Неизвестное наше тело

Нудельман Рафаил Ильич

Ну, про сам кислород объяснять не нужно. Всем известно, что он совершенно необходим для жизни. Ибо точно так же, как любая машина сжигает топливо и получает благодаря этому энергию, необходимую для движения, так любая клетка нуждается в кислороде, чтобы «сжигать» пищу и благодаря этому получать энергию, необходимую для жизни. Это верно для всех животных и даже для большинства бактерий (существуют, впрочем, так называемые «анаэробные» бактерии, которые вырабатывают энергию иначе, без участия кислорода, но это очень небольшая энергия). Все живые существа, которым нужен кислород, получают его из воздуха, а в воздух его непрерывно выбрасывают цианобактерии, водоросли и наземные растения. Они пользуются энергией солнечного света, чтобы разложить воду на водород и кислород. Водород они соединяют с углекислым газом, чтобы сделать для себя углеводородную пищу, а кислород выделяют

в воздух. Правда, ночью, когда нет солнечной энергии, многие растения временно переходят на кислород, но за ночь они поглощают кислорода меньше, чем выделяют днем, так что животным и бактериям тоже остается на жизнь. Так вот — всем этим живым существам, чья жизнь основана на кислороде, необходимо железо, потому что только с помощью железа они могут доставить кислород во все свои клетки, органы и ткани.

Этот процесс доставки кислорода в клетки удивителен по своей стройности. У человека он начинается в легких. Наши разветвляющиеся дыхательные пути заканчиваются крохотными пузырьками-альвеолами, и, когда мы вдыхаем, вошедший в легкие воздух слегка раздувает альвеолы, и кислород воздуха проникает в кровеносные капилляры в стенках альвеол. А по этим капиллярам движутся красные кровяные клетки — эритроциты, битком набитые молекулами особого белка гемоглобина, который состоит из белков-глобинов, обладающих способностью присоединять к себе углекислый газ, непрерывно производимый в нашем организме при сжигании пищи. А держит все глобины вместе некая центральная группа атомов, находящаяся в середине молекулы гемоглобина. Эта группа называется «гем» (отсюда «гемо-глобин»), и она особая, потому что в ее сердцевине находится атом железа. А железо имеет удивительную особенность — оно жадно соединяется с кислородом. (Вспомним, как ржавеют все железные предметы, — это хороший пример того, как жадно окисляется, то есть соединяется с кислородом, железо.)

Так вот, проходя по телу, эритроциты захватывают углекислый газ, присоединяя его к белковой части своего гемоглобина, к глобинам. А приходя в легочные альвеолы, они выделяют этот газ через их стенки (и он уходит по дыхательным путям в воздух), а вместо него присоединяют — на этот раз к гему (благодаря наличию в нем железа) — кислород. При этом они из пурпурных становятся красными (вот почему, если порезаться, свежая кровь имеет красный цвет, а со временем, потеряв на воздухе кислород, темнеет до пурпурной). Захватив кислород, эритроциты уходят по капиллярам в артерии, разносятся ими по всему телу, достигают всех клеток, тканей и органов, отдают им необходимый для жизни кислород, а на пути обратно в легкие снова собирают и уносят из тела вредный углекислый газ.

Так что в конечном счете клетки получают необходимый им для жизни кислород именно благодаря замечательному круговороту гемоглобина с его железом. Но при всей важности гемоглобина роль железа в нашей жизни этим не исчерпывается. В организме взрослого, здорового человека содержится 4–5 граммов железа, а в гемоглобине его примерно 2–2,5 грамма. Это значит, что остальное железо делает в организме что-то другое. И действительно, как установили ученые, часть этого железа (тоже в составе гемов) содержится в других белках — так называемых цитохромах. Они тоже крайне важны для жизни, потому что играют центральную роль в том химическом процессе (он называется зубодробительным словом «окислительное фосфорилирование»), с помощью которого клетки запасают энергию для жизненных реакций.

Этот циклический процесс еще сложнее, чем дыхание. Он начинается со сжигания (окисления) пищи, то есть противоположен тому, что делают растения на свету: растения поглощают энергию света, чтобы с ее помощью превратить воду и углекислый газ в кислород и углеводороды, а здесь клетки, наоборот, превращают кислород и углеводороды (белки, жиры и сахара) в воду и углекислый газ, при этом выделяя энергию. А затем эта энергия (полученная в конечном счете из пищи) идет на закручивание огромного множества особых молекулярных «пружин» (они именуются АТФ), которые могут позже, в любое нужное время и в любом месте клетки, раскручиваясь, вернуть ей нужное количество запасенной в них энергии.

Цитохромы принимают активное участие в этом важнейшем кругообороте жизни. Если гемоглобин доставляет для этого процесса кислород и уносит образующийся в этом процессе углекислый газ, то цитохромы — опять-таки благодаря своему железу (которое может легко переходить из одного электронного состояния в другое) — помогают быстро и в нужном порядке производить реакции, необходимые

для запасания энергии в ходе образования АТФ. Но не менее важную роль играют и те атомы железа, которые связаны с белками третьего вида — трансферринами. Молекула трансферрина — это главное транспортное средство для переноса железа во все клетки организма. Этот важный процесс происходит так. Железо поступает в организм вместе с пищей. Пища переваривается в кишечнике, всасывается в его стенки и отдает их клеткам все нужные организму вещества. В том числе и атомы железа. Эти атомы подхватываются молекулами трансферрина, которые присоединяют железо к себе к себе и плывут с ним в кровотоке, пока не встретят клетки, нуждающиеся в железе. Им они и отдают свой драгоценный груз.

Один из главных получателей «железного» груза — группа клеток костного мозга, жизненное назначение которых — превратиться в зрелые эритроциты. На поверхности таких клеток есть специальный приемник трансферрина, присоединившись к которому молекула трансферрина вместе с ее железом втягивается внутрь клетки. Там она отдает свое железо, которое потом войдет в состав гемоглобина, а сама выходит из клетки обратно в кровоток и отправляется в кишечник на поиск новых атомов железа. Так что без трансферрина не было бы гемоглобина, а значит — и кислород не мог бы соединяться с эритроцитами и поступать в клетки. Но эритроциты живут недолго — они разрушаются, и «чистильщики»-макрофаги пожирают их останки вместе с содержащимся в них железом. Поэтому организму нужны все новые и новые эритроциты, то есть все новое и новое железо, и потому трудяги-трансферрины практически никогда не отдыхают. Вечные труженики.

Честно трудятся и другие железосодержащие белки — молекулы миоглобина. Этот белок, как видно по названию, — родственник гемоглобина, только его гем (та химическая группа, напомним, в центре которой находится атом железа) имеет несколько иную структуру (и даже называется иначе — порфирин). Миоглобин — один из главных белков всех мышечных тканей и одно из главных (после гемоглобина) хранилищ железа в организме (не случайно телятина полезней в качестве источника железа, чем, скажем, рыба). Благодаря обилию железа миоглобин обеспечивает наши мышцы кислородом, и тогда они лучше работают (специальные опыты показали, что мыши, искусственно обедненные миоглобином, хотя и живут кое-как, но их сердечная мышца при этом на треть слабее нормальной). Так что сила наших мышц, как видим, зависит от железа, и если шпинат дает нам какую-нибудь силу, то не потому, что в нем есть нитраты, а потому, что в нем есть железо.

Железо выполняет в нашем организме множество жизненно важных функций — куда там селену или тому же хрому. Но как оно само попадает в организм? Как уже говорилось, оно приходит вместе с пищей, которая всасывается клетками стенок кишечника. Эти клетки наделены от природы способностью получать химические сигналы о количестве железа, имеющегося в любой данный момент в организме, и стало быть — о том, сколько железа организму нужно. Дело в том, что железо все время выводится из организма: после того как макрофаги пожирают останки железосодержащих клеток, эти останки перерабатываются и в конце концов выходят наружу. Ушедшее железо надо восполнять, и клетки стенок кишечника, в зависимости от полученных химических сигналов, отправляют в организм то или иное количество железа — понятно, с помощью молекул трансферрина. Остальное железо они хранят «на всякий случай» — внутри молекул ферритина.

В норме этот процесс непрерывного пополнения уровня железа имеет определенную, рутинную скорость, но он резко ускоряется в случае большой кровопотери. И тут особенно плохо женщинам — они теряют железо как с кровью во время менструаций, так и во время беременности, потому что отдают часть своего «железного запаса» драгоценному зародышу. И эту последнюю потерю особенно трудно восполнить — как показали исследования, у часто рожающих женщин уровень железа так и остается ниже нормы, потому что они не успевают его восполнять. Одно время существовало даже мнение, что с началом менструаций железо в женском организме тоже не успевает восполняться и потому его уровень вроде бы должен из года в год уменьшаться. Однако Р. Бергстром еще в 1985-м показал, что это не так: несмотря на менструации, уровень железа в женском организме в среднем остается практически постоянным. А вот о мужчинах этого сказать нельзя. С началом выработки мужского полового гормона (тестостерона) уровень железа у подростков начинает расти, и этот рост продолжается до определенного возраста. У женщин тестостерон почти не вырабатывается, вот почему у них уровень железа (по достижении зрелости) практически не меняется.