии — голубоватая, лишенная кислорода, полная растворенным в ней углекислым газом, который частично соединился с водой, а частично с гемоглобином, — попадает в альвеолярные капилляры.

Прежде всего кислород проникает сквозь альвеолярные мембраны в кровь и превращает гемоглобин в оксигемоглобин.

Дальше происходят два события. Во-первых, оксигемоглобин не образует карбаминовые соединения так быстро, как гемоглобин. Около двух третей карбаминовых групп в карбгемоглобине расщепляется немедленно, и высвобождается углекислый газ.

Во-вторых, оксигемоглобин — более сильная кислота, чем гемоглобин, в его растворах содержится больше ионов водорода. Все белки в какой-то степени являются кислотами, все они обладают тенденцией к ионизации и высвобождению ионов водорода. Поглощая кислород из легких, кровь внезапно наполняется ионами водорода. В действие вступает буферная система. Ионы бикарбонатов соединяются с избыточными ионами водорода, в результате образуется углекислота, которая распадается до углекислого газа и воды.

Таким образом, превращение гемоглобина в оксигемоглобин двумя различными способами способствует образованию углекислого газа в крови. Увеличение концентрации углекислого газа в капиллярах альвеол есть тот толчок, который заставляет выходить его из крови и проникать сквозь мембраны альвеол в воздух, находящийся в легких. Затем происходит выдох, и организм освобождается от углекислого газа.

Углекислый газ и метаболическая вода — продукты распада, которые состоят из атомов водорода и углерода, находившихся в пище. Помимо них в пище содержатся атомы азота, которые встречаются в основном в белках — один атом азота из двенадцати.

Было бы хорошо, если бы атомы азота могли превращаться в газ и выходить через легкие, как углекислый газ. Возможно, первым вопросом у человека, впервые столкнувшегося с этой областью науки, будет следующий: поскольку водород и углерод соединяются с кислородом и выводятся из организма, то почему азот не может выводиться тем же способом? Ведь различные окиси азота также представляют собой газы.

К сожалению, на этом пути возникает препятствие. Когда водород и углерод соединяются с водой, они теряют много энергии, и выделившаяся энергия используется организмом. Для соединения азота с кислородом, наоборот, требуется энергия, поэтому для образования окисей азота понадобятся ее дополнительные источники. Нам повезло, поскольку благодаря этому свойству кислород и азот в воздухе не взрываются. Различие энергий не позволяет им вступать во взаимодействие, даже если в воздухе содержится избыток тепла от лесного пожара или пылающей печи. Для соединения азота с кислородом требуется удар молнии, и то это происходит только в непосредственной близости от нее, но организм не может тратить столько энергии, чтобы избавляться от продуктов распада.

Почему бы тогда не избавиться от азота как от газа? Препятствий с энергетической стороны проблемы не возникает, однако ни у одного организма выше уровня бактерий (микроорганизмы более разнообразны с химической точки зрения, чем многоклеточные организмы) нет для этого специального химического механизма.

Можно было бы также превратить азот в аммиак, молекула которого состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Это сопровождается потерей энергии, потому что превращение белка в воду, углекислый газ и аммиак сопровождается меньшей затратой энергии, чем превращение его в воду, углекислый газ и азот. Однако затраты меньше всего на 2 %, и небольшое количество дополнительной энергии, создаваемое при превращении азота, очевидно, не стоит того, чтобы у организмов был создан специальный механизм для подобных превращений.

Аммиак — газ, но он хорошо растворим в воде. В 100 миллилитрах холодной воды может раствориться 110 000 миллилитров аммиака. Он может по мере образования растворяться в воде, имеющейся в организме.

Но тут же возникает проблема. Аммиак — очень ядовитое вещество. Если в литре крови растворится всего одна тысячная доля миллиграмма аммиака, наступит смерть.

Поэтому аммиак должен немедленно выводиться из организма. Это можно сделать, только если организм будет постоянно окружен большим количеством воды, куда можно сбрасывать аммиак, чтобы тот все время растворялся в ней и его концентрация в организме не достигала опасной отметки. Это означает, что только существа, обитающие в океанах и другой водной среде, могут позволить себе роскошь избавляться от азота в виде аммиака. Если вам интересно, не переполнится ли за миллиарды лет океан аммиаком и не случилось ли так уже много лет назад, не волнуйтесь. Аммиак используется одноклеточными растениями, населяющими поверхность океана; он перерабатывается ими в белок, которым они питаются и который опять превращают в аммиак. Это часть цикла азота, в результате которого океаны очищаются от аммиака.

Когда жизнь появилась на суше, ей пришлось приспосабливаться к среде, где было мало воды. Она взяла с собой частичку океана в виде кровеносной системы, но это была всего лишь крошечная частичка. Выброс аммиака во «внутренний океан», заключенный в собственном организме, очень быстро привел бы к повышению концентрации аммиака до опасных значений, а из организма нельзя выводить воду столь быстро, чтобы снизить этот уровень, если только не разработать какой-нибудь способ быстрого восстановления уровня воды. На суше такое восстановление невозможно.

Поэтому азот должен был выводиться в менее токсической форме, нежели аммиак, иначе земля не смогла бы покориться животным. К счастью, решение было найдено. Две молекулы аммиака могли соединяться с молекулой углекислого газа, образуя мочевину. Ее молекула состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода, двух атомов водорода и четырех атомов азота.

Мочевина — твердое вещество, но растворяется в воде в два раза легче, чем поваренная соль, так что она без труда попадает в кровь. К тому же, по сравнению с аммиаком, мочевина относительно безопасна. В литре крови, в котором не может без угрозы для жизни содержаться даже одной тысячной доли миллиграмма аммиака, без всяких последствии содержится сорок миллиграммов мочевины.

Когда головастики превращаются в лягушек, они изменяют систему выведения азота с аммиака на мочевину. Этих изменений мы не видим. Мы замечаем потерю хвоста и появление лапок. Превращение жабер в легкие заметно лишь частично. Однако изменение химического механизма, хотя и не такое заметное, является более важным, чем другие трансформации.

В мочевине содержится больше энергии, чем в аммиаке, поэтому животные, избавляющиеся от азота в виде мочевины, теряют часть своей энергии. Однако преимущества такого механизма выведения азота превышают эти ничтожные потери.

Некоторые насекомые, птицы и рептилии проводят первые несколько дней или недель свой жизни на суше в яйцах. Через скорлупу яиц вода не только поступает в очень ограниченных количествах, но и ее запасы нельзя возобновить при помощи питья. Поэтому способ удаления азота опять должен меняться. Если бы мочевина образовывалась в яйцах, концентрация этого вещества достигла бы в них опасного уровня (даже мочевина может представлять угрозу для жизни, если ее слишком много) еще до того, как зародыш вылупится из яйца. Поэтому азот выводится в виде мочевой кислоты — соединения более сложного, чем мочевина, состоящего из фрагментов четырех молекул аммиака и трех молекул углекислого газа. Мочевая кислота довольно плохо растворяется, поэтому не попадает в воду. Вместо этого она откладывается в особых местах внутри яйца, где не мешает развитию зародыша. Мочевая кислота по сравнению с мочевиной вызывает несколько большие потери энергии, но все равно ее преимущества неизмеримо превышают недостатки.

Млекопитающие, в том числе и человек, которые первые недели или месяцы своей жизни развиваются в материнском теле, приобрели более примитивную систему выведения азота. Мочевина, образующаяся у плода, просачивается сквозь плаценту в кровеносные сосуды матери, которая всегда в состоянии пополнить запасы воды, поэтому млекопитающим не нужен механизм выведения азота в виде мочевой кислоты.

Растения, у которых нет циркулирующей жидкости, также должны как-то избавляться от азота. Некоторые решают эту проблему, вырабатывая сложные азотсодержащие соединения — алкалоиды, которые откладываются в коре, корнях, семенах и листьях. Обычно при попадании внутрь они оказывают мощное воздействие на организм животных и человека, и многие из них вредны для здоровья или смертельно ядовиты, в зависимости от дозировки.

Если бы клетки выбрасывали мочевину в кровеносное русло, то ее количество в крови быстро бы достигло опасной отметки. Однако, совершая свой круговорот в организме, кровь проходит через два органа, имеющих форму бобов и расположенных в области поясницы по обеим сторонам позвоночника, — почки.

Как и легкие, почки представляют собой губчатую ткань, кровеносную систему которых от внешнего мира отделяет лишь тонкая оболочка. Легкие разделяются на крошечные альвеолы, вдоль которых проходит кровь, а почки — на канальцы. Когда кровь проходит по этим канальцам, через их стенку просачивается вода с растворенными в ней мелкими молекулами, в том числе и молекулами мочевины.

Когда раствор двигается по почечным канальцам, некоторое количество воды и почти все вещества вновь возвращаются в кровь. Продукты распада, такие, как мочевина и вода, в которой она растворяется, остаются в канальце. Этот раствор представляет собой мочу. Микроскопические дозы мочи проходят через миллиарды почечных канальцев и попадают в более широкие и длинные каналы (по одному в каждой почке) — мочеточники. По ним моча попадает в мочевой пузырь, где она собирается и откуда периодически выводится. Какую-то часть мочи представляют пигменты, придающие ей желтоватый цвет.

Клетки организма постоянно вырабатывают мочевину, а почки все время ее выводят, и таким образом количество мочевины в крови поддерживается на низком и относительно постоянном уровне. Если почки из-за инфекции или других заболеваний не в состоянии постоянно выполнять очистительную функцию, в крови начинает увеличиваться концентрация мочевины. Это состояние называется уремией и может привести к смертельному исходу. Деятельность почек настолько важна, что у них есть собственный механизм поддержания кровообращения. Если по какой-то причине приток крови замедляется, почка выделяет фермент под названием ренин. Он изменяет один из белков в крови, превращая его в соединение — ангиотезин, который сужает различные кровеносные сосуды, поднимает кровяное давление и ускоряет кровообращение.

В этой главе я упоминал о том, как содержание воды в организме может изменяться посредством выделения более концентрированной мочи в период дефицита воды и более частого мочеиспускания при переизбытке жидкости в организме. Почки управляют этим процессом, контролируя обратное всасывание воды в почечных канальцах. Если в организме не хватает воды, возвращается больше жидкости, при переизбытке — меньше.

Эта функция почек, в свою очередь, управляется химическим веществом — вазопрессином, вырабатываемым в малых количествах гипофизом[3] — маленьким органом, расположенным в основании мозга. У некоторых людей гипофиз не в состоянии выполнять эту функцию. В таком случае вазопрессин не образуется и контроль над деятельностью почек утрачивается.

Следовательно, вода в почечных канальцах плохо всасывается обратно или не всасывается совсем, и у больного человека учащается мочеиспускание — до трех литров в день или больше. Эта болезнь называется несахарным диабетом. Слово «диабет» происходит от греческого «сифон», и, действительно, вода просто откачивается из организма больного, который, постоянно испытывая жажду, много пьет. «Несахарный» указывает на то, что в этом случае моча настолько разбавлена, что представляет собой практически одну воду. Больным несахарным диабетом можно помочь, их состояние можно значительно улучшить (хотя болезнь полностью вылечить нельзя) при помощи инъекций вазопрессина, полученного из гипофиза крупного рогатого скота.

Вазопрессин — это гормон, химическое вещество, вырабатываемое специальным органом — железой, которое попадает в кровь и участвует в химических реакциях в организме. Многие гормоны являются белками и имеют довольно маленькие молекулы. Например, молекула вазопрессина состоит из восьми аминокислот, по сравнению с шестьюстами аминокислотами в молекуле гемоглобина. В 1953 году группа биохимиков из медицинской школы Корнелльского университета в Нью-Йорке под руководством Винсента дю Виньо синтезировала этот гормон — первый пептидный гормон, полученный не из гипофиза животного.

Синтез вазопрессина стал последним штрихом в доказательстве точной структуры молекулы этого гормона и явился важным шагом к пониманию механизма действия гормонов вообще. Принимая во внимание чрезвычайную важность гормонов для организма, последствия, вызываемые избыточной или недостаточной продукцией того или иного гормона, и их роль в лечении различных заболеваний, изучение гормонов широко и интенсивно продолжается до сегодняшнего дня. За свои открытия в этой и других областях биохимии Винсент дю Виньо в 1955 году получил Нобелевскую премию в области химии.

Глава 9

Соль земли

Пока мы рассмотрели два способа контакта крови с внешним миром, естественно, сквозь мембраны: в легких и почках. Легкие служат входом и выходом для газов: в кровь поступает кислород, а выходят углекислый газ и пары воды. Почки служат выходом только для жидких веществ — воды, в которой растворены мочевина и другие продукты распада.

Есть еще одна точка соприкосновения крови и внешнего мира: пищеварительный тракт. Это длинная трубка, идущая ото рта к заднему проходу. С обоих концов она открыта внешнему миру, поэтому нельзя сказать, что содержимое пищеварительного тракта находится в организме. Таким же образом предмет, находящийся в дырке пончика, не находится в самом пончике, или вода, текущая по трубе, не проходит через металл, а лишь по внутренней поверхности трубы.

Когда мы едим, пища попадает в пищеварительный тракт, проходя через рот, горло и пищевод, под конец попадая в желудок, где может находиться часами. Организм не в состоянии усваивать твердую пищу. Только газообразные или жидкие вещества, в том числе и твердые вещества в растворах, могут проходить сквозь мембраны и попадать в организм. По этой причине мы пережевываем пищу и смешиваем ее со слюной, прежде чем проглотить. В желудке пища смешивается с желудочным соком — жидкостью, выделяемой маленькими железами, находящимися в оболочке желудка, тогда как слюна выделяется несколько более крупными железами, расположенными в щеках, под языком и под нижней челюстью. В слюне и желудочном соке содержатся ферменты, ускоряющие расщепление крупных молекул. Когда пища из желудка попадает в тонкую кишку, где в основном происходит пищеварение, она представляет собой густую массу.

Некоторые животные, например коровы, питающиеся грубой пищей, такой, как трава, постоянно жуют. У плотоядных животных, таких, как собаки и кошки, которые питаются мясом, а мясо легче превращается в желудке в более жидкую массу, чем трава, слюны недостаточно, и они проглатывают куски пищи целиком. У птиц, также проглатывающих пищу целиком, обычно есть зоб и мускульный желудок, иногда наполненные маленькими камешками, которые птицы специально глотают и которые действуют как жернова, размалывающие пищу. В каждом случае пища покидает желудок в разбавленном виде.

Тонкая кишка — важная часть пищеварительного тракта. Это трубка длиной шесть и более метров, которая помещается в брюшной полости только потому, что свернута много раз.

В самом начале тонкой кишки (в двенадцатиперстной кишке) пища вбирает еще больше жидкости, поставляемой двумя большими железами — печенью и поджелудочной железой. Жидкость, продуцируемая печенью, или желчь, не содержит ферментов, но она помогает расщеплять жировые компоненты пищи на мелкие, легкоусвояемые частицы. Сок поджелудочной железы содержит множество ферментов.

Продвигаясь по тонкой кишке, пища смешивается с жидкостью, полной пищеварительных ферментов, поступающих из маленьких желез, расположенных на стенках тонкой кишки. Это кишечный сок. Благодаря жидкому секрету пища превращается в жидкую мелкодисперсную массу, в которой различные ферменты расщепляют крупные молекулы на мелкие фрагменты, способные проникнуть сквозь оболочки, и все это составляет процесс пищеварения.

Изнутри шестиметровая трубка тонкой кишки устроена так, что ее поверхность, через которую молекулы могут проникать в организм, имеет очень большую площадь. Площадь увеличивается за счет крошечных тонкостенных выростов — ворсинок. Благодаря им поверхность напоминает махровое полотенце, которое может впитать больше воды, чем обычное кухонное того же размера, потому что петельки махрового полотенца действуют как абсорбенты. Внутри каждой ворсинки есть капилляр, и в кишечнике повторяется та же ситуация, что и в легких и почках. С одной стороны оболочки капилляр, с другой — внешний мир.

Вода может просачиваться сквозь стенки кишечника в кровь (и наоборот). Вместе с водой в кровь попадают маленькие молекулы различных веществ, образовавшихся из пищи после расщепления крупных молекул в процессе пищеварения. Прохождение этих веществ через стенку пищеварительного тракта в кровь называется усвоением.

Когда пища покидает тонкую кишку и попадает в более короткую толстую кишку, она почти полностью состоит из воды (благодаря жидкости, попавшей в нее в процессе пищеварения) и веществ, оставшихся в форме крупных молекул, которые не проходят сквозь оболочку. Эти неперевариваемые продукты состоят из растительной и животной клетчатки. Не оказывая влияния на работу организма, поскольку они не усваиваются, эти вещества все же полезны: они наполняют кишечник, пока идет процесс пищеварения.

В толстом кишечнике происходит всасывание воды. Вода выполнила свою функцию, и нет смысла ее терять. Поэтому при прохождении через толстую кишку содержимое пищеварительного тракта становится менее водянистым, и, когда пища попадает в прямую кишку, которой заканчивается пищеварительный тракт, она представляет собой более или менее плотную массу, готовую к выведению из организма.

Когда в толстой кишке нарушается механизм всасывания воды, содержимое выводится из организма в жидком или полужидком виде, и это состояние называется диареей. Происходит аномальная потеря воды и некоторых растворенных в ней веществ. Именно потеря воды делает диарею столь изнурительной, а для младенцев, у которых запас питательных веществ еще очень мал, она вообще может привести к летальному исходу.

В человеческих экскрементах содержится большое количество бактерий (примерно от четверти до половины их массы), которые попадают в кишечник с пищей и быстро размножаются в тепле и безопасности — идеальной среде обитания бактерий. Обычные бактерии, обитающие в нашем кишечнике, не являются патогенными, то есть не вызывают болезней и не причиняют нам вреда, правда лишая нас части пищи, которую они перерабатывают для себя. В пищу домашним животным, чтобы ускорить их рост, добавляют антибиотики и тем самым снижают количество бактерий, населяющих кишечник, в результате животные получают больше пищи, а бактерии меньше.

Однако бактерии в обмен на часть пищи вырабатывают для себя некоторые витамины, которые мы не в состоянии вырабатывать сами, такие, как, например, витамин В_12, о котором я уже упоминал ранее. Они вырабатывают витаминов больше, чем могут потребить, и мы усваиваем их излишки. Такое обоюдное сосуществование двух организмов называется симбиозом.

Для домашнего скота симбиоз еще более важен, чем для нас. Скот в основном питается травой и другой грубой растительной пищей, содержащей много клетчатки, которая не переваривается в желудке многоклеточных животных. Если бы животные зависели только от собственной системы пищеварения, то быстро бы умерли с голоду. Однако у всех питающихся травой животных сложный пищеварительный тракт (у домашней скотины он состоит из четырех разных желудков), в котором пища может храниться долгое время. Бактерии пищеварительного тракта расщепляют клетчатку на усвояемые фрагменты. Возможно, наши бактерии так же расщепляют клетчатку, однако у человека пищеварительный тракт короче, и бактериям на это просто не хватает времени. Бактерии используют частицы пищи, а остальное усваивается животными. То, что домашние животные могут превращать траву в молоко и мясо, происходит исключительно благодаря бактериям, которые не только поддерживают жизнь животных, но и служат на благо человечества.

(С другой стороны, тот же симбиоз может нанести нам большой вред. Термиты питаются древесиной, состоящей в основном из целлюлозы, которую они, как и мы, не в состоянии переварить. Однако в кишечнике термитов живут некие простейшие. Они переваривают клетчатку и кормят себя и термитов. И в то время, когда термиты поглощают клетчатку, а простейшие переваривают ее, наши дома разрушаются.)

Но какой же материал усваивается организмом при прохождении пищи через тонкую кишку? Его можно разделить на две группы: 1) вещества, которые напрямую усваиваются организмом (обычно в тонком кишечнике, но могут всасываться и в желудке и даже во рту, не претерпевая никаких изменений), и 2) вещества, которые должны перевариваться перед усвоением.

К первой группе относится, естественно, вода, которую мы уже подробно обсудили. Сюда относятся и минералы. Они называются так потому, что в организм попадают почти в таком же виде, в котором содержатся в неживой природе. Их также можно назвать неорганическими веществами, потому что для их производства не требуется живой организм.

Существует множество органических соединений, которые до появления современной химии могли образовываться только в результате деятельности живого организма и которые обнаруживались в неорганической среде только как следы пребывания в ней живых организмов. Сегодня такие органические вещества можно синтезировать в лабораториях наряду с тысячами подобных веществ, которые вообще не существуют в природе: ни среди минералов, ни среди живых организмов.

Поскольку соединения, получившие название органических, состоят из молекул, в которых находится один или более атом углерода, химики решили называть все углеродсодержащие вещества органическими, невзирая на то, вырабатываются ли они живыми организмами или образуются в неживой природе. Таким образом, любое вещество, не содержащее атомов углерода, является неорганическим, даже если оно незаменимо для жизнедеятельности организма, как в случае с водой.

Это пример того, на что часто не обращают внимания. В природе не существует классификаций. Все они создаются человеком. Сначала любая классификация следует некоему кажущемуся логическим разделению и в соответствии с ним присваивает некие названия. Однако по мере накопления знаний классификации сдвигаются или видоизменяются по прихоти ученых. Если при этом названия становятся лишены всякой логики, это плохо. Дело в том, что классификации представляют собой удобную схему, но не истину.

Минералы или неорганические элементы пищи существуют в виде ионов. Как я уже объяснял ранее, это атомы или группы атомов с избыточным или недостаточным количеством электронов. Те, у кого электронов недостаточно, обладают положительным зарядом, и к ним принадлежат ионы натрия, калия, кальция, магния. Каждый из этих ионов состоит из одного атома. У ионов натрия и калия не хватает по одному электрону, поэтому каждый из них обладает единичным положительным зарядом. В ионах кальция и магния не хватает по два электрона, поэтому каждый из них обладает двойным положительным зарядом.

Основными отрицательно заряженными ионами являются ионы хлора, состоящие из атома хлора и дополнительного электрона, и бикарбонатные ионы, о которых я говорил в предыдущей главе и которые являются органическим веществом, а не минералом. Кроме того, существуют ионы фосфора, состоящие из атома фосфора, трех атомов кислорода и либо двух атомов водорода и лишнего электрона, либо только одного атома водорода и двух электронов, а также ионы сульфатов, состоящие из атома серы и четырех атомов кислорода плюс два избыточных электрона. Есть также простые органические соединения, обладающие отрицательным или положительным зарядом (чаще всего положительным), и белки, имеющие и отрицательный, и положительный заряды (в условиях организма чаще всего отрицательный).

Все эти ионы, а также некоторые другие, присутствующие в пище в незначительных количествах, всасываются вместе с пищей или образуются в результате ее усвоения и находятся в крови.

Общее содержание мелких ионов в крови, состоящих, самое большее, из полдюжины атомов, составляет около 10 граммов на литр. Из них самым обычным положительно заряженным ионом является ион натрия, а отрицательно заряженным — ион хлора. Обычная поваренная соль состоит из этих двух ионов и называется хлоридом натрия. Неудивительно, что кровь на вкус соленая.

Важно помнить, что свойства ионов отличаются от свойств атомов, из которых они образуются посредством перемещения электронов. Иногда люди удивляются, что такое необходимое вещество, как соль, состоит из натрия, ядовитого металла, и хлора, ядовитого газа. Однако на самом деле соль состоит не из них. Она состоит из иона натрия и иона хлора — безвредных веществ, необходимых организму.

Кровь служит резервуаром для различных ионов, которые при необходимости используются клетками или выделяются как излишки. В крови между ионами, как и во всем, должно поддерживаться стабильное равновесие. Содержание бикарбонатных ионов, как уже отмечалось в предыдущей главе, поддерживается изменением частоты дыхания. Содержание других ионов поддерживается почками. Ионы выходят через мембраны почечных канальцев и вновь реабсорбируются в них, подобно воде. Если какого-то иона не хватает, его всасывается обратно больше, и наоборот.

Вклад почек в поддержание ионного баланса зависит от конкретного иона. Например, если возникает дефицит натрия, почки могут позволить себе выделять его не более 10 миллиграммов в день. Если речь идет об ионах калия, то ситуация обстоит хуже. Даже если в организм не попадает калия, почками все равно выделяется, как минимум, 240 миллиграммов этого иона в день.

Несмотря на это и даже принимая во внимание тот факт, что человеческому организму требуется больше калия, чем натрия, опасность дефицита натрия все равно больше. Причина в том, что растения богаче калием и беднее натрием, чем животная пища. Большую часть рациона человека составляют растения, поэтому в организм попадает больше калия.

По этой причине в привычку вошло добавлять в пищу соль, чтобы «придать ей вкус». Естественно, вкус при этом улучшается, и мы обычно добавляем больше соли, чем нужно. Однако это не просто вопрос вкуса, а жизненная необходимость. Когда в своей Нагорной проповеди Иисус решил похвалить учеников (Евангелие от Матфея, 5: 13), то произнес следующую фразу: «Вы — соль земли».

Потребность в соли еще сильнее у тех животных, которые питаются исключительно растительной пищей. Они ищут «соляные источники» — естественные месторождения соли — и посещают их, невзирая на большие расстояния и опасности, стремясь к ним, как к воде.

Когда организм теряет воду, с ней уходит некоторое количество ионов. О них я уже упоминал ранее, говоря о веществах, потерянных с водой при диарее. Они также содержатся в выделениях потовых и слезных желез, которые обладают соленым вкусом.

Потеря ионов при потоотделении может быть очень серьезной. Тяжелый физический труд на жаре, например в шахтах, у печей или просто под палящим летним солнцем, когда происходит обильное потоотделение, означает потерю вместе с водой ионов натрия. Потерю воды легко возместить, поскольку ее дефицит в организме вызывает жажду, и человек начинает больше пить. Однако в свежей воде не содержится ионов натрия. Для предотвращения слабости и теплового удара в воду необходимо добавлять немного соли или пить минеральную.

Конечно, если в организме избыток ионов натрия, они должны выводиться через почки. Для удаления одного миллиграмма ионов натрия требуется определенное количество воды, даже если организм испытывает ее нехватку. Поэтому люди, страдающие от жажды, оказавшись после кораблекрушения на шлюпке, обезвоживают свой организм, если в отчаянии пытаются пить морскую воду, и продержатся дольше, если вообще не будут пить. По этой причине соленая пища вызывает жажду. Это защитный механизм против неизбежной потери воды.

Недавно проведенные исследования показали, что некоторые птицы и рептилии, почти всю жизнь проводящие в море, но произошедшие от сухопутных предков, могут употреблять соленую воду. Для этого им необходимо избавиться от избытка ионов натрия, поскольку в их тканях его содержится не больше, чем в наших. Для этого у них есть специальные маленькие «солевые» железы, расположенные у основания носа или клюва, выделяющие насыщенный солевой раствор. Таким образом, морская вода опресняется при помощи этих желез, и в организм поступает уже свежая вода. Жаль, что у нас нет таких желез.

Почему же так важны минералы? Они не используются организмом для выработки энергии и не формируют мягкие ткани. Однако в организме есть и твердые ткани — кости.

Кости в основном состоят из ионов кальция и фосфора, присутствующих в них в виде крошечных кристаллов. Выйдя из крови, эти ионы медленно распределяются по поверхности растущей кости или срастающейся после перелома. В организме взрослого около 85 % ионов фосфора, и более 99 % ионов кальция находится в костях и зубах.

Но и это еще не все. Ионы также присутствуют в мягких тканях. Только там они распределяются неравномерно. В любой частице материи, достаточно большой, чтобы ее можно было рассмотреть под микроскопом, либо не содержится никаких заряженных частиц, либо есть равное количество отрицательно и положительно заряженных частиц. В любом случае суммарный заряд равен нулю: частица материи является электрически нейтральной. Это относится и к живым тканям, но правило нейтральности не говорит о том, какие именно отрицательно и положительно заряженные ионы должны там присутствовать для поддержания баланса.

Например, жидкость внутри клеток (внутриклеточная жидкость) богата ионами калия, несущими положительный заряд, и ионами фосфора, несущими отрицательный заряд. Жидкость за пределами клеток (внеклеточная, в том числе и кровь) богата ионами натрия (положительный заряд) и хлора (отрицательный заряд).

Значит, если мы возьмем нервное волокно и сосредоточимся только на положительно заряженных ионах, то с внутренней стороны мембраны клетки обнаружим множество ионов калия и немного ионов натрия, а с наружной — большое количество ионов натрия и немного ионов калия. Пропорция составляет примерно 40:1 в пользу калия внутри клетки и 7:1 в пользу натрия за ее пределами.

Это кажется удивительным, потому что мембрана клетки проницаема как для ионов калия, так и натрия, и можно подумать, что они должны присутствовать в равных количествах по обеим сторонам мембраны клетки. Если нервная клетка погибнет, концентрация обоих ионов уравновешивается. Однако, пока клетка жива, равновесия не существует, и на это тратится много энергии. Та же самая ситуация создается, если один мяч находится на склоне одной горы, а другой мяч на склоне другой горы. Пока вы прилагаете усилия, чтобы удержать их в этом положении, ситуация не изменится. Но стоит на мгновение опустить руку, как оба мяча тут же покатятся в долину.

Зачем же ткани прилагают такое усилие для поддержания этого неравновесия? Пока оно существует (с участием электрически заряженных частиц), мембрана клетки также находится в состоянии электрического неравновесия. То есть на одной ее стороне находится избыток положительно заряженных ионов, а на другой — избыток отрицательно заряженных ионов. Мембрана поляризована. При стимуляции нервных окончаний дисбаланс ионов на время нарушается. Ионы калия покидают клетку, а ионы натрия проникают в нее, иными словами, оба мяча катятся в долину. Происходит деполяризация нервного окончания. После этого нерв немедленно приступает к восстановлению первоначального дисбаланса, но, когда оно достигается, наступает деполяризация другого нервного окончания.

Таким образом волна деполяризации проходит по всей нервной системе. Она и есть те нервные импульсы, которые мозг различает как образ, звук, давление, боль и другие сигналы, поступающие из внешнего мира.

Остается открытым вопрос о том, как именно организму удается поддерживать неравную концентрацию ионов по обеим сторонам клеточной мембраны, особенно это касается нервных клеток в момент деполяризации.

Неорганические ионы принимают участие не только в процессах формирования, роста и восстановления костей, что само по себе очевидно, но и в различных электрических феноменах, происходящих внутри организма, особенно в функционировании нервной системы. Для выполнения этой задачи необходим строгий контроль концентрации ионов. Если соотношение их концентраций изменяется в небольших пределах, нервы и мышцы не могут адекватно реагировать на окружающие раздражители. При одной крайности наступает сокращение мышц, так называемая тетания, при другой — они становятся вялыми и расслабленными.

Как организму удается поддерживать шаткий баланс ионов в крови и в тканях?

В конце предыдущей главы я говорил о гормоне вазопрессине, который вырабатывается гипофизом и управляет содержанием воды в организме, контролируя степень ее реабсорбции канальцами почек. Это один из примеров системы регуляции. Организм вырабатывает много гормонов, каждый из которых отвечает за один или несколько аспектов химического баланса, некоторые контролируют баланс ионов.

Но давайте ненадолго вернемся назад и зададимся вопросом: что же такое железа?

Железа — это любой орган, продуцирующий жидкость. Различные железы, вырабатывающие пищеварительные ферменты, уже упоминались в этой главе. Однако они не являются железами в том смысле, как гипофиз.

Секреты, вырабатываемые некоторыми железами, попадают в протоки, через которые выводятся из организма наружу. К этим железам относятся потовые и молочные железы женщин, кормящих грудью (это видоизмененные потовые железы). К этой же группе принадлежат и пищеварительные железы, поскольку по протокам секреты попадают в пищеварительный тракт, на самом деле находящийся вне организма (как и дырка в пончике не находится в самом пончике).

Однако есть другая группа желез, к которой принадлежит и гипофиз, — они выделяют свой секрет внутрь организма. У таких желез нет протоков: секрет просачивается через оболочки клеток прямо в кровь и переносится ею ко всем органам. Это беспроточные, или эндокринные, железы. Именно в секрете этих желез и содержатся гормоны.

(Яички у мужчин, вырабатывающие сперматозоиды, и яичники у женщин, вырабатывающие яйцеклетки, также производят и гормоны. Это беспроточные железы, которые вырабатывают и клетки, и гормоны. По этой причине некоторые люди, говоря о железе, часто имеют в виду половые органы. Это неверно и вызывается ненужной стыдливостью, поскольку для всех частей человеческого тела есть подходящее название.)

Некоторые гормоны, например вазопрессин, представляют собой пектиды с небольшой молекулярной массой. Маленький размер молекуле необходим, поскольку гормоны должны проникать сквозь мембраны, проходя из желез в кровь, а это не под силу крупным белкам. Некоторые такие гормоны представляют собой всего лишь модификации различных аминокислот.

Ко второй группе гормонов относятся стероиды. Это вещества, чьи молекулы состоят из семнадцати атомов углерода, расположенных в виде четырех колец, сочлененных в определенном порядке. В различных точках к этим кольцам прикрепляются до десяти атомов углерода и пяти атомов кислорода. Более мелкие вариации в структуре приводят к тому, что существуют сотни различных стероидов, и некоторые из них в виде гормонов оказывают мощное воздействие на организм.

Две беспроточные железы в организме представляют собой два бугорка над каждой почкой. Это надпочечники. Каждая из этих желез состоит из двух частей. Центральная часть — мозговой слой — нас пока не интересует.

Внешняя часть надпочечника называется корой, потому что, подобно коре дерева, окружает внутренний слой. Кора вырабатывает целую серию стероидных гормонов — кортикостероидов.

У некоторых людей кора надпочечников не вырабатывает достаточного количества кортикоидов. Тогда развивается аддисонова болезнь, названная так не по имени человека, который от нее страдал, а по имени впервые описавшего ее врача. Одним из симптомов этой болезни является быстрая потеря организмом ионов натрия. Они проходят через почки, но не всасываются в них обратно. Такая же ситуация наблюдается и при несахарном диабете, когда не реабсорбируется вода.

Ненормальную потерю ионов натрия можно уменьшить введением человеку небольших доз кортикостероидов. Подойдет не любой кортикостероид, а только те, которые отвечают за баланс ионов натрия, — минералокортикоиды. Самым эффективным из них является альдостерон, отвечающий за поддержание баланса минералов в организме.

Но возможно, это только отодвигает проблему на шаг назад? Если в нарушении минерального баланса повинны надпочечники, то почему бы не выяснить, что способствует их правильной работе? Как они определяют, сколько кортикостероидов нужно выработать для поддержания ионного баланса? Аддисонова болезнь подтверждает, что нарушения могут вызывать как недостаточное выделение гормонов, так и их избыток.

Нам придется вернуться к гипофизу. Подобно надпочечникам, он тоже состоит из двух частей. Задняя доля (нейрогипофиз) выделяет некоторые гормоны, в том числе и вазопрессин, но именно передняя доля (аденогипофиз) играет самую важную роль в секреции гормонов. Передняя доля является практически главной железой в организме, поскольку вырабатывает белковые гормоны, контролирующие деятельность других желез.

Например, одним из гормонов является адренокортикотропный гормон, что в переводе с латинского означает «гормон, вызывающий рост коры надпочечника». Однако биохимики не любят длинные названия, хотя они не всегда кажутся таковыми непосвященному, и поэтому решили называть этот гормон АКТГ. Когда АКТГ выделяется в кровь, он разносится по всему организму и попадает в надпочечники. Там он стимулирует производство кортикостероидов.

Попав в кровь, кортикостероиды устремляются к гипофизу. Если уровень кортикостероидов в крови ниже нормального, это стимулирует выработку дополнительного АКТГ для восстановления нужного уровня. Если же уровень выше обычного, то это сдерживает образование АКТГ.

Такое взаимодействие гипофиза и надпочечников — пример механизма обратной связи. В живом организме или механическом устройстве он позволяет совершать управление, собирая информацию о результатах предшествующего поведения. Например, когда вы протягиваете руку за карандашом, вы следите за ней и подстраиваете движения мышц, отмечая, дотягивается рука до карандаша или нет. Это пример обратной связи. Это происходит подсознательно, и, возможно, вы этого даже не замечаете, но если понаблюдать, как ребенок пытается дотянуться до какого-нибудь предмета, то вы поймете, сколько усилий на это требуется. Или попробуйте посмотреть на карандаш, заметьте, где он лежит, закройте глаза и быстро дотянитесь до него, а потом посмотрите, сколько раз вы промахивались.

В механизме обратной связи участвуют не только гипофиз и надпочечники. Важен также уровень ионов натрия и других ионов в крови. Значение имеют и другие гормоны, а также уровень pH и десятки факторов окружающей среды. Надо помнить, что организм — это не система простых, изолированных друг от друга механизмов, а неразделимый комплекс, в котором нельзя управлять отдельными элементами, не оказывая влияния на весь организм в целом.

Именно поэтому лечение гормонами столь опасно. Оно может спасти жизнь, однако врачи должны постоянно следить за появлением возможных побочных эффектов.

Возникает другой вопрос. Как удается гормонам реализовать свои функции?

Как гормоны оказывают свое воздействие? Почему мизерное количество альдостерона заставляет почечные каналы реабсорбировать ионы натрия, а другой похожий стероид не оказывает такого влияния? Как вазопрессин управляет процессом усвоения воды? Как АКТГ стимулирует производство кортикостероидов и как кортикостероиды стимулируют или сдерживают производство АКТГ?

На этот счет существуют теории, и позднее я остановлюсь на некоторых из них.

Глава 10

Сахар и островки

Теперь нам нужно рассмотреть органические компоненты пищи, которые не могут всасываться стенкой кишечника, пока не будут расщеплены на мелкие молекулы при помощи пищеварительных ферментов. Именно эти органические соединения обеспечивают организм топливом, они содержат атомы углерода и водорода, которые, объединяясь с кислородом, высвобождают энергию.

Органические компоненты в пище можно разделить на три группы: 1) углеводы, 2) белки и 3) жиры. Это разделение было придумано еще до того, как химикам стало известно строение молекул, и строилось оно главным образом на поведении веществ в воде, нежели на других их признаках.

Углеводы легко растворяются в воде или, по крайней мере, в кислоте. Жиры не растворяются в воде, и расщепить их можно только длительным нагреванием с щелочью. И жиры, и углеводы лучше растворяются в горячей воде, чем в холодной. Белки обычно растворимы в холодной воде, но могут совершенно не растворяться в горячей.

Простой химический анализ также выявляет различия между ними. Молекулы углеводов состоят из атомов углерода, водорода и кислорода в приблизительной пропорции 10:20:10. Молекулы жиров состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, но в пропорции 10:20:1, то есть в них намного меньше кислорода. Белки также состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, но, кроме того, содержат азот и часто серу.

В наше время можно с большей точностью обнаружить структурные изменения, однако это не учебник по химии, и двух предыдущих параграфов будет вполне достаточно.

Начнем с углеводов.

Самым распространенным углеводом является крахмал. Это белое порошкообразное вещество, безвкусное и нерастворимое в холодной воде. В качестве основного органического компонента крахмал присутствует во многих растительных продуктах питания, таких, как картофель, рис, кукуруза, пшеница, морковь, бананы и так далее. В пище животного происхождения крахмала практически нет.

Крахмал может различаться по величине гранул в разных растениях и даже по химическому составу. Однако у всех видов крахмала есть нечто общее. Во-первых, все они состоят из крупных молекул из тысяч и даже миллионов атомов. Во-вторых, их молекулы состоят из шестиуглеродных элементов, объединенных между собой иногда в виде прямых цепочек, а иногда разветвленных.

Крахмал, нагретый в воде, с добавлением небольшого количества кислоты, расщепляется в местах соединения шестиуглеродных элементов, сами элементы при этом сохраняются. Этот процесс называется гидролизом, от латинских слов, означающих «расщепление в воде». Отдельным элементом, одинаковым во всех видах крахмала, является глюкоза.

Процесс гидролиза ускоряется пищеварительными ферментами, но это происходит в два этапа. В слюне находится фермент — слюнная амилаза, а в соке поджелудочной железы фермент — панкреатическая амилаза, обе амилазы очень похожи. Они производят постепенное расщепление крахмала на фрагменты, состоящие из двух элементов. (Слово «амилаза» происходит от латинского «крахмал».) Этот двуэлементный фрагмент глюкоза-глюкоза называется мальтозой.

Когда пища попадает в тонкую кишку, почти весь крахмал представляет собой мальтозу, и на этом заканчивается первый этап переваривания крахмала. Но даже молекула мальтозы слишком велика, чтобы пройти сквозь оболочки кишечника. Наступает вторая стадия пищеварения, когда в дело вступает еще один фермент пищеварительного сока. Этот фермент — мальтаза вызывает гидролиз молекулы мальтозы на две молекулы глюкозы. (Суффикс «аза» характерен для названий всех ферментов, кроме тех, которые были открыты и названы до того, как этот суффикс ввели в употребление.)

С образованием глюкозы начинается ее всасывание, крахмал достаточно расщепился и может теперь поступать в организм.

Когда крахмал при помощи кислоты или деятельности ферментов расщепляется на маленькие молекулы глюкозы, происходит два вида изменений его свойств: он становится более растворимым в воде и сладким на вкус. Мальтоза и глюкоза растворяются в воде и обладают умеренно сладким вкусом. Слово «глюкоза» происходит от греческого «сладкий». Маленькие молекулы углеводов, сладкие на вкус и растворимые в воде, обычно называются сахарами.

Еще одной гигантской углеводной молекулой, встречающейся в растениях и в нашей пище, является целлюлоза, о которой в предыдущей главе я говорил, что она не переваривается. Странно, но и она, подобно крахмалу, состоит из длинных цепочек, состоящих из молекул глюкозы. Однако в целлюлозе они соединяются, говоря языком химии, конденсируются, несколько иным способом. В организме животного нет ферментов, способных переварить целлюлозу, поэтому ее молекула прочнее, чем молекула крахмала.

Это пример многогранности проявления живой природы: объединенные одним способом строительные блоки могут служить пищей для растений и животных, а объединенные по-другому становятся надежной опорой для деревьев высотой несколько метров и крепкими конструкциями для наших домов.

Существует два вида сахаров, играющих важную роль в питании человека. Во-первых, это обычный столовый сахар — сахароза, выражаясь терминами профессиональных химиков. Как и мальтоза, сахароза состоит из двух шестиуглеродных молекул, которые отличаются одна от другой. Одна из них — глюкоза, а другая — фруктоза, еще один шестиуглеродный сахар, похожий на глюкозу, но с расположенными в ином порядке двумя атомами водорода. Свойства соединения зависят не только от вида атомов и их количества, но и от их точного расположения в молекуле. Нечто подобное наблюдается в нашей системе исчисления: сразу заметна разница между двумя числами — 120 и 210.

Сахароза, как и мальтоза, не усваивается в тонкой кишке, она также должна подвергнуться расщеплению. В пищеварительном соке существует фермент — сахараза, который расщепляет сахарозу на отдельные молекулы — легко усваиваемые глюкозу и фруктозу.

Иногда для выявления небольших изменений в расположении атомов не требуется сложный химический анализ. Даже незначительные изменения могут ярко проявляться. Например, фруктоза, хотя почти и не отличается от глюкозы, однако вдвое слаще ее. Порошок фруктозы, поглощая воду из воздуха, превращается в твердый конгломерат, а глюкоза в порошке остается относительно сухой и рассыпчатой. Поэтому их можно отличить и по виду.

Второй вид сахара находится только в молоке и называется лактозой (от латинского «молоко») или иногда молочным сахаром. Как и сахароза, он состоит из двух молекул, одной из которых является глюкоза. Однако вторая — галактоза (от греческого «молоко») — еще один шестиуглеродный сахар, лишь слегка отличающийся от глюкозы и фруктозы расположением атомов. Лактоза сама по себе не усваивается, однако пищеварительный фермент лактаза расщепляет ее на глюкозу и галактозу.

Лактоза является необычным сахаром: она почти безвкусна. Возможно, потому, что это одна из важнейших составных частей молока, где ее содержится до 4 %. Молоко — основной продукт питания детенышей млекопитающих и, возможно, должно быть почти безвкусной пищей, чтобы в дальнейшей жизни у детеныша не выработалось вкусовых ассоциаций, связанных с молоком.

Прежде чем я закончу разговор об углеводах в нашей пище, нужно сказать, что глюкоза и фруктоза в виде отдельных молекул находятся в некоторых фруктовых соках. Иногда глюкозу называют виноградным сахаром, а фруктозу — фруктовым сахаром. После сбора нектара пчелы расщепляют сахарозу на глюкозу и фруктозу и превращают эту смесь в мед. Во фруктах и меде содержится некоторое количество глюкозы и фруктозы, которые, как вода и ионы минералов, могут проходить сквозь стенки кишечника без изменений.

Все сводится к одному: хотя в пищеварительный тракт углеводы попадают в разных видах, только фруктоза, глюкоза и галактоза проникают сквозь стенки кишечника. Оказавшись внутри клеток, фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу (организм может легко изменять расположение атомов водорода), и только она попадает из клеток в кровь.

В итоге весь процесс переваривания и усвоения углеводов заканчивается следующим образом: в кровь попадает исключительно глюкоза. По этой причине ее иногда называют сахаром крови.

Оказавшись в крови, глюкоза растворяется в плазме и переносится к клеткам организма, так же как и кислород переносится эритроцитами. Клетки берут необходимые им глюкозу и кислород и, объединяя их, вырабатывают углекислый газ, воду и энергию. Глюкоза является топливом клеток, а кровь — конвейером, переносящим это топливо и кислород клеткам, каждая из которых может брать то, что нужно, и столько, сколько нужно, но не больше.

Существует значительное различие между накоплением кислорода и накоплением глюкозного топлива. Человек в минуту делает шестнадцать вдохов, поэтому запас кислорода постоянно обновляется и его содержание в крови находится на постоянном уровне. Однако в среднем мы едим всего три раза в день, к тому же с разными интервалами. После одного приема пищи в кровь попадает глюкоза, но потом пополнения ее запаса может не происходить несколько часов или даже дней.

В любой крайности таится смертельная опасность. Слишком маленькое количество глюкозы приведет к голоданию клеток, а слишком большое превратит кровь в густой сироп, который не сможет течь по сосудам. Крайностей следует избегать, и в этом нам помогает печень.

Вот как происходит этот процесс. Различные капилляры, пронизывающие ворсинки стенок кишечника, несут свою порцию глюкозы в большой кровеносный сосуд — воротную вену. По ней кровь поступает в печень. Там воротная вена разделяется на многочисленные мелкие сосуды, которые крупнее капилляров и которые называются синусоидными. Таким образом, кровь по сложным запутанным ходам проходит через каждую дольку печени.

Для того чтобы пройти через всю печень, требуется некоторое время, и клетки печени в этот период усваивают почти всю глюкозу, находящуюся в крови. Пройдя через печень, кровь попадает в другой сосуд — печеночную вену, которая ведет в нижнюю полую вену, оттуда в сердце и в конце концов вступает в круг кровообращения.

Покинув печень, кровь несет в себе необходимый для обеспечения организма запас глюкозы. Это около 0,9 грамма глюкозы на литр крови или примерно 5 граммов в общем запасе крови взрослого человека.

Вам это количество может показаться большим, однако это не так. Каждый день взрослый человек потребляет, как минимум, 1700 килокалорий энергии. Если у вас сидячая работа, вы потребляете 2500 килокалорий, если же вы заняты физическим трудом, то 4000 килокалорий или больше.

Но 5 граммов глюкозы содержат всего 20 килокалорий. Это достаточно для поддержания жизнедеятельности организма в течение десяти или пятнадцати минут даже при легкой работе. Конечно, какое-то время пищеварительный тракт продолжает передавать в кровь свежие запасы глюкозы, которая избежала усвоения печенью, так что вы сможете продержаться немного дольше. Но рано или поздно усвоение пищи закончится, и запасы глюкозы иссякнут. До следующего приема пищи могут пройти часы, дни или даже недели, однако уровень глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне. Как же это происходит? Прежде всего печень выполняет две обязанности. Она не только поглощает глюкозу, но и отдает ее.

Как только кровь в воротной вене наполняется глюкозой после завершения процесса пищеварения, печень начинает забирать глюкозу из крови. Какую-то часть она использует для своих нужд, но основное количество просто запасает. Печень не может хранить глюкозу в том виде, в каком она есть, то есть как растворимое соединение, потому что в таком случае глюкоза будет как входить, так и выходить из клеток печени, что сделает невозможным протекание нормальных химических процессов.

Для того чтобы остаться в клетке, глюкоза должна превратиться в нерастворимое вещество, которое можно, так сказать, положить куда-нибудь в уголок, чтобы оно никому не мешало. Для этого клетки печени соединяют молекулы глюкозы в большую цепочку, как у крахмала. Тогда получается новое соединение, которое иногда называют животным крахмалом, но гораздо чаще — гликогеном.

Пока продолжается пищеварение, в клетках печени откладывается много гликогена в виде маленьких крахмалистых гранул. Но наступает время, когда вся пища переварена и усвоена и кишечник временно опустел. Кровь, проходящая из кишечных капилляров по воротной вене, уже не насыщена глюкозой, потому что она обошла весь организм, и все его клетки забрали свою долю глюкозы.

Когда такая кровь начинает проходить по синусоидным сосудам печени, начинается обратный процесс превращения гликогена. Молекулы гликогена расщепляются, образуется глюкоза, которая выходит в кровь через мембрану клеток печени. Таким образом, уровень глюкозы в крови увеличивается до необходимого значения — не больше и не меньше. Кстати, слово «гликоген» в переводе с греческого означает «производящий сладость».

Итак, после каждого приема пищи печень создает запасы гликогена, в промежутках между едой гликоген расщепляется, и в результате уровень глюкозы в крови остается на постоянной отметке. Правда, есть кое-что еще, но об этом мы поговорим позднее.

Создание и расходование запасов гликогена происходят в несколько этапов, каждый протекает под управлением определенного фермента. Деятельность всех ферментов часто так слажена, что мы принимаем сложные химические процессы в организме как должное. Однако в редких случаях, когда не хватает одного из ферментов, последствия могут быть ужасными.

Например, одним из ключевых ферментов при расщеплении гликогена в глюкозу является фермент под названием глюкозо-6-фосфатаза. Очень редко рождаются дети, у которых не вырабатывается этот фермент. Организм такого ребенка может легко запасать гликоген, но не в состоянии его расщеплять. Постепенно печень переполняется гликогеном, и развивается состояние под названием «гликогеновая болезнь».

Организм ребенка пытается справиться с этим состоянием. Он использует глюкозу, поступающую прямо из кишечника. Глюкоза вырабатывается из запасов гликогена, не расположенных в печени, например из мышц. Но все равно обычно такие дети раньше или позже умирают, в зависимости от степени дефицита фермента. Если его недостаточность умеренная, то больной может дожить до зрелого возраста. Обычно смерть наступает еще до достижения подросткового возраста.

Другой пример редких заболеваний этого типа — это врожденный дефицит фермента, отвечающего за превращение галактозы в глюкозу в клетках кишечника. Поскольку младенцы питаются в основном молоком, отсутствие этого фермента вызывает большие затруднения. Молочный сахар — лактоза расщепляется на две части — глюкозу и галактозу, обе из которых усваиваются организмом. Неспособность переваривать галактозу приводит к тому, что этот сахар попадает в кровь в первозданном виде. Это состояние называется галактоземией.

Когда галактоза наполняет кровь и попадает в клетки, происходит беда. Галактоза очень похожа на глюкозу, и ферменты, предназначенные для усваивания глюкозы, могут по ошибке прикрепиться к галактозе. Такое сочетание бесполезно, однако в этом случае фермент уже не может присоединиться к глюкозе, как и полагается. Галактоза, опередив глюкозу, уменьшает или сводит на нет действие фермента. Этот процесс называется конкурентным ингибированием.

Таким образом, вы видите, что отсутствие одного фермента ведет к нарушению деятельности остальных, поэтому симптомы галактоземии различны. Например, по непонятной причине развивается катаракта. Более легко объяснить воздействие галактоземии на мозг. Из всех тканей мозг больше зависит от глюкозы, и его деятельность нарушается вследствие неправильной работы ферментов. Поэтому при галактоземии часто происходит снижение умственной активности.

К счастью, при раннем обнаружении этих симптомов, если устранить из рациона молоко, можно исправить ситуацию. Галактоза содержится только в молоке.

Это очень редкие заболевания. У большинства людей в организме есть все ферменты. Но даже при наличии всех ферментов необходима их слаженная работа. Что управляет согласованностью их действия? Что заставляет их работать как единое целое, вызывая при необходимости отложение запасов гликогена или его расщепление?

Как обычно бывает в таких случаях, ключом к разгадке служат гормоны.

Поджелудочная железа — сравнительно большой орган, о котором я уже упоминал в связи с пищеварением. Она вырабатывает поджелудочный сок, выделяющийся по специальному протоку в тонкую кишку. Если поджелудочную железу удалить, то можно подумать, что будет нарушено только пищеварение и ничего более серьезного не произойдет. Однако в 1899 году два немецких физиолога, удалив поджелудочную железу у собаки, обнаружили, что, кроме расстройства пищеварения, у животного начались смертельно опасные сбои в работе организма, очень напоминающие одну болезнь человека, известную с древних времен.

Эта болезнь относится к группе заболеваний, объединенных названием «диабет», потому что вызывает усиленное мочеиспускание (см. главу 8). Моча больных этой разновидностью диабета имеет необычно сладкий вкус, и 1500 лет назад индийский врач заметил, что она привлекает пчел и мух. Поэтому болезнь стала называться сахарным диабетом. Это самая распространенная разновидность диабета, и именно ее, как правило, имеют в виду, говоря слово «диабет».

Больные сахарным диабетом испытывают повышенное чувство голода и жажды, однако быстро теряют вес, слабеют, становятся уязвимы для инфекций, имеют множество других неприятных симптомов и в конце концов умирают. Голодание удлиняет продолжительность их жизни, и тридцать лет назад оно было единственной надеждой для таких больных.

Когда выяснилось, что удаление поджелудочной железы вызывает диабет у собак, внимание обратилось к этой железе, в особенности к одной ее части.

Еще в 1869 году немецкий физиолог Пауль Лангерганс обнаружил в поджелудочной железе необычные клетки, расположенные в виде отдельных «островков», окруженных со всех сторон обычными клетками. Каждый островок был маленький, всего около ста микронов в диаметре, поэтому если в среднем поджелудочная железа содержит примерно два миллиона таких островковых клеток, то они составляют всего 1 % от массы всей железы. Сегодня название этих островков звучит романтически — островки Лангерганса.

Причиной всех бед оказались именно островки, остальные клетки не играли в развитии диабета никакой роли. Можно было перекрыть проток, чтобы прекратилось выделение поджелудочного сока, в то время как сама железа оставалась в теле животного. Это препятствовало пищеварению, но не вызывало диабета. При этом от бездействия со временем большая часть поджелудочной железы дегенерировала, по островки оставались нетронутыми. Они по-прежнему выполняли свою функцию.

В начале 1900 года было высказано предположение, что островки представляют собой железу в железе, так сказать, и что эта внутренняя железа, в отличие от основной, не имеет протоков и выделяет гормон, который контролирует переработку углеводов в организме. Этот гормон получил название «инсулин» от латинского слова, означающего «остров».

Это предположение было с готовностью принято. Тогда казалось очевидным то, что диабетом страдают люди, неспособные вырабатывать достаточное количество инсулина. Если инсулин удастся получить из поджелудочной железы домашних животных, то его можно будет вводить больным диабетом.

Проблема заключалась в том, чтобы успеть выделить инсулин из клеток до того, как он расщепится под действием других пищеварительных ферментов. В 1922 году это удалось сделать двум канадским ученым Ф. Бантингу и Ч. Бесту, которые перевязали протоки поджелудочной железы, дождались, когда дегенерируют те ее участки, которые вырабатывают пищеварительный сок, чтобы пищеварительные ферменты не разрушили инсулин, и выделили этот гормон. Таким образом, инсулин стал доступен, а в 1923 году Бантинг и Бест получили Нобелевскую премию в области медицины.

Инсулин является самым важным регулятором химических реакций, поддерживающих баланс глюкозы в крови. Выделение в кровь инсулина островками Лангерганса вызывает снижение концентрации глюкозы, потому что часть ее откладывается в клетках печени в виде гликогена, а часть поглощается другими клетками для получения энергии. Если островки не выделяют инсулина, происходит обратный процесс. Печень и другие клетки снижают поглощение глюкозы, и уровень глюкозы в крови повышается.

Мы вновь сталкиваемся с примером обратной связи (см. главу 9). Высокий уровень глюкозы в крови стимулирует выделение инсулина для уменьшения уровня глюкозы. И наоборот, слишком низкий уровень глюкозы сдерживает выделение инсулина, и тогда глюкозы в крови становится больше.

Чтобы это равновесие регулировалось еще более тонко, в процессе участвует второй гормон, также выделяемый островками Лангерганса. Островки состоят из двух видов клеток — альфа-клеток и бета-клеток, по первым двум буквам греческого алфавита. Инсулин вырабатывают бета-клетки. Альфа-клетки вырабатывают гормон глюкагон.

Глюкагон обладает противоположным инсулину эффектом, поэтому на концентрацию глюкозы в крови реагируют две противоположные силы. Клетки островков отвечают на уровень глюкозы выделением того или иного гормона, и тогда концентрация глюкозы изменяется в нужном направлении.

Почему же из этих двух гормонов именно инсулин является самым важным регулятором этого баланса? (Возможно даже, что не один из двух, а один из трех, поскольку есть еще гормон гипофиза, обладающий сходными с глюкагоном свойствами.) Причина — трудно сказать какая, но при диабете сбои происходят именно в выработке инсулина, а не других гормонов, и поэтому именно он в данном случае так важен для человека.

У больных диабетом островки теряют способность вырабатывать инсулин. Снижения уровня глюкозы не происходит, поэтому ее концентрация в крови все время возрастает. Если этот уровень доходит до определенного значения (обычно на 50 % выше обычного), то достигается почечный порог. Через почечные канальцы проходит так много глюкозы, что она не успевает всасываться обратно в кровь. С одной стороны, это хорошо, поскольку слишком высокий уровень содержания глюкозы в крови может нанести вред. Однако глюкоза начинает выделяться с мочой, и, хотя почки действуют как защитный клапан, это показатель неспособности организма перерабатывать глюкозу.

В крайних случаях в моче содержится столько глюкозы, что она становится сладкой на вкус. Поэтому вполне оправдано название диабета — «сахарный».

При некоторых обстоятельствах можно проверить наличие диабета, взяв анализ мочи на сахар. Например, несколько капель мочи нагреваются с раствором Бенедикта (он среди всего прочего содержит сульфат меди и имеет насыщенный голубой цвет). Если в моче нет сахара, цвет раствора не изменится. Если же в ней присутствует глюкоза, через несколько минут при нагревании сульфат меди перейдет в закись меди. Это кирпично-красное вещество не растворяется в воде, поэтому оно выпадает в осадок, опускающийся на дно пробирки. Голубой цвет исчезает, что свидетельствует о «положительном» результате.

Сегодня существует еще более доступный метод. Выпускаются специальные полоски длиной около пяти сантиметров, пропитанные двумя ферментами — дегидрогеназой глюкозы и пероксидазой, а также органическим веществом, которое называется ортотолидином. Если такую полоску опустить в мочу, не содержащую глюкозы, полоска сохранит свой исходный желтоватый цвет.

Что случится, если в моче есть глюкоза? Из-за присутствия на полоске дегидрогеназы глюкоза в моче вступит в реакцию с кислородом в воздухе, вследствие чего образуется перекись водорода. В присутствии пероксидазы перекись водорода присоединится к ортотолидину и образуется насыщенно-голубое вещество. Все это звучит очень запутанно, однако если опущенная в мочу полоска станет синей, значит, у человека далеко не все в порядке со здоровьем.

Результаты этой пробы более надежны, чем анализ с помощью раствора Бенедикта. Иногда в моче содержатся вещества, не имеющие отношения к диабету, которые переводят сульфат меди в закись меди. В итоге получается ложный положительный результат. Шансы появления такого результата при проверке полоской практически равны нулю.

Обычно моча проверяется на сахар, когда человек хочет получить медицинскую страховку или его призывают в армию. Врачи должны постоянно проводить такие анализы. Диабет — самое распространенное нарушение обмена веществ, которое может настигнуть каждого человека в любом возрасте, хотя часто оно передается по наследству.

Слово «метаболизм» обозначает все химические реакции, происходящие в живых тканях, поэтому нарушения метаболизма вызывают расстройство деятельности всего организма. В отличие от инфекционных заболеваний, при которых химические процессы задействованы косвенно в результате внедрения в организм чужеродных микроорганизмов, нарушениями метаболизма нельзя «заразиться». С другой стороны, против них также нельзя сделать прививку. С появлением антибиотиков и современных инсектицидов количество инфекционных болезней уменьшилось, но на смену им пришли нарушения обмена веществ.

Диабет, как и многие другие заболевания, намного легче лечить, если он обнаружен на ранней стадии. В этом случае велики шансы, что при помощи диеты и упражнений удастся избежать применения инсулина. Для этого недостаточно одних анализов мочи. Когда содержание глюкозы в крови переходит почечный порог и сахар попадает в мочу, диабет находится уже в запущенном состоянии.

Более точным анализом является тест на переносимость глюкозы. У здорового человека уровень глюкозы в крови несколько поднимается после еды, когда глюкоза попадает в воротную вену, но быстро снижается до нормального уровня, когда глюкоза стимулирует выделение инсулина. Однако у человека с начальной стадией диабета повышенный уровень глюкозы после еды понижается значительно медленнее, потому что выработка инсулина идет более вяло.

Этот эффект можно сделать более ярко выраженным, если на голодный желудок дать человеку выпить раствор глюкозы. Содержание глюкозы в крови быстро поднимается, и островки должны работать активнее, чтобы снизить ее уровень. Перед анализом, а также после него через определенные промежутки времени берутся пробы крови. У здорового человека содержание глюкозы в крови опустится до нормального уровня в течение двух часов. Если через три часа и более уровень глюкозы остается высоким, вероятно, у пациента начальная стадия диабета.

Иногда такие показатели наблюдаются у тучных людей и приходят в норму после снижения веса. С другой стороны, случаи возникновения диабета у полных людей встречаются намного чаще, чем у людей с нормальным весом. Это одна из опасностей, подстерегающих людей, любящих поесть, и еще не самая страшная.

Диабет нельзя вылечить. Невозможно заставить островки Лангерганса функционировать нормально. Однако больной может вести обычный образ жизни и не иметь неприятных симптомов, если в его организм инсулин будет поступать извне.

У инсулиновой терапии есть и свои сложности. Опасно введение слишком большой или слишком маленькой дозы гормона, поскольку нельзя допускать слишком сильного снижения уровня глюкозы в крови. Слишком большое количество инсулина и, как следствие, падение концентрации глюкозы ниже нормальных значений вызывает потерю сознания (инсулиновый шок), поэтому больной диабетом должен всегда носить с собой сахар, чтобы быстро восстановить уровень глюкозы при первых признаках недомогания.

Количество инсулина зависит от степени активности ослабленных островков и должно определяться врачом. Обычно используются специальные препараты инсулина, чтобы он не слишком быстро оказывал свое действие. В сочетании с неактивным белком он будет оказывать более длительное воздействие, так как для отделения инсулина от белка необходимо время. Такие препараты пролонгированного действия можно вводить реже.

Больной должен тщательно следить за своей диетой и даже взвешивать то, что он ест, поскольку если он съест слишком много или мало, то изменит свою потребность в инсулине. Переедание еще опаснее, и в странах с низким уровнем жизни, где обычно полуголодное существование, диабет встречается реже. В странах с высоким уровнем жизни, где происходило временное снижение качества жизни из-за войны, как в Великобритании в начале 1940-х годов, также снижалось и количество случаев заболевания диабетом. Диабет — одно из немногих заболеваний обмена веществ, которые чаще поражают женщин, чем мужчин, и причина этого неизвестна.

Все вышесказанное свидетельствует о хрупкости нашего организма и о его совершенстве, когда он работает правильно. У здорового человека секреция инсулина регулируется островками, с тем чтобы содержание гормона в крови соответствовало уровню глюкозы. Если мы попробуем контролировать этот процесс, так сказать, вручную, когда отказывают естественные механизмы, то результат обычно бывает непредсказуемым, хотя, конечно, это лучше, чем ничего.

Одним из недостатков инсулиновой терапии является то, что препараты инсулина необходимо вводить в виде инъекций. Это неизменно влечет за собой наличие шприца, необходимость делать укол и прочие неудобства. Дела обстояли бы намного проще, если бы инсулин выпускали в виде порошка или таблетки и его можно было проглотить. К сожалению, это исключено. Молекула инсулина представляет собой белок, который в пищеварительном тракте быстро переваривается, не оказывая воздействия.

Пока также отсутствуют заменители инсулина, которые бы не разрушались в желудке и выполняли непосредственные функции инсулина. Более пятидесяти лет назад группа британских химиков под руководством Фредерика Сенгера занялась изучением молекулы инсулина, пытаясь определить ее точную структуру. Они использовали те же общие методы, которые описаны в главе 7 в связи с определением аминокислотного состава гемоглобинов. Именно группа Сенгера довела эти методы до совершенства.

К 1953 году исследования увенчались успехом. Самый маленький вариант инсулиновой молекулы состоит из сорока восьми аминокислот, положение каждой из них точно установлено. К сожалению, на этом работа застопорилась. Ничто в молекулярной структуре не говорило о том, что можно создать нечто более простое. Любые изменения молекулы инсулина, даже не нарушающие ее сложное строение, полностью лишали ее активности. Биохимики зашли в тупик.

Однако существовал совершенно иной подход к этой проблеме, который возродил надежду на возможность внутреннего использования препарата. Гормон должен не только быстро вырабатываться по мере необходимости, но и столь же быстро уничтожаться. Если уровень глюкозы в крови падает и островки снижают выработку инсулина, концентрация глюкозы восстанавливается. Однако скорость реакции сдерживается тем, что в крови и тканях еще есть инсулин, выделенный островками. Если этот «старый» инсулин можно уничтожить одновременно с выделением «нового», быстрота и точность реакции будут увеличены.

Инактивация «старого» инсулина производится при помощи фермента — инсулиназы. Больные, чей организм вырабатывает недостаточно инсулина, не могут вырабатывать его больше при помощи известного нам лечения, но можно сдерживать инактивацию инсулина, если будет найдено вещество, уменьшающее активность инсулиназы, но не препятствующее работе других ферментов.

Такие инсулиназы, снижающие активность вещества, были найдены. Они в неизменном виде усваиваются организмом с пищей, поэтому их можно принимать внутрь. Их можно синтезировать без особых трудностей, поэтому нет необходимости убивать животных, у каждого из которых только одна поджелудочная железа. Остается только убедиться, что организму не будет нанесен вред.

Конечно, чтобы такие «таблетки от диабета» действовали, организм должен вырабатывать хотя бы ничтожное количество инсулина. Обычно так происходит с людьми, у которых диабет развивается в зрелом возрасте. У детей диабет протекает более тяжело, и часто у них вовсе не вырабатывается инсулин. Снижение активности инсулиназы у детей ни к чему не приведет, и пока ничто не может заменить им инъекций инсулина.

Я уже упомянул, что инсулин вызывает поступление глюкозы из крови в клетки. Существует два взгляда на то, как это удается инсулину. Согласно одному из них инсулин воздействует на определенный фермент.

Например, сразу после проникновения глюкозы в клетку она превращается в соединение, которое носит название глюкозо-6-фосфата. Эта реакция протекает под управлением фермента — глюкокиназы. Если ткань, содержащую этот фермент, снабдить глюкозой и другими необходимыми веществами, глюкоза исчезнет, а ее место займет глюкозо-6-фосфат. Если добавить немного инсулина, реакция пройдет еще быстрее.

Очевидно, инсулин ускоряет действие глюкокиназы или нейтрализует воздействие другого гормона, снижающего активность глюкокиназы, в любом случае результат один и тот же. Как только в клетке печени образуется глюкозо-6-фосфат, он, пройдя несколько этапов химических преобразований, превращается в гликоген и откладывается про запас. Если он формируется в других клетках, то может распасться до углекислого газа и воды с высвобождением энергии для нужд клетки.

В любом случае глюкоза быстро исчезает из клетки, и туда из крови должны поступать новые порции глюкозы.

Если инсулина недостаточно, глюкокиназа малоактивна и глюкозо-6-фосфат образуется медленно. Глюкоза из клетки исчезает также очень медленно, и так же вяло протекает процесс поступления ее в клетки. Глюкоза накапливается в крови, и возникают симптомы диабета.

В настоящее время больше принята другая точка зрения, согласно которой инсулин выполняет более общую функцию. Дело в том, что клеточная мембрана — не просто пассивная граница между клеткой и внешним миром, не просто барьер с микроскопическими отверстиями, через которые могут проникнуть одни молекулы и не могут другие.

В предыдущей главе, рассказывая об ионах натрия и калия, я заметил, что большинство ионов калия сосредоточены в клетке, а большинство ионов натрия остаются за ее пределами, хотя оба вида ионов свободно проникают сквозь клеточные мембраны.

Очевидно, у клетки есть какой-то механизм, позволяющий одним молекулам или ионам проникать сквозь мембрану, в то время как другие такого же размера через нее не проходят. Более того, молекулы или ионы могут проходить через мембрану только в одном направлении. Такой процесс, неизбежно влекущий за собой затраты энергии, не может выполняться мертвой клеткой, и называется он активным транспортиртом. Некоторые ученые считают, что в мембране существуют особые белки — пермеазы, которые обеспечивают односторонний транспорт ионов через мембрану.

Точно установлено, что глюкоза попадает в клетки при помощи активного транспортирта. Она проникает в клетки кишечника из пищеварительного тракта намного быстрее подобных ей сахаров даже меньшего размера. С такой же быстротой и легкостью она попадает из крови в клетки.

Правда, средством, используемым для этой цели, может быть снижение концентрации глюкозо-6-фосфата в клетке, что приведет к дополнительному захвату ею глюкозы. Однако биохимики, придерживающиеся второй точки зрения, утверждают, что быстрое проникновение глюкозы в клетку зависит от клеточной мембраны. Они утверждают, что молекулы инсулина, взаимодействуя с клеточной мембраной, изменяют ее свойства.

Лично мне больше по душе вторая точка зрения: если она верна, то можно объяснить деятельность гормонов вообще. Каждый гормон, взаимодействуя с мембраной клетки, способен управлять скоростью прохождения различных веществ через нее и тем самым контролировать функции всего организма.

Глава 11

Эти подвижные белки

В начале предыдущей главы я упомянул, что органические компоненты пищи делятся на три группы. Я рассказал об одной из этих групп: углеводах. Далее логично было бы перейти к белкам, потому что их метаболизм в организме происходит параллельно с метаболизмом углеводов.

Как правило, молекулы белков крупные и расщепляются при помощи кислот или ферментов. Таким же образом претерпевают изменение крупные молекулы крахмала или целлюлозы. Однако углеводы расщепляются на один тип молекул — глюкозу. Белки же расщепляются на несколько разных типов молекул. В основном это аминокислоты, о которых уже говорилось в главе 7. В белках содержатся девятнадцать различных аминокислот.

Аминокислоты, встречающиеся в природе, кроме углерода, водорода и кислорода, содержат атомы азота. В три из них включены также атомы серы. Все аминокислоты обладают сходными свойствами, различающимися только в деталях. Молекула каждой аминокислоты содержит центральный атом углерода, к которому с одной стороны прикреплена аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода и обладающая щелочными свойствами, а с другой стороны — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода, обладающая кислотными свойствами. Отсюда происходит название «аминокислота». К центральному атому углерода также прикреплен один атом водорода, а четвертую и последнюю связь соединяет центральный атом углерода с более или менее сложной группой атомов — боковой группой. Именно она различается у каждой из девятнадцати аминокислот.

Различные аминокислоты можно связать в цепь, соединив аминогруппу одной с карбоксильной группой другой. «Двойная аминокислота», полученная в результате слияния двух кислот, будет с одной стороны иметь свободную карбоксильную группу, а с другой — аминогруппу. Удлинение цепи может продолжаться с обеих сторон. Это не зависит от того, сколько аминокислот вступают в реакцию, если только оба конца аминокислотной цепочки не соединяются, образуя круг.

Серии аминокислот образуют единую цепочку, от которой отходят боковые группы. Каждая боковая группа обладает индивидуальными химическими свойствами, и общие свойства аминокислотной цепи зависят от распределения этих групп вдоль цепи. Это, в свою очередь, зависит от того, в каком порядке соединяются аминокислоты. Изменение последовательности порядка аминокислот в цепи неизменно приводит к иному распределению боковых групп и, как следствие, к изменению свойства всей аминокислотной цепи.

Количество вариантов соединения сотен и тысяч аминокислот поистине невероятно. Молекула белка, состоящая всего из девятнадцати различных аминокислот, может создаваться 120 000 000 000 000 000 различными путями. В действительности же в единые белковые молекулы соединяются не девятнадцать, а сотни и тысячи аминокислот.

Неудивительно, что существует бесчисленное множество разновидностей белков. У каждого живого существа есть свой набор белков, у каждого человека в тысячах реакций могут принимать участие тысячи различных белков. Сложность строения белков и некоторых родственных им соединений обусловливает всю подвижность и многообразие жизни. Даже мельчайшее различие в расположении аминокислот в белковой молекуле, как я уже отмечал в главе 7, может оказать важное воздействие на организм.

Даже если бы белки из пищи усваивались организмом в неизменном виде, чего не происходит, поскольку их молекулы слишком крупны, то они не принесли бы нам пользы. Белки быка не похожи на белки человека, а белки травы не имеют ничего общего с белками быков. Проникновение из желудочно-кишечного тракта в кровь чужеродных белков может нанести вред организму и даже вызвать смерть. Об этом будет подробнее рассказано в следующих главах.

Однако если белковые молекулы, присутствующие в пище, разрушаются до аминокислот, а те, попав в организм человека, соединятся в иной последовательности, образуя белки человека, то все будет в порядке. Именно так и происходит.

Оказавшись в желудке, пища смешивается с кислым желудочным соком. Кислота вызывает медленный гидролиз белковых молекул, но в желудочном соке также содержится фермент пепсин, который ускоряет процесс гидролиза.

Соседние аминокислоты в цепи объединены пептидными связями. Обычная кислота, находящаяся в желудке, может вызвать гидролиз любой пептидной связи, но пепсин вызывает гидролиз лишь связей между определенными аминокислотами.

Подвергнувшись воздействию пепсина и кислоты, молекулы белков, будучи расщепленными на пока еще довольно крупные фрагменты, покидают желудок и попадают в тонкую кишку. Эти фрагменты представляют собой также аминокислотные цепочки, только эти цепочки относительно малы по сравнению с цепями белков. В отличие от белков они называются пептидами.

В двенадцатиперстной кишке пептиды смешиваются с соком поджелудочной железы, который содержит два фермента — они, как и пепсин, являются протеазами, то есть ферментами, ускоряющими гидролиз пептидных связей. Это трипсин и химотрипсин. Каждый из них вызывает гидролиз только определенных пептидных связей. Однако пептидные связи, расщепляемые трипсином и химотрипсином, отличаются от тех, которые подвластны пепсину. Более того, даже эти два фермента также расщепляют разные пептидные связи.

В итоге пептидные связи, устоявшие перед пепсином и медленно действующим желудочным соком, быстро разрушаются под воздействием трипсина и химотрипсина. Прежде чем пища пройдет в глубь тонкой кишки, она уже будет представлять смесь пептидов, состоящих из двух, трех или четырех аминокислот.

Кишечный сок содержит многообразие катепсинов — специальных ферментов для гидролиза этих мелких пептидов, и на этой стадии белки наконец-то полностью расщепляются на отдельные аминокислоты, которые усваиваются организмом.

Помните, что все ферменты, упомянутые в этой книге, а также тысячи других, о которых не было сказано, являются молекулами белков. Они состоят из одних и тех же аминокислот, но в различных пропорциях и расположенных по-разному. Это прекрасный пример многообразия белковых молекул, о котором я уже говорил в этой главе.

Всосавшись в кишечнике, аминокислоты, так же как и глюкоза, попадают в воротную вену. После приема пищи содержание аминокислот в крови удваивается по сравнению с обычным уровнем. Примерно через шесть часов после еды этот уровень восстанавливается.

Однако в течение этого времени количество аминокислот в крови остается довольно низким по сравнению с их количеством, попавшим в воротную вену, потому что в печени аминокислоты, как и глюкоза, усваиваются и изменяются. Так же как из молекул глюкозы образуются гигантские молекулы гликогена, из молекул аминокислот в печени образуются гигантские молекулы белков.

Правда, аналогия не полная. Если большая часть глюкозы откладывается в печени про запас в виде гликогена, белки в печени не откладываются. В организме нет места, где бы мог запастись белок в ожидании непредвиденных ситуаций. Все белки постоянно так или иначе работают.

Белки, созданные печенью из аминокислот, попавших в нее через воротную вену, переходят обратно в кровь и растворяются в плазме. Это так называемые плазменные белки. Они не единственные протеины крови. Вспомните гемоглобин, тоже являющийся частью крови. Однако гемоглобин содержится в красных клетках. Плазменные протеины передвигаются свободно, растворившись в водной части крови. Их не ограничивают клеточные мембраны.

Плазменные белки подходят ко всем клеткам организма, и, как и глюкоза, захватываются ими. Клетки усваивают белки, расщепляют их до аминокислот и соединяют аминокислоты, образуя многообразие белков, которые необходимы нашему организму.

Но если белки не откладываются в печени, то как удается предотвратить попадание в кровь слишком большого количества плазменных белков? Где находится тонкий механизм, управляющий этим процессом, как в случае с глюкозой? Избыточная выработка белка происходит не столь часто, как избыточная выработка глюкозы, поскольку в пище обычно меньше белков и больше углеводов. Обычно богатая белками пища дороже, и ее употребляют реже.

Реакция организма на избыточное потребление белков проста. Печень может принять избыток аминокислот и подвергнуть их химическим изменениям, в результате которых удалятся атомы азота и образуется мочевина. Она попадает в кровь, оттуда в почки и выводится ими из организма, о чем говорилось в главе 8.

После удаления азота от аминокислоты остается фрагмент, содержащий атомы углерода, водорода и кислорода. Этот фрагмент расщепляется на углекислый газ, воду, при этом выделяется энергия, или сначала превращается в глюкозу, затем в гликоген, в виде которого и хранится в организме. Этот процесс называется гликонеогенезом (от греческого «рождение нового сахара», потому что представляет собой образование из вещества, не являющегося сахаром, гликогена, который дает начало сахару).

С другой стороны, предположим, что в организм поступает недостаточно белка. Что тогда происходит?

Все белки в организме работают, но в каждой ткани трудится чуть-чуть больше белковых молекул, чем этой ткани необходимо. В чрезвычайном случае, когда не хватает еды, каждая ткань жертвует частью своих белковых молекул. Причем отдаются менее важные белки, а сохраняются самые важные.

В этом процессе уменьшается масса тканей, но организм настолько аккуратно использует запасы белка и сохраняет то, что важно, что люди могут не есть в течение недель или жить, потребляя белки в количествах существенно меньших, чем минимальные, месяцами. Некоторые люди, обнаруженные в нацистских концлагерях войсками союзников, были похожи на живые скелеты, однако они выжили и вернулись к относительно нормальному образу жизни.

Естественно, если организм слишком долго не получает белков, то гибель неизбежна.

Конечно, вы можете поинтересоваться, почему необходимо превращать аминокислоты в белки, если их запасы негде хранить. Глюкоза превращается в гликоген, чтобы сформировать нерастворимое вещество, которое до поры до времени может храниться в клетках. Но плазменные белки растворимы и специально возвращаются в кровь. Почему бы тогда не оставить аминокислоты в неизменной форме и не переправить их клеткам в таком виде?

С одной стороны, это был бы более простой выход, поскольку существует проблема прохождения относительно крупных молекул плазменных белков сквозь мембраны клеток печени в кровь и из крови в клетки тканей. У аминокислот, молекулы которых значительно меньше молекул белков, таких проблем не возникает.

Однако существует несколько причин, по которым образуются плазменные белки, и я их поочередно рассмотрю.

Во-первых, плазменные белки — не просто цепи из аминокислот, собранные по принципу «какая оказалась ближе, та и присоединилась». Все аминокислоты собраны в них в определенной пропорции. Печень тщательно следит за тем, чтобы эти пропорции не нарушались.

Важно, что клетки тканей получают не случайный набор аминокислот, а необходимое количество каждой — не больше и не меньше. Если бы аминокислоты находились в крови в том составе, в котором они присутствуют в пище, каждая клетка тщетно бы пыталась собрать их: немного одной, немного другой и совсем чуть-чуть третьей. Это было бы неэффективно.

Вместо этого клетки печени (они в организме разносторонние и невероятно активные мастера на все руки) бережно соединяют аминокислоты в нужных пропорциях и подготавливают клеткам сбалансированную и аккуратно упакованную пищу.

Конечно, это значит, что клетки печени должны находить достаточное количество аминокислот, поступающих к ним через воротную вену. Есть белки, которые поставляют все нужные аминокислоты. Белки молока, мяса и яиц в этом отношении подходят лучше всего. Также хороши белки некоторых зерновых.

Но есть и белки, в которых отсутствуют некоторые аминокислоты. Самыми яркими примерами таких белков являются желатин и некоторые растительные белки.

В разумных пределах печень может исправить эту ситуацию. Если в организме слишком много аминокислоты А и слишком мало аминокислоты В, она может превратить А в аминокислоту В и восстановить равновесие. Но даже печень не всесильна.

Дело в том, что печень не в состоянии создать некоторые виды аминокислот. Они обязательно должны присутствовать в пище, нравится нам это или нет, больше им взяться неоткуда. Это незаменимые аминокислоты.

Данная проблема была впервые обнаружена, когда крысам давали определенные белки, например зеин (кукурузный белок), в результате чего животные теряли вес и погибали, хотя в их рацион входило много зеина, углеводов и других веществ (кроме других белков). Если же к рациону добавляли немного молочного белка, крысы выздоравливали и прибавляли в весе. Похоже, в зеине недоставало некоторых незаменимых аминокислот, которые есть в молочном белке.

Подобные, конечно более щадящие, эксперименты проводились на людях. В них принимали участие студенты старших курсов, которые находились под наблюдением диетологов и были, я полагаю, добровольцами. Рацион студентов был тщательно спланирован и состоял из большого количества воды, углеводов, жиров, минералов и витаминов. Однако вместо белков им давали различные смеси очищенных аминокислот.

Давайте посмотрим, что выявили диетологи из этого эксперимента. Очевидно, что они не ждали, пока студенты ослабнут и умрут. Они должны были сделать выводы задолго до этого.

При обычных условиях белки в тканях постоянно понемногу расщепляются. Следовательно, в моче содержится минимальное количество мочевины. Если в рационе питания присутствует достаточное количество белков, то они компенсируют потерю.

Количество поступающих в организм протеинов определяется путем анализа образцов пищи на содержание азота (поскольку только в молекулы белков входят атомы азота) и определения содержания азота в экскрементах — там содержатся не усвоенные организмом белки. Количество белков, выделяемых организмом, определяется путем анализа мочи на содержание азота, так как в молекулы мочевины входит азот.

Когда суточное поступление азота равняется его суточному выходу, можно сказать, что у человека сохранен азотный баланс. Обычно это наблюдается у правильно питающихся взрослых. Если же они по какой-то причине получат больше белков, чем нужно, излишек превратится в углеводы, а азот выведется с мочевиной, поэтому выход азота будет по-прежнему приблизительно равен его поступлению в организм.

У растущих детей, в организме которых постоянно откладываются новые белки, или у взрослых, которые пережили голод или изнурительную болезнь, поступление азота в организм превышает его выход. Белки накапливаются, поэтому устанавливается положительный азотный баланс. Это не очень удачное название, поскольку на самом деле баланс не соблюдается, но так уж назвали это состояние врачи, поэтому поделать ничего нельзя.

Когда люди получают белков меньше минимальной нормы, выход азота превышает его поступление, и тогда наблюдается отрицательный азотный баланс.

Теперь вернемся к нашим студентам, получавшим смесь аминокислот. Если пропорция всех аминокислот соблюдена верно, то у студентов будет сохраняться азотный баланс. Но что произойдет, если убрать из смеси одну из аминокислот?

Если исключенная аминокислота входит в число одиннадцати определенных аминокислот, то ничего не случится. Другие аминокислоты будут поступать в избытке, и печень синтезирует недостающую аминокислоту или даже все одиннадцать.

Иногда бывает, что в диете не хватает именно той аминокислоты, которую печень не в состоянии выработать. Когда это происходит, печень не может синтезировать белки. Она не может соединить оставшиеся аминокислоты и оставить пустое место там, где должна быть отсутствующая аминокислота, в ожидании лучших времен. Поэтому приходится брать азот у всех поступающих аминокислот, выводить его в виде мочевины и превращать остатки аминокислот в гликоген. Альтернативным мог бы стать вариант, когда недостающую аминокислоту организм взял бы у находящихся в нем белков, но это бы означало разрушение всех белковых молекул и выведение невостребованных аминокислот в виде мочевины.

В любом случае организм человека, в котором недостает жизненно важной аминокислоты, не может восполнить потерю белков, и таким образом создается отрицательный азотный баланс. Так в результате дефицита одной лишь аминокислоты нарушается азотный баланс в организме.

В эксперименте, в котором участвовали студенты, было установлено, что для взрослого человека жизненно необходимыми являются восемь аминокислот.

У детей ситуация обстоит иначе. У них всегда положительный азотный баланс, если они хорошо питаются, и им нужно больше каждой аминокислоты на единицу массы, чем взрослым. Печень взрослого человека может вырабатывать необходимое ему количество определенных аминокислот (те одиннадцать) даже при отсутствии поступления их с пищей, однако печень ребенка не в состоянии удовлетворить повышенные потребности растущего организма.

Конечно, эксперименты с азотным балансом на детях сложно проводить, и пока мы должны довольствоваться предположениями. Вряд ли родители захотят, чтобы их дети участвовали в подобных исследованиях. Лично я бы не позволил участвовать в них своему ребенку. К тому же очень сложно заставить детей строго следовать рекомендациям по питанию.

Кроме того, что плазменные белки поставляют в клетки аминокислоты в нужных пропорциях, они отличаются от аминокислот еще и в другом. Молекулы белков крупные, в то время как молекулы аминокислот маленькие. Это важно, потому что большие молекулы обладают определенными свойствами, необходимыми для организма, которых нет у маленьких молекул, даже если их значительно больше числом.

Представьте себе кровеносную систему, управляемую сердцем. Когда сердце сильно сокращается, оно оказывает большое давление на кровь, которая энергично выталкивается в артерии. Стенки артерий эластичны и могут выпячиваться наружу под воздействием проходящей по ним крови и вновь сокращаться, когда приток крови закончился.

Это и есть пульс, который можно ощутить там, где артерия близко подходит к коже, особенно ощутим он на внутренней поверхности запястья. Расширение и сокращение артерий совпадает с работой сердца. Частота и наполнение пульса могут многое рассказать опытному специалисту, однако появление современных средств диагностики в медицине уменьшило необходимость прощупывания пульса.

Кровяное давление обусловлено сокращением сердца, оно необходимо в качестве движущей силы, заставляющей кровь двигаться по сосудам. Когда кровь поступает в капилляры, ее движение замедляется. Стенки капилляров очень тонки, поскольку сквозь них должны быстро просачиваться разные вещества.

Например, вода просачивается сквозь стенки капилляров, орошая все клетки. С внешней стороны капилляров она называется межклеточной жидкостью. Это плазма, лишенная почти всех белков, поскольку они слишком крупны, чтобы просочиться сквозь стенки капилляров. В межклеточной жидкости также находятся другие мелкие молекулы, например глюкоза, ионы минералов и мочевина.

Межклеточная жидкость не навсегда покидает кровь. Она собирается в мелких сосудах, объединяющихся в более крупные сосуды. Жидкость вяло течет по ним, продвигаемая сокращениями окружающих сосуд мышц. Мышцы сжимают сосуд, вызывая движение межклеточной жидкости. Она может двигаться только в одном направлении (к сердцу), потому что сосуд снабжен односторонними клапанами, как и само сердце, и жидкость не может повернуть назад.

Это продолжается, пока жидкость не попадает в большой сосуд — грудной проток, который, в свою очередь, впадает в вену, ведущую к сердцу. Межклеточная жидкость, заключенная внутри сосудов, называется лимфой, а сосуды — лимфатическими протоками. В лимфе не содержится формованных элементов, кроме системы белых клеток — лимфоцитов (от 1000 до 20 000 клеток на кубический миллиметр).

Таким образом, кроме быстрого кровообращения, в организме есть еще и система медленной циркуляции жидкости. По этой системе жидкость выходит из капилляров, омывает клетки и возвращается обратно.

Но кровяное давление, выталкивающее жидкость из капилляров, сильнее хаотичных мышечных сокращений, заставляющих лимфу возвращаться в кровь. Максимальное кровяное давление при сокращении сердца составляет от 110 до 150 миллиметров ртутного столба, что составляет примерно одну пятую часть атмосферного. Когда сердце расслабляется, давление падает до 80 миллиметров ртутного столба. Первое называется систолическим давлением, а второе — диастолическим.

Систолическое давление у новорожденного составляет около 40 миллиметров ртутного столба, но быстро достигает 80 к одному месяцу, затем более медленно достигает 100 к двенадцати годам, а к семнадцати — 120. Далее наблюдается тенденция к медленному повышению. В случае гипертензии (высокого кровяного давления) показатели поднимаются постоянно, достигая до 300 миллиметров систолического давления и до 150 диастолического. Такое высокое давление ведет к перегрузке сердца, может повредить мелкие сосуды, нанести вред почкам и значительно снизить продолжительность жизни.

Если бы движение крови по кровеносным сосудам зависело только от кровяного давления, жидкость бы быстрее выходила из капилляров, чем главная вена успевала вернуть ее обратно. Это привело бы к скоплению межклеточной жидкости, в тканях развились бы отеки, а количество крови в кровеносном русле снизилось.

Существуют факторы помимо кровяного давления, определяющие ток крови по капиллярам. Капилляры могут иметь микроскопический диаметр, в то время как артерии обычно широкие (диаметр аорты 3 сантиметра), однако общая площадь сечения капилляров в 600–800 раз больше площади сечения всех артерий, поэтому в капиллярах течение крови замедляется и давление снижается. Аналогичный эффект можно наблюдать, когда река, быстро промчавшись в узком проходе между скалами, начинает спокойно течь по широкой равнине.

Во-вторых, часть давления тратится на трение крови о стенки сосудов. Трение зависит от густоты крови. Чем гуще кровь, тем медленнее она течет. Если вы когда-нибудь пробовали пролить вязкую жидкость, например мед или патоку, то поймете, что я имею в виду.

Растворимые в воде вещества обычно повышают ее вязкость. Большие молекулы, особенно асимметричные, имеющие форму палочки, а не шарика, увеличивают вязкость больше, чем мелкие. Таким образом, если миллион молекул аминокислот превратятся в двадцать больших белковых молекул в форме палочки, то они сильнее увеличат вязкость крови, чем миллион молекул аминокислот.

Наличие плазменных белков помогает контролировать течение крови и кровяное давление, чего не в состоянии делать аминокислоты. Плазменные протеины только размером и формой молекул делают то, что не под силу аминокислотам.

Но большая общая площадь сечения капилляров, а также вязкость только снижают способность кровяного давления к выталкиванию крови из капилляров. Полностью пересилить действие давления крови они не могут. Для этого требуется что-то еще.

Давайте вновь обратимся к полупроницаемым мембранам, которые ограничивают тонкие капиллярные стенки. С одной стороны (тканевой) находится межклеточная жидкость, состоящая из воды, мелких ионов и молекул, легко проникающих сквозь мембрану. С другой стороны (внутренней, там, где течет кровь) находится плазма, в состав которой входят те же компоненты, что и в межклеточную жидкость, плюс белковые молекулы. Они слишком крупны, чтобы проникнуть сквозь мембраны.

Из-за этого плазма лишена некоторых преимуществ. Межклеточная жидкость свободно проходит сквозь мембраны. Однако маленькие молекулы плазмы вынуждены обходить гигантские молекулы протеина, которые стоят у них на пути.

В итоге, если не принимать во внимание давление крови, молекулы чаще будут переходить из межклеточной жидкости в капилляры, чем в обратном направлении. Тенденция небольших молекул проникать сквозь мембрану только в одном направлении (в данном случае в капилляр) называется осмотическим давлением. Именно осмотическое давление, направленное на наружную поверхность капилляра, уравновешивает кровяное давление, действующее на его внутреннюю поверхность.

На артериальном конце капилляра кровяное давление немного выше осмотического, и поэтому жидкость вынуждена покидать капилляр. На венозном конце кровяное давление, наоборот, чуть ниже осмотического, и поэтому жидкость обратно входит в капилляр. В итоге силы обоих давлений уравновешены, и небольшая утечка с одного капилляра компенсируется восполнением потери на другом конце (в сочетании с движением лимфы под воздействием мышечных сокращений).

Если бы белки плазмы были полностью расщеплены на аминокислоты, все питательные элементы плазмы сохранялись, и мы могли бы даже предположить, что клетки в состоянии сами забирать из плазмы необходимые аминокислоты в нужных пропорциях. Однако осмотический эффект тогда бы пропал. Аминокислоты легко просачивались бы сквозь стенки капилляров в обоих направлениях. Осмотическое давление на стенки капилляра отсутствовало бы. У кровяного давления в капиллярах не существовало бы противовеса, более крупные кровеносные сосуды медленно бы спались, как проколотая шина. Опять мы видим, что большой размер молекул имеет важное значение для кровеносной системы.

Это содружество осмотического и кровяного давления, возможно, не очень легко представить. Однако тем, кому удалось побывать в метро в часы пик или в других перегруженных средствах общественного транспорта, знают, с чем сравнить эту ситуацию. В вагон метро протиснуться довольно легко, поскольку все люди лезут в одном направлении и одновременно. Однако выйти из вагона уже труднее, поскольку некоторые пассажиры не выходят на этой станции и крепко держатся за поручни.

Если бы ситуация была предоставлена самой себе, тогда бы люди, желающие попасть в вагон, набивались бы внутрь, а те, кому нужно выйти, этого сделать бы не могли. Это движение пассажиров внутрь вагона мы можем назвать подземным «осмотическим давлением».

Для уравновешивания ситуации выходящие призывают на помощь голос: «Пропустите, пожалуйста!» — и люди на платформе отходят в сторону, чтобы дать выйти другим пассажирам. Поток выходящих из вагона людей — это подземное «кровяное давление». Оба давления способствуют эффективному наполнению и опустошению вагонов.

Сбой этой системы создаст в подземных вагонах хаос. Такой же хаос может воцариться и в организме. Избыток воды в тканях приведет к развитию отеков. Иногда отеки наблюдаются на ограниченных участках тела: вокруг укуса комара или пчелы, более широкие зоны отеков наблюдаются при аллергических реакциях.

Как мы знаем, кровотечение может быть опасно для жизни. Потеря какого компонента крови может вызвать летальный исход? На самом деле потеря плазмы намного опаснее потери эритроцитов. В организме имеется избыток красных кровяных телец и гемоглобина на чрезвычайный случай. Для излечения временной слабости в результате кровотечения требуется лишь небольшой отдых и, возможно, таблетки с железом.

Опасность потери плазмы состоит в потере содержащихся в ней белков. Нельзя сказать, что в организме нет механизма, способного быстро восстановить их дефицит. Физиологи проводили следующие эксперименты с животными: у собаки несколько раз брали кровь и каждый раз отделяли красные клетки. Их смешивали с солевым раствором в такой концентрации, чтобы не пострадали ни сами клетки, ни собака, и смесь вводилась в кровеносные сосуды животного. Таким образом объем крови и количество эритроцитов в ней восстанавливались. Не восстанавливалось лишь количество белков плазмы. Когда количество белков в крови собаки снижалось ниже нормы (это называется плазмаферезом), исследовали скорость их восстановления. Выяснилось, что примерно одна четверть всех плазменных белков могла восстановиться в течение одного дня.

Нет причин предполагать, что человек не способен восстанавливать уровень белков так же, как собака. Если он потеряет четверть запасов плазменных белков, то восстановит потерю за день и, естественно, его клетки смогут прожить этот короткий срок на ограниченной «белковой диете».

Однако опасность заключается не в недостатке питательных веществ. Когда при кровотечении организм покидают плазменные белки, нарушается механизм осмотического давления. Кровеносные сосуды не могут восстанавливать жидкость, уходящую в ткани, и не могут извлекать ее из тканей. Если этот процесс затягивается надолго, больной может погибнуть.

Именно по этой причине раненным на поле боя часто переливают плазму, когда цельная кровь недоступна. Плазма не вызывает трудностей при переливании, поскольку в ней нет красных клеток, которые могут вызвать агглютинацию (см. главу 6), и она предоставляет необходимые в данный момент плазменные белки для поддержания осмотического давления в организме. Восстановление красных клеток после кровотечения может происходить более медленно в процессе выздоровления пациента.

Но если осмотический эффект поддерживается именно благодаря большому размеру белковых молекул и организм может короткое время обходиться без плазменных белков, то почему белки в плазме не могут заменить другие большие молекулы? В конце концов, плазменные белки долгое время восстанавливаются в крови, к тому же в организме нет их запаса. Бесценной оказалась бы другая крупная молекула из более легкодоступного источника.

Конечно, подойдет не всякая большая молекула. Она не должна принести вреда организму при попадании в кровь и оставаться там длительный промежуток времени, не выделяясь почками. Молекула также не должна быть слишком большой, иначе осмотический эффект опять будет нарушен.

Такие молекулы-заменители вызывают увеличение объема плазмы в результате деятельности осмотического давления. Они называются «заменителями плазмы». Однако пока не найдено заменителей плазмы, которые бы полностью удовлетворяли все требования, но большую пользу приносят препараты, созданные на основе декстрана (крахмалоподобный материал, создаваемый некоторыми микроорганизмами) и поливинилпиролидона (производимое в промышленности синтетическое вещество, состоящее из крупных молекул).

Организм никогда не дает возможности веществу выполнять одну функцию, если оно способно выполнить десяток. Плазменные белки выполняют питательную функцию и контролируют объем крови, изменяя вязкость и осмотическое давление. Если бы это были единственные их функции, эти белки все равно были бы важны. Однако у них еще много и других обязанностей. Например, передвигаясь в организме, они что-то на себе переносят.

Плазменные белки выполняют транспортную функцию. Различные гормоны, увлекаемые током крови, движутся от вырабатывающей их железы к нужному органу на плазменных белках.

Однако самым интересным объектом транспортировки являются вещества, которые без белков не могут передвигаться в крови. Чтобы рассказать о них, потребуется новая глава.

Глава 12

Двуфазная система

Растения самостоятельно вырабатывают углеводы из углекислого газа и воды, как я уже вскользь упоминал в начале книги. Этот процесс требует больших затрат энергии, поэтому растения должны ее где-то черпать.

Сложный химический механизм, ключевым компонентом которого является хлорофилл, использует солнечный свет и его энергию. Поскольку хлорофилл поглощает красный и желтый свет лучше других, он в основном отражает зеленую и синюю области спектра солнечных лучей, которые представляют собой смесь цветов. По этой причине растения имеют зеленую окраску.

Процесс производства углеводов из углекислого газа и воды называется фотосинтезом (в переводе с греческого «соединение воедино с помощью света»). В результате фотосинтеза от каждой молекулы углекислого газа и воды остается пара атомов кислорода. Эти атомы образуют молекулу кислорода, попадающую в атмосферу.

Таким образом, жизнь протекает в двух противоположных направлениях. С одной стороны, животные и растения получают энергию, соединяя углеводы и другие органические вещества, получаемые из пищи, с кислородом, при этом помимо энергии образуются углекислый газ и вода. С другой стороны, зеленые растения в присутствии солнечного света совершают нечто совершенно противоположное. Они соединяют углекислый газ, воду и энергию, получая углеводы и другие органические вещества и высвобождая кислород.

Эти два противоположных процесса находятся в равновесии. Кислород из атмосферы никогда не используется, не используется также и углекислый газ. В итоге благодаря зеленым растениям энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию, управляющую живыми тканями.

Растения могли бы создавать только необходимый для себя запас углеводов, как, например, человек, который зарабатывает деньги для удовлетворения своих самых насущных запросов. Однако это рискованный процесс.

Растения должны создавать больший запас углеводов, чтобы пережить ночь, когда из-за отсутствия солнечного света они должны использовать углеводы для поддержания всех процессов. Поэтому в тканях растений откладываются запасы углеводов сверх необходимого количества. Так и человек может копить деньги на банковском счете на случай непредвиденных обстоятельств.

При определенных условиях растению необходимо запасать значительное количество питательных веществ. Семена могут развиваться довольно долго, прежде чем появятся молодые зеленые листья и хлорофилл начнет свою работу. Чтобы выжить в это время, растение должно пользоваться энергией, создаваемой в процессе расщепления углеводов, хранящихся в семенах, почках или клубнях.

Именно эти запасы углеводов составляют основную часть рациона питания человека. Мы едим горох и бобы. Мы вырабатываем муку и хлеб из семян пшеницы, кукурузы и других злаков. Мы едим картофель, капусту и морковь.

Запасая энергию для следующих поколений и, таким образом, для нас, растения не заботятся о размере и весе, поскольку они неподвижны. По этой причине запасы обычно откладываются в виде крахмала, который легко перерабатывать, несмотря на его громоздкость.

Животные также должны откладывать запасы питательных веществ. Они не могут делать это в любое время и пользуются возможностью, чтобы взять запасы растений или других животных, которые также взяли их у растений. Поэтому промежутки между приемами пищи у животных могут быть нерегулярными и довольно длительными. Значит, в хорошие времена необходимо накапливать как можно больше запасов энергии.

То же самое происходит, когда наша печень запасает гликоген, который мы используем в промежутках между приемами пищи.

Однако у гликогена есть один недостаток. Гликоген — разновидность крахмала, и он достаточно громоздкий. Некоторое его количество откладывается для немедленного использования, возможно граммов двести — двести пятьдесят, но не более того. Животные много двигаются, и часто их жизнь зависит именно от физической активности. Для этого масса и объем запасов энергии должны быть небольшими, но достаточными, чтобы чувствовать себя более уверенно.

Решение проблемы заключается в поиске наиболее концентрированного вида пищи, каждый грамм которой содержит много энергии. Где найти такую пищу?

Ответ на вопрос кроется в устранении из нее кислорода. В обычном углеводе содержится один атом кислорода на каждый атом углерода и два атома водорода. При расщеплении углеводов важную роль играет объединение атомов водорода с кислородом из атмосферы. Именно в результате этого процесса происходит высвобождение энергии. Однако, поскольку некоторые атомы водорода уже связаны с атомами кислорода, энергетический потенциал углеводов относительно невелик.

Это можно сравнить с покупкой наполовину сгоревшего угля для обогрева дома. Половина топлива уже превратилась в пепел, обладающий значительным весом, который потребует от печи таких же затрат энергии, как и на сжигание хорошего угля, и займет почти столько же места. Однако тепла от него не будет.

Очевидно, что от пепла необходимо избавиться. Если говорить о молекуле углевода, то это означает избавление от атомов кислорода.

И тут мы подходим к очередной группе веществ, последней из упомянутых мною в главе 10, — жирам, или липидам.

Это жировые вещества, имеющие твердую или жидкую форму. Твердые жиры так и называются жирами, жидкие — маслами. Жиры значительно беднее кислородом, чем углеводы. В главе 10 уже говорилось, что в них всего один атом кислорода на десять атомов углерода и двадцать атомов водорода.

Почти все эти атомы водорода не связаны с кислородом, поэтому липиды являются более концентрированным топливом, чем углеводы. Они представляют собой уголь, почти не содержащий пепла.

Исследования показывают, что 600 граммов углеводов или белков при расщеплении на углекислый газ и воду высвобождают 2400 килокалорий энергии — достаточно, чтобы поддержать среднего человека в течение дня. Однако 600 граммов липидов высвобождают не менее 5400 килокалорий, обеспечивающих для человека запас на два с половиной дня при обычных условиях.

Другими словами, жиры выделяют в два с половиной раза больше энергии, чем углеводы или белки. В целях эффективности животное откладывает запасы питательных веществ в виде жиров. В организме животных, в том числе и человека, содержится очень мало углеводов, зато в избытке липидов. Толстяки, работающие в цирке, могут носить в себе десятки килограммов жира и всего от 20 до 35 граммов углеводов.

В основном наш запас липидов располагается прямо под кожей. Это подкожный жир. У женщин больше подкожного жира, и он распределяется более равномерно, чем у мужчин. Хотя женщинам это может и не нравиться, но им следует радоваться. Именно равномерное распространение подкожного жира и создает округлые, нежные и, я бы сказал, восхитительные женские формы.

Жир выступает не только в роли накопителя питательных веществ, но и как защитник организма. Часть жира откладывается в органах, таких, как почки и сердце, защищая их от механических повреждений. Подкожный жир делает нас более устойчивыми, защищая от воздействия окружающей среды. Он также является плохим проводником тепла, поэтому защищает нас от холода зимой.

Однако избыток жира может представлять опасность. К сожалению, в организме нет предела накоплению жира, и его может отложиться столько, что тело станет бесформенным и тяжелым, мешая передвижению. Жизненно важные органы, особенно система кровообращения, стонут под тяжестью ненужного жира и рано выходят из строя.

Если липиды могут откладываться в организме, то возникает вопрос: зачем нам тогда гликоген? Почему организм не может существовать исключительно за счет липидов?

К несчастью, это непрактично. Конечно, липиды являются более концентрированной пищей из-за отсутствия кислорода, но именно по этой причине они не растворяются в воде. Жиры — это классический пример нерастворимых в воде веществ.

С одной стороны, это свойство полезно, поскольку позволяет организму запасать жиры, не опасаясь, что они растворятся и помешают работе организма. Я уже упоминал об этом ранее в случае с гликогеном. Однако превратить гликоген в растворимую глюкозу легко, а превратить липиды в растворимые вещества, чтобы они могли попасть в кровь и добраться до различных органов, довольно сложно.

Поэтому организм откладывает два типа запасов питательных веществ: небольшой запас гликогена для моментального использования и более крупный запас липидов для медленной переработки.

Обычно в доме есть небольшой запас наличных денег для мелких покупок, а в банке, будем надеяться, имеется более крупная сумма, которую не легко сразу снять, потому что для этого требуется определенное время.

Поэтому жидкие компоненты организма являются примером двуфазной системы. То есть они принадлежат к двум разным, не смешивающимся друг с другом жидкостям, между которыми проходит четкая граница раздела. Такую систему можно создать, добавив к воде любое растительное масло. Вы увидите, что оно будет плавать на поверхности воды. Появятся две различные жидкости, четко разделенные между собой.

Если смесь растительного масла и воды поместить в закрытый контейнер и энергично потрясти, две эти части как будто смешаются, превратившись в смесь пузырьков растительного масла и воды. Однако через некоторое время пузырьки разделятся. Наверху будет растительное масло, внизу вода, а между ними — граница.

Жидкое содержимое тканей организма состоит из водной фазы и липидной фазы. Водная фаза представляет собой не только одну воду, но и растворимые в ней вещества, такие, как неорганические ионы, сахара, белки и многое другое. В липидной фазе содержатся не только жиры, но и растворимые в них вещества: стероиды и некоторые витамины.

Тем не менее, несмотря на то что эти две фазы отделены друг от друга, организм представляет собой единое целое и при необходимости должен объединять обе эти фазы. Один из таких случаев возникает при пищеварении.

Жиры — ценная часть нашей диеты. Поскольку это концентрированный источник энергии, продукты, в которых содержатся жиры, такие, как масло, бекон или жареная пища, в каждом грамме содержат больше килокалорий, чем продукты без жира, например тощие сорта мяса, снятое молоко или картофель. Людям с избыточным весом, к которым, к сожалению, относится и автор этой книги, не рекомендуется употреблять в пищу жирные продукты. Они необходимы людям, чей вес ниже нормы или которые живут в холодном климате и регулярно занимаются физическим трудом. (Кроме того, некоторое количество жира улучшает вкус пищи и облегчает процесс ее приготовления.)

Но вот жир попал в организм, как же он будет там усваиваться? Пищеварительные соки находятся в водной фазе. В основном это вода и пищеварительные ферменты, легко растворимые в воде, но не в жире. Обычно то, что растворяется в водной фазе, не растворяется в липидной, и наоборот.

В случае с углеводами и белками расщепление не представляет проблемы. Они либо полностью растворяются в воде, либо хорошо смачиваются ею. В любом случае молекулы ферментов могут свободно подобраться к молекулам углеводов или белков и заняться их расщеплением.

Однако жир находится в липидной фазе. Он не смешивается с пищеварительным соком. При соединении с ним он образует крупные пузырьки. Ферментам удается переработать лишь те молекулы, которые находятся на поверхности этих пузырьков.

Необходим какой-то посредник, который смог бы объединить обе фазы. И такой посредник есть.

Все молекулы состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц. Некоторые из этих субатомных частиц, несут электрический заряд. Существует два вида таких зарядов: положительный и отрицательный.

У некоторых молекул распределение этих заряженных частиц асимметрично. С одного конца молекулы наблюдается избыток положительно заряженных частиц, а с другого — отрицательно заряженных. Такая молекула обладает положительным и отрицательным полюсами и называется полярной молекулой. Самым известным примером такой молекулы является молекула воды.

Есть молекулы, у которых положительный и отрицательный заряды расположены равномерно и симметрично. В этих молекулах нет точек, в которых доминирует тот или иной заряд, поэтому и нет электрических полюсов. Это неполярные молекулы, самым ярким примером которых являются молекулы липидов.

Обычно полярные молекулы разных типов легко смешиваются. Так, свободно смешиваются вода и этиловый спирт, молекулы которых полярны. Неполярные молекулы различных типов также легко смешиваются, например, четыреххлористый углерод (обычная жидкость, используемая в химчистках) легко растворяет липиды.

Однако полярные и неполярные молекулы не смешиваются между собой.

Кстати, что, если найдется молекула, концы которой будут иметь различный химический состав: на одном конце симметричное распределение электрического заряда, а на другом — несимметричное? Один конец будет неполярным, а другой — полярным.

Такая молекула будет «разрываться» между двумя фазами. Полярная часть ее легко смешается с водой, а неполярная с липидами. Если такие молекулы попадут в двухфазную систему липид — вода, то они локализуются на границе раздела фаз: полярная часть окажется в воде, а неполярная — в липиде.

Представьте, что такую смесь взболтают. Получится смесь пузырьков воды и липида. Каждый пузырек будет окружен границей раздела фаз, на которую быстро попадет наша двойная молекула.

Можно предположить, что через некоторое время после встряхивания произойдет разделение двух компонентов; так бы и случилось, если бы не было двойной молекулы. Однако пузырьки липидов (это касается и пузырьков воды) не могут объединиться между собой, не вытеснив сначала с границы раздела фаз двойную молекулу, а это требует затрат энергии.

Таким образом, двойные молекулы предотвращают воссоединение пузырьков. Каждое встряхивание расщепляет их на еще меньшие пузырьки, которые также не могут объединиться. Процесс продолжается, а пузырьки становятся все меньше и меньше, пока обе части не смешаются настолько, что будут представлять собой практически одно целое.

Такая мелкодисперсная двуфазная система называется эмульсией, самым ярким примером ее является молоко, в котором частицы жира со временем объединяются и отделяются в виде тонкого слоя сливок.

Молекулы, ускоряющие процесс образования эмульсии, называются эмульгаторами; пример — мыло. Грязь труднее всего смыть, когда она смешана с жиром. Мыло эмульгирует жир и легко удаляет грязь.

Этот же принцип действует и в организме. Как только пища попадает в тонкую кишку, она смачивается поджелудочным соком и желчью, выделяемой печенью. Поджелудочный сок содержит фермент — липазу, которая быстро расщепляет молекулы жира.

К счастью, желчь, хотя в ней совсем нет ферментов, содержит молекулы желчных кислот и желчных солей, представляющие собой молекулы двойного действия, уже описанные мной. Они заполняют границы между частицами жира и водой, содержащейся в пищеварительных соках. Когда сокращения мышц стенок кишечника размельчают эти частицы, желчные соли занимают новые границы раздела фаз и предотвращают воссоединение глобул.

Таким образом содержимое кишечника быстро эмульгируется. Липаза окружает образовавшиеся микроскопические капельки. Теперь она может добраться до большего числа молекул жира, которые расщепляются и усваиваются организмом.

Под воздействием липазы молекула жира расщепляется на четыре части. Три из них состоят из длинных цепочек атомов углерода, к которым прикрепляются атомы водорода: обычно по два атома водорода к каждому атому углерода. К атому углерода в конце цепочки прикреплены два атома кислорода, а также атом водорода — все вместе они образуют карбоксильную группу.

Карбоксильная группа передает слабые кислотные свойства длинной молекуле, которая имеет некоторые общие свойства с молекулой жира. Она жирная на ощупь и на бумаге оставляет прозрачное жирное пятно. Сочетание свойств жиров и кислот дало название этой молекуле — жирная кислота.

Четвертая часть молекулы жира — глицерин. Это маленькая молекула, в основе которой лежит цепочка, состоящая из всего трех атомов углерода. К каждому из них присоединена гидроксильная группа (атом кислорода и атом водорода). Жирная кислота может прикрепляться к молекуле глицерина при помощи карбоксильной группы, которая взаимодействует с гидроксильной группой глицерина. Вторая и третья жирная кислоты могут соединяться со второй и третьей гидроксильными группами глицерина.

Таким образом появляется триглицерид, состоящий из трех длинных углеродных цепочек, связанных с одной стороны. Такая молекула полностью состоит из атомов углерода и водорода, кроме тех участков, где находится связь жирной кислоты с глицерином. На каждом из таких участков есть два атома кислорода: всего их в молекуле шесть.

Молекулы триглицеридов различаются в зависимости от природы жирных кислот. Отдельные жирные кислоты могут отличаться, например, длиной углеродной цепочки. Существует жирная кислота, цепочка которой состоит из шестнадцати атомов углерода, это пальмитиновая кислота. Стеариновая кислота состоит из восемнадцати атомов углерода.

Жирные кислоты могут также отличаться количеством атомов водорода в молекуле. Пальмитиновая и стеариновая кислоты содержат максимально возможное количество атомов водорода. Они называются насыщенными жирными кислотами (то есть насыщенными водородом).

У одной из жирных кислот цепочка состоит из восемнадцати атомов углерода, как и у стеариновой кислоты, но в самом центре цепочки не хватает двух атомов водорода. Это олеиновая кислота — ненасыщенная жирная кислота. Линолевая кислота также имеет цепочку из восемнадцати атомов углерода, но в ней недостает уже двух пар атомов водорода.

Различные жирные кислоты могут соединяться с глицерином в любой комбинации. Триглицерид может состоять из пальмитиновой кислоты и двух олеиновых кислот, или олеиновой, стеариновой и линолевой кислот, или трех пальмитиновых кислот. В состав триглицерида может входить любая комбинация из дюжины или более жирных кислот. Жиры состоят из смеси сотен различных молекул триглицеридов.

Ненасыщенные жирные кислоты имеют меньшую температуру плавления, чем насыщенные. Жиры с относительно большим количеством ненасыщенных кислот, таким образом, также имеют более низкую температуру плавления. Ненасыщенные жиры остаются жидкими при комнатной температуре (масла), более насыщенные — твердыми (жиры).

В живом организме жиры должны находиться в жидкой форме, и за этим организм следит. Растения и холоднокровные животные, подвергающиеся воздействию низких температур, поддерживают жиры, чтобы те не замерзали в ненасыщенном состоянии. Поэтому масло печени трески и хлопковое масло остаются жидкими даже в холодный день.

Теплокровные животные могут позволить себе иметь более насыщенные жиры, поскольку они должны оставаться жидкими только при температуре крови. По этой причине масло, сало и жир остаются твердыми при комнатной температуре, но при нагревании легко тают.

Смешивая газообразный водород с молекулой масла при необходимых условиях, можно добиться того, что атомы водорода занимают недостающие места в молекулах жирных кислот. Ненасыщенные жирные кислоты становятся насыщенными: масла становятся жирами. Поэтому относительно дешевые растительные масла, неподходящие для использования в пищу, можно переработать в маргарин и растительные жиры.

В организме млекопитающих, в том числе и человека, такой процесс тоже происходит. Олеиновая кислота может превращаться в стеариновую и наоборот. Поэтому не важно, входит ли в наш рацион питания большое количество насыщенных или ненасыщенных жирных кислот. Мы всегда можем установить их баланс.

Однако есть одно исключение. Хотя наш организм в состоянии брать пару атомов водорода у стеариновой кислоты и создавать олеиновую, по какой-то причине он не может брать вторую пару для создания линолевой кислоты. Если в нашем рационе питания нет линолевой кислоты, мы не можем вырабатывать ее самостоятельно, в результате происходит нарушение равновесия в организме, видимыми следствиями которого являются кожные воспаления и экзема. Линолевая кислота — пример диетически незаменимой жирной кислоты. (Это не столь серьезная проблема, как в случае с незаменимыми аминокислотами, потому что практически в любом рационе присутствует линолевая кислота.)

Линолевая кислота необходима нам не сама по себе, а потому, что она может превращаться в другую кислоту, более редкую — арахидоновую. Ее молекула представляет собой цепочку из двадцати атомов углерода, в которой не хватает четырех пар атомов водорода.

После завершения процесса пищеварения глицерин и жирные кислоты всасываются стенками тонкой кишки. Возможно, что всасывание происходит еще до окончания процесса пищеварения; молекулы глицерина, к которым остались прикреплены одна или две жирных кислоты, могут усваиваться и в таком виде.

В любом случае, оказавшись в клетках стенок тонкого кишечника, глицериды преобразуются и попадают в кровь в виде полноценных молекул. Хотя в большинстве случаев они попадают в кровь не напрямую.

В каждой ворсинке тонкого кишечника находится не только капилляр, но и крошечный лимфатический сосуд. В то время как продукты переваривания углеродов и белков попадают в капилляры в виде глюкозы или аминокислот, большая часть продуктов усвоения жиров попадает в лимфатические сосуды.

При попадании мелких частиц жиров лимфа приобретает белый цвет и называется хилусом, или млечным соком. Из-за сходства их содержимого с молоком эти лимфатические сосуды получили название млечных сосудов.

Частицы жира путешествуют по лимфатической системе и попадают в кровь. По пути они вступают в контакт с различными клетками, и большая часть жиров усваивается.

Жиры, попавшие непосредственно в капилляры ворсинок, переносятся в печень. Различные жирные кислоты подгоняются под необходимую для человека структуру посредством укорачивания или удлинения цепочки или прибавлением и удалением атомов водорода.

Как только жир усваивается клетками, он при необходимости в результате серии реакций, представляющих цикл окисления жирных кислот, расщепляется с образованием энергии. При прохождении этого цикла от жирной кислоты отделяются атомы углерода, по два за один цикл, и каждый двууглеродный фрагмент распадается на углекислый газ, воду и энергию.

Цикл может проходить и в обратном порядке, и это целесообразно, поскольку углеводы также могут расщепляться на аналогичные двууглеродные фрагменты. Таким образом, если усваивается слишком много глюкозы для образования запасов гликогена, ее всегда можно расщепить на двууглеродные фрагменты, которые, пройдя восемь или девять раз цикл окисления жирных кислот, станут молекулами жирных кислот. Затем те прикрепятся к молекулам глицерина, которые легко образуются в организме, и отложатся в виде жира.

Расщепление двууглеродных фрагментов на углекислый газ и воду зависит от образования некоторых промежуточных соединений, особенно одного — щавелево-уксусной кислоты. Она обычно образуется в процессе расщепления углеводов, но не образуется при расщеплении жиров.

Если по какой-то причине двууглеродные фрагменты образуются только из жиров, а не углеводов, быть беде. Щавелево-уксусная кислота может образовываться и другими путями, но не столь быстро при отсутствии расщепления углеводов, и двууглеродные фрагменты жирных кислот не успевают перерабатываться.

Образуется затор, и некоторые двууглеродные фрагменты объединяются парами, образуя четырехуглеродный компонент — ацетоуксусную кислоту. Она может отдать два атома водорода и превратиться в бета-гидроксимасляную кислоту или потерять молекулу углекислого газа, образуя ацетон. Эти три молекулы называются кетоновыми телами.

Предположим, вы голодаете. Запасы гликогена будут израсходованы в течение первого дня. После этого вы будете жить на запасах жиров. Это вас поддержит. Организм сможет вырабатывать достаточно глюкозы (расщеплением молекул жиров на двууглеродные фрагменты и объединением их по три) для поддержания уровня сахара в крови на надлежащем уровне.

Однако из-за невозможности расщеплять углеводы в крови начнут накапливаться кетоновые тела (кетоз голодания). Они накопятся в крови (кетонемия) и попадут в мочу (кетонурия).

Это не очень серьезное состояние, оно быстро проходит после приема пищи, содержащей необходимое количество крахмала или сахара. Конечно, если ваша диета будет богата жирами и бедна углеводами, кетоз продолжится. Такая диета носит название кетогенной, то есть «дающей жизнь кетозу».

Более серьезная форма кетоза развивается, когда организм не в состоянии расщеплять углеводы, как при диабете. При нелеченном диабете кетоновые тела накапливаются в крови (диабетический кетоз) в значительно большем количестве, чем у голодающего человека. Они скапливаются в крови быстрее, чем их успевают выводить почки, а поскольку кетоновые тела обладают выраженной кислотностью, то развивается диабетический ацидоз, ведущий к развитию комы и смерти.

Двуфазная система жиров и воды идеально функционирует, как я уже говорил, в тонкой кишке при помощи солей желчных кислот. Однако, оказавшись в крови и клетках, жиры вступают в другую фазу, водную. Как же эти водостойкие жиры проникают в клетки сквозь оболочки? Как они передвигаются в крови? Как исключительно водорастворимые ферменты расщепляют их внутри клетки?

Организму все это удается при помощи еще одного соединения двойного действия, напоминающего триглицериды.

Триглицериды состоят из глицерина и жирных кислот — это простые липиды. Но представьте себе молекулы, состоящие из глицерина, к которому прикреплены всего две жирных кислоты. Третья гидроксильная группа глицерина присоединена к совершенно иной группе атомов, содержащей кислород, азот и фосфор, каждый из которых создает электрическую полярность молекулы. Из-за наличия атомов фосфора такие глицериды обычно называют фосфолипидами или фосфатидами.

Фосфолипиды — молекулы двойного действия. Жирная кислота растворяется в жире, а фосфорсодержащая группа — в воде. Это создало предпосылку для возникновения интересной теории, касающейся поведения клеточных мембран.

В мембранах клеток находятся как фосфолипиды, так и белки. Это известно точно. Фосфорсодержащая часть фосфолипидов, растворяясь в воде, вероятно, прочно присоединяется к белкам, также растворимым в воде, оставляя жирные кислоты на свободе.

Таким образом получается, что клеточная мембрана состоит из однородного вещества, возможно, с «водными» участками, через которые могут проходить растворимые в воде соединения, и «липидными» участками для прохождения растворимых в липидах веществ.

Если это так, то теория может объяснить действие различных гормонов. Некоторые из них, например инсулин и гормоны гипофиза, представляют собой естественные белки, растворимые в воде. Другие, например половые гормоны и гормоны коры надпочечников, являются липидорастворимыми веществами. В любом случае их молекулы способны связываться с клеточными мембранами и изменять их проницаемость.

Внутри клеток также присутствуют фосфолипиды, особенно в маленьких образованиях, расположенных в цитоплазме, в митохондриях. Именно в них углеводы и жиры расщепляются для получения энергии, и мне кажется вполне вероятным, что фосфолипиды помогают взаимодействию растворимых в воде ферментов и растворимых в жирах жирных кислот.

Фосфолипиды составляют всего 1 % или около того в организме. Однако их важность можно показать на следующем примере: организм никогда, ни при каких чрезвычайных обстоятельствах не прикасается к запасу фосфолипидов. Во время голодания организм сначала использует углеводы, затем жиры, а потом начинает жить на запасе белков. Но фосфолипиды остаются нетронутыми, хотя их энергетическая ценность выше ценности белков или углеводов. Вероятно, сжигание даже малой части фосфолипидов вызовет такие нарушения в работе организма, что если он выживет, то это уже будет хорошо.

Из вышесказанного ясно, как фосфолипиды помогают жирорастворимым веществам проникать сквозь клеточные мембраны и как они способствуют переработке этих веществ в клетке. Но как жирорастворимые вещества путешествуют в крови?

В конце предыдущей главы я подчеркнул важность плазменных белков как средства переноса витаминов, гормонов и других веществ с одного места в другое. Но плазменные белки растворяются в воде, поэтому они должны растворяться и в плазме. Как же тогда они переносят жирорастворимые гормоны и витамины?

Так же как фосфолипиды и белки объединяются при помощи фосфорсодержащей группы в фосфолипидной молекуле для создания клеточной мембраны, обладающей двойными свойствами, так же они могут соединяться в крови, образуя молекулу двойного действия. Соединения, образованные фосфолипидами и плазменными белками, называются липопротеинами.

Растворимые в жирах вещества легко объединяются с липидной частью липопротеинов и с ними переносятся кровью. Белки же растворяются в водной части крови — плазме.

Таким образом, липопротеины, составляющие всего от 3 до 5 % плазменных белков, являются важной частью транспортной системы крови. За последние двадцать лет ученые неожиданно с испугом и восторгом обратили взор к этим веществам, о которых раньше мало знали и роль которых недооценивали.

Чтобы объяснить, почему так произошло, я должен сказать, что одним из важных веществ, растворимых в жирах, является холестерин. Молекула холестерина состоит из четырех колец атомов углерода, ко всем атомам углерода, кроме одного, присоединены исключительно атомы водорода, к одному углероду прикрепляется еще и единственная гидроксильная группа. С ее помощью холестерин может соединяться с жирной кислотой.

В организме более 200 граммов холестерина. Он частично необходим как сырье для образования половых гормонов и гормонов надпочечников, молекулярное строение которых напоминает строение холестерина. Однако для этого требуется совсем мало холестерина.

Большая его часть находится в клеточных мембранах, особенно в липидных оболочках, защищающих нервные волокна. Из-за них сухое вещество мозга (за исключением водного содержимого) на одну пятую состоит из холестерина.

Зачем там нужен холестерин и почему не подходят другие липиды, пока неясно. Однако, какая бы причина ни была, его присутствие очень важно. В крови холестерин связывается с липопротеинами плазмы.

Липопротеины можно разделить на две основные группы. Одна состоит из относительно маленьких молекул, содержащих фосфоглицериды и небольшое количество холестерина. Это альфа-липопротеины. Молекулы, принадлежащие к другой группе, более крупные, причиной больших размеров по крайней мере частично является холестерин, так как на него приходится большая часть липидной доли молекулы. Это бета-липопротеины. («Альфа» и «бета» — первые две буквы греческого алфавита.)

И наконец, мы подходим к самой драматической части. Даже липопротеины не всегда являются идеальным решением проблемы переноса жирорастворимых веществ. В процессе циркуляции крови иногда происходит «отрыв» некоторых веществ. По неизвестной причине это чаще наблюдается у мужчин, чем у женщин, причем у некоторых мужчин чаще, чем у других, причины этого также неизвестны.

Чаще всего от липопротеинов отделяется холестерин, возможно, потому, что он присутствует в крови в довольно большом количестве. После отделения плазма не в состоянии переносить его, и холестерин откладывается на внутренних оболочках кровяных сосудов, где прикрепляется к фосфолипидам. Обычно это происходит в артериях, возможно, из-за того, что в них кровь течет быстрее всего, поэтому и холестерин легко отрывается.

Когда холестерин покрывает внутреннюю поверхность артерий, он сужает их, что ведет к увеличению давления крови на этом участке сосуда. Более того, холестерин вызывает снижение эластичности артериальных стенок — еще одна опасность их разрыва под возросшим давлением. Но и это не все. Внутренняя поверхность артерии становится грубой и неровной, на ней образуются сгустки крови (о них я буду говорить в последней главе), которые могут полностью заблокировать сосуд. Это состояние называется тромбозом.

Если тромбоз происходит в коронарных артериях, питающих сердце, развивается сердечный приступ. Закупорка мелких артерий мозга приводит к голоданию какого-либо участка мозга и вызывает инсульт. В том и другом случае возможен летальный исход.

Отложение холестерина на внутренних стенках артерий называется атеросклерозом. Когда человечество при помощи вакцинации, выработки правил гигиены и антибиотиков победило инфекционные заболевания, атеросклероз стал убийцей номер один для жителей западных стран, преимущественно мужчин.

С атеросклерозом нельзя справиться, когда артерии уже заблокированы, но было бы неплохо заранее знать, кто в большей степени подвержен этой болезни, а кто меньше. Лица, принадлежащие к группе риска, могли бы принять меры предосторожности и прожить дольше. Например, они могли бы раньше снизить интенсивность физической нагрузки.

Поскольку львиную долю холестерина переносят бета-липопротеины, в группу риска могут входить люди, в чьей крови обнаруживается высокое содержание этой группы липопротеинов. Сообщалось, что в крови больных диабетом, которые более других подвержены атеросклерозу, также содержится больше бета-липопротеинов, чем у здоровых людей.

После Второй мировой войны, когда исследования ученых направлены на мирные цели, начался поиск средств, которые позволяли бы более подробно исследовать липопротеины. Были разработаны новые методы изучения этой группы соединений.

Обычно молекулы белков, хотя они и плотнее воды, не оседают в ней, как частицы песка. Сила притяжения заставляет их опуститься вниз, но, оседая, они сталкиваются с молекулами воды и белков, поэтому находятся во взвешенном состоянии. Частицы песка также сталкиваются с молекулами воды, но они настолько крупны, что слабые удары молекул не ощущают. Однако столкновения с молекулами воды имеют значение для более мелких молекул белков.

Мы могли бы заставить молекулы белка осесть на дно, если бы замедлили движение молекул воды, но это можно сделать, только охладив раствор, который замерзнет задолго до того, как движение молекул воды существенно замедлится.

Альтернативным решением будет увеличение силы тяжести молекул белка. Мы не в состоянии усилить земное притяжение, но можно создать силу, похожую на нее. Если поместить белковый раствор в маленький контейнер и начать быстро вращать его, центробежная сила будет давить на содержимое в направлении от центра вращения. Чем больше скорость вращения, тем мощнее эта сила.

В 1930-х годах шведский ученый Т. Сведберг создал центрифугу, которая могла вращаться так быстро, что создавала центробежную силу, в сотни тысяч, даже миллионы раз превосходящую силу земного притяжения. Такое устройство получило название ультрацентрифуги. (Слово «центрифуга» произошло от латинского «бегство от центра».)

В ультрацентрифуге молекулы белка, «пробираясь» сквозь молекулы, движутся от центра вращения. Происходит их оседание, или седиментация.

Скорость седиментации отдельной белковой молекулы зависит от ее размера и формы. Изучение поведения белка при ультрацентрифугировании легло в основу метода определения размера белковой молекулы.

Скорость седиментации измеряется в единицах Сведберга, названных так в честь изобретателя ультрацентрифуги, которые обычно обозначаются S_20. Число 20 означает, что температура раствора в центрифуге составляет 20 °C.

В ультрацентрифуге липопротеины ведут себя точно так же, как и обычные белки, за одним важным исключением. Обычно плотность липидов составляет от 75 до 80 % от плотности воды. Низкая плотность липидов в составе липопротеинов с избытком компенсирует повышенную плотность белков. Поэтому липопротеины легче воды, и чем больше в них липидов, тем меньше их удельная масса.

Под воздействием ультрацентробежной силы липопротеины движутся не от центра, а к центру вращения. Скорость их всплытия измеряется в отрицательных единицах Сведберга, или в единицах флотации Sf.

Плазменные липопротеины в зависимости от скорости всплытия при ультрацентрифугировании были разделены на фракции. Фракция липопротеинов, всплывающих медленнее всего (Sf 3–8), может различаться у разных людей, но у одного и того же человека она постоянная. На количество липопротеинов в этой фракции не влияет ни характер питания, ни состояние здоровья.

Самого пристального внимания заслуживает фракция Sf 12–20. Именно ее связывают с возникновением атеросклероза. Если доля липопротеинов в этой фракции у человека высока, увеличивается риск его заболевания атеросклерозом.

Возникает вопрос: можно ли снизить количество липопротеинов Sf 12–20? Существует ли какая-то особая диета? Кажется, что мы не должны употреблять холестерин вовсе, потому что именно в этой фракции холестерина содержится особенно много и именно он причиняет наибольший вред внутренней оболочке артерий. Но к сожалению, организм может легко сам вырабатывать холестерин, и даже при низкохолестериновой диете, когда из нее исключаются масло, яйца и животный жир, уровень липопротеинов фракции Sf 12–20 может сохраняться высоким.

Пока решение проблемы не найдено. Ученые интенсивно работают в этом направлении, поэтому посмотрим, что произойдет в течение нескольких следующих лет.

Глава 13

Отражение внешней опасности

Можно заставить белковые молекулы осесть в растворе и не прибегая к помощи центральной силы, о чем говорилось в предыдущей главе. Такой же результат достигается, если сделать их менее растворимыми в воде. Если вода по какой-то причине не может удерживать молекулы белка на расстоянии друг от друга, они собьются в кучу и осядут в виде мелких кристаллов, или волокнистых комочков, или желатиновой массы, в зависимости от вида белка.

Одним из способов разделения молекул белков является изменение свойств воды, в которой они растворены. Можно вскипятить воду, однако нагревание разрушит белки. Можно растворить в воде новое вещество. Молекулы воды окружат ионы или молекулы этого вещества, и тогда молекулы белка получат относительную свободу.

Для этой цели используют проверенное временем вещество — сульфат аммония, который является примером соли, хорошо растворимой в воде. Соль — это любое вещество, которое в растворе разделяется на ионы и образуется при взаимодействии щелочи и кислоты. Примером может служить обычная поваренная соль, которая и дала всей группе это название. В 100 граммах воды при комнатной температуре растворяется около 80 граммов сульфата аммония.

Сульфат аммония порциями добавляется к белковому раствору. Вероятно, что после каждого добавления будет происходить медленное осаждение белков. Если в растворе находится несколько видов протеинов, то вполне вероятно, что один из них может оказаться более растворимым, чем другой. Менее растворимая разновидность будет осаждаться при добавлении относительно малого количества сульфата аммония, которого недостаточно, чтобы вызвать осаждение более растворимых белков.

Использование сульфата аммония или других солей для осаждения белков в растворе называется высаливанием. Высаливание, производимое добавлением соли порциями для разделения белков в растворе на более и менее растворимые, называется солевым фракционированием.

Еще в начале XX века методом солевого фракционирования было установлено, что существует две большие группы плазменных белков. Одна группа осаждалась, когда плазма насыщалась сульфатом аммония наполовину (полунасыщенный раствор). Это были плазменные глобулины. Если отфильтровать осажденный глобулин и добавить к прозрачному фильтрату сульфат аммония до получения насыщенного раствора, оставшийся белок оседал на дно. Это был плазменный альбумин.

В каждых 100 миллилитрах плазмы крови содержится около 6 граммов белков. Из них 2,5 грамма приходится на плазменные глобулины и около 3,5 грамма — на плазменные альбумины.

Молекулы альбуминов меньше молекул глобулинов. В среднем их молекулярная масса равна 69 000 — чуть тяжелее молекулы гемоглобина. Молекулы глобулинов имеют разный размер, и их средняя молекулярная масса — 200 000.

Поскольку молекулы глобулина в три раза больше молекул альбумина, 1 грамм альбумина содержит в три раза больше молекул, чем 1 грамм глобулина. Так как пропорция их в плазме составляет 5 к 7, значит, примерно четыре из пяти молекул плазменных белков представлены альбумином.

Осмотическое давление, описанное в главе 10, зависит от количества белковых молекул в плазме, а не от массы индивидуальных молекул. Следовательно, плазменный альбумин ответствен за 80 % осмотического давления. Альбумин высушивают, измельчают в порошок и запечатывают в контейнеры, после чего его можно использовать, добавив минералы и воду.

Альбумин также обеспечивает львиную долю питательной ценности плазменных белков и является средством транспортировки для более мелких молекул. Однако было бы ошибочно недооценивать глобулины. Они также обладают весьма полезными свойствами.

Осаждение сульфатом аммония является довольно грубым методом разделения, и для выделения плазменных белков разработали лучшие методы.

О двух основных я уже упоминал ранее. Один из них — фракционирование при помощи спирта — метод Кона, о котором говорилось в конце главы 11. Второй — электрофорез, упоминавшийся в связи с аномальными разновидностями гемоглобина в главе 7.

Электрофорез белков плазмы — распространенный в наше время метод. Когда плазменные белки разделяются в результате различных скоростей движения в электрическом поле, самым быстродвигающимся оказывается альбумин. Он отделяется почти сразу.

Однако плазменные глобулины состоят из нескольких типов молекул, поэтому под воздействием электрического поля они разделяются на группы. Существует три основные подгруппы глобулинов: альфа-глобулины, бета-глобулины и гамма-глобулины — альфа-глобулины двигаются быстрее всех, бета- чуть медленнее, а гамма- самые медленные. («Гамма» — это третья буква греческого алфавита.)

Каждая из этих групп, в свою очередь, состоит из разных типов молекул, и длительный электрофорез может разделить группы альфа- и бета- на подгруппы. Поэтому мы можем говорить о двух разновидностях альфа-глобулинов: альфа_1- и альфа_2-.

Однако самого пристального внимания заслуживают гамма-глобулины. В каждых 100 миллилитрах плазмы содержится 0,66 грамма гамма-глобулинов, которые составляют всего 11 % от веса всех плазменных протеинов. Тем не менее они особенно важны.

Например, при многих инфекциях количество гамма-глобулинов в крови существенно возрастает. Это было замечено еще до того, как электрофорез создал основу для разделения глобулинов на группы альфа-, бета- и гамма-.

Когда белки плазмы разделяли только на глобулины и альбумин, речь шла о соотношении А/Г, то есть соотношении массы альбумина и массы глобулинов в крови. Например, если в 100 миллилитрах нормальной плазмы содержится 3^1/2 грамма альбумина и 2^1/2 грамма глобулина, тогда нормальное соотношение А/Г будет равно 1,4.

При многих инфекциях этот показатель снижается. Теперь мы знаем, что это происходит потому, что возрастает количество гамма-глобулинов. Если в 100 миллилитрах плазмы содержится 3 грамма глобулина, то соотношение А/Г становится равным 1,17.

В эпоху зарождения методов фракционирования белков плазмы ученые надеялись, что соотношение А/Г поможет ставить диагноз. К сожалению, уровень глобулина поднимается в результате стольких причин (а уровень альбумина может снижаться, что также изменит соотношение А/Г), что показатель А/Г не оказался сколько-нибудь полезным для диагностики.

Позже, когда электрофорез стал привычным делом, у ученых вновь появилась надежда. Возможно, точный способ, которым плазма заменяется на альбумин и разные виды глобулинов, будет отличаться у здоровых и больных людей. Возможно, у каждой болезни будет своя «электрофоретическая картина». Другими словами, кровь в таком случае можно будет рассматривать как своего рода «отпечаток пальца» для определения состояния здоровья.

Но и эта надежда также не оправдалась. При некоторых условиях изменения могут быть заметны (обычно происходит увеличение количества гамма-глобулинов), но в целом даже при болезни кровь сохраняет свои обычные свойства.

Но вернемся к гамма-глобулинам.

Еще одним указанием на важность этой части плазменных белков является история отдельных детей (по странному стечению обстоятельств все они мужского пола), которые с самого рождения не в состоянии вырабатывать гамма-глобулин. Такие дети часто страдают от бактериальных инфекций и без лечения могут умереть в раннем возрасте. В эпоху антибиотиков шанс выжить возрастает, но лекарства должны быть все время под рукой.

Очевидно, что гамма-глобулины имеют отношение к защите организма от инфекций. В их состав входят белковые молекулы, так называемые антитела, поэтому наступило время поподробнее рассмотреть взаимоотношения антител и инфекций.

Жизнь — это безжалостная борьба. Животные поедают друг друга, или их жертвой становятся беззащитные растения. Но зеленые растения, сами вырабатывающие для себя пищу и не нападающие на своих собратьев, тоже далеко не так безобидны. Они с ожесточением борются за солнце и воду. Одуванчик не питается травой, но все равно губит ее.

Любое живое существо или растение, которому удалось избежать голодных врагов и дожить до естественной смерти, вызванной физическими или химическими нарушениями в работе организма, затем поглощается падальщиками и бактериями.

Микроорганизмы — самые прожорливые живые существа в мире, и тот, кому посчастливилось избежать хищников, не сумеет избежать их. Для того чтобы питаться, им необязательно нужен мертвый организм. Бактерии живут в наших тканях, за чужой счет обеспечивая себе существование. В наших клетках живут вирусы. Существование одного организма за счет другого живого организма называется паразитизмом.

Нам это явление кажется непристойным, но, очевидно, такой образ жизни очень действенный, поскольку некоторые животные и растения, а не только микроорганизмы выбрали именно его. В какой-то мере мы не должны слишком строго судить их, поскольку тоже паразитируем за счет стад скота и полей зерновых. Несомненно, если бы домашний скот и растения могли думать, они бы тоже сочли людей отвратительными.

Существуют микроорганизмы, жаждущие питаться именно нами, поэтому мы должны как-то от них защищаться. Учитывая, что они окружают нас повсюду, что они множатся с невероятной быстротой и в любое время готовы напасть на нас, можно сказать, что нам крупно не повезло.

Первой линией защиты служит наша кожа. Она довольно непроницаема для бактерий, и мы можем чувствовать себя в безопасности, если кожа не повреждена. Но это не стопроцентная гарантия. Некоторые черви-паразиты приспособились проникать и под здоровую кожу.

В нашей броне есть и уязвимые места. Слизистые оболочки глаз и носа, рта и горла тоньше кожи, и их защитное действие не столь эффективно. Доказательствами этого могут служить частые инфекционные заболевания носа и горла. Иногда целостность кожного покрова нарушается, и даже маленькая царапина может привести к смертельно опасному заражению микробами.

Хотя кожа и является превосходным барьером, мы не можем на нее полностью полагаться. Необходима вторая линия защиты — от микроорганизмов, которым удалось проникнуть через кожу. Эта линия защиты находится в крови.

В главе 3 я перечислил три типа форменных элементов в крови: эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Однако я говорил только об эритроцитах и ни разу не упомянул о двух других типах клеток. Теперь пришло время обратиться к лейкоцитам — второй линии обороны против инфекции.

Слово «лейкоцит» происходит от греческих слов «белая клетка», и это действительно их второе название. Лейкоциты имеют цвет, обычный для всех клеток, и называются «белыми», чтобы отличать их от красных клеток. Они имеют обычный размер и ядро, в отличие от красных клеток.

Белых клеток намного меньше, чем красных; всего около 7000 на каждый кубический миллиметр крови по сравнению с 4–5 миллионами красных клеток, так что их пропорция составляет 1:650. Однако во всем организме лейкоцитов достаточно много: около 75 000 000 000 у среднего человека.

Лейкоциты можно разделить на несколько разновидностей, которые отличаются друг от друга размером и формой ядра. Одна разновидность — полиморфоядерные лейкоциты — составляет примерно три пятые части всех лейкоцитов. Как и красные клетки, они образуются в костном мозге. Первоначальными стадиями являются миелобласты и миелоциты. Полиморфоядерные лейкоциты особенно интересны тем, что двигаются подобно одноклеточным амебам. Из клетки выпячивается бугорок в том направлении, куда она хочет двигаться, и клеточная жидкость перетекает в этот бугорок. Затем появляется другой и так далее.

Кажется, что лейкоциты живут самостоятельной жизнью: они передвигаются по стенкам кровеносных сосудов и проходят даже сквозь стенки капилляров, протискиваясь между клетками, из которых состоят капилляры. Могло бы показаться, что лейкоциты наводняют наш организм, как микробы, если бы не знали, на чьей стороне они находятся.

Лейкоцит показывает свое истинное лицо при встрече с настоящим микробом, которому удалось проникнуть через кожу. Лейкоцит поглощает микроб и переваривает его. Этот процесс называется фагоцитозом (от греческих слов «поедание клеток»).

Когда микробы попадают в организм через повреждения на коже, кровеносные сосуды расслабляются таким образом, что к месту вторжения чужака приливает больше крови. С током крови туда попадают и белые клетки. Лейкоциты, находящиеся поблизости, самостоятельно подтягиваются к месту сражения и вступают в битву. Возникает воспаление и отек, а повышенное давление жидкости вызывает боль, и все эти симптомы развиваются вследствие мобилизации защитных сил организма, а не из-за вторжения в него микробов.

Борьба часто бывает ожесточенной, и белые клетки не всегда выходят победителями. Если бактерий значительно больше, лейкоциты погибают. Погибшие клетки скапливаются в очаге инфекции в виде гноя.

Бактерии, уничтожившие белые клетки на месте своего непосредственного вторжения и попавшие в кровь, задерживаются в лимфатических узлах — крупных образованиях, встречающихся на всем протяжении лимфатической системы. Способные к фагоцитозу белые клетки проникают в эти узлы, и опять начинается битва. Лимфатические узлы опухают и становятся болезненными при надавливании, так же как и первоначальное место попадания инфекции. Именно по этой причине одним из признаков наличия инфекции в горле являются опухшие «железы» под нижней челюстью. Это не железы, это ближайшие к месту вторжения инфекции лимфатические узлы.

Если белые клетки можно представить как армию, защищающую организм от чужеродных захватчиков, то эту метафору можно расширить. Иногда армия выходит из повиновения и начинает представлять опасность для тех, кого она должна была защищать.

Это случается, когда костный мозг, вырабатывающий белые клетки, выходит из-под контроля и начинает избыточное производство полиморфоядерных лейкоцитов. Это происходит, когда ткань лимфатических узлов выходит из повиновения и начинает вырабатывать слишком много лимфоцитов, также являющихся разновидностью белых клеток. Лимфоциты образуются в лимфатических узлах, и поэтому они находятся в лимфе. В любом случае незрелые белые клетки заполняют кровь, и их число иногда достигает 100 000 или 1 000 000 клеток на кубический миллиметр, то есть в 15–150 раз больше нормального значения. Число других форменных элементов крови уменьшается, так что возникают анемия и частые кровотечения. (Связь между форменными элементами крови и кровотечениями будет рассмотрена в следующей главе.) В конце концов анемия приводит к смерти, что может произойти как почти сразу же, так и через несколько лет.

Эта форма анемии называется лейкемией (от греческих слов, означающих «белая кровь» или «слишком много белых клеток в крови»). Поскольку лейкемия является результатом неконтролируемого роста, то есть длительного формирования ненужных новых белых клеток, ее можно отнести к группе болезней под общим названием «рак». Лейкемию, действительно, часто называют раком крови.

Причины возникновения и способы лечения лейкемии, так же как и других видов рака, неизвестны. Существует много лекарств, которые оказывают благотворный эффект на многих больных, но до полного исцеления еще далеко.

За белыми клетками есть и третья линия защиты.

При проникновении в организм чужеродных тел, например бактерий или вирусов, органы, вырабатывающие белые клетки, — костный мозг, лимфатические узлы и так далее — начинают, кроме этого, вырабатывать и особые белки. В лимфатических узлах образуются плазменные глобулины (возможно, они образуются лимфоцитами).

Эти белки вступают во взаимодействие с группами атомов, расположенными на поверхности бактериальных клеток или вирусов.

Это возможно благодаря количеству и разнообразию боковых групп аминокислот, входящих в состав молекулы белка. Аминокислоты могут быть расположены таким образом, что боковые группы «вписываются» в поверхность бактерии. Точная природа такого совпадения пока неизвестна. Возможно, оно имеет механический характер, то есть часть аминокислотной цепи белка изгибается вовнутрь, тогда как молекулы бактериальной оболочки выпячиваются наружу, или наоборот. Если это справедливо, то группы атомов белка тесно соприкасаются с атомами бактериальной оболочки в местах ее неровности.

Атомы, подошедшие друг к другу на расстояние своего диаметра, притягиваются слабыми силами (силами Ван дер Ваальса, по имени физика и химика, который впервые предположил их существование в своих теориях, посвященных поведению молекул газа). Когда атомы белка близко подходят к атомам чужеродного тела, силы Ван дер Ваальса вступают в действие и начинают притягивать обе молекулы друг к другу. Однако для полного их объединения этих сил не хватает. Сочетание зависит от полного соответствия форм молекул.

Альтернативным решением может быть использование некоторыми белками электрических зарядов. Некоторые боковые группы аминокислот несут отрицательный заряд, а другие — положительный. Необходимо создать белок, являющийся зеркальным отражением участка на оболочке бактерии. Там, где у бактерии отрицательный заряд, у белка — положительный, и наоборот. Отрицательные заряды притягивают положительные, и, когда белок попадает в нужное место на поверхности бактериальной клетки, он плотно прикрепляется к ней под воздействием сил притяжения зарядов. Прочность соединения зависит от степени соответствия противоположных зарядов.

В любом случае бактерия служит макетом для создания различных белков. Бактерия, вирус или любая молекула, стимулирующая такое поведение белков и действующая как макет, называется антигеном. Образующийся в ответ белок называется антителом.

Сначала антитела образуются медленно, но примерно через шесть дней их количество заметно увеличивается, и они попадают в кровь. Это можно сравнить с автомобильным заводом, выпускающим новую модель. Сначала он работал медленно, оснащая и переоборудуя автомобиль, а потом начал массовое производство.

Антитела начинают вступать в схватку с антигенами. В результате какой-то участок на поверхности оболочки бактерии или вируса окажется закрытым, и это может серьезно помешать их деятельности. Для сравнения приведем такой пример: допустим, у пианиста на руках внезапно окажутся боксерские перчатки, которые он не может снять.

С бактерией, несущей на себе антитело, может произойти целый ряд неприятностей. Она может тут же погибнуть и подвергнуться расщеплению. Или она приобретает «клейкие» свойства и «склеивается» с другими бактериями, образуя беспомощную массу. Она может просто потерять способность бороться с белой клеткой. Во всех этих случаях бактерия не в состоянии атаковать белые клетки.

Иногда опасна не столько сама бактерия, сколько выделяемые ею ядовитые вещества — токсины. Они могут также действовать как антигены, а антитела либо осаждают их в растворе, либо нейтрализуют их вредные качества.

Как только образуются антитела, они тут же на неопределенный промежуток времени попадают в кровь. Гамма-глобулиновая часть плазмы почти полностью состоит из различных антител. Это собрание «боевых шрамов», полученных организмом в войнах с инфекциями. Именно поэтому биохимики особенно интересуются гамма-глобулинами.

Постоянное присутствие антител обусловливает наличие иммунитета — способности противостоять инфекции. Например, у ребенка, больного ветряной оспой, в процессе выздоровления образуются антитела. Какая-то их часть остается в организме навсегда. Если позднее произойдет попытка вторжения вируса ветряной оспы, антитела будут наготове, и вирус не сможет проникнуть в организм, а если проникнет, то тут же погибнет.

Такой иммунитет обычно является признаком постоянного наличия антигенов (бактериальных или вирусных) в организме, в количестве, достаточном для выработки антител, но не способном вызывать болезнь. Если бы бактерии или вирусы полностью покинули наш организм, антитела постепенно бы совсем исчезли (ни один белок крови не существует вечно) и без стимуляции антигенами мы бы лишились иммунитета.

Поэтому присутствие в организме микробов, даже вызывающих болезни, необходимо. Наш иммунитет — полезная вещь даже для самих микробов. Чтобы паразит выжил, он не должен убивать хозяина, то есть организм, в котором он поселился. Очевидно, что мертвый хозяин уже не в состоянии кормить паразитов.

В идеале в организме должно быть достаточно небольшое количество бактерий или вирусов, чтобы хозяин совершенно не ощущал их присутствия. Им обеспечено пропитание, а хозяин приобретает иммунитет против серьезных инфекций. Это обоюдная адаптация хозяина и паразитов друг к другу.

Примером таких взаимоотношений служит вирус, вызывающий герпес. Многие из нас инфицированы им, даже не сознавая этого. Только временами, когда мы простужаемся и заболеваем, защитные силы организма активизируются и вступают в борьбу с инфекцией, и тогда вирус герпеса, от которого они «отвлеклись», начинает размножаться с невероятной быстротой. На губах появляются высыпания, появляется зуд. Поэтому адаптация хозяина и паразита далека от идеальной, и в очень редких случаях вирус может привести даже к смертельному исходу.

Болезни вызывают гибель тех людей, у которых нарушены взаимоотношения организма и паразитов. Это плохо как для нас, так и для самих паразитов. За многие столетия инфекционные заболевания стали протекать слабее.

К сожалению, постоянно появляются новые болезни. Когда-то шли споры о том, что полиомиелит тоже относительно новое заболевание. И до сих пор неизвестно, как вирус «узнает», что можно использовать в качестве хозяина именно этого человека.

Конечно, микробы все время видоизменяются, с каждым поколением вырабатывая все новые качества и свойства. У некоторых это происходит быстрее, чем других, и тогда у больных, инфицированных такими микроорганизмами, не возникает постоянного иммунитета.

Например, простуда и грипп отличаются тем, что на протяжении столетий постоянно поражают людей. Вирусы изменяются из поколения в поколение, и эти изменения называются мутациями.

Антитела, связывающиеся с антигенами, должны прикрепляться к ним прочно. Это означает, что они специфические и поэтому не будут связываться с другим антигеном, так же как ключ не войдет в чужой замок. Антитело, подходящее к определенному вирусу, может не подойти к его мутированной форме. Именно по этой причине антитела для защиты от гриппа и простуды нас постоянно подводят.

Иногда мутированный вирус становится особенно заразным или заболевание, которое он вызывает, становится особенно опасным. Тогда разражается эпидемия, и вирусное заболевание охватывает все население, у которого нет необходимых антител к новой разновидности вируса. Эпидемия гриппа в 1918 году произошла по вине именно такого вируса. То же самое можно сказать и о менее смертельной эпидемии азиатского гриппа в 1957 году.

Мутации вирусов или бактерий иногда приводят к появлению особой разновидности или штамма, которая не реагирует на введение антибиотика. Антибиотик убивает обычные немутированные микроорганизмы, а устойчивые вирусы продолжают размножаться. Поэтому врачи постоянно сталкиваются с уменьшающейся эффективностью антибиотиков, а биохимики все время изобретают новые. (По этой же причине инсектициды с годами теряют свое воздействие, теперь рождаются, например, мухи, устойчивые к ДДТ.)

Было бы хорошо, если бы нам не приходилось ждать, пока организм выработает свои антитела. Зачем болеть целую неделю, рискуя жизнью, если за это время микробы только укрепят свои позиции?

Из этого положения есть несколько выходов. Например, у людей, переболевших корью, вырабатываются антитела. Если такие люди сдают кровь и из нее выделяется гамма-глобулин, получается концентрированная форма антитела кори. Если корью заболевает ребенок, ему можно сделать инъекцию этого антитела.

Можно ввести столько антител, чтобы совершенно лишить вирус кори возможности поселиться в организме. Однако это, как я уже объяснял, не очень хорошо для самого человека. Чужеродные антитела, вводимые в кровь ребенка, довольно быстро покидают его организм, и ребенок опять становится уязвимым для кори.

Идеально было бы ввести ребенку столько антител, чтобы он переболел корью в слабой форме, но чтобы все-таки переболел обязательно. Такая болезнь не принесет ребенку вреда, но в крови будет циркулировать достаточное количество вирусов для стимуляции организма ребенка, направленной на выработку собственных антител. У ребенка разовьется иммунитет.

Можно направленно провоцировать выработку антител в организме животных. Например, лошади можно ввести инъекцию небольшого количества токсина, вырабатываемого бациллами дифтерии. В организме лошади образуется нейтрализующий антитоксин. Его можно получить, периодически забирая у лошади кровь и выделяя из нее гамма-глобулины. Затем такой антитоксин можно использовать для предотвращения дифтерии у людей. Но лучше всего, чтобы в организме больного выработались собственные антитела.

Иногда можно воспользоваться тем, что специфичность антител не идеальна. Например, Эдвард Дженнер придумал вакцинацию против оспы, намеренно вводя в организм людей вирус более слабой коровьей оспы. Препарат вируса, вызывающего коровью оспу, называли вакциной (от латинского слова «корова»). Этот вирус почти не причиняет человеку вреда, хотя его структура настолько близка к вирусу человеческой оспы, что антитела действуют против обоих типов вирусов. Поэтому у людей, перенесших коровью оспу, вырабатывается иммунитет и к более опасной оспе человека.

Но не у каждой болезни есть такой удобный «младший брат». Хорошо бы научиться самим создавать их.

Представьте себе вирус с участком на поверхности, к которому прикрепляется антитело. Допустим, на его поверхности вируса есть также и другой участок, который определяет степень опасности вируса («участок опасности»). У вируса оспы человека и коровы могут быть одинаковые участки для связывания антитела, но разные «участки опасности».

Если мы возьмем вирус оспы человека и подвергнем его химической обработке, в результате изменится участок опасности, но сохранится участок связывания антитела. В результате мы создадим вирус оспы коровы из вируса оспы человека.

Это может быть сделано более или менее наугад. То есть вирус обрабатывается химическим веществом в течение разного периода времени и при разных условиях. Каждый модифицированный вирус затем вводится в организм животного. Если животное не заболевает, значит, «участок опасности» удалось убрать. Но возникает другой вопрос: исчез ли вместе с ним и участок связывания антитела? Чтобы ответить на него, животному надо ввести исходный вирус. Если оно опять не заболеет, значит, у него выработался иммунитет, и участок антитела не был поврежден.

В результате подобных экспериментов Джонас Залк создал модифицированный вирус, который не вызывает полиомиелит, по инициирует выработку антител, эффективных против природного вируса полиомиелита. Таким образом, вакцина Залка (модифицированные вирусы всегда по традиции называются вакциной) способна предотвратить заболевание полиомиелитом так же, как коровья вакцина практически уничтожила оспу.

Токсин, вырабатываемый столбнячной палочкой, можно преобразовать в неядовитый, сохранив его способность стимулировать выработку антител против столбнячной палочки. Такие модифицированные токсины называются токсоидами.

Кажется, что образование антител в организме — очень полезный процесс. Однако организм использует их в борьбе с чужеродными белками, которые могут не представлять столь серьезной опасности, как вирусы или бактерии. Иногда защитные силы организма могут быть намного опаснее чужеродного белка.

Если чужеродный белок (сам по себе безобидный) ввести в кровь животного, у него образуются антитела к этому белку. Животное становится гиперчувствительным к этому белку, или, как говорят, сенситизированным. При определенных условиях вторая инъекция того же белка может вызвать бурную реакцию или даже гибель животного (анафилактический шок).

Иногда анафилактический шок развивается у людей, которые получают инъекции сыворотки животных (об этом я говорил, описывая способ получения дифтерийного антитоксина). В такой сыворотке содержатся белки, чуждые организму, и, хотя некоторые из них могут помочь и даже спасти жизнь, организм автоматически начинает обороняться. Если у него вырабатывается гиперчувствительность к этим белкам, следующая инъекция может вызвать лихорадку, сыпь, зуд, отеки. Это сывороточная болезнь.

К счастью, инсулин является плохим антигеном. Обычно он не стимулирует выработку антител. Хотя в очень редких случаях у больных могут выработаться антитела и развиться гиперчувствительность к инсулину. Это серьезно, потому что инсулин необходим для поддержания здоровья. Решением обычно является переход от инсулина, выработанного из поджелудочной железы коровы, к инсулину свиньи. Эти два вида инсулина несколько отличаются друг от друга, и, хотя оба с равным успехом борются с диабетом, антитела одного из них не действуют на другой.

Подобные неприятности из-за слишком усердной работы защитного механизма еще можно считать незначительными. Относительно небольшому количеству людей необходимо постоянно вводить одно и то же чужеродное вещество. В этом смысле все остальные находятся в безопасности.

Однако такая безопасность кажущаяся. Каждый рискует выработать чувствительность к какому-либо чужеродному протеину. Почему это происходит, пока неясно.

Существует мнение, что иногда почти полностью непереработанным протеинам удается пройти сквозь слизистую оболочку рта и кишечника и попасть в кровь. Тогда весьма вероятно, что против них начнут вырабатываться антитела. Возможно, у некоторых людей антитела вырабатываются быстрее, чем у других, поэтому, если молочные белки в мизерных количествах попадут в кровь, у одного человека могут появиться к ним антитела, у другого — нет.

В любом случае те несчастные, в организме которых вырабатываются антитела на любой совершенно безобидный белок, случайно попавший туда пусть даже и в ничтожном количестве, страдают от ряда неприятных симптомов, впоследствии сталкиваясь с этим белком. У них появляется насморк, зуд, развиваются затрудненность дыхания, отеки, возникает крапивница и так далее. Разные люди реагируют по-разному, а описанные симптомы являются симптомами аллергии.

Одной из самых распространенных форм аллергии является аллергия на пыльцу некоторых растений, которая во время цветения попадает в атмосферу. Обычно эта разновидность аллергии называется сенной лихорадкой. Аллергия на некоторые белки вынуждает страдальцев особенно тщательно следить за своим питанием. Возможна аллергия на кошачью шерсть, тогда человек не может находиться рядом с кошкой, зато он безошибочно отличит норковую шубу от шубы из кошки, крашенной под норку.

Первым шагом в лечении аллергии является точное выяснение, что именно ее вызывает, а иногда это сделать весьма нелегко.

Хотя организм миллионы раз демонстрирует свою способность действовать очень «целесообразно», аллергия является одним из драматических доказательств того, что он способен ошибаться в определении цели действия. И за эти ошибки расплачивается дорогой ценой.

Глава 14

«Твердая» кровь

Кровь уникальна тем, что это жидкая ткань. Это дает ей ряд преимуществ, которые уже обсуждались ранее. Однако у жидкости есть и один большой недостаток. Она может проливаться.

Это становится ясно, если повреждается большой кровеносный сосуд, особенно артерия. Кровь не просто вытекает из артерии, а выбрасывается с огромной силой. Чтобы остановить кровотечение, необходимо пережать артерию, например при помощи жгута, до тех пор пока организм не исправит повреждение.

То, что организм в состоянии исправить повреждение, очевидно. Мы постоянно режем, царапаем, ударяем и наносим сотни других повреждений своей коже, в результате чего мелкие сосуды разрываются и начинается кровотечение. Обычно оно не доставляет нам неприятностей. Мы промываем рану, наносим антисептическое средство, чтобы избежать заражения, но совершенно не думаем о потере крови. По опыту мы знаем, что вскоре кровь перестанет течь и свернется, место повреждения покроется корочкой, которая со временем отпадет, и под ней будет новая, неповрежденная кожа.

Что происходит после повреждения сосудов?

Они сначала расширяются, чтобы кровь могла проходить по ним свободнее. Начинается активное кровотечение. Это совсем не так страшно и даже полезно, поскольку кровь вымывает грязь и микроорганизмы, которые могли попасть в ткани через царапину или порез.

Через короткое время сосуды вновь сокращаются, и кровотечение уменьшается. Начинает образовываться сгусток крови.

Примерно через тридцать минут — два часа сосуды снова расширяются, поэтому к поврежденному участку кожи приливает больше крови, и начинается восстановление ткани. (В этом процессе могут участвовать некоторые виды белых клеток крови.) Расширение сосудов не означает, что кровотечение возобновится вновь, поскольку к этому времени сгусток крови перекрывает повреждение в стенке сосуда.

Кровяной сгусток состоит в основном из элементов крови, объединенных сетью белковых волокон. Волокна составляют всего 1 % сгустка, но роль их велика. Не будь белковых волокон, кровь бы текла постоянно.

Белок, из которого состоят волокна, носит название фибрин. Очевидно, что в циркулирующей крови фибрина нет. Если бы он был, красные клетки запутались бы в нем, и кровообращение, а следовательно, жизнь стали бы невозможны. Но в крови должно быть какое-то вещество, которое при контакте с воздухом или при повреждении кровеносного сосуда становится фибрином.

Этим веществом является белок плазмы крови, носящий название фибриноген («дающий жизнь фибрину»). При электрофорезе фибриноген располагается между гамма-глобулином и бета-глобулином. Физически он отличается от других белков плазмы тем, что его молекула особенно длинная и тонкая. (Большинство молекул белков имеют форму сигары, но фибриноген длиннее и тоньше других.)

С химической точки зрения у фибриногена есть одно важное свойство. При определенных условиях небольшая часть молекулы фибриногена может отделиться. Эта часть, составляющая менее 1 % от целой молекулы, называется фибринопептидом. После отделения фибринопептида атомы выстраиваются таким образом, что соседние молекулы фибриногена прочно соединяются между собой. (Подобное происходит, если снять защитную бумажную полоску с пластыря. Открытая поверхность липкая, а сама бумага — нет.) В результате соединения молекул фибриногена, происходящего почти сразу же после удаления фибринопептида, образуется бесконечно длинная молекула фибрина. Именно эти молекулы составляют каркас кровяного сгустка.

Если у животного или человека взять цельную кровь и оставить ее на какое-то время, она свернется. Фибриноген превратится в фибрин и соединит все форменные элементы крови. Через некоторое время из сгустка выделится жидкость желтого цвета. Это обычная плазма, в которой не хватает только фибриногена. Обычно ее называют сывороткой крови.

С плазмой работать довольно сложно, поскольку фибриноген легко свертывается. Проще удалить фибриноген и работать с сывороткой. По этой причине плазменные белки — альбумин, глобулин и другие — как правило, называют сывороточными белками.

Должен существовать какой-то механизм, который быстро превращает фибриноген в фибрин. Это происходит при помощи фермента. Сам фибриноген может избавляться от фибринопептида и превращаться в фибрин очень медленно. В присутствии фермента переход фибриногена в фибрин ускоряется. Этот фермент носит название тромбина (от греческого слова «сгусток»).

Очевидно, когда сосуд поврежден и начинается кровотечение, появляется тромбин, и фибриноген, который до этого мирно циркулировал в организме, быстро превращается в фибрин.

Я сказал «появляется тромбин», потому что кажется вполне логичным, что до ранения в крови его просто не было. Если бы он там был, то постоянно превращал бы фибриноген в фибрин, что могло привести к смерти. В крови должно быть какое-то вещество, неактивное, которое в нужный момент превращается в активный тромбин. Ученые называют такое вещество неактивным предшественником. (Фибриноген — неактивный предшественник фибрина.)

Неактивным предшественником тромбина в плазме является протромбин.

Получается, что мы сделали еще один шаг назад. Что в критический момент превращает протромбин в тромбин? Одними из необходимых для этого веществ являются ионы кальция. Никакие другие ионы не подходят, поэтому о замене речь не идет. Ионы кальция всегда находятся в плазме и всегда в нужном количестве. Концентрация ионов кальция в крови строго контролируется, потому что снижение ее даже на 10 % будет смертельно. От кальция зависит деятельность мышц, в том числе и сердца.

С другой стороны, одних ионов кальция недостаточно. Нужно что-то еще, и этим «что-то» является белок под названием тромбопластин. Это фермент, ускоряющий удаление фрагмента молекулы протромбина и превращающий его таким образом в тромбин. Другими словами, тромбопластин освобождает активную группу атомов тромбина так же, как тромбин освобождает активную группу атомов фибриногена.

Этот процесс напоминает бесконечное кружение на карусели, поскольку очевидно, что тромбопластин также не может находиться в крови. Если бы это было так, он превращал бы протромбин в тромбин, тромбин превращал фибриноген в фибрин, и тогда жизнь была бы невозможна.

Вместо тромбопластина, в крови и тканях находятся несколько его неактивных предшественников. Некоторые из них необходимы для образования тромбопластина, и все они носят общее название тромбопластиногены.

Должно быть что-то, что превращало бы тромбопластиноген в тромбопластин, то есть в крови опять должно присутствовать некое активное вещество. Другими словами, в этом бесконечном круговороте мы продолжаем удаляться от исходной точки все дальше.

Но на этом круговорот заканчивается. Вещество, ускоряющее процесс превращения тромбопластиногена в тромбопластин, находится в крови в активном виде. Как же предотвращается образование сгустков в текущей крови? Необходимое вещество имеется, но оно надежно спрятано в маленьких контейнерах.

Эти контейнеры представляют собой третью группу форменных элементов крови, упомянутых в главе 3. Они называются тромбоцитами («клетками свертывания»). Они самые маленькие из всех клеток: всего от 2 до 4 микронов в диаметре по сравнению с 7,5 микрона у красных клеток, которые тоже меньше обычных клеток.

Тромбоциты нельзя назвать полноценными клетками, они еще дальше от них, чем эритроциты. Тромбоциты образуются в костном мозге, как и красные клетки, из особых больших клеток — мегакариоцитов. Через неделю после образования мегакариоцита его цитоплазма начинает расщепляться и делиться на множество мелких тромбоцитов. Согласно результатам исследований, проведенных с помощью изотопов, продолжительность жизни тромбоцитов человека составляет от 8 до 10 дней.

Это и есть законченная цепь. При повреждении сосуда кровь вытекает из него. Довольно хрупкие тромбоциты (в одном кубическом миллиметре крови их 250 000) расщепляются. Вещество, содержащееся в нем, превращает тромбопластиноген в тромбопластин; тромбопластин и ионы кальция превращают протромбин в тромбин; тромбин превращает фибриноген в фибрин, в результате образуется сгусток. Возможно, этот путь покажется слишком длинным и извилистым, но биохимики постоянно находят все новые и новые вещества, принимающие участие в свертывании крови. Они называют вещества, участвующие в свертывании крови, факторами свертывания крови, обозначая их в порядке открытия римскими цифрами. Вещества, о которых я уже говорил, — это главные факторы. Таким образом, фибриноген — это I фактор свертывания, протромбин — II фактор свертывания, тромбопластин — III фактор свертывания, ионы кальция — IV фактор свертывания. Кроме того, среди глобулинов плазмы существуют различные белки, принадлежащие к группе тромбопластиногенов, которые помогают ускорять тот или иной этап. В настоящее время известно по крайней мере двенадцать факторов.

Что касается сложности системы свертывания крови, то ее причина неясна. Очевидно, что у крови непростая задача: она должна образовывать сгустки, как только соприкоснется с воздухом, однако не допускать образования сгустков в организме.

Если тромбоциты столь хрупки, что расщепляются при соприкосновении с воздухом, то они не в состоянии выдержать постоянного столкновения со стенками сосудов. Считается, что средняя продолжительность жизни тромбоцита не превышает 3–5 дней. Сложная система свертывания крови не должна допускать сбоев, вроде разрушения тромбоцитов в организме. Как именно это происходит, нам неизвестно, но мы знаем, что иногда в кровеносных сосудах образуются сгустки крови, особенно в том случае, если их стенки грубые, как при атеросклерозе, и тромбоциты в таких сосудах быстрее разрушаются. Это случается нечасто, и препятствует этому именно механизм свертывания крови.

Конечно, недостаток или полное отсутствие любого из факторов свертывания крови нарушает процесс свертывания, приводя к продолжительным кровотечениям при повреждении тканей. Это происходит, когда человек рождается с недостатком в организме фибриногена или протромбина. В этом случае время свертывания крови удлиняется, иногда до критических значений. Поскольку фибриноген образуется в печени, серьезные заболевания этого органа могут стать причиной снижения уровня фибриногена в крови и привести к кровотечениям. Бывают случаи, когда тромбоцитов в крови недостаточно (или от рождения, или в результате лейкемии, когда образуется много лейкоцитов) или, что еще хуже, они слишком прочные и не разрушаются при соприкосновении с воздухом. Поэтому образование сгустка крови оттягивается.

Самым известным заболеванием такого рода является гемофилия (от греческих слов «любовь к крови»). У страдающих этим недугом в результате даже незначительных травм происходят кровотечения, и они могут умереть даже от царапины, не говоря уже об удалении зуба, которое не должно происходить без серьезной подготовки.

Гемофилия является результатом унаследованной неспособности организма к образованию антигемофилического глобулина, который также носит название VIII фактора свертывания крови. Это один из главных компонентов тромбопластиногена. Без него тромбоциты даже при разрушении не могут выполнять свои функции.

Отсутствие других компонентов из группы тромбопластиногенов вызывает другие болезни, сходные с гемофилией. В наше время выявлено целое семейство таких заболеваний. Обычная гемофилия называется классической гемофилией, или гемофилией А. Другой относительно хорошо изученной разновидностью является гемофилия В, возникающая в результате отсутствия X фактора свертывания крови.

Этот фактор носит название плазменного компонента тромбопластина. Он находится в бета-глобулиновой фракции белков плазмы.

По странному стечению обстоятельств, первый случай гемофилии В был обнаружен у маленького мальчика по фамилии Кристмас. Бесстрастные врачи назвали это состояние болезнью Кристмаса, а X фактор часто называют Кристмас-фактором.

Гемофилия передается по наследству по половому признаку, и это требует специального объяснения.

В главе 6 я обсуждал передачу по наследству веществ, определяющих группу крови, и описывал, как ребенок получает гены от своих родителей. Однако есть случаи, при которых определенный ген унаследуется только от матери, и это происходит следующим образом.

Гены в клетках человеческого организма образуют цепочки. Каждая цепочка генов образует структуру под названием хромосома. Хромосомы хорошо подвергаются воздействию некоторых красителей, и поэтому за ними легко наблюдать.

Хромосомы образуют пары. Гены каждой пары содержат серии одинаковых характеристик. Таким образом, если определенный ген одной хромосомы определяет цвет глаз, то же делает и ген другой хромосомы. Сами гены могут различаться между собой — один может вызывать карий цвет глаз, а другой — голубой, но они определяют одну и ту же характеристику — цвет глаз.

Таким образом, каждый ген, за некоторыми исключениями, к которым я скоро перейду, обладает запасным геном. Это очень важно. Если по какой-то причине один ген поврежден, велики шансы, что оставшийся ген здоров, и организм будет развиваться нормально.

Во время образования половых клеток пары хромосом разъединяются. Мужской сперматозоид содержит только по одной хромосоме из каждой пары, находящейся в клетках организма мужчины. Женская яйцеклетка также содержит по одной хромосоме из каждой пары. Когда происходит оплодотворение, они соединяются вместе, и хромосомы тоже соединяются в пары. Однако в каждой паре у оплодотворенной яйцеклетки одна хромосома взята у отца, а другая — у матери.

Результат такого смешения генов в каждом поколении был описан в главе 6, когда речь шла о наследовании веществ, от которых зависит группа крови. То же самое относится и к другим человеческим признакам, которыми управляют гены.

Но существует еще одна разница между полами, когда речь заходит о хромосомах. В клетках женщины содержится двадцать три пары хромосом. (До 1957 года считалось, что их двадцать четыре, но более тщательный анализ, проведенный японскими учеными, показал, что в большинстве случаев хромосом двадцать три.)

В мужских клетках также двадцать три пары хромосом, но одна из этих пар состоит из двух различных хромосом. Двадцать третья пара состоит из одной нормальной хромосомы и короткой хромосомы, почти не содержащей генов. Нормальная хромосома называется X-хромосомой, а короткая — Y-хромосомой. Таким образом, женские клетки содержат две Х-хромосомы, а мужские — Х-хромосому и Y-хромосому.

Рассмотрим, что происходит при образовании половых клеток. Когда у женщины образуются яйцеклетки, то в каждой из них находится по одной хромосоме из каждой пары. Таким образом, в каждой яйцеклетке содержится полный набор из двадцати трех хромосом, включая одну Х-хромосому.

Со сперматозоидами дело обстоит иначе. Когда мужские пары хромосом разделяются, одна из них состоит из двадцати трех обычных хромосом, включая Х-хромосому. Другая же состоит из двадцати двух обычных хромосом и одной укороченной Y-хромосомы. В половине сперматозоидов содержится один набор хромосом, во второй половине — другой. Поэтому существует два вида сперматозоидов — Х-сперматозоиды и Y-сперматозоиды. Естественно, их количество одинаково, поскольку половина содержит одну хромосому из каждой пары и половина — другую.

В процессе оплодотворения шансы того, что яйцеклетка будет оплодотворена Х-сперматозоидом или Y-сперматозоидом, практически равны. Y-сперматозоид, содержащий двадцать две обычные хромосомы и одну короткую, чуть легче Х-сперматозоида, который состоит из двадцати трех полноценных хромосом, поэтому он может передвигаться быстрее и скорее добраться до яйцеклетки. По этой причине оплодотворение Y-сперматозоидами происходит несколько чаще, чем Х-сперматозоидами.

Оплодотворение Х-сперматозоидом приводит к появлению яйцеклетки с двумя Х-хромосомами. Из такой яйцеклетки рождается ребенок женского пола. Оплодотворение Y-сперматозоидом приводит к появлению клетки с одной Х-хромосомой и с одной Y-хромосомой, и тогда из нее развивается младенец мужского пола. (Равная вероятность оплодотворения яйцеклетки X- или Y-сперматозоидом является причиной того, что количество новорожденных мальчиков и девочек примерно одинаково, с небольшим перевесом в сторону мальчиков из-за легкости Y-хромосомы.)

Если ген в яйцеклетке или сперматозоиде дефектный, то парный ему ген, скорее всего, не поврежден, поэтому ребенок рождается без серьезных патологий.

Единственное исключение из этого правила наблюдается, когда дефектный ген имеется в Х-хромосоме. Назовем такой ген Х-дефектным. Допустим, у матери есть пара генов: Х-дефектный и Х-нормальный. У половины яйцеклеток будет только Х-дефектный ген, а у другой половины — только Х-нормальный.

С Х-нормальными яйцеклетками после оплодотворения ничего особенного не происходит, поэтому мы не будем их рассматривать. Что же касается Х-дефектных яйцеклеток, существует два варианта их оплодотворения. Если они оплодотворяются Х-сперматозоидом, то ген в нем, скорее всего, нормальный, и тогда в оплодотворенной клетке будут содержаться Х-дефектный и Х-нормальный гены. Появившаяся на свет девочка, а это должна быть девочка, поскольку у нее две Х-хромосомы, не должна иметь дефектных признаков. Однако, поскольку у нее имеется Х-дефектная хромосома, она может передавать дефектный ген следующим поколениям. Она является носителем дефектного гена.

Шансы, что дочь, как и ее мать, будет носителем этого гена, составляют пятьдесят на пятьдесят. Это не значит, что, если у матери две дочери, одна будет носителем, а другая нет. Это значит, что вариант, когда одна дочь будет носителем, а другая нет, более вероятен, чем вариант, когда носителями будут обе дочери или ни одна. У матери может быть и десять дочерей, все будут с дефектными генами или все с нормальными, хотя такое может быть примерно в одном случае из 1024.

Но что, если Х-дефектная яйцеклетка оплодотворяется Y-сперматозоидом? В нем нет гена для замены Х-дефектного. Мальчик в этом случае рождается с дефектом (это будет именно мальчик, поскольку Х-хромосома у него всего одна).

И опять шансы рождения больного ребенка у женщины составляют пятьдесят на пятьдесят. У нее может родиться сын в результате оплодотворения Y-сперматозоидом Х-нормальной яйцеклетки. У нее может быть десять сыновей и все здоровые или все больные, хотя такое может произойти опять примерно в одном случае из 1024.

Теперь ясно, что у матери, чей дефект никак не проявляется, будут рождаться точно такие же дочери и сыновья, часть из которых будет с дефектным признаком. Этот признак проявится только у сыновей. Признак, проявляющийся не всегда, но только у людей одного пола (обычно у мужчин), называется признаком, сцепленным с полом.

Предположим, что Х-дефектный мужчина женится на здоровой женщине. Все яйцеклетки матери, конечно, Х-нормальны. Однако у отца два вида сперматозоидов: Х-дефектные и Y-сперматозоиды. Если Х-дефектный сперматозоид оплодотворит Х-нормальную клетку, родится девочка, которая будет носителем. Если Y-сперматозоид оплодотворит Х-нормальную клетку, то родится нормальный мальчик, который не будет даже носителем, поскольку у него нет X-дефектных генов.

Подведем итог. У мужчины может проявляться этот дефект, но у него могут рождаться здоровые дети, в то время как у женщины дефект может не проявляться, но дети могут рождаться больные. Конечно, если Х-дефектный мужчина женится на женщине-носителе, в оплодотворенной яйцеклетке могут встретиться два Х-дефектных гена, и тогда родится больная девочка. Но такое случается очень редко.

То, что мужчины не защищены от дефектов генов в Х-хромосомах, означает, что их организм менее совершенен. Некоторые его несовершенства видны невооруженным глазом. Другие не проявляют себя, и их можно выявить только при помощи современных технологий.

Очевидно, по причине этих несовершенств, хотя и бывает зачато больше младенцев мужского пола (так как Y-сперматозоид движется быстрее Х-сперматозоида), они чаще рождаются мертвыми, чаще погибают в первые годы жизни, и продолжительность жизни у женщин больше, чем у мужчин.

Гемофилия является примером признака, сцепленного с полом. От нее страдают исключительно мужчины, а носителями всегда являются женщины.

В XX веке гемофилия получила широкую огласку, поскольку ею болели в двух императорских семействах. Царевич Алексей, сын Николая II, родившийся в 1904 году, был болен гемофилией. Это оказало влияние на ход истории. После того как от мальчика отказались доктора, им занялся «безумный монах» Григорий Распутин, который умел останавливать кровотечения при помощи какого-то гипнотического бреда. По крайней мере, в это верила мать мальчика, царица Александра Федоровна. Благодаря этому Распутин пользовался огромным влиянием при дворе, и, поскольку он был весьма неприятной личностью, его присутствие вызвало недовольство, которое наряду с коррупцией и интригами послужило одной из причин русской революции.

Через несколько лет после рождения царевича Алексея ребенок с такой же болезнью появился в семье испанского короля Альфонсо XIII.

Ни в одной из этих семей прежде не отмечалось случаев рождения больного гемофилией ребенка, а королевская родословная ведется весьма тщательно. Очевидно, это произошло потому, что Х-нормальный ген в процессе многочисленных воспроизведений (каждый раз при образовании новой клетки должен синтезироваться новый ген) был поврежден, и получился Х-дефектный ген. Другими словами, произошла мутация. Такие вещи происходят все время, так произошло при образовании дефектных генов, вызывающих появление нетипичных видов гемоглобина (см. главу 7).

Однако маловероятно, чтобы две одинаковые мутации произошли одновременно в двух королевских семействах. Очевидно, мутация произошла у какого-то одного общего предка и, скорее всего, не в таком уж и далеком прошлом, иначе бы она проявилась раньше.

Поскольку гемофилия передается только женщинами, мы должны принять во внимание матерей. Матерью царевича была Александра Гессен-Дармштадтская, дочь Алисы, второй дочери английской королевы Виктории. Мать испанского принца — Виктория Баттенбергская, дочь Беатрисы, младшей дочери королевы Виктории.

Значит, обе королевских семьи объединяла королева Виктория. Ни один из ее сыновей не страдал гемофилией, за возможным исключением одного, который умер в младенчестве, и все потомки ее сыновей также были здоровы. Однако это не означает, что королева не являлась носителем. У носителя, имеющего трех сыновей, есть один шанс из восьми, что все они будут здоровы, и королеве повезло.

Кажется очевидным, что Виктория родила по меньшей мере двух дочерей, которые стали носителями гемофилии: мутации могли произойти у них обеих независимо друг от друга или, что более вероятно, они унаследовали ее от матери или даже бабушки.

Из-за этого какое-то время гемофилию называли «королевской болезнью». Конечно, для такого названия не было оснований. Гемофилией болеют тысячи простых людей, в то время как члены королевской семьи страдали от нее всего двадцать восемь лет — с 1904 года, когда родился Алексей, и до 1931 года, когда вслед за русским царем испанский король потерял свой титул и канул в небытие. Существуют другие заболевания, которые более долгий период времени поражали европейскую знать и у которых больше прав называться «королевскими болезнями». Например, умопомешательство.

Иногда свертывание крови может стать серьезной проблемой. Например, во время операций образование сгустков затрудняет работу хирурга. К счастью, существуют вещества, препятствующие свертыванию крови. Сам организм производит такое вещество — гепарин. Он распределен по всему организму, но в основном концентрируется в печени и легких. Слово «гепарин» происходит от греческого «печень».

Гепарин останавливает свертывание крови, по меньшей мере трижды вмешиваясь в этот процесс. Несомненно, организм использует его как одно из средств защиты от свертывания крови внутри кровеносной системы. Для этой же цели его может использовать и хирург. Немного очищенного гепарина, введенного в кровь перед операцией, временно препятствует свертыванию крови. Хирург может работать.

Пиявка, животное, питающееся кровью, содержит похожее вещество — гирудин, которое используется пиявкой скорее для нападения, чем для защиты. Именно его пиявка впрыскивает в организм, когда сосет кровь, поскольку образование сгустков помешает ей наслаждаться трапезой. Несомненно, другие кровососы проделывают такие же трюки.

Свертывание крови можно также предотвратить специальными витаминами. Важную роль в свертывании крови играет витамин К. Он необходим для выработки протромбина печенью, и без него протромбина образуется слишком мало. (Буква «К» означает «коагуляция», от немецкого слова «свертывание».)

Обычно с витамином К не возникает проблем. Он образуется бактериями в нашем кишечнике, поэтому, как правило, у нас его всегда достаточно, независимо от характера питания. Однако есть группа людей, у которых в кишечнике мало бактерий, и к этой группе относятся новорожденные.

Раньше, до появления современных понятий о гигиене и дезинфекции, это было не так страшно. Микробов было так много, что новорожденный почти тут же получал свою долю.

Но сегодня в больницах так чисто, а младенцев держат в таких стерильных условиях, что для заселения бактериями кишечника требуется дня три. Есть вероятность, что в это время у младенца возникнут серьезные проблемы, если по какой-то причине у него вдруг разовьется кровотечение. Другими словами, новорожденный временно страдает гемофилией. Конечно, нельзя отказываться от чистоты, потому что иначе нас подстерегает слишком много других опасностей, но после рождения ребенку необходимо вводить витамин К. Или как альтернатива его мать может получить приличную дозу этого витамина еще до рождения ребенка, и через плаценту в его кровь попадет его достаточное количество.

Существует вещество, напоминающее витамин К и препятствующее его действию. Ферменты печени, вырабатывающие протромбин и использующие для этой цели витамин К, могут взаимодействовать с этим веществом, в результате чего становятся совершенно беспомощными. Оно называется дикумарин и находится в подгнившем сене. Домашний скот, поевший такого сена, страдает от недостатка протромбина (гипопротромбинемия), и у него могут возникнуть кровотечения, которые приведут к падежу.

Поскольку люди не едят сена, дикумарин для нас не опасен. Он даже может оказать помощь. В отличие от гепарина он не сразу начинает действовать, поэтому в чрезвычайных ситуациях, как, например, при операции вводить его не имеет смысла. Его действие начинается через двадцать четыре часа после введения и продолжается довольно длительное время. Если сделать инъекцию пациенту после операции, кровь временно будет сворачиваться с трудом. Ценность дикумарина заключается в том, что он препятствует образованию сгустков в тех местах, где кровеносные сосуды были повреждены во время операции. Это помогает сохранить больному жизнь.

Свертывания крови избегают, когда ее собирают для последующего переливания. Свернутую кровь перелить невозможно.

Для этого существует простой способ. В сосуд, куда собирают кровь, наливают прозрачный стерильный раствор соли лимонной или щавелевой кислоты. Ионы этой кислоты прочно соединяются почти со всеми доступными ионами кальция. Как только ионы кальция крови станут связаны, свертывание будет невозможным. Ионы кальция являются IV фактором свертывания крови и необходимы, как я уже говорил, для превращения протромбина в тромбин. Без них механизм свертывания крови нарушается.

При помощи этого простого метода кровь можно собрать и хранить в жидком виде.

Если вы когда-нибудь сдавали кровь и видели, как она стекает в специальный сосуд, то, наверное, с любопытством смотрели на вытекающую из вашего организма темно-красную жидкость, которая может спасти жизнь другому человеку. До использования она будет храниться в жидком виде, а в венах другого человека станет выполнять все необходимые функции.

Как писал Гете, «кровь, надо знать, совсем особый сок».

Это неистощимая транспортная система организма, имеющая хитрые приспособления для переноса кислорода из легких к клеткам и углекислого газа из клеток к легким; для переноса азотосодержащих шлаков в почки и продуктов пищеварения в печень; для переноса сахаров, липидов и белков во все клетки; для переноса ионов, гормонов и витаминов в те органы, где они нужны; для распределения необходимого тепла; для активизации защитных сил в борьбе с вездесущими микроорганизмами. И кроме того, кровь обладает способностью к самовосстановлению.

Трудно представить жидкость столь изменчивую и полезную, обладающую столь разнообразными функциями и так хорошо с ними справляющуюся.

В следующий раз, когда будете сдавать кровь или если вдруг порежетесь, посмотрите внимательно на красную жидкость. Она этого стоит. В мире нет ничего, что могло бы сравниться с кровью.

Оглавление

Глава 1. Частица океана … 7

Глава 2. Вода — основа жизни … 18

Глава 3. Дыхание и жизнь … 29

Глава 4. Препятствия на пути кислорода … 48

Глава 5. Красный витамин … 69

Глава 6. Дар крови … 83

Глава 7. «Маленькое» отличие … 103

Глава 8. Удаление шлаков … 120

Глава 9. Соль земли … 142

Глава 10. Сахар и островки … 160

Глава 11. Эти подвижные белки … 184

Глава 12. Двуфазная система … 205

Глава 13. Отражение внешней опасности … 230

Глава 14. «Твердая» кровь … 251

1

Распад молекулы на ионы называется ионизацией. (Примеч. ред.)

2

pH — это величина, обратная десятичному логарифму концентрации ионов водорода. (Примеч. ред.)

3

Вазопрессин вырабатывается в гипоталамусе, из гипофиза он выделяется в кровь. (Примеч. ред.)

Content

Айзек Азимов
Кровь: река жизни
От древних легенд до научных открытий

Глава 1 Частица океана

Глава 2 Вода — основа жизни

Глава 3 Дыхание и жизнь

Глава 4 Препятствия на пути кислорода

Глава 5 Красный витамин

Глава 6 Дар крови

Глава 7 «Маленькое» отличие

Глава 8 Удаление шлаков

Глава 9 Соль земли

Глава 10 Сахар и островки

Глава 11 Эти подвижные белки

Глава 12 Двуфазная система

Глава 13 Отражение внешней опасности

Глава 14 «Твердая» кровь

1