Металл живых конструкций

Металл живых конструкций

Чуть больше 200 лет назад во втором кругосветном путешествии Джеймса Кука сопровождал немецкий естествоиспытатель Иоганн Рейнгольд Форстер, воображение которого поразила изумительная картина коралловых островов Тихого океана. Но дело было не только в красоте рифов и лагун. Форстер, пожалуй, первым осмыслил и оценил ту грандиозную созидательную деятельность живых организмов, благодаря которой возникают известковые массивы.

В течение невообразимо долгих геологических эпох происходило накопление скелетиков, панцирей и раковин отмирающих организмов. И вот — целые горы! Такие, как, скажем, в Англии. Древнее название этой страны — Альбион происходит от латинского «альба» — белый. Когда римские завоеватели, предводительствуемые Цезарем, подплывали к британским берегам, первое, что они увидели, были меловые скалы Дувра...

Правда, ещё за 40 лет до Форстера великий шведский натуралист Карл Линней сказал: «Omne calx ex vermibus» («Весь известняк из червей»), подразумевая под червями всех тогда ещё мало изученных беспозвоночных. Сказал, но дальше этого не пошёл. Форстер же, вернувшись из плавания, опубликовал книгу, где изложил свои взгляды, которые вскоре нашли отражение в трудах многих европейских ученых.

Известняк, мел, мрамор... Все это по-латыни именуют словом «кальке», от которого произошло название серебристого элемента из семейства щелочных металлов — кальция. И недаром. Ведь известняк, а также мел и мрамор — это породы, состоящие из кальцита, минерала, содержащего карбонат кальция, его углекислую соль. Поэтому, прочтя эпиграф к этой главке, можно сразу же заметить в нем неточность. Но простим поэту вольность, тем более что мрамор действительно «породистый кристалл», образовавшийся из известняка под колоссальным давлением при рождении гор.

Кальций по распространённости в природе занимает пятое место среди всех элементов и третье — среди металлов, после алюминия и желёза. В нашем организме он тоже занимает пятое место. Его кларк в земной коре равен 2,96, а в организме человека 1,4. Можно сказать, что это числа одного порядка. В связи с этим В. И. Вернадский заметил: «Но может быть, ни для какого химического элемента это значение живого вещёства не выражено так резко и ярко, как выражено оно для кальция, для того металла, который резко преобладаёт над другими по своей концентрации в организмах, в среднем составе живого вещёства. Мы видели, что в среднем количество его в живом вещёстве приближается к его среднему количеству в земной коре; это единственный металл, который концентрируется в организмах и выделяется в них в виде карбонатов, фосфатов, оксалатов и т. п.».

По-видимому, ни один другой металл, даже желёзо, не играет такой важной биологической роли, как кальций. И было бы заблуждением считать, что он идёт лишь на построение скелета. Нет! По своим свойствам в живых системах он настолько универсален, что, пожалуй, не имеет себе равных не только среди металлов, но и среди других химических элементов. Достаточно сказать, что кальций присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений, а его ионы оказывают влияние практически на все процессы, протекающие в клетке, активируют действие многих ферментов, способствуют свёртыванию крови, регулируют проницаемость клеточных мембран, стимулируют передачу нервного импульса, являются основными участниками механизма мышечного сокращения.

Кальция в нашем организме содержится больше, чем остальных металлов, вместе взятых,— целый килограмм! Это понятно: основная масса его входит в состав скелета, весящего у взрослых 12 кг и составляющего почти 18 % общего веса человека. До недавнего времени считали, что скелет является только опорой для тела и способствует передвижению. Сегодня мы знаем, что помимо всего прочего он активно участвует в обмене вещёств и прежде всего — кальция. При необходимости организм может мобилизовать из скелета в 3 раза больше ионов этого металла, чем его содержится во внеклеточной жидкости. Костная ткань, как сейчас установлено, находится в постоянном обновлении...

В нашем теле насчитывается более 200 костей. Они состоят из различных вещёств, среди которых преобладающими являются соединения кальция с фосфором, в основном в виде оксиапатита, имеющего кристаллическую структуру (рис. 18). Всякий раз, когда касаешься какого-либо «устройства» живой природы, не перестаёшь поражаться его целесообразности. Вот так же и с нашим скелетом, представляющим собой систему с фантастически огромной по площади поверхностью — около 2 тыс. км2! Благодаря этому костная ткань может чрезвычайно быстро реагировать на изменение водно-солевого состава крови и служит своеобразным буфером, поддерживающим постоянное равновесие внутренней среды организма.

Нет ничего удивительного, что наша потребность в кальции велика: у взрослых 8 мг на 1 кг веса, у беременных и кормящих женщин — 24 мг, а у грудных детей — даже 50 мг. И если в организм взрослого человека кальций попадаёт с разнообразной пищей, то у младенцев единственным его источником является молоко.

Особенно важное значение для обогащения организма ионами кальция имеет питьевая вода. По содержанию растворённых солей кальция природную воду обычно делят на жёсткую, когда их много, и мягкую — с пониженной их концентрацией. Жёсткая вода — враг паровых котлов, водопроводных труб и чайников, плохо пригодна для использования в промышленности и быту, так как способна интенсивно отлагать накипь и почти не даёт пены при стирке. То ли дело вода мягкая, как хорошо в ней стирать и мыть волосы! Однако жёсткая вода гораздо полезнее для нас, потому что богаче кальцием. Медики установили статистическую закономерность: чем мягче питьевая вода, тем чаще встречаются сердечно-сосудистые заболевания. Здесь ещё много неясного, но определённая зависимость налицо. Вот и опять следует призадуматься любителям новомодной диеты, пьющим только дистиллированную воду. Стоит ли?

Обмен кальция не происходит, разумеется, сам по себе, он регулируется определёнными биологически активными вещёствами. Особенно важен здесь витамин D, называемый иначе кальциферолом. Именно его дифицит приводит к замедлению поступления кальция в костную ткань, от чего возникает всем известная детская болезнь — рахит. Впрочем, от недостатка витамина D страдают не только дети, но и взрослые, правда, значительно реже. У них могут развиваться всяческие нарушения, связанные с размягчением костей.

Определённый уровень ионов кальция поддерживается особыми гормонами, выделяемыми щитовидной и околощитовидными желёзами. Щитовидная желёза вырабатывает среди прочих гормон тиреокальцитонин, открытый в 1962 году. Он обладаёт способностью понижать уровень кальция в крови, что, в свою очередь, вызывает деятельность околощитовидных желёз. Они выделяют свой, так называемый паратиреоидный гормон, или, иначе, парат-гормон, который, наоборот, способствует увеличению выхода кальция из костей. Вот так на гормональных весах происходит дозировка живительных ионов.

И все же часто под действием различных факторов происходит сбой в регулировке кальциевого равновесия. Возьмём космические полёты. Наш организм рассчитан на действие определённой силы тяжести, которой прекрасно противостоит скелет. Собственно, в этом — его основное предназначение. Более того, чем выше нагрузка на организм, чем больше он находится в движении, тем более устойчивым становится скелет. В космосе же ощущается не только дефицит тяготения (невесомость), но и недостаток двигательной активности (гиподинамия). Все это может приводить к значительному изменению фосфорно-кальциевого обмена, при котором эти элементы усиленно выделяются из организма. Поэтому включение в меню космонавтов специальной диеты, обогащённой кальцием, и повышение физических нагрузок во время космических полётов (все видели по телевидению, как они крутят педали велоэргометра) дают положительные результаты. Разумеется, не только космонавтам полезны физические нагрузки. В наш век от гиподинамии страдают очень многие. Спасение от этого одно — приобщение к спорту, физическому труду.

Но бывает так, что ни диета, ни физкультура не помогают, и в организме развиваются патологические процессы, особенно в старости, когда соли кальция, совсем как в водопроводных трубах, начинают оседать на стенках сосудов. Происходит кальцинация — известкование, наступает кальциноз, или, как раньше называли эту болезнь, артериосклероз. Обызвествлённая ткань становится плотной и ломкой. В связи с этим интересно высказывание одного старого немецкого врача, утверждавшего, что артериосклероз — это старческая болезнь, которую можно пожелать каждому. Почему? Да потому, что увядающий организм не может больше восстанавливать свои утончающиеся артерии путём образования новой ткани и вместо этого посылает для их «ремонта» известь, которая цементирует повреждённые участки. Что же, может быть... Особая роль принадлежит кальцию в механизме мышечного сокращения. Этот процесс происходит при взаимодействии двух основных мышечных белков — миозина и актина. В результате присоединения ионов кальция актин становится способным реагировать с миозином. Соединяясь, они образуют основной сократительный элемент мышечных волокон — актомиозин, который обладаёт каталитической активностью: расщепляет АТФ, тем самым высвобождая энергию для мышечного сокращения. Без ионов кальция эта цепочка биохимических превращений не смогла бы функционировать.

Активность кальция как биометалла зависит прежде всего от механизма его прохождения через мембраны. И здесь мы снова должны прибегнуть к той модели, которая нам известна как насос. Принцип действия такого насоса аналогичен натриевому. Основные его «детали» — это фермент и ионный канал. В качестве первого выступает АТФ-аза с молекулярной массой 100 тыс, каналы же образуются сравнительно небольшими молекулами липо-протеина с массой 12 тыс.

Поддерживая определённую концентрацию ионов кальция, такой насос выполняет роль клеточного регулятора. Все здесь как будто бы ясно, однако невероятная универсальность кальция, влияющего практически на все внутриклеточные процессы, как-то не укладывалась ни в какие рамки. Оказалось, что в клетках, по крайней мере имеющих ядро, содержится особый белок — калмодулин, который способен связываться с ионами кальция при повышении их концентрации до определённого уровня. Вот такой весьма активный комплекс (а не сам кальций) и взаимодействует с разными ферментами, активируя их. По-видимому, калмодулин является регулятором концентрации ионов, запуская и выключая кальциевый насос.

А что если именно в работе насосов-невидимок и кроется загадка роковой зависимости сердечных заболеваний от жёсткости питьевой воды? Ведь сердце — это прежде всего мышцы, работа которых, как и всех других мышц, зависит от нормального поступления ионов кальция. И если их недостаточно, то развивается недуг.

Вот так и для работы любой микроскопической клетки живого организма, и для построения его опорной конструкции — скелета — везде необходим работяга кальций, самый универсальный металл из всех металлов жизни.