Что делает в нас железо?

Точно известно, что фрукты есть полезно. Овощи тоже. Менее точно известно почему. Две шведские исследовательницы, Вейцберг и Лундберг, после длительных и серьезных экспериментов выдвинули предположение, что главная польза от регулярного поедания овощей и фруктов состоит в нитратах. Эти азотистые соединения, которых много в упомянутых овощах и фруктах, превращаются в организме в нитриты, каковые нитриты затем превращаются в окись азота. А окись азота – это тоже давно известно – расширяет наши артерии и потому должна, в принципе, несколько защищать нас от сердечно‑сосудистых заболеваний. Но в таком случае возникает вопрос: если нитраты так полезны, почему бы не заменить скучное жевание какого‑нибудь шпината просто приемом пищевой добавки с нитратами? А потому, говорят врачи, что нитраты токсичны. И это правда. Но вот сейчас Лундберг и Вейцберг обнаружили, что среди бактерий, живущих у нас во рту, есть такие, которые так и рвутся поскорей превратить токсичные для нас нитраты в полезные для нас нитриты, чтобы те потом, уже в организме, превратились в еще более полезную для нас окись азота.

Из всего этого, говорят вышеупомянутые научные дамы, следует важный вывод. Оказывается, нужно быть весьма осторожным, когда выбираешь, чем полоскать рот. Некоторые препараты для полоскания так сильны, что могут «выполоскать» из вашего рта полезные бактерии – и кто тогда защитит нас от токсичности? А кроме того, говорят те же Лундберг и Вейцберг, надо поменьше плеваться. Ну, плеваться, скажем мы, антиобщественно, невоспитанно и негигиенично, и слюна к тому же крайне ценное для организма вещество, им надо дорожить – не случайно наши железы производят в день до полутора литров слюны, потому что она нужна для множества дел во рту, включая, например, первичное разложение углеводов. А вот теперь Вейцберг и Лундберг вдобавок говорят, что, выплевывая слюну, мы лишаемся своих драгоценных бактерий. Так или не так, время покажет, но на всякий случай прислушаемся к их совету.

Следует еще сказать, что в том же исследовании Лундберг и Вейцберг открыли, что нитраты, находящиеся в овощах и фруктах, вроде бы делают более эффективной работу митохондрий. Митохондрии – это такие крохотные энергетические фабрики, которые в большом количестве разбросаны внутри каждой клетки нашего организма и запасают нужную клетке для жизни энергию. Чем эффективнее работают наши митохондрии, тем мы сильнее. Так что ешьте побольше шпината, с улыбкой заканчивают Вейцберг и Лундберг, имея в виду, разумеется, овощи и фрукты вообще, и будете сильными и здоровыми.

Но я должен вам сказать, что в этой последней рекомендации они не оригинальны. Далеко нет. Уже многие годы назад в Америке пользовалась бешеной популярностью реклама с изображением здорового, по‑американски румяного мальчиша‑кибальчиша с накачанными мускулами, рядом с которым стоит тарелка шпината. Мол, хочешь быть сильным, парень? – ешь побольше шпината! Правда, в одном пункте эта реклама расходилась с призывом шведских исследовательниц: те, как мы видели, говорят, что в шпинате сила, потому что он богат нитратами, а американская реклама утверждала, что шпинат полезен не нитратами, а содержащимся в нем железом. Мол, где железо, там штанга, а где штанга, там мускулы, как у Шварценеггера. В результате этой рекламы американские детишки свято уверовали, что шпинат напичкан железом (что не так уж близко к истине), и один такой будущий Шварценеггер даже задал редакции своего детского журнала вполне логичный вопрос: «Верно ли, что очень сильный магнит может притянуть тарелку со шпинатом?»

Пытливому ребенку, разумеется, разъяснили, что железо в шпинате (как и в прочих фруктах‑овощах и даже мясе) находится, так сказать, в «рассредоточенном» виде, в виде отдельных разбросанных атомов, тогда как по‑настоящему железные предметы притягиваются к магниту потому, что в них атомы железа сидят микроскопически близко друг к другу – настолько близко, прямо плечом к плечу, что по зову магнита поворачиваются «все вдруг», как солдаты на смотру, и от этого сила их притяжения к магниту намного усиливается. Но я лично думаю, что по‑настоящему пытливого ребенка должен был бы заинтересовать другой вопрос – а зачем растению шпинату вообще нужно железо, будь оно сосредоточенное или рассредоточенное? И на такой его вопрос редакция, разумеется, ответила бы иначе.

Она бы сказала: дорогой наш мальчиш Сэм, Фрэнк или, там, Джон! Да будет тебе известно, что железо есть не только в растении шпинат. Оно есть во всех растениях, во всех животных и даже в бактериях, если ты уже знаешь такое слово. И все это потому, что железо необходимо любому организму для жизни. Вообще говоря, да будет тебе известно, организму нужна чуть не вся таблица Менделеева. Это просто удивительно, какие элементы ему нужны. Ну, казалось бы, зачем организму хром? Он же не автомобиль «Мустанг»! А вот оказывается, что хром помогает организму бороться с избытком сахара, увеличивает мышечную массу и позволяет сердечным клеткам запасать энергию. Если хочешь стать Шварценеггером, Сэм, то тебе понадобится много хрома. А зачем тебе, ты спросишь, такой редкий металл, как селен? Ты, наверно, даже не знаешь его названия, а вот твоя печень его усердно накапливает, потому что он, как обнаружила наука, очень помогает организму бороться с так называемыми свободными радикалами, а кроме того, как выяснили китайские ученые, без селена сердечная мышца у детей становится угрожающе слабой.

В общем, можно перебрать чуть не всю таблицу Менделеева, все 88 элементов, которые до радия, и обнаружится, что почти все они важны для живых существ – и медь, и кобальт, и кремний с германием, и никель с хлором, фтором, йодом и бромом, – но ты, кажется, спрашивал о железе, не так ли? Так вот, железо, дорогой наш Фрэнк, то железо, которое самый распространенный на Земле элемент из всех 88, – это, как говорится, всем им голова, мало что сравнится с ним по важности для нашей жизни – ну, разве какие‑нибудь натрий‑калий‑кальций‑фосфор‑кислород, не говоря уже об углероде, который всему основа. А вот почему железо – такой важный для жизни элемент, в этом стоит разобраться. И тогда мы сразу увидим, что важность железа связана прежде всего с кислородом.

Ну, про сам кислород объяснять не нужно. Всем известно, что он совершенно необходим для жизни. Ибо точно так же, как любая машина сжигает топливо и получает благодаря этому энергию, необходимую для движения, так любая клетка нуждается в кислороде, чтобы «сжигать» пищу и благодаря этому получать энергию, необходимую для жизни. Это верно для всех животных и даже для большинства бактерий (существуют, впрочем, так называемые «анаэробные» бактерии, которые вырабатывают энергию иначе, без участия кислорода, но это очень небольшая энергия). Все живые существа, которым нужен кислород, получают его из воздуха, а в воздух его непрерывно выбрасывают цианобактерии, водоросли и наземные растения. Они пользуются энергией солнечного света, чтобы разложить воду на водород и кислород. Водород они соединяют с углекислым газом, чтобы сделать для себя углеводородную пищу, а кислород выделяют в воздух. Правда, ночью, когда нет солнечной энергии, многие растения временно переходят на кислород, но за ночь они поглощают кислорода меньше, чем выделяют днем, так что животным и бактериям тоже остается на жизнь. Так вот – всем этим живым существам, чья жизнь основана на кислороде, необходимо железо, потому что только с помощью железа они могут доставить кислород во все свои клетки, органы и ткани.

Этот процесс доставки кислорода в клетки удивителен по своей стройности. У человека он начинается в легких. Наши разветвляющиеся дыхательные пути заканчиваются крохотными пузырьками‑альвеолами, и, когда мы вдыхаем, вошедший в легкие воздух слегка раздувает альвеолы, и кислород воздуха проникает в кровеносные капилляры в стенках альвеол. А по этим капиллярам движутся красные кровяные клетки – эритроциты, битком набитые молекулами особого белка гемоглобина, который состоит из белков‑глобинов, обладающих способностью присоединять к себе углекислый газ, непрерывно производимый в нашем организме при сжигании пищи. А держит все глобины вместе некая центральная группа атомов, находящаяся в середине молекулы гемоглобина. Эта группа называется «гем» (отсюда «гемо‑глобин»), и она особая, потому что в ее сердцевине находится атом железа. А железо имеет удивительную особенность – оно жадно соединяется с кислородом. (Вспомним, как ржавеют все железные предметы, – это хороший пример того, как жадно окисляется, то есть соединяется с кислородом, железо.)

Так вот, проходя по телу, эритроциты захватывают углекислый газ, присоединяя его к белковой части своего гемоглобина, к глобинам. А приходя в легочные альвеолы, они выделяют этот газ через их стенки (и он уходит по дыхательным путям в воздух), а вместо него присоединяют – на этот раз к гему (благодаря наличию в нем железа) – кислород. При этом они из пурпурных становятся красными (вот почему, если порезаться, свежая кровь имеет красный цвет, а со временем, потеряв на воздухе кислород, темнеет до пурпурной). Захватив кислород, эритроциты уходят по капиллярам в артерии, разносятся ими по всему телу, достигают всех клеток, тканей и органов, отдают им необходимый для жизни кислород, а на пути обратно в легкие снова собирают и уносят из тела вредный углекислый газ.

Так что в конечном счете клетки получают необходимый им для жизни кислород именно благодаря замечательному круговороту гемоглобина с его железом. Но при всей важности гемоглобина роль железа в нашей жизни этим не исчерпывается. В организме взрослого, здорового человека содержится 4–5 граммов железа, а в гемоглобине его примерно 2–2,5 грамма. Это значит, что остальное железо делает в организме что‑то другое. И действительно, как установили ученые, часть этого железа (тоже в составе гемов) содержится в других белках – так называемых цитохромах. Они тоже крайне важны для жизни, потому что играют центральную роль в том химическом процессе (он называется зубодробительным словом «окислительное фосфорилирование»), с помощью которого клетки запасают энергию для жизненных реакций.

Этот циклический процесс еще сложнее, чем дыхание. Он начинается со сжигания (окисления) пищи, то есть противоположен тому, что делают растения на свету: растения поглощают энергию света, чтобы с ее помощью превратить воду и углекислый газ в кислород и углеводороды, а здесь клетки, наоборот, превращают кислород и углеводороды (белки, жиры и сахара) в воду и углекислый газ, при этом выделяя энергию. А затем эта энергия (полученная в конечном счете из пищи) идет на закручивание огромного множества особых молекулярных «пружин» (они именуются АТФ), которые могут позже, в любое нужное время и в любом месте клетки, раскручиваясь, вернуть ей нужное количество запасенной в них энергии.

Цитохромы принимают активное участие в этом важнейшем кругообороте жизни. Если гемоглобин доставляет для этого процесса кислород и уносит образующийся в этом процессе углекислый газ, то цитохромы – опять‑таки благодаря своему железу (которое может легко переходить из одного электронного состояния в другое) – помогают быстро и в нужном порядке производить реакции, необходимые для запасания энергии в ходе образования АТФ. Но не менее важную роль играют и те атомы железа, которые связаны с белками третьего вида – трансферринами. Молекула трансферрина – это главное транспортное средство для переноса железа во все клетки организма. Этот важный процесс происходит так. Железо поступает в организм вместе с пищей. Пища переваривается в кишечнике, всасывается в его стенки и отдает их клеткам все нужные организму вещества. В том числе и атомы железа. Эти атомы подхватываются молекулами трансферрина, которые присоединяют железо к себе к себе и плывут с ним в кровотоке, пока не встретят клетки, нуждающиеся в железе. Им они и отдают свой драгоценный груз.

Один из главных получателей «железного» груза – группа клеток костного мозга, жизненное назначение которых – превратиться в зрелые эритроциты. На поверхности таких клеток есть специальный приемник трансферрина, присоединившись к которому молекула трансферрина вместе с ее железом втягивается внутрь клетки. Там она отдает свое железо, которое потом войдет в состав гемоглобина, а сама выходит из клетки обратно в кровоток и отправляется в кишечник на поиск новых атомов железа. Так что без трансферрина не было бы гемоглобина, а значит – и кислород не мог бы соединяться с эритроцитами и поступать в клетки. Но эритроциты живут недолго – они разрушаются, и «чистильщики»‑макрофаги пожирают их останки вместе с содержащимся в них железом. Поэтому организму нужны все новые и новые эритроциты, то есть все новое и новое железо, и потому трудяги‑трансферрины практически никогда не отдыхают. Вечные труженики.

Честно трудятся и другие железосодержащие белки – молекулы миоглобина. Этот белок, как видно по названию, – родственник гемоглобина, только его гем (та химическая группа, напомним, в центре которой находится атом железа) имеет несколько иную структуру (и даже называется иначе – порфирин). Миоглобин – один из главных белков всех мышечных тканей и одно из главных (после гемоглобина) хранилищ железа в организме (не случайно телятина полезней в качестве источника железа, чем, скажем, рыба). Благодаря обилию железа миоглобин обеспечивает наши мышцы кислородом, и тогда они лучше работают (специальные опыты показали, что мыши, искусственно обедненные миоглобином, хотя и живут кое‑как, но их сердечная мышца при этом на треть слабее нормальной). Так что сила наших мышц, как видим, зависит от железа, и если шпинат дает нам какую‑нибудь силу, то не потому, что в нем есть нитраты, а потому, что в нем есть железо.

Железо выполняет в нашем организме множество жизненно важных функций – куда там селену или тому же хрому. Но как оно само попадает в организм? Как уже говорилось, оно приходит вместе с пищей, которая всасывается клетками стенок кишечника. Эти клетки наделены от природы способностью получать химические сигналы о количестве железа, имеющегося в любой данный момент в организме, и стало быть – о том, сколько железа организму нужно. Дело в том, что железо все время выводится из организма: после того как макрофаги пожирают останки железосодержащих клеток, эти останки перерабатываются и в конце концов выходят наружу. Ушедшее железо надо восполнять, и клетки стенок кишечника, в зависимости от полученных химических сигналов, отправляют в организм то или иное количество железа – понятно, с помощью молекул трансферрина. Остальное железо они хранят «на всякий случай» – внутри молекул ферритина.

В норме этот процесс непрерывного пополнения уровня железа имеет определенную, рутинную скорость, но он резко ускоряется в случае большой кровопотери. И тут особенно плохо женщинам – они теряют железо как с кровью во время менструаций, так и во время беременности, потому что отдают часть своего «железного запаса» драгоценному зародышу. И эту последнюю потерю особенно трудно восполнить – как показали исследования, у часто рожающих женщин уровень железа так и остается ниже нормы, потому что они не успевают его восполнять. Одно время существовало даже мнение, что с началом менструаций железо в женском организме тоже не успевает восполняться и потому его уровень вроде бы должен из года в год уменьшаться. Однако Р. Бергстром еще в 1985‑м показал, что это не так: несмотря на менструации, уровень железа в женском организме в среднем остается практически постоянным. А вот о мужчинах этого сказать нельзя. С началом выработки мужского полового гормона (тестостерона) уровень железа у подростков начинает расти, и этот рост продолжается до определенного возраста. У женщин тестостерон почти не вырабатывается, вот почему у них уровень железа (по достижении зрелости) практически не меняется.

А теперь, после этого гимна во славу пользы железа, скажем несколько слов также о его двойственности. Напомню прежде всего, что, как мы видели, железо в организме во всех случаях находится в связанном виде – будь то в гемоглобине, цитохроме или трансферрине. А всякое свободное, неработающее железо немедленно связывается внутри молекулы ферритина. Невольно возникает впечатление, что, хотя организм очень нуждается в железе, он избегает железа свободного. И это правильное впечатление. Всякий излишек железа, который не может быть связан всеми упомянутыми выше способами, выводится из организма с помощью сложной системы реакций, все время поддерживающих «железное равновесие» в организме.

Почему же организм так избегает свободного железа? Дело в том, что железо не только с легкостью принимает электроны, но с такой же легкостью их отдает, и, если бы в организме имелись свободные атомы железа, они бы при любом удобном случае отдавали свои электроны окружающим молекулам, тем самым превращая их в свободные радикалы (так называются атомы и молекулы с лишними, свободными электронами). А такие радикалы разрушительно действуют на ткани и органы. Вот почему организм научился в ходе эволюции так тщательно прятать свое свободное железо.

Но свободное железо необходимо связывать и по причине инфекций. Как уже отмечалось выше, бактерии и другие инфекционные агенты, будучи существами «кислородными», с тем же циклом дыхания, сжигания пищи и «окислительного фосфорилирования», что все прочие живые существа (кроме анаэробных), остро нуждаются в железе и там, где есть свободное железо, находят его и немедленно начинают бурно размножаться, усиливая заражение и болезнь. Этому есть множество самых разных примеров. Так, исследователи Африки открыли, что зулусы употребляют пиво, которое варят в железных горшках, и в результате много чаще страдают амебными болезнями, чем масаи, которые такими горшками не пользуются. Можно думать, что частицы железа, попадающие в организм из горшков, не усваиваются (будучи «лишним» железом) и уходят в кишечник, где становятся пищей для амеб. О том же говорит тот факт, что среди масаев, которые почему‑либо получали пищевые добавки с железом, 88 процентов вскоре заболели. Аналогичная ситуация была с туберкулезными больными в Америке. Туберкулез вызывает анемию, и многие врачи предписывали больным пищевые добавки, содержавшие слишком много железа. Результатом во многих случаях было обострение болезни. Любопытно, что последующий опрос показал, что 90 с лишним процентов врачей и фармацевтов не понимали, что при больших дозах вводимого таким образом железа трансферрин не успевает переносить его в ферритин и оставшиеся свободными атомы железа становятся мощным стимулом размножения туберкулезных палочек. Такое же непонимание опасной роли свободного железа существовало до недавнего времени и в отношении беременных женщин, которым зачастую предписывали слишком большие дозы пищевых добавок с железом.

В отличие от этих врачей и фармацевтов природа знает, что нужно защищать организмы от свободного железа, и в ходе эволюции выработала для этого не только систему стабилизации уровня железа в организме, но и многие другие, вспомогательные защитные механизмы. Почему, например, дети, выращенные на коровьем молоке, чаще становятся жертвами разных инфекций, чем дети, растущие на молоке материнском? Оказывается, в молоке есть связующий железо белок лактоферрин, но в человеческом молоке его 20 процентов, а в коровьем – всего 2 процента (разумеется, свою роль играют также гормоны и антитела, получаемые младенцем с молоком матери). А вот другой интересный пример изобретательности природы. Он был обнаружен, когда стали исследовать куриные яйца. Оказалось, что белок на 12 процентов состоит из молекул белка кон‑альбумина, который связывает все без исключения атомы свободного железа. И хотя бактерии могут проникнуть в яйцо через его пористую скорлупу, но до желтка с его запасами железа им не добраться – они гибнут еще на пути к нему, в белке, где для них железа нет. Не случайно в старину белком куриного яйца смазывали открытые раны, «чтобы зараза дальше не пошла». Оказывается, это не просто создавало на ране защитную пленку, но пленку, лишенную железа, то есть вдвойне непроницаемую для бактерий. Вот так во множестве случаев на пути «заразных» бактерий стоят выработанные эволюцией механизмы связывания свободного железа. Только благодаря им жизнь без опасности для себя использует железо, а благодаря железу – существует и развивается.