Оживление без сенсаций

Но посмотрим на этот вопрос с оптимистической стороны: да, конечно, каждую секунду в селезенке погибает 10 миллионов красных кровяных шариков, но в эту же секунду столько же новых, полных сил эритроцитов поступает в кровь из костного мозга! И в каждом эритроците размером всего 7 микрон 280 миллионов молекул гемоглобина, «самого удивительного вещества в мире», как назвал его Джозеф Баркрофт — один из основоположников науки о дыхании.

В последние годы интерес к гемоглобину непрерывно растет: примерно каждые два дня в мире выходит новая научная работа, посвященная его свойствам. И тем не менее виднейший советский «гемоглобиновед» профессор Л. И. Иржак пишет: «Несмотря на все достигнутое в изучении гемоглобина, представления о нем можно уподобить огромному портрету, на котором выписаны в совершенстве только глаза и кисть руки, а остальные детали сливаются с фоном».

Известно, что самой большой частью гемоглобина является белок глобин. Он состоит из четырех цепочек, завязанных в сложный узел. И на каждой цепочке глобина торчит, как пуговица, красное кольцо порфирина (от слова «порфирос» — пурпурный). В центре кольца — атом железа. У него шесть рук — координационных связей. Четырьмя связями атом железа держится изнутри за кольцо порфирина, пятой рукой он упирается в цепочку глобина, а шестой шарит в пространстве — ловит кислород. Как только поймает, гемоглобин превращается в оксигемоглобин: теперь он готов путешествовать из легких в ткани, где атом железа отпускает кислород, чтобы продуть им клетки. Оксигемоглобин становится обычным гемоглобином, током крови он возвращается обратно в легкие, размахивая по дороге освободившейся рукой — валентностью: он снова готов ловить кислород.

Как часто нас в природе поражает сочетание великого и малого: в 25 триллионах эритроцитов содержится всего 2,45 грамма железа, благодаря которым мы можем дышать! Маленький железный гвоздик, растворенный в нашей крови, позволяет нам жить! Каждый грамм гемоглобина может' удержать с помощью миллиардов своих железных ловцов 1,34 миллилитра кислорода. А поскольку в 100 миллилитрах нашей крови содержится 15—16 граммов гемоглобина, нетрудно подсчитать, что эти 100 кубиков крови могут принести тканям 20 миллилитров кислорода, т. е. почти в 70 раз больше, чем несла бы кровь («морская вода») без гемоглобина. Вот вам и гвоздик!

Кстати сказать, именно железо придает нашей крови красный цвет: у всех позвоночных животных, а также у дождевого червя, пиявок и некоторых моллюсков в цветных белках крови железо. А вот у скорпионов, пауков и спрутов вместо гемоглобина гемоцианин: в нем не железо, а медь, от которой кровь у них окрашивается в голубой цвет,— факт, вызывающий у биологов непреодолимое желание проводить всякого рода сатирические параллели.

Реаниматологи очень любят гемоглобин. Ведь именно он снабжает кислородом ткани, без его помощи в клетках возникало бы кислородное голодание, с которым врачу приходилось бы вступать в трудную борьбу. Реаниматологи ревностно следят за характером гемоглобина. Дело в том, что у него очень переменчивый характер, во многом зависящий от внешних обстоятельств. Когда кислорода много, а углекислоты мало, он становится жадным, и его железо держится за кислород, как Гобсек. Но зато когда тканям плохо и в них развивается гипоксия и гиперкапния, гемоглобин становится альтруистом и готов поделиться с клетками последним кислородом.

Иногда реаниматологу так и хочется взять фонендоскоп и, наклонясь над молекулой гемоглобина, обратиться к ней с типичной врачебной просьбой: «Дышите!.. Еще! Глубже, пожалуйста... Еще! Глубже вдохните!.. Повернитесь на другой бок!»

Врачу очень хочется выслушать «молекулярное легкое» — от его работы зависит жизнь человека с его легкими, сердцем, а главное, мозгом. Между тем «гемоглобиновое дыхание» и в норме, вне всякой болезни, работает весьма своеобразно.

Как мы помним, в молекуле гемоглобина четыре цепочки глобина, на каждой из которых торчит красная пуговица гема со своим железным центром.

Самое интересное в механизме работы «молекулярного легкого» заключается в том, что все четыре гема, принадлежащие одной молекуле гемоглобина, работают не порознь, а как бы совместно, кооперированно: каждую следующую молекулу кислорода гемоглобин захватывает (и отдает) легче, чем предыдущую. То есть каждый гем каким-то образом знает, присоединили гемы кислород или еще нет. Что-то происходит с громадной молекулой гемоглобина, когда она начинает связываться с кислородом. Лауреат Нобелевской премии Макс Перутц так сформулировал этот вопрос: как крошечная блоха (молекула О2) заставляет подпрыгивать слона (10 тысяч атомов гемоглобина)?

Как же объясняется согласованность в работе четырех субъединиц гемоглобина? Напрасно мы будем искать здесь аналогию с дружеской солидарностью. Каждая свободная субъединица жадно хватает кислород, а в ансамбле ее инициативу сковывают шесть солевых мостиков. Когда эти пути разрываются, присоединить кислород становится легче. Поясним это на простом примере.

«Четыре человека, взявшись за руки, образовали круг. Каждый из них должен поймать мяч, бросаемый извне круга. Человеку, который первым ловит мяч, приходится труднее всего, так как он должен освободить обе руки. Второму сделать это легче, ибо одна его рука свободна. Последний поймает мяч легче, чем все участники игры,— ведь он никак не связан с соседями. Ну и, конечно, когда люди стоят лицом к мячу, им поймать его легче, чем стоя к нему спиной. Первая молекула кислорода присоединяется к гемоглобину труднее всего, затем, по мере насыщения кислородом, солевые мостики между цепями разрываются, и темы получают большую степень свободы, чтобы ловить кислород» *.

Конечно, разные патологические процессы могут нарушать работу «молекулярного легкого», а реанимация молекул, к сожалению, дело неимоверно трудное, такие задачи — удел медицины будущего.

Когда в организм пациента проникают «враги», которые пытаются поломать или блокировать гемы, реаниматологу приходится думать не только о судьбе гемоглобина: порфириновые кольца с железным атомом в центре работают также во многих других частях тела. Они всегда связаны с белковыми цепями и образуют важнейшие гемсодержащие белки — гемопротеины. Но гемоглобин — единственный гемсодержащий белок, в названии которого есть слово «гем» (кстати сказать, происходящее от греческого слова «айма» —• кровь). Все остальные скрывают свою принадлежность к гем-клану, хотя функции свои выполняют исправно.

В мышцах кислородную эстафету от гемоглобина принимает другой гемсодержащий белок — миоглобин (мио — от греч. «мышца»). Молекула миоглобина в 4 раза меньше гемоглобиновой — у нее лишь одна цепь и одна пуговица гема, но мышечный гемопротеин оказывается более активным, чем его более солидный брат-путешественник, и легко отнимает у того дефицитный кислород. Миоглобин захватывает кислород и запасает его на тот случай, когда мышца сокращается и по ее сжатым сосудам кровь с «эликсиром жизни» временно циркулировать не может. Вполне понятно, что это особенно важно для сердечной мышцы. Интересно, что миоглобина особенно много у длительно ныряющих животных, например у кашалота.

Итак, кислород совершает свой путь от легких к тканям, оседлав гемоглобин, а затем пересаживается на другой гемсодержащий белок — миоглобин. Дальнейшее путешествие кислорода тесно связано с еще одним семейством гемсодержащих белков — цитохромами. Но если гемоглобин и миоглобин участвуют в транспорте кислорода, то цитохромы служат переносчиками электронов в мембранах митохондрий — частиц еще более мелких, чем клетки.

Процессы электронного транспорта играют ключевую роль в обеспечении живых организмов энергией. Кислород — превосходный окислитель. Но если горение протекает с бурным выделением энергии в виде тепла, то в живых организмах окислительные свойства кислорода используются иначе. До горения тут дело не доходит, потому что окислитель и горючее не приходят в непосредственный контакт. Тем не менее окислительно-восстановительный процесс все-таки идет, заключается он в переносе электронов от продуктов превращения пищи (субстратов) к молекулярному кислороду, однако по дороге каждый электрон вынужден побывать на множестве молекул, образующих так называемую дыхательную цепь. При этом та энергия, которая выделилась бы при обычном горении в виде тепла, в особых органах клетки — ее энергетических станциях— митохондриях частично превращается в энергию химических связей молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Молекулы АТФ затем используются в качестве источника энергии в других биохимических процессах.

Последний перед кислородом участок дыхательной цепи как раз и включает несколько гемсодержащих белков, объединяемых под общим названием цитохромов.

Интересно, как природа расставляет на всех ключевых участках транспорта кислорода железные верстовые столбы. Мало того, на опасных участках этого пути стоят железные часовые.

Процесс окисления с помощью цитохромов дает побочный продукт, в больших концентрациях губительный для всего живого,— перекись водорода. Вспомним, что раствор этого вещества применяют, например, при дезинфекции ран. Будучи сильным окислителем, перекись водорода может вызвать, в частности, распад эритроцитов. Совершенно ясно, что организм нуждается в защите от столь опасного агента. Главный защитник — известный фермент каталаза. Ее молекула состоит из четырех субъединиц (наподобие гемоглобина), каждая из которых содержит гем, связанный с белковой цепью. Таким образом, и здесь работают четыре атома железа.