Металлы, которые всегда с тобой
Шрифт:
Электричество внутри нас
Начав работу в конце 30-х годов, Ходжкин и Хаксли за свои классические исследования нервных клеток в 1963 году получили Нобелевскую премёю. Они детально изучили события, с которыми связано прохождение электрического импульса по нервному волокну, выявили их зависимость от концентрации ионов калия и натрия. И установили следующее.
Когда нервная клетка находится в покое, внутри её наблюдается отрицательный заряд, возникающий не без участия мембраны. Его называют потенциалом покоя, и он равен -- 70 мВ. Как только клетка получает команду к действию — сигнал возбуждения, резко возрастает проводимость мембраны для ионов натрия и калия (что происходит в результате деятельности белков, образующих каналы для прохода).
В течение многих лет физиологи пытаются изменить концентрации по обе стороны мембраны аксона, манипулируя различными вещёствами, но вывод остаётся один: натрий и калий в определённых концентрациях ответственны за образование потенциала покоя и действия. Впоследствии выяснили, что ионы этих металлов проходят через мембрану нерва по разным каналам. Наиболее убедительные доказательства этого были получены при использовании сильнейшего нервного яда — тетродотоксина, который содержится в органах рыбы-собаки. Любопытно, что один из её видов является деликатесом в Японии. Фугу — так японцы называют эту рыбу — бывает ежегодно причиной смертельного отравления десятков людей, но это не останавливает любителей полакомиться экзотическим блюдом. Собственно говоря, такой ядовитой рыбой и заинтересовались учёные, а потом уж был выделен чистый кристаллический препарат тетродотоксина, который и нашёл применение в исследовании ионной проводимости. Его высокая специфичность действия была использована для оценки числа натриевых каналов в мембране нервной клетки. Оно весьма невелико, всего несколько десятков на 1 мкм2.
Предполагается, что перемещёние в этом случае ионов натрия подчиняется обычным законам диффузии. Но такой вывод не относится к"ионам калия. Число калиевых каналов в мембране нерва значительно больше, и не исключено, что они транспортируются специальными переносчиками.
Значительное место отводится также металлам-братьям и в биохимических представлениях о мозговой деятельности. Известно, что память у нас бывает двух типов: кратковременная и длительная. Скажем, конспектируя, лекцию, мы запоминаем слова на несколько секунд непосредственно перед записью. Это память кратковременная. Длительной памятью мы пользуемся тогда, когда нужно что-нибудь запомнить надолго.
В настоящее время выдвигается гипотеза о том, что механизм кратковременной памяти имеет ионную природу. Известно, что ионные связи непрочны, способны к быстрому разрушению — потому-то и память «коротка». Здесь главную роль отводят соединениям калия и натрия, которые легко диссоциируют в растворах на ионы (а в организме реакции практически протекают именно в растворах). Длительную же память связывают с образованием более стабильных белковых структур.
И в заключёние этого раздела вот на чем хотелось бы сконцентрировать внимание читателя. Для нашего организма крайне важно поддержание постоянства внутренней среды и прежде всего кислотно-щелочного равновесия. В самом деле, и обмен вещёств вообще, и любая биохимическая реакция в частности протекают нормально только в определённых, строго сбалансированных условиях динамического равновесия — гомеостаза. Естественно, что все вещёства, попадающие в организм, так или иначе влияют на это состояние, но самыми важными здесь, как это установлено, являются натрий и калий.
Памятуя об этом, сможем ли мы все же решить для себя поистине жизненный вопрос: солить или не солить?..
Металл
Чуть больше 200 лет назад во втором кругосветном путешествии Джеймса Кука сопровождал немецкий естествоиспытатель Иоганн Рейнгольд Форстер, воображение которого поразила изумительная картина коралловых островов Тихого океана. Но дело было не только в красоте рифов и лагун. Форстер, пожалуй, первым осмыслил и оценил ту грандиозную созидательную деятельность живых организмов, благодаря которой возникают известковые массивы.
В течение невообразимо долгих геологических эпох происходило накопление скелетиков, панцирей и раковин отмирающих организмов. И вот — целые горы! Такие, как, скажем, в Англии. Древнее название этой страны — Альбион происходит от латинского «альба» — белый. Когда римские завоеватели, предводительствуемые Цезарем, подплывали к британским берегам, первое, что они увидели, были меловые скалы Дувра...
Правда, ещё за 40 лет до Форстера великий шведский натуралист Карл Линней сказал: «Omne calx ex vermibus» («Весь известняк из червей»), подразумевая под червями всех тогда ещё мало изученных беспозвоночных. Сказал, но дальше этого не пошёл. Форстер же, вернувшись из плавания, опубликовал книгу, где изложил свои взгляды, которые вскоре нашли отражение в трудах многих европейских ученых.
Известняк, мел, мрамор... Все это по-латыни именуют словом «кальке», от которого произошло название серебристого элемента из семейства щелочных металлов — кальция. И недаром. Ведь известняк, а также мел и мрамор — это породы, состоящие из кальцита, минерала, содержащего карбонат кальция, его углекислую соль. Поэтому, прочтя эпиграф к этой главке, можно сразу же заметить в нем неточность. Но простим поэту вольность, тем более что мрамор действительно «породистый кристалл», образовавшийся из известняка под колоссальным давлением при рождении гор.
Кальций по распространённости в природе занимает пятое место среди всех элементов и третье — среди металлов, после алюминия и желёза. В нашем организме он тоже занимает пятое место. Его кларк в земной коре равен 2,96, а в организме человека 1,4. Можно сказать, что это числа одного порядка. В связи с этим В. И. Вернадский заметил: «Но может быть, ни для какого химического элемента это значение живого вещёства не выражено так резко и ярко, как выражено оно для кальция, для того металла, который резко преобладаёт над другими по своей концентрации в организмах, в среднем составе живого вещёства. Мы видели, что в среднем количество его в живом вещёстве приближается к его среднему количеству в земной коре; это единственный металл, который концентрируется в организмах и выделяется в них в виде карбонатов, фосфатов, оксалатов и т. п.».
По-видимому, ни один другой металл, даже желёзо, не играет такой важной биологической роли, как кальций. И было бы заблуждением считать, что он идёт лишь на построение скелета. Нет! По своим свойствам в живых системах он настолько универсален, что, пожалуй, не имеет себе равных не только среди металлов, но и среди других химических элементов. Достаточно сказать, что кальций присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений, а его ионы оказывают влияние практически на все процессы, протекающие в клетке, активируют действие многих ферментов, способствуют свёртыванию крови, регулируют проницаемость клеточных мембран, стимулируют передачу нервного импульса, являются основными участниками механизма мышечного сокращения.
Кальция в нашем организме содержится больше, чем остальных металлов, вместе взятых,— целый килограмм! Это понятно: основная масса его входит в состав скелета, весящего у взрослых 12 кг и составляющего почти 18 % общего веса человека. До недавнего времени считали, что скелет является только опорой для тела и способствует передвижению. Сегодня мы знаем, что помимо всего прочего он активно участвует в обмене вещёств и прежде всего — кальция. При необходимости организм может мобилизовать из скелета в 3 раза больше ионов этого металла, чем его содержится во внеклеточной жидкости. Костная ткань, как сейчас установлено, находится в постоянном обновлении...