Постепенно оксигемоглобин красных клеток опять превращается в простой гемоглобин, а кровь теряет свой запас кислорода. Когда она проходит через капилляры, кислорода в ней почти не остается. Капилляры начинают соединяться в венулы, затем во все более крупные вены, пока «использованная» кровь не попадает в нижнюю полую вену, несущую кровь к сердцу от ног и туловища, и верхнюю полую вену, которая несет кровь от рук и головы. Из этих вен кровь попадает в правое предсердие.
Оказавшись в правом предсердии, кровь проходит в правый желудочек и из него вытекает в легочную артерию, чтобы вернуться к легким и начать свой путь заново.
Таким образом, кровь движется по кругу, поэтому мы говорим о системе кровообращения. Стенки правого желудочка сравнительно тонкие, потому что ему приходится подавать кровь только в легкие (малый круг кровообращения). Стенки левого желудочка намного толще, поскольку он снабжает кровью все остальные органы (большой круг кровообращения). Оба желудочка сокращаются одновременно, поэтому оба этих вида кровообращения синхронны.
Однако не следует думать, что весь гемоглобин в крови сразу превращается в оксигемоглобин и наоборот и что в один момент в нашем организме полно кислорода, а в другой – его мало.
Одна молекула гемоглобина превращается в оксигемоглобин в легких и опять становится гемоглобином в тканях, однако ситуация в крови остается стабильной. В легких всегда есть красные клетки, собирающие кислород. Другие постоянно находятся в тканях, высвобождая его там. В легочных капиллярах все время в ожидании кислорода находятся красные клетки. За клетками, потерявшими запас кислорода в тканях, следуют новые.
Вы можете представить себе эту картину, если посмотрите на товарные вагоны, перевозящие груды угля с шахты на фабрику. Один вагон идет на фабрику, нагруженный углем, тогда как возвращается пустой, таким образом, все вагоны постоянно циркулируют туда‑обратно, так что шахта постоянно поставляет запас угля, а фабрика его получает, невзирая на ход отдельных вагонов.
Кровь, наполненная кислородом, почти весь гемоглобин которой превратился в оксигемоглобин, называется артериальной кровью, потому что обычно она бывает в артериях, где движется от сердца и еще не добралась до жаждущих кислорода тканей. Исключением является кровь в легочной артерии, которая уже вернулась из тканей и теперь движется к легким.
Кровь, лишенная кислорода и почти не имеющая гемоглобина, называется венозной кровью. Судя по названию, она течет по венам, которые несут ее к сердцу после прохождения через испытывающие кислородный голод ткани. И опять исключением является кровь в легочной вене, только что вернувшаяся из легких.
Помимо количества кислорода, у артериальной и венозной крови есть и другие различия. Например, у них разный цвет. Артериальная кровь яркая, а венозная имеет синеватый оттенок. Именно артериальная кровь имеет свой характерный цвет, который мы видим, когда она начинает течь из поврежденных тканей. Даже если порезана вена и из раны вытекает венозная кровь, то все равно при контакте с воздухом она превращается в артериальную. Она быстро поглощает кислород, и оксигемоглобин тут же окрашивает ее в ярко‑красный цвет.
Если хотите увидеть цвет настоящей венозной крови и если у вас светлая кожа, то посмотрите на вены тыльной стороны ладони или внутренней поверхности запястья. Они должны быть синеватого цвета, но поскольку вены находятся под слоем кожи, в которой содержится желтый пигмент – каротин, а желтый цвет при смешивании с синим становится зеленым, вены имеют зеленоватый оттенок.
Просвечивающий сквозь полупрозрачную кожу оксигемоглобин приводит к тому, что у светлокожих людей обычно румяное лицо. Там, где кожа особенно тонка, например на губах или во рту, цвет ее и вовсе красный.
Расширение сосудов в коже приводит к появлению покраснения вследствие прилива крови к капиллярам. Так краснеет кожа при воспалении, так появляется красный след от удара или румянец на морозе.
Когда в организм поступает недостаточно кислорода и количество оксигемоглобина снижается, покраснение кожи также уменьшается. Начинает проявляться цвет самого гемоглобина, и кожа приобретает синеватый оттенок. Это особенно заметно на людях, страдающих приступами удушья. Посинение кожи называется цианоз от греческого слова «синий».
Глава 4
Препятствия на пути кислорода
В нормальной атмосфере гемоглобин связывает только кислород. Это значит, что на связывание кислорода не оказывают воздействия другие компоненты воздуха: азот, двуокись углерода, пары воды или аргон. Гемоглобин собирает исключительно молекулы кислорода.
Однако некоторые газы могут этому помешать.
Например, если углерод или углеродсодержащее вещество, такое, как уголь или бензин, сжечь при недостатке кислорода, образуется некоторое количество моноокиси углерода, или угарного газа. Молекула угарного газа состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода. Когда кислорода в достатке, образуется двуокись углерода. Ее молекула состоит из атома углерода и двух атомов кислорода.
Угарный газ – довольно активное вещество. Он может соединиться с кислородом и превратиться в менее активную двуокись углерода. Угарный газ способен соединяться и с другими веществами, например с железом.
Если в воздухе присутствует небольшое количество угарного газа, он попадет в легкие, и некоторые молекулы газа проникнут через мембраны альвеол в кровь. Оказавшись в крови, молекулы угарного газа прикрепятся к атомам железа, находящимся в составе гемоглобина.
Любая молекула гемоглобина, переносящая угарный газ вместо кислорода, бесполезна для дыхания. Если вывести из строя небольшое количество гемоглобина, последствия не будут серьезными, потому что в организме есть его запасы. В любое время вы можете сдать Красному Кресту пол‑литра крови и нисколько не пострадать от этого. Однако угарный газ имеет отвратительное свойство, которое делает его особенно опасным. Прикрепившись к атому железа, он держится очень крепко. Он не может легко освободиться от него в отличие от молекулы кислорода.
Вследствие этого, когда кровь завершает свой круг в организме и возвращается в легкие, она несет почти нетронутый запас угарного газа. Если этот газ присутствует в воздухе, а значит, и в альвеолах, он продолжает связываться с другими молекулами гемоглобина.
Происходит процесс накопления. И хотя содержание угарного газа в воздухе мало, со временем большая часть гемоглобина в крови начинает циркулировать впустую. Его молекулы, связанные с угарным газом, не могут связывать кислород, и в итоге постепенно развивается удушье. При наличии в воздухе всего 0,5 % угарного газа смерть наступает менее чем через полчаса.
Поэтому плохо вентилируемые угольные печи представляют опасность, и по этой же причине может наступить смерть, когда в закрытом гараже работает автомобильный двигатель. Бытовой газ, используемый для приготовления пищи, часто содержит моноокись углерода, поэтому также может стать причиной отравления. Гемоглобин, несущий на себе угарный газ, приобретает вишневый цвет, поэтому у людей, погибших от отравления этим газом, кожа имеет характерный красный цвет.
Если человек пострадал от отравления угарным газом, его необходимо вынести на свежий воздух и сделать искусственное дыхание или, если возможно, надеть на него кислородную маску. Моноокись углерода медленно отрывается от молекул гемоглобина, и, если прекратить доступ этого газа, есть шанс, что красные кровяные тельца восстановят свои функции, прежде чем наступит смерть от удушья.
Атом железа, входящий в состав молекулы гемоглобина, может существовать в одной из двух форм: как двухвалентный ион или как трехвалентный ион. Они различаются электрическим зарядом. Двухвалентное железо имеет двойной положительный заряд, а трехвалентное – тройной положительный заряд.
В гемоглобине присутствует двухвалентное железо, и прикрепляемая к нему молекула кислорода не изменяет его свойства. Атомы железа в оксигемоглобине по‑прежнему двухвалентные. Это кажется странным, поскольку двухвалентное железо не такое стабильное, как трехвалентное, и в присутствии кислорода имеет тенденцию превращаться в последнее.
Но если мы рассмотрим этот процесс подробнее, все прояснится. Двухвалентное железо гемоглобина действительно превращается в трехвалентный ион в присутствии кислорода, и этот процесс постоянно происходит в крови. Изменение двухвалентного иона на трехвалентный является примером типа химических изменений, известных под названием окисление. Окисленный гемоглобин становится метгемоглобином. К счастью, в крови есть вещество, которое способно изменять трехвалентный ион сразу после его появления на двухвалентный. Такое обратное изменение представляет собой пример химической реакции под названием восстановление. По этой причине вещество, изменяющее трехвалентный ион на двухвалентный, называется восстановителем метгемоглобина, или, по‑научному, метгемоглобинредуктазой.
Причиной, по которой организм должен следить, чтобы двухвалентное железо не превращалось в трехвалентное, является тот факт, что трехвалентное железо не способно присоединять кислород. Если говорить о дыхании, то метгемоглобин бесполезен для организма, а дыхание – это основа жизни. Один дополнительный положительный заряд на атоме железа, и мы мертвы; эта угроза сохраняется постоянно, и организм все время борется с ней при помощи специального механизма. То, что организм придумывает различные приемы, уловки и приспособления для поддержания внутренней среды в благоприятном состоянии, не значит, что он расширяет возможности для жизни. В конце концов акробат может научиться виртуозно ходить по канату, но от этого канат не станет ни на сантиметр шире.
Иногда дети рождаются с дефектом системы восстановления метгемоглобина. Их организм не в состоянии полностью перевозить метгемоглобин в крови в обычный гемоглобин в крови, и от 10 до 45 % их гемоглобина пребывает в этом бесполезном для жизни состоянии. Это не обязательно мешает им жить, как живут все обычные люди, но часто после физических нагрузок возникает затрудненность дыхания, когда нужно больше кислорода и организм не может позволить себе нехватку гемоглобина. Это состояние называется врожденной метгемоглобинемией.
Словом «врожденный» обозначают заболевания или расстройства функций организма, присутствующие у человека с момента рождения. Окончание «‑емия» обозначает аномальный процесс, происходящий в крови, поэтому метгемоглобинемия значит «ненормальное количество метгемоглобина в крови». Использование греческого или латыни в медицинских и научных терминах отнюдь не является попыткой врачей или ученых выражаться непонятно. Так повелось с тех времен, когда латынь и греческий учили и понимали все ученые в Европе. Старая терминология используется и поныне. Ученые пользуются терминами, потому что международный характер науки вызывает необходимость использовать общепринятые слова, которые бы понимали одинаково хорошо представители научного мира всех народов.
Существуют химические вещества, в том числе и некоторые лекарства, которые при приеме внутрь способствуют превращению гемоглобина в метгемоглобин с такой скоростью, что метгемоглобинредуктаза не справляется со своими обязанностями. Это представляет особую опасность, если такие вещества содержатся в питьевой воде. Взрослые и дети более старшего возраста мало подвержены их воздействию, хотя и у них в крови образуется некоторое количество метгемоглобина. Однако маленькие дети до двух лет не способны справляться с метгемоглобинемией и могут серьезно заболеть.
Но чтобы показать вам, что все не так уж плохо, замечу, что при некоторых условиях метгемоглобин перестает причинять неприятности организму и, наоборот, становится спасительным.
Есть химические вещества, которые особенно легко взаимодействуют с железом, когда этот металл является трехвалентным. В качестве примеров можно назвать синильную кислоту (газ, используемый для умерщвления преступников в газовых камерах) и сероводород (газ с запахом тухлых яиц, знакомый каждому, кто побывал в химической лаборатории, учась в старших классах).
Оба газа чрезвычайно ядовиты, потому что в клетках соединяются с определенными жизненно важными белками. Эти белки (цитохромы) содержат трехвалентные атомы железа и присутствуют в незначительных количествах. Даже ничтожные количества сероводорода или синильной кислоты, взаимодействуя с железом, полностью выводят цитохромы из строя, поэтому способны погубить организм.
Если человек пострадал от подобного отравления, одним из способов лечения является введение в его организм таких химических веществ, которые превратят некоторое количество гемоглобина в метгемоглобин. Как только атомы железа станут трехвалентными, они возьмут на себя молекулы сероводорода или синильной кислоты и восстановят работу цитохромов.
Организм может позволить себе потерять таким образом небольшое количество гемоглобина, а циангемоглобин или сульфгемоглобин, образующиеся в результате взаимодействия метгемоглобина с синильной кислотой или сероводородом, соответственно, сравнительно безопасны. Когда цитохромы возвращаются к своему нормальному состоянию, в процессе дыхания организм может избавиться от ядов.
Сульфгемоглобин имеет синий цвет, и у людей, страдающих сульфгемоглобинемией, может до двух месяцев, пока они не избавятся от сульфгемоглобина, сохраняться цианоз без особо вредных последствий. Однако это зрелище может быть очень устрашающим.
Иногда нарушения утилизации кислорода возникают не из‑за присутствия в атмосфере какого‑то газа или наличия в пище или воде ядовитых соединений, а по причине нехватки одного из веществ, необходимых для нормального дыхания.
В качестве примера можно привести хроническую кислородную недостаточность. Она случается на большой высоте. Там атмосфера становится разреженной, и на высоте трех километров две трети земной атмосферы остаются внизу, и при вдохе в легкие поступает всего две трети кислорода по сравнению с тем количеством, которое мы вдыхаем, будучи на уровне моря.
Люди, привыкшие жить на уровне моря, испытывают нехватку воздуха на высокогорных плато и не выдерживают длительной физической нагрузки. Однако некоторые народы, например коренные жители Анд, обитающие в высокогорных районах Перу и Боливии, приспособились к существованию на таких высотах и живут высоко в горах нормальной жизнью, как и все остальные люди.
Их организм приспособился к нехватке кислорода. Их легкие больше наших, а капилляры в них более густо разветвлены. Обычно в крови местных жителей содержится чрезвычайно большое количество красных кровяных телец, до 8 000 000 на один кубический миллиметр, поэтому поступающий в легкие кислород более эффективно захватывается кровью.
Человек, живущий на уровне моря и попавший на высокогорное плато, если его заставить прожить там определенный период времени, обнаруживает, что постепенно привыкает к кислородному голоданию. В ответ на низкий уровень кислорода в крови его механизм по выработке красных кровяных телец, находящийся в костном мозге, приступает к производству дополнительных красных клеток, и постепенно кровь становится более эффективным переносчиком кислорода.
Состояние, при котором в крови увеличено содержание красных телец, называется полицитемией (от греческих слов, означающих «много клеток в крови»). Когда человек живет на высокогорном плато, полицитемия только желательна. А на уровне моря она может стать опасной, поскольку слишком большое количество красных клеток сгущает кровь, делая ее более вязкой, что препятствует нормальной циркуляции крови и функционированию организма в целом.
Именно это может произойти, если у человека нарушены регуляторные механизмы. Например, уплотнение или утолщение стенок кровеносных сосудов, питающих костный мозг, может привести к тому, что к нему будет поступать недостаточно крови. Испытывая кислородное голодание, костный мозг приступит к выработке дополнительного количества красных клеток, которые на самом деле организму не нужны. Эритроцитоз – это серьезное неизлечимое заболевание.
Другой причиной неполадок в организме, не связанной с содержанием кислорода в атмосфере, может быть недостаток гемоглобина. Иногда по той или иной причине в организме человека вырабатывается недостаточное количество гемоглобина. Это может происходить из‑за нехватки красных клеток или потому, что в самой красной клетке недостаточно гемоглобина.
Какой бы ни была причина, это расстройство носит название анемии (от греческого слова «малокровие»). Дефицит гемоглобина лишает кровь ее основного свойства: цвета. Люди, страдающие анемией, обычно бледны, словно им и в самом деле не хватает крови. При недостатке гемоглобина снижается поступление кислорода к клеткам. В результате производится меньше энергии, и люди быстрее устают.
Самой распространенной причиной анемии является нехватка железа в организме. Иногда это происходит из‑за недостатка железа в пище, но часто химический анализ показывает, что железа в рационе более чем достаточно, а в организме его по‑прежнему не хватает.
Причина кроется в том, что организм с трудом усваивает железо из пищеварительного тракта. Атомы железа в составе простых молекул довольно легко проникают сквозь стенки кишечника. Железо в составе гемоглобина, являющееся частью сложной системы атомов – гема, усваивается с трудом. К сожалению, почти все железо в пище содержится в форме гема. По этой причине всего около 10 % железа усваивается организмом, а остальное выводится.
Это очень тяжелое состояние, и интересно было бы узнать, что его вызывает.
Как я уже говорил, жизнь зародилась в океане, и живая ткань в основном состоит из присутствующих в океане элементов. В земной коре чаще всего встречаются три элемента, которых совсем мало в океане. Это кремний (второй по распространенности элемент), алюминий (третий) и железо (четвертый).
Эти элементы редки в океане потому, что находятся в земной коре в виде сложных веществ, нерастворимых в воде. Они не растворяются дождями и речными потоками и попадают в океан в ничтожных количествах.
В результате кремний и алюминий не входят в состав живых тканей. Они могут попадать туда лишь в малых количествах в результате случайного отравления. Только некоторые крошечные микроорганизмы используют двуокись кремния для создания защитного панциря, но это совсем другой случай.
Железо входит в состав живых тканей, правда, в очень малых количествах. В организме существуют сложные жизненно важные белковые молекулы, для нормальной работы которых необходимы небольшие количества железа. Это цитохромы, о которых я уже упоминал ранее в связи с токсическим действием синильной кислоты.
Цитохромы распределяют кислород в клетках, помогая его взаимодействию с содержащимся в пище водородом и таким образом высвобождая энергию, которая поддерживает жизнеспособность клеток. Оказавшись рядом с молекулой кислорода, молекула цитохромы присоединяет ее. Потом она передает ее на другие молекулы и, освободившись, присоединяет следующую молекулу кислорода. Одна молекула цитохромы может за секунду передать несколько тысяч молекул кислорода. По этой причине для нормального функционирования клетки необходимо всего несколько молекул цитохромы.
Этот процесс похож на строительство кирпичного здания. Чтобы возвести его, могут понадобиться тысячи кирпичей, но, чтобы построить стены, достаточно всего двух или трех каменщиков.
Цитохромы имеются во всех клетках, за исключением некоторых бактерий. К этим бактериям относятся те, которые получают энергию в результате реакций, не требующих присутствия кислорода. Это анаэробные микроорганизмы, примером которых могут служить бактерии, вызывающие столбняк.
Цитохромам в клетках взрослого мужчины массой 70 килограммов для нормального функционирования требуется около 0,8 грамма железа. Это не так уж много для целого организма. К сожалению, железо нужно не только цитохромам. Когда организмы стали многоклеточными и появилось кровообращение, образовался железосодержащий белок – гемоглобин. Молекулы гемоглобина должны были путешествовать в легкие (или жабры) для присоединения кислорода и возвращаться в клетки к цитохромам.
Потребовалось значительное увеличение количества железа. Вспомните о каменщиках, строящих дом. Здание малó, и нужное количество кирпичей находится на расстоянии вытянутой руки, так что каменщиков тоже много не требуется. Такая же ситуация с простыми организмами, живущими в океане. Но допустим, что здание многоэтажное, под рукой нет достаточного количества кирпичей, и каменщикам приходится спускаться за ними на нижние этажи и переносить их вручную. Очевидно, что нужно нанимать больше строителей, если вы хотите быстро построить дом.
Аналогичная ситуация происходит в человеческом организме. В легкие должно поступать множество молекул гемоглобина, присоединять по четыре молекулы кислорода и нести их цитохромам в клетках. (В мышечной ткани находится белок миоглобин, молекулы которого сходны с молекулами гемоглобина, но составляют всего четверть их размера и содержат один атом железа. Миоглобин действует как посредник, принимая кислород у гемоглобина в крови и передавая его цитохромам в мышечных клетках.)
Кроме того, организм всегда запасает немного железа на будущее в виде белковых молекул – ферритина, которые находятся в печени, селезенке и костном мозге. Молекула ферритина по массе почти на четверть состоит из железа.
Общее количество железа в организме, включая гемоглобин, миоглобин и ферритин, составляет около 7 граммов. Это немного, но почти в девять раз больше, чем потребовалось бы организму, если бы его размер и строение исключали необходимость в системе кровообращения.
Хотя требуемое клеткам человека количество железа в девять раз превосходит количество, необходимое простому морскому организму, у нас не развит механизм усвоения железа. Возможно ли это? Если да, то это напоминает картину, когда город разрастается, становясь в девять раз больше своего первоначального размера, а транспортная система остается прежней. Неудивительно, что над нами постоянно висит угроза железодефицитной анемии.
На эту ситуацию организм реагирует сохранением запасов железа.
Опасность естественной потери железа возникает тогда, когда погибает красная клетка. Красные клетки не вечны. Постепенно они стареют, распадаются и погибают. Когда это происходит, молекулы гемоглобина в составе красных клеток также погибают. На 95 % молекула гемоглобина состоит из белка, не содержащего железа. Он носит название глобина. Глобин расщепляется на мелкие группы атомов, которые могут использоваться для создания других протеинов или иных целей. Участь глобина не так уж важна, поскольку при необходимости он может вырабатываться в организме в достаточном количестве.
Оставшиеся 5 % молекулы гемоглобина представляют собой железосодержащий гем. Кроме атома железа, гем состоит из сложной конструкции атомов, которая называется порфириновым кольцом. Организм избавляется от гема, разрывая порфириновое кольцо, и освобождая атом железа. Разорванное кольцо лишенное железа, является одним из желчных пигментов. (Пигментом оно называется потому, что эти соединения обычно окрашены. Само порфириновое кольцо и молекулы, в которые оно входит как составная часть, окрашены в пурпурный цвет. Слово «порфирин» происходит от греческого «пурпурный».)
Цвет желчных пигментов варьируется от красного до зеленого. После образования они выделяются из крови печенью, которая отправляет их в кишечник в составе секрета – желчи. Эти молекулы разорванного порфирина первоначально были обнаружены в желчи, поэтому их и называют желчными пигментами. Они проходят по кишечнику и выделяются из организма. Своим цветом человеческие экскременты обязаны желчному пигменту. Для организма не представляет трудности накапливать порфирин, в отличие от глобина, поэтому он создает дополнительные запасы порфирина.
Иногда случается, что проток, ведущий от печени к кишечнику, через который должна проходить желчь, заблокирован камнем. В этом случае пигмент накапливается сначала в печени, а потом переходит в кровь. Зеленоватый цвет пигмента просвечивает через кожу. Это состояние известно как желтуха. У нее могут быть и другие причины, например некоторые заболевания печени и нарушения, в результате которых происходит слишком быстрое расщепление красных клеток.
У молекулы гемоглобина есть и третья часть – сами атомы железа. Они не покидают организм и используются для создания новых молекул гемоглобина.
Некоторые ученые предполагают, что эффективность, с которой происходит отложение атомов железа в организме, может иметь свои недостатки, а плохое усвоение железа – не показатель плохой работы организма, а необходимое средство, препятствующее слишком сильному накоплению этого элемента. Существуют люди, которые по неизвестным пока причинам усваивают ненормально большое количество железа. С годами в организме таких людей может накапливаться до пятидесяти граммов избыточного железа (в семь раз больше нормы) в виде ферритина или другого железосодержащего белка – гемосидерина.
Это состояние, противоположное железодефицитной анемии, называется гемохроматозом. Лечение заключается в том, что каждую неделю или две у пациента выпускают кровь, чтобы снизить уровень содержания железа. Это один из случаев, при котором старинный метод кровопускания приносит пользу.
Интересно знать, почему у летучей мыши – вампира, питающегося исключительно кровью и получающего большое количество железа, содержание железа в организме не превышает нормальных значений. Может, она плохо усваивает железо или способна избавляться от него? Мне ни разу не попадалась информация по этому вопросу.
Сколько раз атомы железа должны оторваться от одной молекулы гемоглобина и присоединиться к другой, зависит от срока жизни красной клетки. Оказалось, что продолжительность ее жизни не так‑то легко определить. Под микроскопом все красные клетки выглядят одинаково: среди них нет молодых и дряхлых. И все‑таки они не вечны. В крови часто находят маленькие фрагменты погибших клеток (гемокония или кровяная пыль). Они переносятся в селезенку и там уничтожаются крупными клетками макрофагами. Что известно о жизни красных клеток?
Существуют две версии. Либо жизнь красной клетки зависит от случая, так что некоторые из них живут всего несколько минут, другие – недели, а третьи – годы, в зависимости от того, как часто красная клетка контактировала со стенками кровеносных сосудов и была травмирована, либо у нее есть определенная продолжительность жизни, независимо от условий существования.
Ответ был найден при помощи изотопов, и это только один пример того, как тысячи научных проблем были разрешены за последнее время посредством этой новейшей технологии.
Большинство атомов существуют в нескольких разновидностях, которые называются изотопами. Например, атомы азота существуют в двух разновидностях – азот14 и азот15. Из них чаще встречается азот14. Из всех атомов азота он составляет 99,64 %, а азота15 всего 0,36 %. Молекула гемоглобина состоит из 750 атомов азота, из которых всего два атома (в среднем) представлены азотом15, а остальные – азотом14.
Ученые сумели выделять изотопы и создать азотсодержащие вещества с необыкновенно высоким содержанием азота15. Одним из таких веществ является глицин, который при добавлении в пищу усваивается организмом и включается во все белки, в том числе и в гемоглобин. Он может как включиться целиком в глобин, так и в виде фрагментов, содержащих атомы азота, в гемовую часть молекулы гемоглобина.
Ученый‑экспериментатор может выяснить, включился ли глицин в гемоглобин. Для этого требуется выделить некоторое количество гемоглобина от крови (легко проделать), отделить атомы азота от молекул гемоглобина (тоже просто) и определить в них процентное содержание азота15. Последняя процедура уже не столь проста, она требует наличия сложного инструмента – масс‑спектрометра, который измеряет массу отдельных атомов и может отличить более тяжелый атом азота15 от более легкого азота14. Если окажется, что молекула гемоглобина необыкновенно богата азотом15, самым простым объяснением этого явления будет то, что содержавшийся в пище глицин по крайней мере включился в гемоглобин.
Из‑за того что это необычный изотоп, мы можем проследить за его переходом из одного вещества в другое, мы в состоянии определить его местонахождение и степень включения в те или иные вещества во время их химических превращений в живых тканях. Такие изотопы можно сравнить с ярким ярлычком, который позволяет нам легко отличить свою сумку или чемодан среди чужих вещей в багажном отделении, когда мы путешествуем по железной дороге. По этой причине вещества, содержащие различные изотопы, называются мечеными.
Теперь давайте выясним, как меченый глицин помогает определить срок жизни красной клетки. Допустим, в течение двух дней человек получает его с обычной пищей. У испытуемого через определенные промежутки берут анализ крови и проверяют гемоглобин на содержание азота15. Экскременты также анализируют на содержание этого изотопа. В течение недель в гемоглобине повышается содержание азота15, так как глицин медленно включается в молекулы гемоглобина. Причина такой медлительности кроется в том, что значительная часть глицина сначала попадает в другие белки и только после этого в гемоглобин.