Неизвестное наше тело

Нудельман Рафаил Ильич

А теперь, после этого гимна во славу пользы железа, скажем несколько слов также о его двойственности. Напомню прежде всего, что, как мы видели, железо в организме во всех случаях находится в связанном виде — будь то в гемоглобине, цитохроме или трансферрине. А всякое свободное, неработающее железо немедленно связывается внутри молекулы ферритина. Невольно возникает впечатление, что, хотя организм очень нуждается в железе, он избегает железа свободного. И это правильное впечатление. Всякий излишек железа, который не может быть связан всеми упомянутыми выше способами, выводится из организма с помощью сложной системы реакций, все время поддерживающих «железное равновесие» в организме.

Почему же организм так избегает свободного железа? Дело в том, что железо не только с легкостью принимает электроны, но с такой же легкостью их отдает, и, если бы в организме имелись свободные атомы железа, они бы при любом удобном случае отдавали свои электроны окружающим

молекулам, тем самым превращая их в свободные радикалы (так называются атомы и молекулы с лишними, свободными электронами). А такие радикалы разрушительно действуют на ткани и органы. Вот почему организм научился в ходе эволюции так тщательно прятать свое свободное железо.

Но свободное железо необходимо связывать и по причине инфекций. Как уже отмечалось выше, бактерии и другие инфекционные агенты, будучи существами «кислородными», с тем же циклом дыхания, сжигания пищи и «окислительного фосфорилирования», что все прочие живые существа (кроме анаэробных), остро нуждаются в железе и там, где есть свободное железо, находят его и немедленно начинают бурно размножаться, усиливая заражение и болезнь. Этому есть множество самых разных примеров. Так, исследователи Африки открыли, что зулусы употребляют пиво, которое варят в железных горшках, и в результате много чаще страдают амебными болезнями, чем масаи, которые такими горшками не пользуются. Можно думать, что частицы железа, попадающие в организм из горшков, не усваиваются (будучи «лишним» железом) и уходят в кишечник, где становятся пищей для амеб. О том же говорит тот факт, что среди масаев, которые почему-либо получали пищевые добавки с железом, 88 процентов вскоре заболели. Аналогичная ситуация была с туберкулезными больными в Америке. Туберкулез вызывает анемию, и многие врачи предписывали больным пищевые добавки, содержавшие слишком много железа. Результатом во многих случаях было обострение болезни. Любопытно, что последующий опрос показал, что 90 с лишним процентов врачей и фармацевтов не понимали, что при больших дозах вводимого таким образом железа трансферрин не успевает переносить его в ферритин и оставшиеся свободными атомы железа становятся мощным стимулом размножения туберкулезных палочек. Такое же непонимание опасной роли свободного железа существовало до недавнего времени и в отношении беременных женщин, которым зачастую предписывали слишком большие дозы пищевых добавок с железом.

В отличие от этих врачей и фармацевтов природа знает, что нужно защищать организмы от свободного железа, и в ходе эволюции выработала для этого не только систему стабилизации уровня железа в организме, но и многие другие, вспомогательные защитные механизмы. Почему, например, дети, выращенные на коровьем молоке, чаще становятся жертвами разных инфекций, чем дети, растущие на молоке материнском? Оказывается, в молоке есть связующий железо белок лактоферрин, но в человеческом молоке его 20 процентов, а в коровьем — всего 2 процента (разумеется, свою роль играют также гормоны и антитела, получаемые младенцем с молоком матери). А вот другой интересный пример изобретательности природы. Он был обнаружен, когда стали исследовать куриные яйца. Оказалось, что белок на 12 процентов состоит из молекул белка кон-альбумина, который связывает все без исключения атомы свободного железа. И хотя бактерии могут проникнуть в яйцо через его пористую скорлупу, но до желтка с его запасами железа им не добраться — они гибнут еще на пути к нему, в белке, где для них железа нет. Не случайно в старину белком куриного яйца смазывали открытые раны, «чтобы зараза дальше не пошла». Оказывается, это не просто создавало на ране защитную пленку, но пленку, лишенную железа, то есть вдвойне непроницаемую для бактерий. Вот так во множестве случаев на пути «заразных» бактерий стоят выработанные эволюцией механизмы связывания свободного железа. Только благодаря им жизнь без опасности для себя использует железо, а благодаря железу — существует и развивается.

На кой нам цинк?

Недавняя почта принесла медицинскую новость из Америки. Группа профессора Эмили Хо из Научно-исследовательского института имени Лайнуса Полинга провела изучение роли цинка на различных лабораторных животных в разном возрасте и пришла к важным результатам. Оказалось, что с возрастом в организме, среди прочих неприятностей, нарушается кругооборот цинка. Те белки, которые переносят цинк в нужные места, производятся в недостаточном количестве, и в результате содержание этого химического элемента в организме понижается. А это, как свидетельствуют результаты исследования Эмили Хо, влечет за собой нарушение механизма починки возможных генетических повреждений, а также нездоровое повышение уровня воспалительных реакций. Воспаление, в определенных пределах, необходимо организму, это нормальная реакция на всякого рода инфекции и раны, но, перешагнув эти пределы, оно может способствовать всякого рода заболеваниям, вплоть до раковых. По всем этим причинам профессор Хо считает необходимым повысить рекомендуемые нормы

потребления цинка для пожилых людей. Сегодня эти нормы для них такие же, как для молодых взрослых, хотя не только содержание цинка у них снижается, но и усвоение его из пищи.

В свете всего сказанного мы, непросвещенные, какого бы мы ни были возраста, вправе заинтересоваться: в чем дело? Какую такую роль играет этот металл в нашем организме? Ну-ка, доложите немедленно!

Немедленно докладываю. Нашему организму, как давно уже показали исследования, нужны всякие металлы, хотя и в малых количествах. Для каждого металла — цинка, железа, магния и т. п. — есть некая норма, в которой он должен присутствовать в организме. А дефицит цинка ведет, в частности, к замедлению роста, половому недоразвитию у мужчин, изменениям кожи, притуплению умственных реакций, большей податливости инфекциям и плохому заживлению ран. Поэтому считается, что главной группой риска в отношении цинка являются дети, в следом за ними — подростки и молодые люди. Теперь оказывается, что к ним нужно добавить также пожилых. Выходит, мы все нуждаемся в нормальном уровне содержания этого металла.

Что делает внутри нас цинк? Очень многое, хотя и невидимое простому глазу. А вот научному глазу очень даже видимое. Вот уже добрых полвека, если не больше, науке известно, что цинк участвует в реакциях метаболизма, то есть, грубо говоря, превращении съеденной нами пищи, выпитой воды и вдохнутого кислорода в биологические «кирпичики», из которых все клетки организма строят белки, необходимые для этого метаболизма. А поскольку эти белки, поработав немного, умирают, то нам нужны новые белки, а для этого опять нужны пища, воздух и вода, такой вот кругооборот. По крайней мере три сотни разновидностей беловых молекул, участвующих в этом кругообороте (они называются ферментами, то есть ускорителями реакций метаболизма), содержат атомы цинка.

Если глянуть на многие ферменты и другие белковые молекулы, то бросается в глаза их огромность (в молекулярных масштабах, разумеется). Они состоят порой из многих сотен «кирпичиков» — аминокислот. Зачем так много? — спросите вы. А затем, что белки могут успешно выполнять свои функции только в том случае, если свернуты в определенную пространственную структуру (свою для каждого вида белка). При таком свертывании у молекулы на поверхности появляются разного рода впадины, где могут задерживаться разные другие молекулы. А задержавшись, эти другие молекулы скорее встретятся и прореагируют друг с другом, чем просто плавая в огромных просторах клетки. Благодаря этому белки и могут ускорять реакции. Но для этого им нужно эту свою структуру все время сохранять. А для такого сохранения нужно, чтобы эта структура была скреплена многими связями между разными частями молекулы. А чтобы этих связей было побольше (и больше была бы устойчивость структуры), белковой молекуле нужно много разных частей, то есть много аминокислот. И на каком-то этапе эволюции природа стала использовать для скрепления их структуры атомы цинка.

Оказывается, цинк успешно заменяет самый важный вид связей внутри белковой молекулы — двойную сульфидную связь, так называемый серный мостик. Цинк даже лучше этого мостика. Серный мостик легко распадается в щелочной среде, что, понятно, грозит нарушением структуры белка, а цинковая связь в этом смысле устойчива. Серная связь, будучи двойной, очень жестка, а цинковая придает белку больше гибкости, и в то же время она прочнее. Жаль, что природа слишком поздно ее изобрела, почему число белков с цинком намного меньше, чем обычных (а у бактерий их вообще нет). Жаль, потому что они оказались весьма эффективным орудием управления некоторыми важнейшими процессами в клетке.

В общем понятно, зачем организму цинк. И потому он старательно поддерживает в себе необходимую концентрацию этого металла. Она невелика: в среднем в организме взрослого человека содержится около двух граммов цинка. Примерно 60 процентов его забирают себе наши мышцы, около 30 процентов — кости, остальное расходится по другим местам. Но беда в том, что цинк в организме не задерживается. Он входит в состав белков и при их распаде выносится из организма вместе с белковыми обломками, через почки и кишечник. Кроме того, атомы цинка улетучиваются еще и через кожу. В целом организм за день теряет от 0,5 до 30 миллиграммов цинка. Что означает такой разброс? Он означает, что организм непрерывно следит за тем, чтобы в нем не было не только недостатка, но и излишка цинка (ибо излишек тоже вреден). Такой процесс поддержания равновесия именуется в биологии гомеостазом. Механизм цинкового гомеостаза — то есть как именно осуществляется слежение за концентрацией цинка, какие сигналы понуждают ускорять или замедлять его выведение из организма — науке пока не известен, но само наличие такого гомеостаза, а следовательно, и важности цинка для жизни человека было осознано впервые в 1963 году (когда появились первые работы, посвященные изучению биологической роли цинка в организме людей). А уже через десять лет американское Управление продовольственных и лекарственных препаратов опубликовало первые нормы рекомендуемого потребления цинка.