Текст книги "Металлы, которые всегда с тобой"
Автор книги: Ефим Терлецкий
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)
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.
Важную роль играют ионы магния, связывая между собой субъединицы рибосом – внутриклеточных частиц, состоящих из рибонуклеиновых кислот, участвующих в синтезе белка. Особое значение, как установили медики в последнее время, имеет магний для состояния сердечнососудистой системы. Недостаток его способствует заболеванию инфарктом миокарда – очень распространённым недугом нашего беспокойного времени. Переутомление и раздражение – тоже весьма частые наши спутники – также зависят от содержания магния в организме: в крови уставших людей концентрация его падает ниже нормы. То же самое происходит тогда, когда мы нервничаем и раздражаемся. Не случайно возбудимые люди чаще страдают сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Любопытный факт установлен статистикой: жители районов с тёплым климатом меньше подвержены спазмам сосудов, чем северяне. Это объясняется вот чем. В условиях юга больше возможностей питаться овощами к фруктами, а ведь именно они содержат необходимые соли магния. Особенно богаты ими абрикосы, персики, цветная капуста, а также помидоры и картофель.
Нашим организмом обычно усваивается не больше половины магния находящегося в пище. Поэтому в пищевом рационе должно содержаться не менее 0,5 г магния. Этот металл наряду с кальцием совершенно необходим и для построения нашего скелета.
О жизненной важности магния можно говорить долго. Об использовании его свойств для будущего человечества можно строить лишь различные предположения. Но ясно одно: он всегда будет играть большую роль в жизнедеятельности человеческого организма.
Маленькие ускорители больших реакций
Что делается
В механике,
И в химии,
И в биологии,—
Об этом знают лишь избранники,
Но, в общем, пользуются многие:
Излечиваются хворости,
Впустую сила мышц не тратится...
Л. Мартынов
Злой и добрый дух кобальт
Средневековые саксонские рудокопы своими заклятыми врагами считали зловредных гномов—кобольдов, живших глубоко под землёй. Это именно из-за их колдовских проделок подчас не удавалось из найденной серебряной руды получить драгоценный металл. Более того, часто при плавке такой руды выделялись ядовитые газы, которые отравляли металлургов. Считалось, что именно так маленькие уродцы мстят людям, осмелившимся вторгнуться в их подземные кладовые. От этих злых духов не спасали даже молитвы... (рис. 10).
Со временем рудознатцы все же научились отличать истинную серебряную руду от «нечистой». Шведский химик Георг Брандт, выделивший из такой «нечистой» руды в 1735 году неизвестный металл, похожий на сталь с синеватым отливом, назвал его кобальтом. Под этим именем сегодня и известен химический элемент № 27.
Надо сказать, что некая таинственность всегда присутствовала вокруг кобальта и его соединений, с которыми человечество познакомилось ни много ни мало 5 тыс. лет назад. И в Древнем Египте, и в Китае соли кобальта применялись для окраски стекла и глазури в красивый синий цвет. В гробнице Тутанхамона, знаменитого египетского фараона, нашли осколки синего кобальтового стекла...
Кому не известно, что когда-то только в Венеции умели изготавливать цветное стекло, которое высоко ценилось в других странах. Дабы сохранить секрет варки такого стекла, все стекольные фабрики Венецианской республики были переведены на остров Мурано. Однако в XVI веке в Германии и Чехии нашли рецепт изготовления синей краски для стекла и стали её продавать в разные концы света и даже в Венецию.
В то же время знаменитый химик и врач Парацельс любил демонстрировать картину, созданную им самим. На ней был изображён зимний пейзаж с деревьями под снежным покровом. Во время показа Парацельс незаметно подогревал картину, и на глазах изумлённых зрителей снег быстро сходил, на земле зеленела трава, а деревья покрывались листьями. Чудеса объяснялись довольно просто: картина была написана кобальтовыми красками. Смесь хлористого кобальта с хлористым же никелем почти бесцветна. При её нагревании теряется содержащаяся в этих солях кристаллизационная влага, и цвет сразу же меняется.
Но настоящая тайна кобальта, разгаданная лишь в наше время, была связана со страшной болезнью – злокачественным малокровием. Заболевшие считались приговорёнными к смерти. Врачи так и называли это заболевание – пернициозная анемия, от латинского слова «гибельный».
Впервые анемию такого рода описал английский врач Томас Аддисон в 1855 году. У больных, страдавших злокачественной анемией, резко снижалось выделение желудочного сока и появлялся совершенно необычный процесс образования эритроцитов, какой наблюдался разве что только у внутриутробного пятимесячного плода. Долгое время эти два явления медики не могли связать. Лишь в 20-е годы нашего столетия стараниями американских врачей, изучавших влияние различных компонентов пищи на кроветворение, кое-что прояснилось. Им удалось установить, что наиболее благотворно действуют на образование красных кровяных шариков витамины группы В, которыми богата печень. Больным, употреблявшим печень, особенно сырую, удавалось задерживать развитие смертельной болезни.
В последующие годы, наконец, нашли связь между недостатком желудочной секреции и патологической выработкой аномальных эритроцитов. Оказалось, что в желудочном соке человека присутствует особое вещество – гастромукопротеин, являющийся переносчиком одного из витаминов В, который, вероятнее всего, и ответствен за выработку нормальных кровяных шариков. Когда возникает болезнь, резко уменьшается количество гастромуко-протеина, что сразу же сказывается на переносе витаминов и ведёт к нарушению кроветворения.
В 1948 году одновременно и независимо друг от друга две исследовательские лаборатории Англии и США выделили из говяжьей печени красные кристаллы активного вещества. Поначалу оно получило название антипернициозного фактора. Это было очень важным достижением, особенно если учесть, что новое соединение содержалось в исходном продукте в пропорции 1 : 100 000. Представьте, сколько печёнок надо было переработать, чтобы получить ничтожное количество «фактора». И это в условиях, когда отсутствовали какие-либо надёжные критерии, которые помогли бы отделить основной продукт от примесей.
Но потребовались еще годы и годы, чтобы исследовать до конца этот «фактор печени». К середине 50-х годов из Оксфордского университета поступили, наконец, сведения, что там расшифровали структуру антипернициозного фактора, который теперь получил название витамин В12. Самое необычное в этом веществе было то, что оно содержало атом кобальта. Это единственный витамин, в состав которого входит металл.
Расшифровка строения такого сложного соединения, как витамин В12, была произведена благодаря рентгено-структурному анализу (не правда ли, здесь приходит на память история с гемоглобином?). Но интересно, что и по строению своей основной части это соединение похоже на гем (да и на хлорофилл тоже): атом кобальта встроен в систему кольца коррина, только незначительно отличающегося по строению от порфирина (на рис. 11 показана часть молекулы).
Витамин В12 имеет молекулярную массу 1357, а кобальт в этой молекуле находится в трехвалентном состоянии. В связи с тем что здесь имеется цианогруппа, этот витамин называют еще и цианкоболамин. Цианогруппа может вытесняться другими атомами или группами атомов, поэтому возможно существование большого числа производных витамина В12. Однако эти так называемые гомологи в нашем организме уже не производят почти никакого эффекта, за что они получили название «псевдовитаминов».
Уже первые рентгенограммы кристаллического вещества В12, полученные еще в конце 40-х годов/вскоре после его открытия, весьма оптимистично настраивали исследователей относительно выяснения его структуры. Однако в то время еще не было полной определенности по части химического состава этого витамина. Потребовалось решать проблему с двух сторон: кристаллографам с помощью рентгеноструктурного анализа, химикам-органикам при помощи традиционных методов. Это было плодотворное сотрудничество, может быть, где-то и не без здорового спортивного азарта. Рентгеноструктурщикам первым удалось определить долгожданную структуру, и в этом труднейшем марафоне первостепенная заслуга принадлежала Дороти Кроуфут-Ходжкин, одной из самых замечательных биохимиков нашего времени. В 194:6 году она установила структуру пенициллина.
Кроуфут-Ходжкин с детства увлекалась химией. После окончания химического факультета Оксфордского университета она стала одним из первых сотрудников только что созданной кристаллографической лаборатории в Кембридже. Там под руководством выдающегося английского ученого Дж. Бернала она постигала тайны рентгеноструктурного анализа белковых веществ. Особых успехов исследователи добились при изучении глобулярных белков.
Кроуфут-Ходжкин называли лучшим кристаллографом Англии. К ней за советом и консультацией обращались молодые Уотсон и Крик, когда у них не все ладилось с расшифровкой структуры ДНК. 8 лет понадобилось Дороти, чтобы разгадать структуру витамина В12. Многим эта задача казалась совершенно неразрешимой. ; За титаническую работу Дороти Кроуфут-Ходжкин в 1964 году была удостоена Нобелевской премии. Таким образом; она; стала третьей женщиной химиком после Марии и Ирэн Кюри, которой удалось получить эту высшую научную награду.
Воистину, нет предела совершенству! Как бы принимая эстафету от Кроуфут-Ходжкин, а может быть напротив, бросая ей вызов, «король синтеза» Вудворт по ту сторону океана решается на искусственное получение витамина В12. 11 лет – с 1961 по 1972 год – «лепил» он неподатливую молекулу. Синтез витамина В,2 считается высшим достижением за всю историю органической химии. Жаль, что Нобелевскую премию не дают дважды за успехи в одной и той же области науки. Но по части научных поощрений Вудворт, пожалуй, обижен меньше всех. Вряд ли мы ограничились бы одной страницей, если бы стали перечислять почетные степени и награды, академии и научные общества, членом которых он состоит. Этот выдающийся ученый создал научную школу, насчитывающую не менее 300 учеников – не только в Америке, но и в Европе. Половина из них – сами уже маститые ученые, члены различных академий. В работе над синтезом витамина В12 принимало участие 8 известных швейцарских химиков и 17 исследователей из Англии.
Вудворт неоднократно бывал в нашей стране и, для того чтобы читать в подлиннике советскую периодику, выучил русский язык. По словам его друга, профессора МГУ А. Н. Коста, «часто на лекциях или докладах, взяв в обе руки по кусочку мела, он с легкостью иллюзиониста начинал с обоих концов рисовать химическую структуру, и его пространственное видение молекулы было столь тонко, что не было случая, когда линии на доске не сошлись».
Получив витамин В12, человечество открыло путь к избавлению от злокачественного малокровия. Видный советский терапевт академик АМН И. А. Кассирский назвал победу над этим страшным недугом «медицинским событием века». Однако лечение пернициозной анемии весьма сложно, и при этом не ограничиваются витамином В12, а используют и другие препараты.
Витамин В12 применяют не только при расстройстве кроветворения, но и при заболеваниях нервной системы, печени, для лечения астмы и ряда других недугов. Однако в лечебной практике пока не используют синтетический витамин то он еще слишком дорог. В фармацевтической промышленности цианкоболамин получают используя биосинтез бактерий. Вообще заметим что у животных витамин Bi2 образуется только благодаря деятельности, микроорганизмов пищевого тракта. У: человека: этот процесс .выражен очень слабо» и , основное количество витамина мы должны получать с пищей
На страницах этой книги уже упоминалось о том что учеными ведутся поиски . заменителей железа в организме. В. этом отношении особенно обнадеживают комплексы кобальта с различными лигандами. Простейшие переносчики молекулярного кислорода с атомами кобальта вместо: железа оказались более эффективными. Но тогда возникает вопрос: почему же природа выбрала именно железо?
На это имеется по крайней мере два вероятных ответа.; Во-первых, железо более распространено в природе, а, следовательно, и более доступно. Кларк кобальта в земной коре лишь 0,0018, то есть круглым счетом в 2600 раз меньше, чем кларк железа. Во-вторых, железо в организме, помимо переноса кислорода, выполняет и многие другие разнообразные функции. Оно более универсально. И все же... Имеются убедительные сведения о том, что комплексы кобальта в лабораторных моделях вполне конкурируют с некоторыми энзимами. Недаром, помимо всего прочего, кобальт является активатором для таких ферментов, как, например, карбоангидраза и карбоксипептидаза. В нашем организме кобальта содержится всего лишь 1,5 мг. Однако попробуйте обойтись без них.
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.
Сейчас на земном шаре диабетом страдают многие миллионы людей. К сожалению, ему по-прежнему «все возрасты покорны», и число диабетиков согласно статистике каждое десятилетие удваивается. Однако с открытием инсулина – гормона, вырабатываемого поджелудочной железой и снижающего уровень сахара в крови, стало возможным облегчать страдания больных, в значительной степени улучшать их углеводный обмен и успешно противостоять грозному недугу.
Не вдаваясь в подробности, заметим, что диабет возникает при недостатке в организме инсулина. Резко нарушается обмен вещёств. В крови и моче появляется сахар, собственно, отсюда и происходит название этого недуга.
Инсулин был открыт всего лишь в 1921 году, и сразу же его стали использовать для лечения больных диабетам Естественно, что такое целительное вещёство не могло не привлечь к себе внимания не только медиков, но и биохимиков. В 30-х годах американские исследователи Д. Скотт и А. Фишер твёрдо установили, что в кристаллическом препарате инсулина присутствует цинк.
Надо сказать, что в то время не было ещё убедительных доказательств жизненной необходимости этого металла, хотя некоторые эксперименты как будто бы прямо доказывали это. Что было тогда известно? Во-первых, ещё в 1869 году доказали, что добавка солей цинка к культуре некоторых бактерий благотворно влияет на их рост. Во-вторых, в 1914 году выяснилось, что цинк в какой-то степени необходим и для растений. Однако все попытки доказать биологическую важность этого элемента для животных ни к чему не привели.
И вот цинк обнаружили в инсулине. Что это значило? До сих пор не прекращается дискуссия о том, является ли цинк активным началом инсулина и какова его роль в функции поджелудочной железы ив развитии диабета. Именно в поджелудочной железе концентрация цинка составляет значительную величину, особенно в так называемых островках Лангерганса, клетки которых и вырабатывают инсулин. Отсюда и название этого гормона, ибо «пнсула» по латыни значит островок. Но когда в 50-х годах английский биохимик Фредерик Сенгер, затратив 10 лет, установил формулу инсулина, места для цинка в ней не нашлось. А ведь Сенгер получил за свои труды Нобелевскую премёю. Таким образом, вопрос о содержании цинка в инсулине, казалось, был решён отрицательно и окончательно.
Однако специалистов все же смущало, что лекарственные препараты с добавкой цинка активнее, чем чистый гормон. Дальнейшими исследованиями было установлено, что 6 молекул инсулина, связываясь прочно с 2 атомами цинка, образуют сложную структуру с массой 36 тыс. (молекулярная масса инсулина 6 тыс.). В такой форме молекулы в растворе или в кристаллическом виде весьма стабильны. И мы знаем, что впервые цинк обнаружили именно в кристаллическом инсулине. Так как гормон, выделенный из поджелудочной железы, всегда содержит цинк, было высказано предположение, что этот металл и в естественном состоянии инсулина способствует образованию сложной устойчивой полимерной структуры. Позже возникли предположения о связи цинка и с другими гормонами.
Но если вопрос о цинке и гормонах ещё не нашёл своего окончательного решёния, то присутствие его в ферментах совершенно бесспорно. Сегодня насчитывают чуть ли не сотню энзимов, в которых обнаружен этот металл. Первым из них оказалась угольная ангидраза, или карбоангидраза – фермент, катализирующий обратимую реакцию образования угольной кислоты из двуокиси углерода и воды. Иными словами, при помощи его происходит удаление углекислого газа, образующегося в процессе тканевого дыхания. Уже одно это позволяет некоторым биохимикам считать, что в акте дыхания карбоангидразе принадлежит не меньшая роль, чем гемоглобину. Д этот фермент ещё принимает участие в образовании и соляной кислоты желудочного сока, и бикарбонатов поджелудочной железы и слюны; а у птиц – ив построении яичной скорлупы.
И вот в молекуле такого важного в физиологическом отношении вещества, как карбоангидраза, в начале 40-х годов американские исследователи Д. Кейлин и Т. Манн обнаружили цинк. Содержание этого металла в тщательно очищенных препаратах, полученных из бычьей крови, составило 0,33 %. Молекулярная масса фермента была определена в 30 тыс. Открытие цинка в карбоангидразе помогло понять биологическую роль металлов вообще. Именно с этого момента началась «цинковая эра» в биохимии и медицине.
Кейлин и Манн установили еще один любопытный факт: активность карбоангидразы резко снижалась в присутствии сульфаниламидных препаратов. А таковыми являются всем известные стрептоцид, сульфадимезин и другие, Это свойство оказалось присущим только карбоангидразе. Пока мы не знаем других ферментов, которые тормозились бы сульфаниламидами:. Вообще-то говоря, эти вещества не связываются с металлами в комплексы, нодциик; исключение, он взаимодействует с ними.
Всестороннее изучение показало, что стрептоцид, например, в; значительной степени 'Затормаживая активность карбрангидразы, оказывает мочегонное действие, что очень важно при лечении различных почечных заболеваний. Это обстоятельство позволило разработать серию так называемых диуретических препаратов, нашедших, кроме того применение и при лечении глаукомы и гипертонии.
Долгое время карбоангидраза считалась единственным ферментом, содержащим цинк. Однако начиная: с 50-х годов один за другим были открыты и другие цинксодержащие энзимы. Среди них можно упомянуть кабоксипеп-тидазу А, выделенную из бычьей поджелудочной желёзы и участвующую в гидролизе белков, алкогольдегидроге-назу из печени, катализирующую превращения альдегидов в спирты, а также некоторые фосфатазы, способствующие гидролизу фосфоропроизводных соединений. Отметим, что сегодня из всех биометаллов цинку, пожалуй, уделяют самое большое внимание. Не случайно на одном из последних симпозиумов по обмену микроэлементов треть докладов была посвящена именно цинку.
Сейчас уже убедительно доказана необходимость цинка для функции эндокринных желёз, для синтеза белков, его участие в механизме клеточного деления. Выясняется серьёзная роль этого металла в развитии не только диабета, но и таких крайне тяжёлых болезней, как цирроз печени и лейкемия. Обмен цинка в нашем организме, как полагают, имеет отношение и к проблеме атеросклероза. Помимо всего прочего цинку принадлежит важная роль в развитии скелета.
В то же время имеются факты, говорящие о том, что повышенное содержание этого металла в организме оказывает канцерогенное действие. Некоторое время назад видный советский физик Э. Л. Андроникашвили, исследуя со своими сотрудниками опухолевые ткани, обратил внимание на значительное содержание в них цинка. Впоследствии была установлена связь раковых образований с количеством цинка, поступающего в организм.
Как известно, некоторые злокачественные опухоли с успехом лечат ионизирующим излучением. В связи с этим Андроникашвили предположил, что целительное действие такого излучения связано с понижением концентрации металлов, в частности, присутствующих в ДНК и влияющих определённым образом на её структуру. Вскоре это предположение нашло экспериментальное подтверждение. Было показано, что, облучая как здоровые, так и опухолевые клетки, можно добиться в них понижения уровня цинка более чем в 2 раза. Дело в том, что ион этого металла необходим для образования пептидной связи, когда углерод соединяется с азотом для построения белковой молекулы. Поэтому в зонах интенсивного деления клеток наблюдаются повышенные концентрации цинка. Недостаток его в пище замедляет развитие всего организма. С этой причиной Связывают карликовый рост представителей некоторых африканских народностей. Предполагают так же, что появление в древние времёна и в Центральной Европе низкорослых племён тоже было связано с цинковой недостаточностью.
Наша ежедневная потребность в цинке около 15 мг, а общее его количество в организме не превышает 2 г, т. е. его у нас в 2 раза меньше, чем железа. После всасывания через– слизистую оболочку кишечника цинк поступает в кровь и разносится по всему организму. Самый низкий уровень цинка наблюдается у новорождённых, а наиболее высокий – у пожилых людей.
Человеческий кларк цинка составляет 0,0033 (что опять же всего лишь в 2 раза меньше, чем железа). Кларк цинка в земной коре составляет 0,0083. Это в 560 раз меньше, чем кларк железа, но почти в 2 раза больше, чем кларк меди.
Некоторые растения способны накапливать цинк в больших концентрациях. В Саксонии, в Рудных горах, где когда-то витал дух кобольда, из рода в род под величайшим секретом передавали предание о том, что галмейная фиалка указывает на близость месторождений цинка. Сегодня это подтверждается точнейшими исследованиями. В галмейной фиалке обнаружили содержание цинка в 200 раз большее, чем у обычных растений.
Там же, в Рудных горах имеется и другой цветок, который предпочитает более всего отвалы старых оловянных рудников. Цинк и олово в некотором роде связаны между собой: и тот и другой металлы издавна применялись в сплавах с медью. Цинк с медью образует латунь, а олово – бронзу. Даже в самом названии «цинк» некоторым исследователям слышится старонемецкое «цинн» – олово.
Впервые металлический цинк был получен в 1721 году саксонским металлургом Иоганном Генкелем, у которого, кстати, учился плавильному делу Михаил Васильевич Ломоносов.
Удивительно, что сплавы цинка с медью – латуни известны с древнейших времён, а чистый цинк получен только в XVIII веке. Минерал галмей, в котором содержится цинк, был тоже давно известен (отсюда и название галмейной фиалки). Не одно столетие люди пользуются также' лекарствами на основе цинка. Например, популярные глазные цинковые капли ввёл в обиход ещё Парацельс В лекарственном арсенале начала нашего века имелись такие препараты, как окись цинка в виде цинковой мази (это средство применяли внутрь при эпилепсии и различных судорогах), сернокислый цинк (он служил рвотным средством), хлористый цинк (использовался наружно– как прижигающее). И сегодня большое количество различных соединений цинка требуется фармацевтам для приготовления мазей, присыпок, гигиенических паст, суспензий, пластырей, не говоря о совершенно новых лекарствах, которые пока ещё проходят клинические испытания.
В заключение маленький совет: оцинкованной посудой следует пользоваться осторожно – цинк неустойчив к действию кислот и щелочей. В такой посуде нельзя готовить пищу, квасить капусту, солить огурцы, хранить томаты. Помните: растворимые соединения цинка очень ядовиты. Недаром Парацельс, один из первых гомеопатов, любил повторять: «Все есть яд, и ничего не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным».
