Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий

Глава 5 Красный витамин

Иногда возникают сложности не с выработкой гемоглобина в организме, а с выработкой самих красных клеток — «мешочка», в котором содержится гемоглобин. Этот «мешочек» называется стромой. Красные клетки, помещенные в дистиллированную воду, через некоторое время лопнут, и из них выйдет гемоглобин. Останется пустая мембрана, получившая драматическое название «тени» красной клетки. Вероятно, строма пронизывает внутреннюю часть клетки, создавая секторы. Иногда удается разрушить клетку таким образом, что часть гемоглобина выходит наружу, а часть остается в клетке, очевидно окруженная тонкими перегородками — стромой.

Когда нарушается образование стромы, красные клетки изменяют свой внешний вид и разрушаются очень быстро. Вместо обычных 125 дней они живут всего сорок. В каждой клетке, как и положено, есть запас гемоглобина, только его больше, чем в обычных клетках. Они также крупнее нормальных эритроцитов, поэтому их называют макроцитами. Беда в том, что количество клеток мало и постоянно уменьшается, так что в конце концов их содержание не превышает 2 500 000 на кубический миллиметр.

Такое состояние называется злокачественным малокровием. Это название подразумевает фатальный исход, и действительно, до 1926 года он был фатальным. Обычную железодефицитную анемию можно было вылечить, принимая таблетки с содержанием железа, но злокачественная анемия была так же смертельна, как выстрел в сердце, хотя и означала не столь мгновенную смерть (болезнь длилась от двух до пяти лет).

В 1926 году два врача из клиники при Гарвардском университете, Дж. Р. Майнот и У. П. Мерфи, решили добавить в рацион больных злокачественной анемией печень. Вы можете спросить, почему именно печень? Несколькими годами ранее ученый из Калифорнийского университета Дж. Уипл вызывал анемию у собак посредством кровопускания, а затем испытывал на них различные продукты, чтобы узнать, какой из них наиболее быстро вернет животных к нормальному состоянию. Печень оказалась эффективнее всего. Естественно, собаки страдали не злокачественной анемией, а анемией, вызванной постоянными кровотечениями. Однако Майноту и Мерфи было нечего терять. Печень съедобна, а пациентам грозила гибель, поэтому врачи решили попробовать.

Метод сработал. Больным почти сразу же стало лучше. Им приходилось периодически включать в свой рацион питания большие порции печени. Если пациенты делали длительный перерыв, болезнь возвращалась. Однако если вы стоите перед выбором: есть печень или умереть, то ответ очевиден.

В 1934 году Майнот, Мерфи и Уипл получили за свое открытие Нобелевскую премию в области медицины.

Хотя по сравнению с тем, что было раньше, был сделан большой прорыв, ситуация все же прояснилась далеко не до конца. Что же такое содержалось в печени, что больные злокачественной анемией возвращались к жизни? В 1927 году Э. Дж. Кон совместно с Майнотом и другими исследователями из Гарвардского университета попробовали разделить печень на фракции, пытаясь выделить фактор, препятствующий развитию анемии.

Сначала некоторое количество печени тщательно измельчали до получения однородной массы — гомогената. Растертую ткань соединяли с водой определенной кислотности и тщательно перемешивали. Некоторые компоненты гомогената растворялись в воде, другие нет.

Смесь фильтровали, а затем некоторые компоненты гомогената и нерастворенные частицы испытывали отдельно на больных злокачественной анемией, добавляя растворимую фракцию и осадок в пищу. Через определенные промежутки времени у пациентов брали кровь на анализ, чтобы проверить, не произошло ли увеличение количества незрелых красных клеток (ретикулоцитов). Такая «ретикулоцитная реакция» означала бы наличие противоанемического фактора.

Оказалось, что в водном растворе, или экстракте печени, этот фактор присутствовал, а в нерастворимой части его было очень мало или совсем не было. Таким образом, нерастворимую часть можно было изъять и продолжить работу с экстрактом.

Позднее наличие или отсутствие этого фактора определялось внутривенным введением небольших доз различных фракций печени. Это был более точный эксперимент, нежели добавление фракций в пищу; при этом сохранялась бóльшая часть фракции, которая подвергалась дальнейшему очищению. Поскольку злокачественная анемия довольно редкое заболевание, были предприняты попытки использовать в этих испытаниях животных вместо людей, но эти эксперименты успеха не имели.

Экстракт печени нагревали. При этом свертывался белок, находящийся в экстракте. Фактор по-прежнему оставался в растворе.

После фильтрации (для отделения свернувшегося белка) раствор обрабатывали эфиром. Эфир не соединяется с водой, а образует отдельный слой жидкости над поверхностью воды. Когда два слоя при сильном взбалтывании временно смешиваются, некоторые вещества из воды переходят в эфир и растворяются в нем. После разделения эфирного и водного слоев антианемический фактор обнаруживался в воде.

Затем раствор помещали в коллодиевый мешочек и погружали его в дистиллированную воду. Коллодий подобен полупроницаемой мембране, через которую относительно мелкие молекулы, в частности молекулы фактора, выходили из мешочка в воду, а более крупные оставались внутри. Эта процедура называется диализом. Затем к материалу, прошедшему через мембрану (диализат), добавляли различные химические вещества, способные, связываясь с другими веществами (но не с фактором), образовывать нерастворимые соединения, которые можно затем удалить из раствора.

Такими методами, а также некоторыми из тех, что были мной упомянуты ранее, рамки поисков медленно, но верно сужались, и исследователи получали все более чистую форму антианемического фактора. Естественно, этот процесс трудоемкий. Результатом может быть как успех, так и провал, хотя опытные ученые, благодаря знанию химических и физических принципов, обычно интуитивно чувствуют, какие процедуры выбрать, чтобы получить удачный результат; иногда опыты заходят в тупик, и приходится повторять попытки бесчисленное количество раз.

В 1930 году, после трех лет работы, Кон и его коллеги выделили фракцию печени, эффективную при борьбе со злокачественной анемией в дозе всего 140 миллиграммов. Эта фракция была по крайней мере в сто раз мощнее обычной печени. Больные злокачественной анемией, получавшие лечение этим экстрактом, избавлялись от необходимости постоянно включать печень в рацион.

Работа по очистке антианемического фактора приостановлена, так как единственным способом обнаружить фактор оставалась реакция на него самих больных злокачественной анемией. Из-за неизбежных потерь на каждой стадии очистки и дополнительных потерь во время анализов оставались слишком малые количества вещества. К счастью, в 1940-х годах ученые из американской компании «Мерк», а также из нескольких английских лабораторий независимо друг от друга обнаружили, что даже ничтожное количество фактора (измеряемое в пикограммах — миллионной доле одной миллионной части грамма) ускоряет рост определенных бактерий.

Это неудивительно, хотя у бактерий и нет красных клеток. Давно существовали подозрения, что антианемический фактор является витамином. Когда витамины были впервые открыты, их считали всего лишь загадочными веществами неизвестного состава, которые присутствовали в пище в малых количествах и были необходимы для поддержания здоровья человека. Сначала были известны два витамина: витамин А, растворимый в жире, но нерастворимый в воде, и витамин В, который, наоборот, растворялся только в воде. Дальнейшие исследования показали, что витамин В был на самом деле смесью многих компонентов, которая получила название витаминного комплекса В.

Различные компоненты этого комплекса стали называться витамином В₁, В₂ и так далее. Постепенно, по мере установления химической структуры разных витаминов, они все получили названия. Например, витамин В₁ стал называться тиамином, а витамин В₂ — рибофлавином.

У витаминов группы В есть одна общая черта: они необходимы для нормального химического функционирования всех известных клеток животных, растений и бактерий. Если клетка сама не может вырабатывать этот витамин, значит, она должна получать его с пищей.

Антианемический фактор вел себя как витамин В, поэтому его называли витамином В₁₂. Подобно другим витаминам В-комплекса, он нужен всем клеткам. У человека дефицит витамина В₁₂ может привести к прекращению выработки красных клеток, но это только вершина айсберга. Более серьезная опасность кроется в том, что нарушается течение химических реакций во всех клетках организма. Бактериальные клетки также страдают от дефицита витамина В₁₂, и бактерии, не способные самостоятельно вырабатывать этот витамин, при недостатке его в пище перестают расти. Если витамин В₁₂ добавлять в питательную среду, то рост бактерий возобновляется, что можно использовать для распознавания наличия антифактора.

К 1948 году с помощью нового метода были наконец выделены крошечные дозы чистого витамина В₁₂. Это было сделано почти одновременно теми же независимыми исследовательскими коллективами: «Мерк» в Америке и несколькими лабораториями в Англии.

Витамин В₁₂ оказался красным веществом. Этот цвет был необычен, и поначалу ученые были уверены, что он присутствует только у недостаточно очищенного вещества. Однако и в процессе очищения цвет витамина оставался неизменным.

Это удивило исследователей. Витамин напоминал по цвету некоторые известные соединения, содержащие кобальт (металл, сходный по свойствам с железом). Казалось, что это простое совпадение, потому что кобальт никогда не был обнаружен в веществах, выделенных из живой ткани. Тем не менее некоторое количество витамина В₁₂ было сожжено (медленно, но интенсивно нагревалось, пока не остался лишь легкий минеральный осадок). Произвели анализ пепла и пришли к выводу, что он содержал кобальт!

Поскольку витамин В₁₂ необходим для функционирования всех клеток, а кобальт входит в его состав, значит, он принадлежит к жизненно важным элементам. Так как человеку требуется ничтожное количество кобальта, он называется незаменимым микроэлементом. В организме взрослого мужчины содержится не более 12 миллиграммов кобальта. Это эквивалентно кубику из кобальта, грани которого едва превышают миллиметр. Столь незначительное количество элемента так необходимо для жизни.

С другой стороны 12 миллиграммов — это не так мало, как вы можете подумать. В них содержится более 100 000 000 000 000 000 000 (100 миллионов триллионов) атомов. Если все эти атомы распределить равномерно между всеми клетками человеческого тела, то на каждую клетку придутся сотни тысяч атомов кобальта.

В процессе изучения витамина В₁₂ выяснилось, что на его основе можно приготовить несколько сходных между собою соединений. Они получили название витаминов В_12a, В_12b и так далее. Вместе они получили имя «кобаламинов», потому что все содержали кобальт (буква «т» в слове «кобальт» была опущена в целях благозвучия). В состав витамина В₁₂ также входит цианогруппа, поэтому он называется цианокобаламином. Цианиды ядовиты, но в цианокобаламине цианогрупп слишком мало, чтобы нанести вред, к тому же они так прочно прикреплены к молекуле витамина, что не могут оторваться и присоединиться к атомам железа.

Как только удалось выделить цианокобаламин в чистом виде, ученые предприняли попытки выяснить его структуру. Какие еще атомы помимо кобальта находились в молекуле? Их было много, и они соединялись в сложную структуру, настолько сложную, что для ее установления понадобилось еще восемь лет.

Сначала молекулу цианокобаламина обрабатывали сильнодействующими химическими веществами для расщепления ее на более мелкие фрагменты. Была выявлена более простая структура отдельных фрагментов. В результате в начале 1950-х годов химикам стало почти точно известно, что молекула цианокобаламина состоит из 63 атомов углерода, 88 атомов водорода, 14 атомов кислорода, 14 атомов азота, 1 атома фосфора и 1 атома кобальта. Большинство атомов удалось расположить в определенном порядке, однако общая модель всей молекулы оставалась неясной.

Доктор Дороти Ходжкин из Оксфорда изучала поведение рентгеновских лучей при пропускании их сквозь кристаллы цианокобаламина. Некоторые из этих лучей преломлялись. То, как они преломлялись, — степень и угол преломления — можно было определить, дав лучу попасть на фотопластинку после его прохождения через кристалл. Если бы кристаллов не было, то на месте попадания луча появилось бы одно затемнение. Но когда на пути находились кристаллы, на всей пластинке появлялись очаги затемнения в тех местах, куда попали преломленные лучи.

По расположению этих точек можно представить электронную плотность молекулы. То есть вычислить, в какой части молекулы, скорее всего, находился электрон, а в какой — нет. (Электроны — это крохотные частицы, они намного меньше атомов и являются частью их структуры.) Затем можно начертить линии, соединив все точки одинаковой электронной плотности, прямыми линиями начертить график, так же как на графике погоды чертят линии для обозначения перепадов температуры или атмосферного давления. Линии электронной плотности представляют собой призрачное изображение атомов в молекуле. Исходя из этого графика и из того, что уже известно о структуре отдельных участков молекулы, можно определить ее структуру.

Однако вычисление электронных плотностей по преломлению рентгеновских лучей — долгий, утомительный и довольно сложный процесс. Доктору Ходжкин удалось разрубить этот гордиев узел при помощи компьютера. Информация была загружена в Национальное бюро стандартов западных автоматических компьютеров, и вскоре был получен ответ.

В итоге в 1956 году была установлена структура молекулы цианокобаламина. Она состоит из несимметричного порфиринового кольца (в нем не хватает одного атома), как в геме, а в центре кольца, на месте атома железа (как у гема), находится атом кобальта. На разном расстоянии к кольцу прикрепляются группы атомов, более сложные по строению, чем аналогичные группы в составе гема.

Молекула цианокобаламина слишком сложна, чтобы ее можно было синтезировать в лаборатории, но для медицинских целей большие количества витамина В₁₂ можно получать из печени. Именно в этом органе откладываются запасы питательных веществ на случай голода, поэтому печень вылечивала больных злокачественной анемией и полезна даже для здоровых людей. Сегодня во многих коммерческих мультивитаминных комплексах содержится небольшое количество цианокобаламина.

Одна из загадок цианокобаламина заключается в том, что он необходим организму в очень малых количествах. В случае с другими витаминами группы В организму их требуется около миллиграмма в день или больше. А один или два микрограмма цианокобаламина в день — вполне достаточная доза (одна тысячная часть от количества комплекса витамина В).

Но если это так, то почему тогда возникает злокачественная анемия? Этот витамин содержится во многих продуктах, правда, в очень малых количествах, но его вполне должно хватить, чтобы создать запасы. Практически невозможно представить диету, в которой не содержалось бы цианокобаламина.

Чтобы разобраться во всем, обратимся к другому виду анемии, причиной которого является недостаток меди в диете. Медь, как и кобальт, незаменимый микроэлемент. Она входит в состав молекул группы белков — ферментов, которые необходимы в малых количествах для осуществления различных химических реакций. Некоторые медьсодержащие ферменты были выделены. Один из них, который выделить пока не удалось, необходим организму для контроля химических реакций (тоже пока неизвестных), способствующих правильному обмену железа. Из-за недостатка меди в организме атомы железа не используются по назначению, это приводит к снижению уровня гемоглобина, и в результате — меднодефицитная анемия. Однако в пище так много меди, что меднодефицитная анемия никогда не встречается у людей. Ученые могут изучать ее только на животных, например на молодых собаках, месяцами держа их на особой диете, из которой ценой больших усилий удаляется вся медь.

Почему же дела обстоят совсем не так, как со злокачественной анемией, обусловленной недостатком кобальта? Еще удивительнее, что многие бактерии, в том числе и те, которые живут в кишечнике человека, могут вырабатывать цианокобаламин из простых веществ. По этой причине даже если кобальт в пище находится не в виде цианокобаламина и таким образом является бесполезным для нас, то бактерии могут использовать его для синтеза витамина В₁₂. Так и происходит, и бактерии синтезируют цианокобаламина больше, чем мы способны усвоить, часть его не всасывается стенкой кишечника, проходит неизменной через пищеварительный тракт и выводится из организма.

Это и есть ключ к разгадке. Наличие цианокобаламина в кишечнике — не то же самое, что его наличие в организме. При самых благоприятных обстоятельствах у здоровых людей только малая часть этих больших молекул (у других витаминов В молекулы значительно меньше) усваивается организмом, хотя этого количества хватает для удовлетворения наших потребностей. У больных злокачественной анемией цианокобаламин почти не усваивается. Это выражается в том, что экскременты у таких больных содержат больше цианокобаламина, чем у здоровых людей (именно из-за его отсутствия в организме больные умирают).

У них нарушен механизм усвоения цианокобаламина, поэтому наличие или отсутствие его в пище не имеет никакого значения. Поэтому и способ введения витамина В₁₂ больным злокачественной анемией имеет большое значение. Два микрограмма цианокобаламина в виде инъекций в кровь вызывают заметное увеличение ретикулоцитов. Для получения такого же результата внутрь необходимо принять почти в сто раз больше. У нормальных людей такое же количество цианокобаламина действует одинаково эффективно при инъекциях и приеме внутрь.

На ранней стадии исследований интерес был сосредоточен на желудочной секреции больных злокачественной анемией. Обычно желудочный сок богат соляной кислотой. Это очень сильная кислота, а желудочный сок — самая кислотная жидкость во всем организме. Эта кислота полезна, несмотря на уверения в обратном тех, кто производит противокислотные таблетки, она помогает переваривать содержимое желудка и необходима для работы самого важного пищеварительного фермента. В редких случаях желудочный сок не содержит соляной кислоты — такое состояние называется ахлоргидрией. Без соляной кислоты пищеварение в желудке нарушается, но зато оно происходит более интенсивно в остальной части пищеварительного тракта, поэтому если у человека нет сопутствующих заболеваний, то он может чувствовать себя нормально.

Однако у больных злокачественной анемией ахлоргидрия почти неизбежна, поэтому такое внимание ученые уделяли желудочному соку. Например, было установлено, что мясо, обработанное нормальным желудочным соком, вызывает ретикулоцитарную реакцию в десять раз более выраженную, чем обработанное раствором соляной кислоты. Очевидно, в желудочном соке, помимо соляной кислоты, есть что-то еще, что помогает усвоению витамина В₁₂.

В 1929 году американский ученый У. Б. Кастл назвал это вещество внутренним фактором, то есть находящимся в организме. Цианокобаламин, который тогда был таким же загадочным веществом, иногда называли внешним фактором, потому что он присутствовал в пище, то есть вне организма.

Теперь известно, что внутренний фактор — это небольшая белковая молекула, составляющая примерно одну четверть размера молекулы гемоглобина. В нее входят определенные группы атомов, похожие на те, что находятся в молекуле сахара. Такой сахаросодержащий протеин называется мукопротеином.

Хотя злокачественная анемия уже не считается смертельно опасной болезнью и легко поддается лечению, ученых по-прежнему интересуют многие вопросы. Какова именно структура внутреннего фактора? Как он помогает цианокобаламину проходить сквозь стенки кишечника? Как цианокобаламин, оказавшись в организме, участвует в химических процессах и почему его требуется так мало? Как его отсутствие сказывается на выработке стромы?

В книге науки могут заканчиваться главы, но сама книга не имеет конца.

Следует отметить, что история изучения злокачественной анемии показывает, какую пользу могут принести эксперименты на животных. Конечно, нехорошо заставлять собаку истекать кровью, чтобы только узнать, как скоро она восстановит ее запасы. Приложив все старания, чтобы животное не испытывало боли и неудобств, и проводя опыты как можно гуманнее, доктор Уипл вряд ли испытывал удовольствие, занимаясь работой, за которую он получил Нобелевскую премию. Но это была необходимая работа. В итоге болезнь, раньше считавшаяся смертельно опасной, стала излечиваться, и начались исследования, в результате которых мы многое узнали о нашем организме. Если бы не проводились эксперименты на собаках, Майнот и Мерфи продолжали бы кормить своих больных печенью, но, с другой стороны, этого могло и не случиться, и тогда злокачественная анемия по-прежнему бы уносила человеческие жизни.