ОСНОВНОЕ МЕНЮ
НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА
РУССКИЙ ЯЗЫК
ЛИТЕРАТУРА
АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК
НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК
ИСТОРИЯ
БИОЛОГИЯ
ГЕОГРАФИЯ
МАТЕМАТИКА
ИНФОРМАТИКА
С железом в крови
Слово «руда» когда-то означало кровь. И не напрасно наши предки связывали цвет руды с цветом крови. Сегодня мы знаем: и крови, и руде цвет придаёт железо, хотя оно содержится и не во всей крови, а только в красных тельцах — эритроцитах, где сосредоточено в гемоглобине.
Про железо, разумеется, читатель знает немало. О гемоглобине же многие имеют лишь самое общее представление — лишь бы был в норме! Между тем именно гемоглобину природа доверила один из самых своих тончайших процессов — доставку кислорода живой клетке.
Почему железо падает с неба
Древние мудрецы, не обладая ещё подлинными научными познаниями, силой своёго разума связали происхождение металлов сначала с небесными явлениями, а потом и с планетами. Железо, например, отождествляли с планетой Марс, и, как оказалось сегодня — не случайно. Анализ марсианского грунта, по внешнему виду напоминающего ржавчину, показал, что он и в самом деле состоит из окислов железа. Они-то и придают всей планете зловещий красноватый цвет, побудивший древних назвать её именем кровавого бога войны — Марса.
Несколько слов о кларках
Да, железо один из самых распространённых элементов, и это не случайно. Поведением атомов, где бы они ни находились, управляет Великий Периодический Закон. Характер же химического элемента, то есть его свойства и распространённость, определены порядковым номером в менделеевской таблице.
Человек, которого нет
Случается, иные талантливые весельчаки пускают гулять по свету вымышленных людей, наделяя их такими реалиями, благодаря которым порой забываешь о том, что они, эти люди, никогда и не существовали вовсе. Так произошло с писателем Козьмой Прутковым, как известно, выдуманным в середине прошлого века молодыми русскими поэтами. Так случилось и с учёным Никола Бурбаки — автором многотомного трактата «Элементы математики». Своему рождению в 1939 году Бурбаки обязан группе французских математиков, решивших скрыться под таким псевдонимом.
Кулинария жизни
Итак, природа построила живые существа из простых и самых распространённых химических элементов. Но при всем при том мы не железные и вообще не металлические. Человеческий кларк железа составляет всего лишь 0,006, тогда как кислорода — 61, углерода — 23, водорода — 10.
И кислород, и углерод, и водород находятся в двух первых периодах таблицы Менделеева, следовательно, атомы этих элементов имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей.
Железо для азота
Из множества индустриальных способов получения связанного азота был выбран пока только один — синтез аммиака. Это вещество представляет собой бесцветный газ с резким удушливым запахом, водный раствор которого известен как нашатырный спирт. Аммиак знали давно, своё название он получил от древнеегипетского оазиса Юпитера Аммона, где добывался из верблюжьего помёта. Сегодня аммиак — исключительной важности сырье для производства азотсодержащих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, химии, медицине, военном деле. И что не менее важно, он является одним из продуктов белкового обмена в организме.
Когда случайности закономерны
В 1908 году профессор Высшей технической школы в Карлсруэ Фриц Габер, закончив разработку лабораторного процесса синтеза аммиака из азота и водорода, договорился о передаче его для внедрения Баденской анилиновой и содовой фабрике, крупнейшей химической фирме того времени. Это предложение сразу же с интересом было встречено промышленниками. Организация производства связанного азота в таком виде сулила большие выгоды, а главное делала Германию совершенно независимой от чилийской селитры, из которой, как мы знаем, прежде всего получали порох и взрывчатые вещёства. А все это необходимо было кайзеровской Германии — не удобрения, а именно взрывчатка.
«Троянский конь» против тройной связи
Не претендуя на широту и полноту охвата, а наоборот, несколько сузив проблему, мы могли бы охарактеризовать жизнь как борьбу за энергию. В самом деле, ни один из природных процессов не может произойти без перераспределения энергии. Материя и энергия едины. А живые существа, эти чудесные порождения эволюции материи, являются и изумительными преобразователями энергии.
Эволюция поделила организмы по энергетическому принципу на две части. Одних мы называем автотрофами (от греческого «авто» — сам и «трофе» — пища), других — гетеротрофами («гетеро» — разный).
Кошмар, для кинетики
Пока приходится только догадываться, каким образом происходит фиксация атмосферного азота микроорганизмами. Достоверно лишь то, что обмен у азотфиксаторов осуществляется в 10 раз интенсивнее, чем у других бактерии. Ещё бы, им так приходится трудиться, чтобы разорвать тройную связь!
Инертная молекула азота сокрушается благодаря металлоферменту, получившему в 1934 году название «нитрогеназа». Ее фантастические свойства не оставляют равнодушными даже видавших виды специалистов. Вот, например, мнения, почерпнутые нами из двух сугубо научных и узкоспециальных статей.
Разноцветная кровь
Есть ещё один «железный» помощник нитрогеназы, присутствие которого в клубеньках бобовых (а они, как мы знаем, результат симбиоза с азотфиксаторами), на наш взгляд,— одно из удивительных и интереснейших проявлений жизни. Это — гемоглобин. Он придаёт клубенькам красноватую или розовую окраску. Гемоглобин в растении? Такое утверждение ещё не так давно могло вызвать недоумение.
Гемоглобин и Шерлок Холмс
Впервые гемоглобин был обнаружен в 1839 году немецким исследователем Р. Хюнефельдом в крови обыкновенного дождевого червя.
Спустя 12 лет другой немецкий ученый О. Функ предложил метод получения устойчивых кристаллов гемоглобина, или, как их тогда называли, кристаллов крови. Он исследовал кровь из селезенки лошади, собаки и разных рыб. Красное вещество крови привлекало к себе все больше и больше внимания.
Природа играет в порфирины
Пиррольное кольцо (названное так по вещёству пирролу, пятичленному гетероциклическому соединению) представляет собой пятиугольник, в одном из углов которого располагается азотный остаток. Это основной структурный блок порфиринов, как называют природные пигменты, в том числе и гем.
Именно классические работы Ненцкого положили начало химии порфиринов — новой тогда области органической химии. В его лаборатории были получены некоторые модификации порфирина, служившие основой для построения гема при присоединении железа.
Небольшое отступление об атмосфере
Итак, атмосфера. Автор полагает, что вполне правомерно делает отступление, ибо в конце концов гемоглобин является переносчиком кислорода, который наш организм получает именно из атмосферы.
Дело в том, что привычный нам воздух не всегда был таким, каким мы вдыхаем его сейчас. Напомним: сегодня он состоит из 21 % кислорода, 78 % азота, остальное -инертные газы и углекислый газ. Но воздух сегодня составляет вторичную атмосферу, сформировавшуюся тогда, когда появилась жизнь.
И снова гемоглобин и Шерлок Холмс
Мы говорим: кислород — окислитель. Но союз кислорода и двухвалентного железа в гемоглобине просто невероятное исключение. Здесь никакого окисления не происходит, так как железо сохраняет свою валентность. Недаром английский физиолог, один из основоположников науки о дыхании, Дж. Баркрофт назвал гемоглобин «самым удивительным веществом в мире». Напрашивается такая аналогия: ион двухвалентного железа гемоглобина «берет за руку» молекулу кислорода и «ведёт» её к месту свершения действительного окисления, где и «отпускает».
Арифметика крови
Всякий, кому приходилось сдавать кровь на анализ, получив результат, прежде всего интересуется содержанием гемоглобина. О чем говорят цифры? Кровь здорового человека содержит от 13 до 16 % гемоглобина, причём за 100 % принято его содержание в 100 мл, равное 16,7 г. Но так как в нормальной крови 100 % гемоглобина не бывает, то, скажем, 80 %, правильнее — единиц, означает содержание в 13,4 г.
Гемоглобин под рентгеном
Окончательная разгадка строения молекул гемоглобина и миоглобина связана с именами известных учёных Макса Перутца и Джона Кендрю, начинавших свою деятельность в знаменитой Кавендишской лаборатории Кэмбриджского. университета в Англии. Именно там был разработан, рентгеноструктурный анализ, сыгравший исключительную роль не только в исследовании кристаллов белков, но также самой, пожалуй, знаменитой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
«Золотой» миоглобин
Заветный ключик был подобран только в 1953 году. Именно тогда Перутца осенила блестящая и, в общем-то, простая идея. Он подумал о том, что не худо было бы воспользоваться методом, разработанным для расшифровки структур простых кристаллов. В этом случае к молекуле «цепляли» атомы каких-нибудь тяжёлых металлов, существенным образом менявших интенсивность дифракционных полос. Сравнивая амплитуды, которые давали молекулы с атомами металлов и без них, можно было установить разницу. Определение по ней величины фазы представлялось, как говорится, делом техники. В качестве тяжёлого металла выбрали ртуть.
Гадкий утёнок
Что же увидели исследователи, взглянув на творение своих рук? Скажем сразу, поначалу плоды многолетних трудов их весьма разочаровали. Получился какой-то монстр. Казалось, молекула миоглобина представляла собой клубок переплетённых и извивающихся червей. Макс Перутц, увидев ее, в сердцах воскликнул: «Неужели поиски абсолютной истины могут привести к установлению столь отталкивающей структуры, напоминающей внутренности?
Роковая опечатка
Напрасно думать, что Нобелевская премия поставила точку в истории изучения гемоглобина, в истории 4 атомов железа. Эта история продолжается. Достаточно сказать, что ежегодно во всем мире в печати появляется около 200 научных работ, посвящённых гемоглобину. Это значит, что каждые два дня выходит новая публикация.
Железо и... молоко
О гемоглобинопатиях узнали совсем недавно; о других же болезнях крови было известно очень давно. Пожалуй, раньше всего люди познакомились с малокровием, или, как его называют врачи, анемией. Причин, вызывающих анемию, множество. Достаточно сказать, что сегодня медики насчитывают несколько сот разновидностей этой самой распространённой болезни крови.
Превращения железа
В условиях обычного умеренного климата здоровому человеку требуется в продуктах питания 10—15 мг железа в день. Этого количества вполне достаточно, чтобы покрыть его потери из организма. В нашем теле содержится от 2 до 5 г железа, в зависимости от уровня гемоглобина, веса, пола и возраста. Особенно много его в гемоглобине крови — две трети всего количества, содержащегося в организме; остальное запасено во внутренних органах, главным образом в печени.
Совсем другая кровь...
Пока трудно сказать, чего больше: известного или неведомого в поведении железа в организме. Но все известное используется, в частности, для достижения важнейшей цели — создания искусственных кровезаменителей.
Сегодня уже получены эффективные вещества, не содержащие железа, но заменяющие гемоглобин и способные ничуть не хуже, а может быть, и лучше переносить кислород.
Ферменты, открытые дважды
История науки изобилует множеством драматических моментов, когда блестящие открытия, очевидные для потомков, совершенно не воспринимались современниками. Так, например, было с открытием нуклеиновой кислоты молодым швейцарским врачом Иоганном Мишером; так произошло и с законами наследственности, которые установил Грегор Мендель, разводя горох в монастырском огороде. И в том, и в другом случаях прошли десятки лет забвения, прежде чем эти замечательные исследователи получили заслуженное, но уже посмертное признание. Так случилось и с открытием цитохромов — железосодержащих дыхательных белков.
Каталаза - чемпион катализа
Процесс окисления с помощью цитохромов даёт побочный продукт, в больших концентрациях губительный для всего живого,— перекись водорода. Вспомним, что раствор этого вещёства применяют, например, при дезинфекции ран. Перекись водорода является сильным окислителем и в крови может вызывать гемолиз эритроцитов. Совершенно ясно, что организм нужно защитить от этого крайне опасного соединения.
Сколько железа нужно, чтобы не постареть
До сих пор речь шла о железе, комплексно связанном с белками, о наиболее изученных формах его присутствия в организме. Однако в животных тканях железо находится и в совершенно особом состоянии, в виде соединения с ДНК, имеющего самое прямое отношение к тайнам тайн наследственных механизмов.
Итак, ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Открытие структуры её молекулы было, пожалуй, самым сенсационным событием в биологии нашего времени.
Настоящая голубая кровь
В живых организмах медь впервые была обнаружена в 1808 году известным французским химиком Луи Вокленом — выдающимся аналитиком своего времени. Он провёл множество исследований различных вещёств и считается одним из основоположников химического анализа.
Позже, в 1834 году, было установлено содержание меди у ряда беспозвоночных животных. Точное местонахождение её — гемолимфа, которая имеет у них голубую окраску. Это открытие принадлежит итальянскому исследователю Б. Бизио.
Можно ли стать невидимкой?
Одним из самых интересных ферментов, содержащих медь, является тирозиназа, которая была открыта ещё в прошлом веке как один из первых окислителей. Впервые её обнаружили в 1895 году французские исследователи Э.Бургело и Г.Бертран. Несмотря на то что с тех пор свойства этого фермента находились в сфере постоянного внимания биохимиков, в кристаллическом виде он был получен только в 1963 году.
Медь и лиганды
С патологическим обменом меди в организме связано сравнительно редкое, но очень тяжёлое заболевание — красная волчанка. Во всем мире ею болеют около 500 тыс. человек. На носу и щеках заболевшего появляются поражённые участки кожи в форме бабочки, подобные ожогам. Название заболевания связано с тем, что эти пятна больной кожи несколько напоминают пятна на морде волка (шерсть на переносице и щеках у волков имеет иную окраску, чем на лбу).
Маг магний
Магний не относится к металлам древности, но его природные соединения применяли издавна. Достаточно сказать, что этот элемент входит в состав почти 200 минералов, среди которых всем известные асбест, долмит, тальк, нефрит. Поделки из нефрита ценились высоко, особенно в средние века, когда свято верили в магическую и целебную силу камней. Вот, например, один из рецептов XII века: «Если кто-нибудь носит на пальце перстень с нефритом, это предохраняет от удара молнии. Если повесят его как талисман на шею, это предохранит от заболевания желудка».
Если в порфирин попасть магнием
Магния на Земле очень много. По распространённости в земной коре он занимает 8-е место, а его кларк равен 1,87, то есть в 2,5 раза меньше, чем кларк железа. Зато если взять средний химический состав живого вещёства, то окажется, что магния в нем содержится 0,04 %, а железа в 4 раза меньше. Особенно много магния в виде соединений находится в морской воде. Здесь он занимает третье место после хлора и натрия. Концентрация магния в воде Мирового океана составляет 1,35 г/л, а общее его количество здесь оценивается в 2,1 • 1015 т.
Разный, разный хлорофилл
Исследованием хлорофилла занимался и замечательный русский ботаник Михаил Семенович Цвет, прославившийся: более изобретением хроматографии— простого способа разделения смесей который в наше время стал совершенно незаменимым в химическом анализе. М.С.Цвет родился в Италии и немало скитался по свету в поисках пристанища для спокойной работы. В конце концов он обосновался в России, на родине своего отца. Здесь им были сделаны главные его открытия, здесь он и умер в 1919 году, не дожив до 47 лет. Созданный учёным аналитический метод, который он назвал хроматографией (от греческого «хрома» — цвет), позволил доказать наличие двух пигментов, составляющих хлорофилл.
Земной посредник космоса
Все мы дети Солнца. Это не только прочно установленная, но и твёрдо усвоенная всеми нами истина. В самом деле, наиболее значительное влияние мы испытываем со стороны космических явлений, из которых самое сильное — световое излучение, а попросту солнечный свет, несущий потоки самых разнообразных частиц.
Ещё древние придавали огромное значение тесной связи между Солнцем и Землёй, но объяснение этого явления носило скорее мистический характер. Прошли тысячелетия, прежде чем человек сумел научно объяснить влияние космических сил на земную жизнь.
И нам нужен магний
Как мы уже знаем, магний необходим не только зелёным растениям. 20 г этого металла, содержащиеся в нашем организме, тоже для чего-то нужны. Прежде всего ион двухвалентного магния является прекрасным биологическим активатором и, вероятно, поэтому он входит в состав большой группы ферментов, которые называются киназами и выполняют важную функцию переноса фосфатной группы от молекулы АТФ на различные субстраты. За это их ещё называют фосфотрансферразами. Хотя известно довольно большое количество киназ, но пока они изучены недостаточно подробно. Молекулярная их масса различна и обычно составляет от 40 до 80 тыс.
Оцинкованные ферменты
Многие века истинным бедствием человечества был диабет, или, как его ещё называют, сахарная болезнь. Вот одно из свидетельств: «В Европе и Америке миллионы людей болеют диабетом, и тысячи из них умирают. Дети, внезапно поражённые диабетом, превращаются в чахлых карликов и гибнут. Молодые мужчины и женщины гибнут во цвете лет, мучимые жаждой, которую они не могут утолить, и голодом, которого не могут насытить...» Такую мрачную картину «доинсулиновой эры» нарисовал автор широко известных книг по микробиологии и медицине американский популяризатор науки Поль де Крайф. У него были свои счёты с диабетом: от этой болезни умер его отец.
Витамин для витамина С
Белая магнезия получила название в противоположность уже известной до неё чёрной магнезии, под которой имелся в виду пиролюзит — минерал, содержащий марганец. Издавна он применялся для изготовления стекла. Природу этого минерала впервые выяснил в 1774 году выдающийся шведский химик Карл Шееле. В течение двух лет (тогда ещё особенно не спешили с выводами) он исследовал пиролюзит, смешивая его с различными вещёствами. При действии на минерал соляной кислотой он получал жёлто-зелёный газ с резким запахом, который впоследствии назвали хлором. После выпаривания в реторте оставался осадок в виде розовых кристалликов.
Молибденовая кожа
Одной из сенсаций прошлого века было открытие итальянским астрономом Джованни Скиапарелли каналов на Марсе. Впоследствии это событие породило лавину невероятнейших гипотез, среди которых самая, пожалуй, заманчивая — о марсианской цивилизации, превосходящей нашу земную. И давно забытый Лассвиц, и Уэллс, и ныне здравствующий Брэдбери пытались каждый на свой манер писать марсианские хроники.
Пересол или...
Летом 1978 года в горном труднодоступном районе Хакассии в глухой тайге Юго-Восточной Сибири геологи обнаружили семью, которая более 40 лет была оторвана от мира. Это семейство «робинзонов» оказалось в добровольной изоляции по своим крайним религиозным убеждениям. Уклад жизни этих людей был почти как в каменном веке: огонь добывали кресалом, ходили босиком, надевая только зимой берестяную обувку. Не знали соли... Вся эта удивительная для конца XX века история была подробно была изложена в октябрьских номерах «Комсомольской правды» за 1982 год; позднее эти материалы вышли отдельной книгой.
...или недосол
Но с другой стороны, есть свидетельства совсем иного рода. Немецкий минералог Ц. фон Дитмар, путешествовавший по Сибири в середине прошлого века, подолгу жил среди многих народностей тех краёв: камчадалов, чукчей, каряков, тунгусов. «Когда я давал... этим людям отведать моих солёных кушаний,— говорил он,— я имел случай читать по их сокращённым лицевым мускулам величайшее неудовольствие».
Металлы-братья
Натрий и калий можно назвать если и не металлами-близнецами, то уж наверняка металлами-братьями. И тот и другой относятся к щелочным металлам, и тот и другой имеют нечётные номера, занимая соседние клетки в таблице Менделеева, правда, в разных периодах; и тот и другой были открыты одновременно блестящим химиком Гемфри Дэви в 1807 году путём электролиза щелочей. Даже кларки земной коры этих металлов одинаковы — 2,5. И натрий и калий совершенно необходимы организмам и являются важнейшими металлами жизни. Но так как их действие взаимообусловлено, то говоря об одном из них, нельзя забывать и про другой.
Кровь — морская вода!
Итак, мы вкратце проследили путь, по которому ионы натрия и калия попадают в организм. А что же дальше? Давайте посмотрим, каково здесь содержание металлов-братьев? В теле Гомо Кондитионалиса содержится 140 г калия и 100 г натрия. Соответственно их человеческие кларки равны 0,20 и 0,14. Сами по себе эти цифры, очевидно, мало о чем говорят читателю-неспециалисту. Но вот сопоставление содержания натрия, калия и хлора в крови оказывается весьма впечатляющим.
Поиск
ОБЩЕСТВОЗНАНИЕ
ФИЗИКА
ХИМИЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Поделиться
ОБЖ
АСТРОНОМИЯ
ОСНОВЫ ХРИСТИАНСКОЙ ЭТИКИ
МУЗЫКА
МХК
ИЗО
ФИЗКУЛЬТУРА
ИНТЕРЕСЕНКИ ОТ ЗНАЕВА
ПСИХОЛОГ
ДОСУГ ШКОЛЬНИКА
