глава 8
видалення шлаків
Як тільки завдяки гемоглобіну і кровоносній системі кисень потрапляє в клітину, він з'єднується з атомами молекул, отриманих нами з їжі. У цьому задіяно безліч хімічних реакцій, кожна з яких контролюється особливим ферментом. В їжі незліченна безліч молекул, але в основному вони складаються всього з чотирьох атомів: вуглецю, водню, кисню та азоту. Ці чотири атома складають 99% всіх атомів в їжі.
Атоми водню в органічних сполуках (углеродсодержащие з'єднання, з яких складаються живі тканини і, отже, наша їжа) легко з'єднуються в організмі з киснем, утворюючи воду. Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Атоми вуглецю в органічних сполуках вступають в реакцію з киснем і утворюють вуглекислий газ. Молекула вуглекислого газу складається з одного атома вуглецю і двох атомів кисню.
Під час цих процесів відбувається вивільнення енергії, так як суміш органічних речовин і кисню містить більше енергії, ніж утворюються з неї вуглекислий газ і вода. Вивільнена під час переходу вуглецю від однієї хімічної сполуки до іншого енергія виділяється у вигляді теплоти. Коли ми спалюємо вугілля, нафта, природний газ, дерево, папір тощо, вуглець і водень, що містяться в цих матеріалах, з'єднуються з киснем, і ми з вдячністю користуємося отриманим в результаті цього теплом. Якщо реакція до того ж відбувається швидко, то, крім тепла, з'являється і полум'я.
Реакції в організмі відбуваються набагато повільніше, ніж в феєрверку, і більш строго контролюються. Полум'я не виникає, і навіть виробництво тепла зведено до мінімуму; в основному енергія зберігається у вигляді високоенергетичних хімічних сполук. Вони, в свою чергу, забезпечують роботу м'язів, нервів, сприяють утворенню складних молекул, наприклад білків, тощо.
(Кисень, що міститься в молекулах їжі, перетворює лише мала кількість водню і вуглецю в вуглекислий газ і воду. Для цього організму потрібна додаткова доставка його з атмосфери. Проте їжа вносить свій внесок у створення молекул вуглекислого газу і води.)
Цьому сприяють хімічні реакції, що протікають в клітинах. Клітини запасають енергію або використовують її, а надлишок виділяють у вигляді тепла. Можливо, робота організму ефективна всього десь на 40%, що здається гнітюче мало, проте це все ж набагато більше ефективності створених людиною машин, таких, як парові двигуни і двигуни внутрішнього згоряння, які використовують енергію від спалювання атомів вуглецю і водню. Після переробки їжі організм повинен позбавлятися від утворюються хімічних сполук, так би мовити, від «попелу» - води і вуглекислого газу.
Вода не представляє ніякої складності. (Оскільки хімічні реакції, що протікають в живих тканинах, називаються метаболічними реакціями, що утворюється в їх результаті вода отримала назву метаболічної, на відміну від тієї, яку ми п'ємо і яка спочатку потрапляє в наш організм.) У людського тіла знаходиться мільйон способів застосування води, і нам доставляє більше неприємностей недолік води, ніж її надлишок.
Метаболічна вода і вода, що міститься в їжі (навіть суха їжа, наприклад хліб, на третину складається з води, і ви це швидко зрозумієте, якщо спробуєте з'їсти сухар), становить всього лише половину потреб організму у воді. Якщо ми будемо тільки їсти і не будемо пити, то на другий день почнемо страждати від спраги. З цієї причини, крім їжі, ми випиваємо в день півлітра, а то і літр рідини (води або молока, фруктового соку або пива).
Необхідність постійного поповнення запасів води виникає тому, що вона різними шляхами постійно виводиться з нашого організму. Деяку частину забирає повітря, що видихається, і її можна побачити як пара, що утворюється при диханні в холодний день. Інша частина виводиться з екскрементами (дуже мало, в основному при діареї (розладі кишечника), і саме втрата води робить її такою небезпечною для новонароджених, у яких запаси води ще малі). Вода також випаровується з потім навіть в прохолодні дні. І нарешті, частина виводиться у вигляді сечі.
При необхідності організм може «економити» воду. Якщо споживання води не відповідає потребам організму, сеча стає більш концентрованою, і з організму виводиться менше води. Зазвичай в день виділяється близько 1300 мілілітрів сечі. При необхідності її може виділятися лише 500 мілілітрів. Але це межа. Навіть якщо ви вмираєте від спраги, організм все одно буде втрачати воду, яка йому так потрібна. Саме з цієї причини настає смерть від нестачі води.
Нирки крім іншого є тим запобіжним клапаном, який захищає нас від того, щоб ми не захлинулися в своїй рідини в тих рідкісних випадках, коли п'ємо більше води, ніж потрібно. Якщо, наприклад, любов до пива виражена у людини до такої міри, що в організм надходить надмірна кількість рідини, то організм може легко і швидко позбутися від надлишку за допомогою нирок. Тому у любителів пива після рясного узливання напою завжди буває не менш рясне виділення розведеної сечі.
У деяких тварин, особливо що мешкають в пустелі, виробилися механізми збереження води, які по досконалості набагато перевершують наші. Вода з їжі і отримана в результаті обміну речовин повністю заміняє їм воду, яку вони втрачають. Про таких тварин пишуть в розділах «Хочете вірте, хочете ні» або називають їх тваринами, які «ніколи не п'ють».
Вуглекислий газ являє б'oльшую проблему, ніж метаболічна вода. Частина вуглекислого газу використовується організмом. Від надлишку він повинен позбутися, інакше загине. Клітини відразу ж справляються з цією проблемою самостійно, виділяючи вуглекислий газ в кров. Таким чином, кров служить як засобом транспорту, так і місцем викиду відходів одночасно, що може здатися нераціональним, але діє дуже ефективно.
Коли кров досягає легенів, вона позбавляється від надлишку вуглекислого газу, який, як свідчить назва, являє собою газ. Проходячи через альвеоли, молекули вуглекислого газу виходять в повітря, їх наповнює, в той самий час, як молекули кисню з повітря переходять в кров. У кожному разі відбувається перехід молекул з області більшої концентрації в область меншої. В результаті, хоча вдихаємо повітря на 20% складається з кисню і на 0,03% з вуглекислого газу, в повітрі, що видихається міститься 15% кисню і 5% вуглекислого газу. (Частина представлена азотом.)
Виникає питання, як переміщається в крові двоокис вуглецю. З одного боку, ця проблема не настільки серйозна, як перенесення кисню. Кисень погано розчиняється у воді, тому його транспорт в чому визначається вмістом гемоглобіну. У 100 мілілітрах води при температурі тіла розчиняється всього 2,5 мілілітра кисню, але зате цілих 53 мілілітра вуглекислого газу. Це вирішує проблему його транспортування, якщо питання полягає тільки в тому, щоб просто позбутися від вуглекислого газу.
Хоча хімічні властивості вуглекислого газу є причиною багатьох ускладнень, організм, справляючись з ними, зберігає значну кількість цього продукту розпаду, щоб він служив для виконання життєво важливих функцій. Щоб це зрозуміти, знадобиться додаткове роз'яснення.
Молекули вуглекислого газу не просто розчиняються у воді, а вступають в реакцію з молекулами води, утворюючи вугільну кислоту (її часто називають просто вуглекислотою). Це можна зобразити хімічним рівнянням, де C позначає вуглець, O - кисень, а H - водень:
Зазвичай така реакція проходить дуже повільно, але в кровоносній системі вона протікає швидше. Вуглекислий газ, що потрапляє в плазму з клітин, може легко проходити крізь мембрану червоних клітин, так що частина молекул вуглекислого газу неминуче виявиться всередині еритроцита. У ньому є фермент, здатний прискорювати освіту двоокису вуглецю і води. Зазвичай ферменти відповідають за прискорення реакцій, які протікають і без них, але зі значно більш повільною швидкістю. Цей фермент називається карбоангидразой, і в його молекулах міститься принаймні один атом металу - цинку. В організмі є і інші, що містять цинк ферменти, і одного цього достатньо, щоб зрозуміти, чому цинк так важливий для людини. Звичайно, він потрібен лише в мізерних кількостях, і в будь-якій їжі його цілком достатньо. У присутності карбоангідрази швидко утворюється вугільна кислота, яка через мембрану червоною клітини виходить назад в плазму.
Вугільна кислота також може розщеплюватися з утворенням вуглекислого газу і води. Тому у написаного вище рівняння дві стрілочки, які вказують два напрямки. Карбоангидраза прискорює процеси як розщеплення, так і освіти вугільної кислоти. В результаті такого двонаправленого процесу досягається рівновага, при якому відбувається одночасне утворення і розщеплення вугільної кислоти. Тому в крові є як вугільна кислота, так і вуглекислий газ.
У легких крізь мембрани альвеол може просочитися тільки вуглекислий газ. Вугільна кислота на це не здатна, тому що вона не газ. Однак, коли вуглекислий газ покидає кров, крихка рівновага між вмістом його і вугільної кислоти в крові порушується. Тоді частина вугільної кислоти перетворюється в воду і вуглекислий газ, щоб зберегти рівновагу, а вуглекислий газ, в свою чергу, знову виходить в легкі. Тому вугільна кислота ніколи не перешкоджає механізму виведення вуглекислого газу з організму.
Вугільна кислота може розщеплюватися і іншим способом. Кислота - це речовина, молекули якого можуть втрачати частину своїх атомів водню. Атом водню, який втратив одного електрона, називається іоном водню. У решти знаходиться додатковий електрон (той, який належав атому водню), і такий атом називається бікарбонатним іоном. Ця реакція відбувається в обох напрямках, між якими також існує рівновага. Хімічне рівняння реакції можна зобразити таким чином:
Утворені в результаті цієї реакції іони мають електричні заряди. Бікарбонатний іон несе негативний заряд, а іон водню позитивний заряд, і це представлено маленькими значками «мінус» і «плюс» у верхній правій частині формули іонів.
Виходить, що коли вуглекислий газ потрапляє в кров, то в ній з'являються три різних речовини: власне вуглекислий газ, вугільна кислота і двокарбонатний іон. Всі ці три речовини знаходяться в стані рівноваги. Додайте до них трохи будь-якого з трьох речовин, і частина його швидко перетвориться в інші два. Видаліть якусь кількість одного з трьох речовин, і два інших частково замінять втрачене. Таким чином, коли вуглекислий газ виходить в легкі, вугільна кислота розщеплюється і утворює двоокис вуглецю, а бікарбонатні іони зв'язуються з іонами водню, щоб поповнити запас вуглекислоти. Це відбувається само собою: організм просто слід неупередженим і об'єктивним законам хімічної рівноваги. В результаті будь-яке локальне зміна «розбавляється» у великому обсязі і зводиться до мінімуму. Це найкорисніше властивість живої тканини - тонкою і тендітною конструкції, нездатною виносити різкі зміни.
Тільки не зрозумійте останнє твердження неправильно. Наш організм в змозі виносити різкі зміни. Ми можемо вийти з жарко натопленого будинку на морозний зимовий повітря, тому що внутрішня температура нашого тіла навіть при різкому перепаді зовнішньої залишається незмінною. Велика частина хімічної активності організму спрямована на запобігання впливу зміни зовнішніх умов на стабільний стан внутрішніх тканин.
Як приклад візьмемо рівновагу між вуглекислотою і бікарбонатним іоном, про які ми тільки що говорили. Це один з найважливіших хімічних механізмів, за допомогою яких організм захищає ніжні клітини від змін, і з цієї причини організм ніколи не позбувається вуглекислого газу повністю, зберігаючи частину цього продукту розпаду для підтримки життя.
Тепер про воду. Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Сама по собі вода дуже слабо розпадається, втрачаючи іон водню (як це було у випадку з вугільною кислотою. Частина, що залишилася називається гідроксильних іоном (атом водню + атом кисню + електрон, що залишився після відриву іона водню) [1] .
Іонізація води являє собою ще одну реакцію, що відбувається в двох напрямках для досягнення рівноваги. У чистій воді більшість молекул залишаються цілими. Всього одна з шістдесяти мільярдів молекул води іонізована. Тобто на шістдесят мільярдів молекул припадають всього один іон водню і один гідроксильний іон. Те, що в воді знаходиться однакова кількість іонів обох видів, робить її нейтральною речовиною.
Ці два типи іонів підтримують зворотний баланс (за зразком гойдалок). Якщо концентрація іонів водню збільшується, відповідно падає концентрація гідроксильних іонів. Тоді цей розчин стає кислотою - чим більше в ньому іонів водню, тим сильніше виражена кисла реакція. З іншого боку, якщо концентрація іонів водню зменшується, концентрація гідроксильних іонів зростає. Тоді розчин перетворюється в луг - чим більше гідроксильних іонів, тим сильніше виражена лужна реакція. (При наявності води концентрація обох видів іонів ніколи не досягає нульової позначки.)
Іон водню - одне з найбільш активних хімічних речовин. Майже будь-яка хімічна реакція проходить швидше або повільніше, залежно від концентрації іонів водню. Організм, в якому протікають тисячі реакцій, повинен стежити, щоб концентрація іонів водню в тканинах підтримувалася на потрібному рівні.
Що стосується крові, то концентрація іонів водню повинна бути такою, щоб середовище залишалася злегка лужний. У крові тільки один іон водню доводиться на кожні двісті сорок мільярдів молекул води, це всього одна чверть від того числа, яке повинно бути присутнім, щоб кров була нейтральною.
Це невелика кількість іонів треба зберегти. Якщо концентрація іонів водню збільшується на 35% або падає на 25% від вихідного рівня, порушуються хімічні механізми регуляції сталості внутрішнього середовища, і тоді може наступити смерть. В ході хімічних реакцій постійно утворюються або утилізуються лужні або кислотні по природі речовини. Вони можуть потрапляти в потік крові або виходити з нього. У будь-якому випадку вони змінюють концентрацію іонів водню в ту або іншу сторону, і ці коливання повинні бути зведені до мінімуму.
Хіміки представляють концентрацію іонів водню в розчині величиною pH [2] . Нейтральний рівень pH становить 7,0. Менші значення pH вказують на кислий розчин - чим нижче pH, тим вища кислотність. Великі значення говорять про лужному розчині. Оскільки pH - це зворотний десятковий логарифм, то в розчині з pH, рівним 6,0, концентрація іонів водню в десять разів вище, ніж в розчині з 7,0. pH, рівний 5,0, свідчить про те, що концентрація іонів водню в десять разів вище, ніж при pH, рівному 6,0. У розчині з рівнем pH 8,0 концентрація іонів водню становить всього одну десяту частину від присутніх в розчині з pH 7,0. pH крові дорівнює 7,4, він не повинен опускатися нижче 7,32 і підніматися вище 7,46.
Одним з найважливіших засобів захисту від смертельно небезпечного зміни рівня pH є поєднання в крові вуглекислого газу, вуглекислоти та іона бікарбонату.
Припустимо, що в процесі хімічних реакцій в кров потрапляє деяка кількість кислоти. Вона є новим джерелом іонів водню, тому їх концентрація в крові зростає, а рівень pH падає.
Але як тільки з'являються ці додаткові іони водню, деякі з них з'єднуються з бікарбонатному іонами, утворюючи вуглекислоту, яка, в свою чергу, розщеплюється на воду і вуглекислий газ, який виводиться через легені. Таким чином, надлишок іонів водню не призводить до значних змін рівня pH.
Припустимо, що в кров потрапляє деяка кількість лугу - речовини, яке вступає в реакцію з іонами водню і прибирає їх з розчину, знижуючи їх концентрацію до небезпечно низького значення.
Однак, щоб цього не сталося, знову на захист встає вуглекислий газ, але на цей раз дії відбуваються в зворотному порядку. Вуглекислота віддає іони водню, щоб замістити втрачені, і переходить в бікарбонатні іони. Щоб відновити вміст вуглекислоти в крові, вуглекислий газ, який до цього виходив з крові в легені, затримується в ній і, з'єднуючись з водою, утворює вугільну кислоту.
Таким чином, вуглекислий газ захіщає кров від небажаним змін уровня pH в крови. Бікарбонатний іон грає роль сухої губки, вбирає іони водню, коли їх занадто багато. Вуглекислота діє як волога губка, з якої можна вичавити іони водню, коли їх занадто мало. Вони дозволяють зберегти постійний баланс pH.
Система, що складається з вуглекислоти і бікарбонатних іонів, яка підтримує pH на постійному рівні, являє собою приклад того, що хіміки називають буферною системою, або просто буфером.
У крові містяться і інші буфери, але система вуглекислоти і бікарбонатних іонів найважливіша, тому що вона знаходиться під більш ретельним контролем, ніж інші. З усіх буферів тільки цей являє собою рівновагу з газом, який може віддалятися швидше (при учащении дихання) або повільніше (при уповільненні дихання).
Саме вуглекислий газ, а не кількість кисню в атмосфері контролює частоту дихання. Зазвичай кордон між сферами діяльності цих двох газів провести складно, оскільки, як правило, якщо в крові занадто багато вуглекислого газу, то мало кисню. Якщо ви починаєте дихати швидше, щоб позбутися від двоокису вуглецю, то автоматично поповнюєте запас кисню. Те ж саме відбувається і в зворотному випадку.
Так як частота дихання може регулювати рівень pH в крові, то останній можна змінювати за допомогою зміни першого. Наприклад, можна навмисно змусити себе на якийсь період часу дихати швидко і глибоко. В результаті вуглекислий газ видаляється з організму, а вуглекислота дуже швидко розщеплюється, щоб відшкодувати втрату. Це, в свою чергу, веде до того, що іони бікарбонатів приєднують занадто багато іонів водню, щоб відновити вміст вуглекислоти. У підсумку в крові знижується концентрація іонів водню і підвищується рівень pH, що призводить до дихального алкалозу. Ви як би п'яніє від кисню, у вас з'являється запаморочення. Якщо продовжувати в тому ж дусі, то можна втратити свідомість, проте зазвичай ми не доходимо до цього і повертаємося до нормального ритму дихання. Ми починаємо дихати дуже повільно, іноді навіть затримуємо дихання, щоб відновити в крові колишній рівень двоокису вуглецю.
Можна, навпаки, затримати подих на пару хвилин, щоб в організмі збільшився вміст вуглекислого газу, що призведе до накопичення вуглекислоти, в результаті чого в кров потрапить більше іонів водню. У підсумку в крові збільшиться концентрація іонів водню і зменшиться рівень pH - розвинеться дихальний ацидоз. І знову навряд чи ви станете терпіти до того моменту, коли втратите свідомість, ви протягом декількох хвилин будете посилено дихати, щоб позбутися від надлишку вуглекислого газу.
Вуглекислий газ переноситься кров'ю не тільки в розчиненому вигляді. Гемоглобін, чиєю основною функцією є транспорт кисню, також служить переносником вуглекислого газу.
Вуглекислий газ може з'єднуватися з амінокислотою лізином, що входить до складу молекули білка. Таке з'єднання називається карбамінової. Гемоглобін не тільки посідає перше місце серед інших білків за змістом в крові, але також містить більше лізину, чий будь-який інший з них. Тому близько однієї п'ятої частини всього вуглекислого газу в венозної крові представлено у вигляді карбгемоглобина.
Гемоглобін є не просто засобом транспортування. Він активно сприяє переносу вуглекислого газу в легені.
Давайте докладніше розглянемо, що відбувається, коли кров з легеневої артерії - блакитнувата, позбавлена кисню, повна розчиненим у ній вуглекислим газом, який частково з'єднався з водою, а частково з гемоглобіном, - потрапляє в альвеолярні капіляри.
Перш за все кисень проникає крізь альвеолярні мембрани в кров і перетворює гемоглобін у оксигемоглобін.
Далі відбуваються дві події. По-перше, оксигемоглобін не утворює карбамінової з'єднання так швидко, як гемоглобін. Близько двох третин карбамінової груп в карбгемоглобін розщеплюється негайно, і вивільняється вуглекислий газ.
По-друге, оксигемоглобін - більш сильна кислота, ніж гемоглобін, в його розчинах міститься більше іонів водню. Всі білки в якійсь мірі є кислотами, всі вони володіють тенденцією до іонізації і вивільненню іонів водню. Поглинаючи кисень з легких, кров раптово наповнюється іонами водню. В дію вступає буферна система. Іони бікарбонатів з'єднуються з надлишковими іонами водню, в результаті утворюється вуглекислота, яка розпадається до вуглекислого газу і води.
Таким чином, перетворення гемоглобіну в оксигемоглобін двома різними способами сприяє утворенню вуглекислого газу в крові. Збільшення концентрації вуглекислого газу в капілярах альвеол є той поштовх, який змушує виходити його з крові і проникати крізь мембрани альвеол в повітря, що знаходиться в легенях. Потім відбувається видих, і організм звільняється від вуглекислого газу.
Вуглекислий газ і метаболічна вода - продукти розпаду, які складаються з атомів водню і вуглецю, що знаходилися в їжі. Крім них в їжі містяться атоми азоту, які зустрічаються в основному в білках - один атом азоту з дванадцяти.
Було б добре, якби атоми азоту могли перетворюватися в газ і виходити через легені, як вуглекислий газ. Можливо, першим питанням у людини, що вперше зіштовхнувся з цією областю науки, буде наступний: оскільки водень і вуглець з'єднуються з киснем і виводяться з організму, то чому азот не може виводитися тим же способом? Адже різні окису азоту також є гази.
На жаль, на цьому шляху виникає перешкода. Коли водень і вуглець з'єднуються з водою, вони втрачають багато енергії, і виділилася енергія використовується організмом. Для сполуки азоту з киснем, навпаки, потрібна енергія, тому для утворення окислів азоту знадобляться її додаткові джерела. Нам пощастило, оскільки завдяки цій властивості кисень і азот в повітрі не вибухають. Різниця енергій не дозволяє їм вступати у взаємодію, навіть якщо в повітрі міститься надлишок тепла від лісової пожежі або палаючої печі. Для сполуки азоту з киснем потрібно удар блискавки, і то це відбувається тільки в безпосередній близькості від неї, але організм не може витрачати стільки енергії, щоб позбавлятися від продуктів розпаду.
Чому б тоді не позбутися від азоту як від газу? Перешкод з енергетичної сторони проблеми не виникає, однак у жодного організму вище рівня бактерій (мікроорганізми різноманітніші з хімічної точки зору, ніж багатоклітинні організми) немає для цього спеціального хімічного механізму.
Можна було б також перетворити азот в аміак, молекула якого складається з одного атома азоту і трьох атомів водню. Це супроводжується втратою енергії, тому що перетворення білка в воду, вуглекислий газ і аміак супроводжується меншою витратою енергії, ніж перетворення його в воду, вуглекислий газ і азот. Однак витрати найменше на 2%, і невелика кількість додаткової енергії, що створюється при перетворенні азоту, очевидно, не варто того, щоб у організмів був створений спеціальний механізм для подібних перетворень.
Аміак - газ, але він добре розчинний у воді. У 100 мілілітрах холодної води може розчинитися 110 000 мілілітрів аміаку. Він може разом з формуванням розчинятися у воді, наявної в організмі.
Але тут же виникає проблема. Аміак - дуже отруйна речовина. Якщо в літрі крові розчиниться всього одна тисячна частка міліграма аміаку, настане смерть.
Тому аміак повинен негайно виводитися з організму. Це можна зробити, тільки якщо організм буде постійно оточений великою кількістю води, куди можна скидати аміак, щоб той весь час розчинявся в ній і його концентрація в організмі не досягала небезпечної позначки. Це означає, що тільки істоти, що живуть в океанах та іншої водної середовищі, можуть дозволити собі розкіш позбуватися від азоту у вигляді аміаку. Якщо вам цікаво, чи не переповниться чи за мільярди років океан аміаком і не сталося так уже багато років тому, не хвилюйтеся. Аміак використовується одноклітинними рослинами, які населяють поверхню океану; він переробляється ними в білок, яким вони харчуються і який знову перетворюють в аміак. Це частина циклу азоту, в результаті якого океани очищаються від аміаку.
Коли життя з'явилася на суші, їй довелося пристосовуватися до середовища, де було мало води. Вона взяла з собою частинку океану у вигляді кровоносної системи, але це була всього лише крихітна частинка. Викид аміаку у «внутрішній океан», укладений у власному організмі, дуже швидко привів би до підвищення концентрації аміаку до небезпечних значень, а з організму не можна виводити воду настільки швидко, щоб знизити цей рівень, якщо тільки не розробити якийсь спосіб швидкого відновлення рівня води. На суші таке відновлення неможливе.
Тому азот повинен був виводитися в менш токсичної формі, ніж аміак, інакше земля не змогла б скоритися тваринам. На щастя, рішення було знайдено. Дві молекули аміаку могли з'єднуватися з молекулою вуглекислого газу, утворюючи сечовину. Її молекула складається з одного атома вуглецю, одного атома кисню, двох атомів водню і чотирьох атомів азоту.
Сечовина - тверда речовина, але розчиняється в воді в два рази легше, ніж кухонна сіль, так що вона без праці потрапляє в кров. До того ж, у порівнянні з аміаком, сечовина відносно безпечна. У літрі крові, в якому не може без загрози для життя міститися навіть однієї тисячної частки міліграма аміаку, без всяких надалі міститься сорок міліграмів сечовини.
Коли пуголовки перетворюються в жаб, вони змінюють систему виведення азоту з аміаку на сечовину. Цих змін ми не бачимо. Ми помічаємо втрату хвоста і поява лапок. Перетворення зябер в легені помітно лише частково. Однак зміна хімічного механізму, хоча і не таке помітне, є більш важливим, ніж інші трансформації.
У мочевине міститься більше енергії, ніж в аміаку, тому тварини, які позбавляються від азоту у вигляді сечовини, втрачають частину своєї енергії. Однак переваги такого механізму виведення азоту перевищують ці нікчемні втрати.
Деякі комахи, птахи і рептилії проводять перші кілька днів або тижнів свого життя на суші в яйцях. Через шкаралупу яєць вода не тільки надходить в дуже обмежених кількостях, але і її запаси не можна відновити за допомогою пиття. Тому спосіб видалення азоту знову повинен змінюватися. Якби сечовина утворювалася в яйцях, концентрація цієї речовини досягла б в них небезпечного рівня (навіть сечовина може становити загрозу для життя, якщо її занадто багато) ще до того, як зародок вилупиться з яйця. Тому азот виводиться у вигляді сечової кислоти - сполуки більш складного, ніж сечовина, що складається з фрагментів чотирьох молекул аміаку і трьох молекул вуглекислого газу. Сечова кислота досить погано розчиняється, тому не потрапляє в воду. Замість цього вона відкладається в особливих місцях усередині яйця, де не заважає розвитку зародка. Сечова кислота в порівнянні з сечовиною викликає кілька великих втрат енергії, але все одно її переваги незмірно перевищують недоліки.
Ссавці, в тому числі і людина, які перші тижні або місяці свого життя розвиваються в материнському тілі, придбали більш примітивну систему виведення азоту. Сечовина, що утворюється у плода, просочується крізь плаценту в кровоносні судини матері, яка завжди в змозі поповнити запаси води, тому ссавцям не потрібен механізм виведення азоту у вигляді сечової кислоти.
Рослини, у яких немає циркулюючої рідини, також повинні якось позбуватися від азоту. Деякі вирішують цю проблему, виробляючи складні азотовмісні сполуки - алкалоїди, які відкладаються в корі, коренях, насінні і листі. Зазвичай при попаданні всередину вони надають потужний вплив на організм тварин і людини, і багато хто з них шкідливі для здоров'я або смертельно отруйні, в залежності від дозування.
Якби клітини викидали сечовину в кровоносне русло, то її кількість в крові швидко б досягло небезпечної позначки. Однак, здійснюючи свій круговорот в організмі, кров проходить через два органу, що мають форму бобів і розташованих в області попереку по обидва боки хребта, - нирки.
Як і легені, нирки являють собою губчасту тканину, кровоносну систему яких від зовнішнього світу відокремлює лише тонка оболонка. Легкі поділяються на крихітні альвеоли, уздовж яких проходить кров, а нирки - на канальці. Коли кров проходить по цих канальцях, через їх стінку просочується вода з розчиненими в ній дрібними молекулами, в тому числі і молекулами сечовини.
Коли розчин рухається по нирковим канальцям, деяка кількість води і майже всі речовини знову повертаються в кров. Продукти розпаду, такі, як сечовина і вода, в якій вона розчиняється, залишаються в канальці. Цей розчин є сечу. Мікроскопічні дози сечі проходять через мільярди ниркових канальців і потрапляють в більш широкі і довгі канали (по одному в кожній нирці) - сечоводи. За ним сеча потрапляє в сечовий міхур, де вона збирається і звідки періодично виводиться. Якусь частину сечі представляють пігменти, що додають їй жовтуватий колір.
Клітини організму постійно виробляють сечовину, а нирки весь час її виводять, і таким чином кількість сечовини в крові підтримується на низькому і відносно постійному рівні. Якщо нирки через інфекцію або інших захворювань не в змозі постійно виконувати очисну функцію, в крові починає збільшуватися концентрація сечовини. Цей стан називається уремією і може привести до смертельного результату. Діяльність нирок настільки важлива, що у них є власний механізм підтримки кровообігу. Якщо з якоїсь причини приплив крові сповільнюється, нирка виділяє фермент під назвою ренін. Він змінює один з білків в крові, перетворюючи його в з'єднання - ангіотезін, який звужує різні кровоносні судини, піднімає кров'яний тиск і прискорює кровообіг.
У цьому розділі я згадував про те, як вміст води в організмі може змінюватися за допомогою виділення більш концентрованої сечі в період дефіциту води і більш частого сечовипускання при надлишку рідини в організмі. Нирки керують цим процесом, контролюючи зворотне всмоктування води в ниркових канальцях. Якщо в організмі не вистачає води, повертається більше рідини, при надлишку - менше.
Ця функція нирок, в свою чергу, управляється хімічною речовиною - вазопресином, що виробляються в малих кількостях гіпофізом [3] - маленьким органом, розташованим в підставі мозку. У деяких людей гіпофіз не в змозі виконувати цю функцію. В такому випадку вазопресин не утворюється і контроль над діяльністю нирок втрачається.
Отже, вода в ниркових канальцях погано всмоктується назад або не всмоктується зовсім, і у хворої людини частішає сечовипускання - до трьох літрів в день або більше. Ця хвороба називається нецукровий діабет. Слово «діабет» походить від грецького «сифон», і, дійсно, вода просто відкачується з організму хворого, який, постійно відчуваючи спрагу, багато п'є. «Нецукровий» вказує на те, що в цьому випадку сеча настільки розбавлена, що представляє собою практично одну воду. Хворим нецукровий діабет можна допомогти, їх стан можна значно поліпшити (хоча хвороба повністю вилікувати не можна) за допомогою ін'єкцій вазопресину, отриманого з гіпофіза великої рогатої худоби.
Вазопресин - це гормон, хімічна речовина, що виробляється спеціальним органом - залозою, яке потрапляє в кров і бере участь в хімічних реакціях в організмі. Багато гормонів є білками і мають досить маленькі молекули. Наприклад, молекула вазопресину складається з восьми амінокислот, в порівнянні з шістсот амінокислотами в молекулі гемоглобіну. У 1953 році група біохіміків з медичної школи Корнельського університету в Нью-Йорку під керівництвом Вінсента дю Віньо синтезувала цей гормон - перший пептидний гормон, отриманий не з гіпофіза тваринного.
Синтез вазопресину став останнім штрихом в доказі точної структури молекули цього гормону і став важливим кроком до розуміння механізму дії гормонів взагалі. Беручи до уваги надзвичайну важливість гормонів для організму, наслідки, викликані надмірною або недостатньою продукцією того чи іншого гормону, і їх роль в лікуванні різних захворювань, вивчення гормонів широко і інтенсивно продовжується до сьогоднішнього дня. За свої відкриття в цій та інших областях біохімії Вінсент дю Віньо в 1955 році отримав Нобелівську премію в галузі хімії.
Чому б тоді не позбутися від азоту як від газу?
