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».
Витамин для витамина С
Белая магнезия получила название в противоположность уже известной до неё чёрной магнезии, под которой имелся в виду пиролюзит — минерал, содержащий марганец. Издавна он применялся для изготовления стекла. Природу этого минерала впервые выяснил в 1774 году выдающийся шведский химик Карл Шееле. В течение двух лет (тогда ещё особенно не спешили с выводами) он исследовал пиролюзит, смешивая его с различными вещёствами. При действии на минерал соляной кислотой он получал жёлто-зелёный газ с резким запахом, который впоследствии назвали хлором. После выпаривания в реторте оставался осадок в виде розовых кристалликов. Шееле попросил своего друга, искуснейшего химика и металлурга Юхана Гана исследовать их. Вскоре, расплавляя в тигле пиролюзит, Ган получил из него маленький слиток металла — королёк, который в конце концов и был назван марганцем. В обиходе, пожалуй, самое популярное вещёство, содержащее марганец,— марганцовка, или перманганат калия. Это хорошее дезинфицирующее средство.
Немногим меньше века отделяет два, казалось бы, ничем не связанных между собой события. В 1788 году в золе дикого тмина было обнаружено присутствие марганца. А в 1876 году британское исследовательское судно «Челленджер» доставило в Англию необычные образования, напоминавшие шары или булыжники, которые были подняты тралом с морского дна. В них также содержался марганец, очень много марганца. И железа. Эти странные шары получили название железо-марганцевых конкреций и были помещёны на музейные витрины. Может быть, они ещё долго оставались бы экзотическими музейными экспонатами, если бы не дефицит марганцевых руд.
В 50-е годы нашего века на конкреции обратили особое внимание и подвергли их тщательному изучению. Ими начали заниматься не только геологи, но и геохимики. Оказалось, что помимо марганца и железа в этих образованиях содержится более 30 различных элементов, в том числе такие металлы, как никель, медь и кобальт, концентрации которых в них выше, чем в рудах, залегающих на суше. С начала 60-х годов всерьёз стали подумывать о промышленной добыче таких донньус отложений. Но наш рассказ не об этом.
Подробные исследования водных районов залежей конкреций показали, что они встречаются практически всюду — от мелководья до глубин более 2000 метров, где царит вечный мрак, температура едва достигает двух градусов, а животный мир весьма беден. Железо-марганцевые конкреции устилают в иных местах дно настолько плотно, что оно напоминает булыжную мостовую ().
Как возникают конкреции, ещё точно не установлено; но многие факты говорят о роли в этом процессе живых организмов. Здесь можно усмотреть нечто общее с проблемой происхождения нефти — ведь до сих пор не утихают споры о том, являет ли она собой остатки живых организмов или продукт геологических процессов.
Известно, что живые организмы вообще и морские обитатели в частности обладают способностью накапливать в себе различные химические элементы, в том числе и металлы. Например, концентрация марганца в морской воде составляет 0,002 мг/кг, таким образом, коэффициент обогащения здесь равен 60 тыс.! Не так давно ленинградские биологи обнаружили неизвестный раньше вид металлогенических бактерий, которые также могут накапливать в себе марганец, извлекая его из воды. Интересно, что за несколько недель в лабораторных условиях эти невидимки создавали марганцевые шарики наподобие конкреций величиной со спичечную головку.
Вспомним: ведь вообще многими месторождениями полезных ископаемых суши мы обязаны простейшим организмам первичного океана, существовавшим миллиарды лет назад. При изучении органического вещества древнейших осадочных пород удалось обнаружить, что они обогащены углеродом биологического происхождения и содержат помимо этого много железа, марганца, меди и других металлов. Эти одноклеточные водоросли в невообразимо далеком прошлом, концентрируя в себе металлы, отмирали и создавали громадные залежи руд. Об этом еще в свое время говорил Вернадский: «Железо выделяется из морской воды на дне океанов и морей под влиянием железных бактерий, собираясь в форме конкреций из гидратов окиси железа (по-видимому, и хлоритов), покрывающих нередко огромные площади»...
Другая группа исследователей сегодня" утверждает, что конкреции возникают в результате взаимодействия активных поверхностей с растворенными металлами в воде и что на это требуется по крайней мере миллион лет. Но металлы опять же присутствуют в океане в виде органических комплексов, образующихся в результате жизнедеятельности планктона. Кроме того, установлено, что растворимость соединений марганца резко увеличивается в воде, насыщенной органическими веществами. Так или иначе, но рост железо-марганцевых конкреций происходит не без участия живого вещества.
Подсчитано, что воды Мирового океана содержат 15 млрд. т марганца, а его кларк в земной коре равен 0,1. Это в 46 раз меньше, чем кларк железа, но в 55 раз больше, чем кларк кобальта. Растениями суши марганец поглощается в 35 раз интенсивнее, чем железо. Вероятно, это связано с его дефицитом в почвах.
Марганец наряду с магнием совершенно необходим при фотосинтезе, а его ион близок по свойствам иону магния и может заменять его в некоторых биохимических - процессах. Поэтому роль марганца в обмене веществ у растений сходна с функциями магния. Марганец активирует многие ферменты, особенно участвующие в процессе фосфорилирования.
Взаимозаменяемость ионов марганца и магния проявляется весьма любопытно в синтезе ДНК. С участием магния этот синтез идет медленно, но верно. Марганец же весьма ускоряет процесс, но при этом могут быть сбои (спешка всегда чревата неожиданными последствиями!), являющиеся причиной различных отклонений от заданной программы наследственности — мутаций. С одной стороны, такие изменения нежелательны, так как они могут приводить к уродству, но с другой... С другой стороны, если бы не было мутаций, как бы происходил естественный отбор, благодаря которому и появились мы с вами? Таким образом, очевидно, что и магний и марганец жизненно необходимы. Просто у марганца атом тяжелее (выше заряд, больше электронов), и, видимо, в процессе усложнения организмов природа включила в их состав и более сложные атомы. Недаром у животных обнаружены такие ферменты, где марганец не может никоим образом быть заменен магнием1. Да и полное отсутствие марганца в рационе животных гибельно.
Пока известны только два фермента, в состав которых входит марганец. Этот пируват карбоксилаза и аргиназа. Но в качестве активатора марганец служит для многих энзимов. Помимо этого, он стимулирует синтез холестерина и жирных кислот, а также принимает участие в кроветворении, способствуя лучшему усвоению железа. Определенным образом марганец связан и с медью, от чего опять же зависит процесс кроветворения. Дефицит марганца, вызывавшийся экспериментально у животных, приводил к уменьшению островков Лангерганса, которые, как мы помним, являются основными поставщиками инсулина организму. В связи с этим существует предположение, что марганец способствует образованию этого гормона.
И все же самая, пожалуй, важная функция марганца — его участие в синтезе витамина С О необходимости же для нас витаминов, думается, говорить излишне.
Кроме всем известной марганцовки, в медицине нашли применение и другие соединения марганца. Это и хлористый марганец, усиливающий действие антибактериальных инъекций, и сульфат марганца, помогающий при атеросклерозе...
В последнее время препараты марганца применяют и в спорте. Специальные исследования показали, что, например, у лыжников при интенсивных тренировках в крови увеличивается содержание таких металлов, как железо, медь, цинк, марганец. Причем, чем выше квалификация спортсмена, тем концентрация их больше. Но после соревнований содержание этих металлов в организме резко падало. Например, после гонки на 50 км баланс металлов становился отрицательным, из-за чего наблюдались даже случаи спортивной анемии, приводившей к резкому снижению трудоспособности. Для компенсации нехватки биометаллов в пищевой рацион спортсменов, особенно в период ответственных соревнований, включают добавку препаратов марганца, сбалансированных с другими необходимыми элементами.
В то же время в больших количествах марганец — яд. Отравления марганцем в рудниках были описаны еще 150 лет назад.
Молибденовая кожа
Одной из сенсаций прошлого века было открытие итальянским астрономом Джованни Скиапарелли каналов на Марсе. Впоследствии это событие породило лавину невероятнейших гипотез, среди которых самая, пожалуй, заманчивая — о марсианской цивилизации, превосходящей нашу земную. И давно забытый Лассвиц, и Уэллс, и ныне здравствующий Брэдбери пытались каждый на свой манер писать марсианские хроники.
В наши дни отменены и сами каналы на Марсе, и его сверхцивилизация, да и вообще жизнь на этой планете — даже в самых примитивных формах. Космические исследования не принесли никаких доказательств присутствия там живых организмов.
Одной из причин, по которым в нашем, земном понимании на Марсе жизнь невозможна, считают то, что там до сих пор не обнаружен один из важнейших биометаллов — молибден.
С этим элементом связана ещё одна, на наш взгляд, тоже фантастическая гипотеза, выдвинутая лет 10 назад видными учёными Ф. Криком и Л. Оргелом. Эти исследователи выразили сомнение в том, что жизнь на Земле возникла естественным путём в результате эволюции материи. По их предположению, на нашу планету неведомой цивилизацией были занесены простейшие организмы. Они были доставлены, считают учёные, на особом космическом корабле, где были созданы условия, обеспечивающие полную сохранность этих посланцев жизни. Предоставим слово авторам гипотезы: «Химический состав живых организмов,— говорят они,— в какой-то степени отражает состав среды, в которой они развивались. Поэтому присутствие в земных организмах элементов, на нашей планете крайне редких, может означать, что жизнь имеет, внеземное происхождение. Важнейшую роль во многих ферментативных процессах имеет молибден, в то время как хром и никель принимают сравнительно небольшое участие в биохимических реакциях. Содержание хрома, никеля и молибдена на Земле составляет соответственно 0,20; 3,16 и 0,02 процента... Однако если бы удалось показать, что элементарный состав земных организмов хорошо соответствует составу того или иного типа звёзд — например, молибденовых звёзд,— то мы могли бы с большим доверием отнестись к теориям внеземного происхождения жизни».