Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий

Поэтому азот должен был выводиться в менее токсической форме, нежели аммиак, иначе земля не смогла бы покориться животным. К счастью, решение было найдено. Две молекулы аммиака могли соединяться с молекулой углекислого газа, образуя мочевину. Ее молекула состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода, двух атомов водорода и четырех атомов азота.

Мочевина — твердое вещество, но растворяется в воде в два раза легче, чем поваренная соль, так что она без труда попадает в кровь. К тому же, по сравнению с аммиаком, мочевина относительно безопасна. В литре крови, в котором не может без угрозы для жизни содержаться даже одной тысячной доли миллиграмма аммиака, без всяких последствии содержится сорок миллиграммов мочевины.

Когда головастики превращаются в лягушек, они изменяют систему выведения азота с аммиака на мочевину. Этих изменений мы не видим. Мы замечаем потерю хвоста и появление лапок. Превращение жабер в легкие заметно лишь частично. Однако изменение химического механизма, хотя и не такое заметное, является более важным, чем другие трансформации.

В мочевине содержится больше энергии, чем в аммиаке, поэтому животные, избавляющиеся от азота в виде мочевины, теряют часть своей энергии. Однако преимущества такого механизма выведения азота превышают эти ничтожные потери.

Некоторые насекомые, птицы и рептилии проводят первые несколько дней или недель свой жизни на суше в яйцах. Через скорлупу яиц вода не только поступает в очень ограниченных количествах, но и ее запасы нельзя возобновить при помощи питья. Поэтому способ удаления азота опять должен меняться. Если бы мочевина образовывалась в яйцах, концентрация этого вещества достигла бы в них опасного уровня (даже мочевина может представлять угрозу для жизни, если ее слишком много) еще до того, как зародыш вылупится из яйца. Поэтому азот выводится в виде мочевой кислоты — соединения более сложного, чем мочевина, состоящего из фрагментов четырех молекул аммиака и трех молекул углекислого газа. Мочевая кислота довольно плохо растворяется, поэтому не попадает в воду. Вместо этого она откладывается в особых местах внутри яйца, где не мешает развитию зародыша. Мочевая кислота по сравнению с мочевиной вызывает несколько большие потери энергии, но все равно ее преимущества неизмеримо превышают недостатки.

Млекопитающие, в том числе и человек, которые первые недели или месяцы своей жизни развиваются в материнском теле, приобрели более примитивную систему выведения азота. Мочевина, образующаяся у плода, просачивается сквозь плаценту в кровеносные сосуды матери, которая всегда в состоянии пополнить запасы воды, поэтому млекопитающим не нужен механизм выведения азота в виде мочевой кислоты.

Растения, у которых нет циркулирующей жидкости, также должны как-то избавляться от азота. Некоторые решают эту проблему, вырабатывая сложные азотсодержащие соединения — алкалоиды, которые откладываются в коре, корнях, семенах и листьях. Обычно при попадании внутрь они оказывают мощное воздействие на организм животных и человека, и многие из них вредны для здоровья или смертельно ядовиты, в зависимости от дозировки.

Если бы клетки выбрасывали мочевину в кровеносное русло, то ее количество в крови быстро бы достигло опасной отметки. Однако, совершая свой круговорот в организме, кровь проходит через два органа, имеющих форму бобов и расположенных в области поясницы по обеим сторонам позвоночника, — почки.

Как и легкие, почки представляют собой губчатую ткань, кровеносную систему которых от внешнего мира отделяет лишь тонкая оболочка. Легкие разделяются на крошечные альвеолы, вдоль которых проходит кровь, а почки — на канальцы. Когда кровь проходит по этим канальцам, через их стенку просачивается вода с растворенными в ней мелкими молекулами, в том числе и молекулами мочевины.

Когда раствор двигается по почечным канальцам, некоторое количество воды и почти все вещества вновь возвращаются в кровь. Продукты распада, такие, как мочевина и вода, в которой она растворяется, остаются в канальце. Этот раствор представляет собой мочу. Микроскопические дозы мочи проходят через миллиарды почечных канальцев и попадают в более широкие и длинные каналы (по одному в каждой почке) — мочеточники. По ним моча попадает в мочевой пузырь, где она собирается и откуда периодически выводится. Какую-то часть мочи представляют пигменты, придающие ей желтоватый цвет.

Клетки организма постоянно вырабатывают мочевину, а почки все время ее выводят, и таким образом количество мочевины в крови поддерживается на низком и относительно постоянном уровне. Если почки из-за инфекции или других заболеваний не в состоянии постоянно выполнять очистительную функцию, в крови начинает увеличиваться концентрация мочевины. Это состояние называется уремиейи может привести к смертельному исходу. Деятельность почек настолько важна, что у них есть собственный механизм поддержания кровообращения. Если по какой-то причине приток крови замедляется, почка выделяет фермент под названием ренин. Он изменяет один из белков в крови, превращая его в соединение — ангиотезин, который сужает различные кровеносные сосуды, поднимает кровяное давление и ускоряет кровообращение.

В этой главе я упоминал о том, как содержание воды в организме может изменяться посредством выделения более концентрированной мочи в период дефицита воды и более частого мочеиспускания при переизбытке жидкости в организме. Почки управляют этим процессом, контролируя обратное всасывание воды в почечных канальцах. Если в организме не хватает воды, возвращается больше жидкости, при переизбытке — меньше.

Эта функция почек, в свою очередь, управляется химическим веществом — вазопрессином, вырабатываемым в малых количествах гипофизом ^[3] — маленьким органом, расположенным в основании мозга. У некоторых людей гипофиз не в состоянии выполнять эту функцию. В таком случае вазопрессин не образуется и контроль над деятельностью почек утрачивается.

Следовательно, вода в почечных канальцах плохо всасывается обратно или не всасывается совсем, и у больного человека учащается мочеиспускание — до трех литров в день или больше. Эта болезнь называется несахарным диабетом. Слово «диабет» происходит от греческого «сифон», и, действительно, вода просто откачивается из организма больного, который, постоянно испытывая жажду, много пьет. «Несахарный» указывает на то, что в этом случае моча настолько разбавлена, что представляет собой практически одну воду. Больным несахарным диабетом можно помочь, их состояние можно значительно улучшить (хотя болезнь полностью вылечить нельзя) при помощи инъекций вазопрессина, полученного из гипофиза крупного рогатого скота.

Вазопрессин — это гормон, химическое вещество, вырабатываемое специальным органом — железой, которое попадает в кровь и участвует в химических реакциях в организме. Многие гормоны являются белками и имеют довольно маленькие молекулы. Например, молекула вазопрессина состоит из восьми аминокислот, по сравнению с шестьюстами аминокислотами в молекуле гемоглобина. В 1953 году группа биохимиков из медицинской школы Корнелльского университета в Нью-Йорке под руководством Винсента дю Виньо синтезировала этот гормон — первый пептидный гормон, полученный не из гипофиза животного.

Синтез вазопрессина стал последним штрихом в доказательстве точной структуры молекулы этого гормона и явился важным шагом к пониманию механизма действия гормонов вообще. Принимая во внимание чрезвычайную важность гормонов для организма, последствия, вызываемые избыточной или недостаточной продукцией того или иного гормона, и их роль в лечении различных заболеваний, изучение гормонов широко и интенсивно продолжается до сегодняшнего дня. За свои открытия в этой и других областях биохимии Винсент дю Виньо в 1955 году получил Нобелевскую премию в области химии.