Для жизнеобеспечения всего организма, а также отдельных органов и тканей нужны сосуды. По ним кровь переносит питательные вещества, продукты метаболизма и газы. В норме образование новых сосудов (ангиогенез) наблюдается в эндометрии (внутренняя слизистая оболочка тела матки), плаценте и при заживлении ран. Если сосуды начинают активно разрастаться в здоровых тканях, то, как правило, это свидетельствует о развитии рака или других патологий. Ведь опухоли требуют дополнительного питания, поэтому они не только изменяют метаболизм, но и объедают весь организм. С изменением ангиогенеза связаны такие заболевания как атеросклероз, аутоиммунные воспаления и язвенная болезнь.

Рождение сосудов
У человека ангиогенез начинается на второй неделе эмбрионального развития, а к концу первого месяца все зародышевые сосуды уже разделены на праве и левые. И у взрослого организма, и у зародыша рост сосудов связан с появлением белков – факторов роста. Они «хватают» эдотелиальные клетки за рецепторы и заставляют их размножаться, протаскивая растущий сосуд в нужном направлении. При этом скорость размножения эндотелиальных клеток увеличивается почти в сто раз.

Ученым известны соединения, которые останавливают рост сосудов – ингибиторы ангиогенеза. Также исследователи знают, что появление факторов роста связано не только с работой вполне известных генов, но и с влиянием окружающей среды. Например, при недостатке кислорода организм пытается надышаться вдоволь. На молекулярном уровне клеточное желание вдохнуть побольше кислорода стимулирует выработку факторов роста. Поэтому неблагоприятная экологическая обстановка провоцирует онкогенез не только напрямую, но и опосредованно – усиливая рост сосудов.

Вне зависимости от того, где и почему начинают расти сосуды, образование внутренней полости (просвета сосуда, по которому протекает кровь) связано с расхождением «слипшихся» эндотелиальных клеток. Этот процесс можно сравнить с катанием «колбаски» из пластилина, внутри которой ребенок делает дырку. Исследователи из Германии, Словакии и Швейцарии под руководством Бориса Стрилика из Института кардиологических и пульмонологических исследований Общества Макса Планка выяснили, какие механизмы «дырявят» прорастающий сосуд.

Бой зарядов
Животные клетки (в отличие от бактериальных, грибных и растительных), отделены друг от друга лишь мембраной — двойным слоем липидов, структура которого пронизана белками. В зависимости от функций, свойства и химический состав клеток отличаются друг от друга. В некоторых клетках верхушечные части протеинов (те, что находятся снаружи клеточной мембраны) содержат большое количество сиаловой кислоты (NANA). Сиаловая кислота создает общий отрицательный заряд клеточной поверхности. Борис Стрилик и его коллеги предположили, что именно отрицательные заряды на поверхности эндотелиальных клеток инициируют формирование просвета сосудов.

Они проанализировали развитие аорты у мышиного эмбриона. С помощью соединений, которые способны специфично связывать остатки углеводов на поверхности клеточной мембраны (лектинов), и маркера PODXL ученые выяснили, что остатки сиаловой кислоты «расталкивают» слипшиеся клетки.

Во втором эксперименте исследователи ввели в аорту эмбриона фермент сиалидазу, который удаляет остатки сиаловой кислоты. Таким способом они отобрали у клеток отрицательный заряд. Через некоторое время биологи сравнили эмбрионы из контрольной и экспериментальной групп. Оказалось, что у экспериментальных мышей просвет аорты значительно меньше. Аорта так и не стала полноценной. Лишь на участках, далеких от места инъекции, сосуды развивались нормально.

Биологи попытались дать процессу обратный ход и восстановить отобранный заряд. Правда, с помощью другого соединения – сульфата декстрана. Как и предполагалось, отрицательный заряд, привнесенный в эндотелиальные клетки, «подлечил» плохо продырявленные сосуды.

В третьем эксперименте естествоиспытатели не отбирали у клеток сиаловую кислоту, а нейтрализовали ее с помощью положительно заряженных частиц — катионов. Просвет аорты, на которую воздействовали положительными ионами, был меньше по сравнению с контрольной группой.

По результатам трех экспериментов ученые сделали вывод, что бой между отрицательно заряженными клетками способствует формированию полноценных сосудов.

Клеточный аттракцион
Заключительный эксперимент (in vitro) ученые провели от обратного, проверив адгезию эндотелиальных клеток. Для этого на наклоненном (угол наклона 20о) коллагеновом субстрате биологи вырастили «клеточные горки» — монослои культуры клеток пупочной вены человека. В эксперименте естествоиспытатели проводили эстафету между «бусинками», покрытыми точно такими же клетками. По аналогии с предшествующими экспериментами исследователи изменяли условия эстафеты, то нейтрализуя, то восстанавливая клеточный заряд системы «шарик-горка». Оказалось, что в контрольной группе (система состоит из клеток с сиаловой кислотой) шарик проходил максимальное расстояние. В остальных экспериментах шарик либо вовсе не скатывался, либо останавливался на одной десятой пути. Столкнуть залипшие бусинки можно было, лишь добавив в систему отрицательный заряд. Такие же результаты ученые получили, визуализировав ангиогенез в 3D формате.

На рисунках и фото, полученных по результатам экспериментов, видно, что отрицательный заряд сиаловой кислоты (обозначен зеленым цветом) расталкивет клетки сосудов и формирует полноценный просвет (A, B, C). Сосуд, лишенный сиаловой кислоты, прорастает вглубь (D, E), но «дырявится» лишь на 20 % (F). Катионы (обозначены красным цветом) частично нейтрализуют заряд сиаловой кислоты, из-за чего развивается «продырявленный», но неполноценный сосуд (G, H, I).

Подробнее о результатах проведенного исследования можно прочитать в статье Electrostatic Cell-Surface Repulsion Initiates Lumen Formation in Developing Blood Vessels.

http://infox.ru/science/human/2010/10/21/Sosudy_elektroni.phtml

Кислород, поступающий в кровь, разносится гемоглобином по тканям организма, а продукты метаболизма (двуокись углерода и атомы водорода) выводятся. Отсюда понятно, насколько велика роль железосодержащего соединения молекулы «гем» с белком «глобин» для жизни человека. В этой статье мы рассмотрим аминокислотное строение, форму и некоторые другие особенности гемоглобина, выполняющего роль переносчика кислорода к тканям живого организма. Это даст нам возможность выяснить, каковы функции гемоглобина, и обратит наше внимание на милость Высшей Силы.

Гемоглобин - соединение, выполняющее функцию переноса кислорода в крови у позвоночных. Это вещество содержится в красных кровяных тельцах (эритроцитах) и окрашивает кровь в красный цвет. Гемоглобин играет очень важную роль для продолжения жизни. Это железосодержащее соединение составляют «гем» и четыре цепочки белка «глобина». Гем, относящийся к группе металлопорфиринов (металл + порфирин), является в гемоглобине белком железа-порфирина. Синтез «гема» происходит в печени и костном мозге животных и человека.

Из органов дыхания гемоглобин через кровь несет к тканям организма кислород, а из тканей в органы дыхания переносит углекислый газ и атом водорода. Эта молекула содержится в красных кровяных тельцах, называемых эритроцитами. Во время прохождения воздуха через органы дыхания кислород легко соединяется с частью гема, содержащего двухвалентное железо и входящего в гемоглобин. Изначальный синтез этой молекулы происходит во время созревания эритроцитов в костном мозге.

Существует несколько видов генов, кодирующих глобин - белковую часть гемоглобина: альфа, бета, гама и дельта. Разные комбинации глобиновых цепочек формируют разные структуры гемоглобина. Гемоглобин эмбриона называют гемоглобином F (фетальный гемоглобин), а гемоглобин взрослого - гемоглобином A (Adult - взрослый). Наиболее распространенные гемоглобиновые цепочки, встречающиеся у взрослых, - альфа (141 аминокислота) и бета (146 аминокислот) (Схема 1). Гемоглобин, составленный из соединения двух цепочек альфа и двух цепочек бета, называют гемоглобином типа А. Он составляет 97,5% всего гемоглобина в организме взрослого человека (Схема 2).

Строение и форма аминокислоты гемоглобина
В двадцатом столетии в условиях постоянно растущего потока информации технические науки раздробились на десятки специализаций. В каждой из них над решением проблем работают тысячи ученых. То же самое наблюдается во Вселенной: каждый день приносит огромное количество информации, которое невозможно обработать даже за целую жизнь. В качестве строительного материала, необходимого для синтеза около ста тысяч протеинов, используются двадцать разных аминокислот, содержащихся в геноме каждой клетки человеческого организма и несущих генетическую информацию, то есть, иначе говоря, обеспечивающих информационное существование. Глобиновые цепочки гемоглобина синтезируются из этих двадцати аминокислот, соединяясь в определенных количествах и в соответствии с генетическим кодом.

Подсчитаем: сколько разных глобиновых цепочек в 141 и 146 аминокислот можно построить из двадцати разных аминокислот? Эти цифры даже трудно себе представить. И не потребовалась ли особая, сверхъестественная сила, глубокое знание программирования для того, чтобы эти тщательно отобранные аминокислотные цепочки связывали кислород, доставляли его к клеткам организма и по мере надобности сохраняли там, а также для того, чтобы воплотить этот гениальный замысел в жизнь?

Приведем лишь один пример того, насколько филигранно построен существующий порядок вещей. Весьма распространенной сегодня является болезнь, называемая гемолитической анемией, которая вызывается незначительным изменением в коде генетической программы и приводит к тяжелой клинической симптоматике. Диаметр сосудов человеческого организма - терминальных капилляров - меньше диаметра эритроцитов. Для того чтобы эритроциты могли беспрепятственно выполнять свои функции, они в среднем каждые тридцать секунд должны проходить через эти узкие места (один раз в минуту - через тканевые капилляры и один раз в минуту - через легочные капилляры). В принципе, эритроциты были сотворены таким образом, что они имеют форму двояковогнутого диска и обладают способностью легко протискиваться через узкие места, т.е. по сосудам, диаметр которых намного меньше их собственного. Благодаря этому эритроциты могут продолжать свой путь по сосудам, принимая затем первоначальную форму.

Однако эритроциты, содержащие гемоглобин, изменивший свои свойства в результате трансформаций в аминокислотной структуре, теряют свою эластичность. Находящийся внутри такого эритроцита гемоглобин кристаллизуется, опадает, и клетка разрывается на части. Эти частицы клетки закупоривают сосуд, в котором находятся. Причина такого заболевания - наличие в бета-цепочке среди 146 аминокислот всего лишь одной, отличной от нормы - при полностью нормальной альфа-цепочке. Проблема малокровия серповидной клетки состоит в замене аминокислоты глютамина в 6-ой позиции бета-цепочки, состоящей из 146 аминокислот, аминокислотой валина.

Это незначительное на первый взгляд изменение приводит к кристаллизации гемоглобина во время движения по эритроцитам, потере эластичности клеток, в которых он находится, приобретению ими серповидной формы и прорыву оболочки. В результате эритроциты разрываются на части и закупоривают капилляры, по которым они проходят. Это генетическое заболевание, причиной которого становится замена всего лишь одной аминокислоты в бета-цепочке из 146 аминокислот, составленной из строго определенного количества той или иной аминокислоты, общее число которых составляет 20, - только один из тысячи примеров бесконечного Божественного знания и Высшей силы.

Можно ли представить себе, что из триллионов вариантов комбинаций аминокислот в молекуле гемоглобина единственно возможная цепочка составляется сама по себе, без вмешательства высших сил? Может ли оказаться случайным выбор необходимого варианта из числа, близкого к бесконечному? Учеными подсчитано, что требуются миллионы лет для того, чтобы случайно составить только лишь цепочку первого порядка идеальной молекулы гемоглобина. Если принять во внимание еще и то, что основные функции приходятся не на цепочечное строение молекул протеина, а на их трехмерное строение, то вероятность случайности вообще отпадает. При наличии ошибки только в одной аминокислоте развивается гемолитическая анемия. Что же тогда говорить об остальных?

Если попытаться заставить гемоглобин с дефектной структурой переносить кислород, продолжение рода человеческого станет невозможным только из-за одного протеина, и родившиеся дети с большой вероятностью будут умирать, не достигнув репродуктивного возраста. Человеческий организм содержит еще около ста протеинов, подобных гемоглобину - с полностью индивидуальной очередностью аминокислот.

дальше...

Принципиально важным является то, что 100 мл нормальной крови могут перенести только 0,3 мл расщепленного кислорода, а в нашем теле циркулирует 5 л крови в минуту. Если бы гемоглобина не существовало, в клетки поступало бы только 15 мл кислорода в минуту, в то время как взрослому человеку нужно 200-250 мл кислорода в минуту даже в те периоды, когда его потребность в нем сведена к минимуму - например, во время сна.

С другой стороны, если бы гемоглобин находился в наших эритроцитах не в компактной форме, а, к примеру, растворенным в жидкой части крови - плазме, то либо количество крови в организме должно было бы составлять 375 литров вместо 5, либо наш пульс должен был бы дойти с 60-80 до 5600 ударов в минуту. Гемоглобин был создан так продуманно и его функции были выверены так тщательно, что он быстро связывает и сохраняет кислород, поступающий в организм из легких, как будто в крови недостаточно кислорода или вообще нет, и - как следствие - из легких поступает еще больший объем кислорода. Таким образом, кислородное давление выходит на уровень, значительно превышающий нормальное атмосферное давление в 160 mm/Hg.

Строение гемоглобина таково, что он обладает всеми необходимыми свойствами, позволяющими в сто раз повысить способность крови переносить кислород. Великий Творец, создавший атмосферу и точно знающий, сколько кислорода для нее нужно, наделил и организмы живых существ системами, поставляющими кислород в количестве, необходимом для поддержания жизни. Если идеальный для жизни уровень кислорода в атмосфере (21%) довести хотя бы до 23%, будет невозможно предотвратить пожары, которые станут результатом самовозгорания в жаркие летние месяцы года. Это привело бы к тому, что жизнь на Земле могла бы закончиться так и не начавшись. Но даже при уровне кислорода в 21% жизнь была бы невозможна без гемоглобина.

Технические особенности гемоглобина
Молекула гемоглобина, кроме описанных выше свойств, обладает также способностью по-разному вести себя в разных ситуациях - так, как будто у нее есть память, и приспосабливаться к любым условиям. Потребность в кислороде клеток взрослого организма в состоянии покоя - приблизительно 250 мл/сек. Для обеспечения этого количества гемоглобину достаточно оставить тканям четверть кислорода, который он переносит.

Стоит любому органу нашего тела выйти из состояния покоя и получить физическую нагрузку (например, при принятии пищи начинают работать органы пищеварения, при умственном труде - головной мозг), как потребность в кислороде возрастает. Работающие ткани потребляют больше кислорода, одновременно вырабатывая больше двуокиси углерода, молочной кислоты и тепла. Если измерить уровень их выработки, то можно определить интенсивность работы ткани организма. Молекула гемоглобина обладает способностью отслеживать эти три фактора работы тканей. Кислород, в связанном состоянии переносимый гемоглобином крови в ткани, в зависимости от потребности в нем той или иной ткани, освобождается.

Например, во время игры в футбол мышцы ног играющего работают активнее, в результате чего выработка ими двуокиси углерода, молочной кислоты и тепла возрастает. Гемоглобин тотчас реагирует на это и поставляет указанной группе мышц то количество кислорода, в котором она нуждается. Когда человек переходит с ходьбы на бег, все органы его тела (мозг, нервы, мышцы и прочие ткани) начинают интенсивнее выполнять свои функции, хотя человек этого даже не ощущает. Гемоглобин тоже принимает участие в этом процессе и поставляет тканям увеличенное количество кислорода, такое, в котором они нуждаются. В настоящее время ведутся научные исследования в области синтезирования молекул гемоглобина, опирающиеся на нанотехнологии, однако их нельзя назвать даже первыми шагами, настолько они беспомощны по сравнению с гибкостью его реального функционирования.

Некоторые цифры, в которые трудно поверить
В одном эритроците находится приблизительно 280 миллионов молекул гемоглобина. Если учесть, что одна молекула гемоглобина связывает четыре молекулы кислорода, мы увидим, что каждый эритроцит несет огромный груз - свыше миллиарда молекул кислорода.

Возникает вопрос: «Сколько же эритроцитов во взрослом организме?» Оказывается, их приблизительно 25 триллионов. И в каждой клетке содержится молекула гемоглобина, связывающая 280 миллионов молекул кислорода. Общее же количество молекул гемоглобина в человеческом организме находится за гранью восприятия - 25 триллионов х 280 миллионов. А количество молекул кислорода, переносимых всеми эритроцитами крови, составляет 25 триллионов х 1.12 миллиарда. Продолжительность жизни каждого эритроцита, содержащего гемоглобин, - 100-120 дней. При самом грубом подсчете, каждый день в нашем организме погибает, завершив свои функции, и распадается на части 250 миллиардов эритроцитов (25 триллионов за 100 дней).

Аналогичный процесс происходит и с гемоглобином. В среднем в организме взрослого человека каждый день прекращает функционировать 250 миллиардов красных кровяных телец. Одновременно появляется такое же число новых молекул гемоглобина и красных кровяных телец с тем, чтобы обеспечить организм кислородом.

Каждый день, чтобы восстановить количество разрушившегося гемоглобина, в организме синтезируется около 5-6 граммов гемоглобина. Эритроциты вырабатываются в костном мозге из клеток - предшественников эритропоэза - в результате трех- и четырехступенчатых изменений, во время которых они теряют все свои органеллы, находящиеся в преэритроцитной клетке (мегакариоците), - митохондрии, тельца Жолли, ядро и рибосомы. Их место занимает гемоглобин. Зрелые эритроциты уже не могут синтезировать гемоглобин. Процесс разрушения старых и воссоздания новых молекул очень тщательно контролируется. Однако иногда малокровие (анемия) может развиться из-за недополучения организмом железа и витаминов.

Взаимодействие в десятые доли секунды
Сколько времени нужно для того, чтобы гемоглобин перенес кислород к тканям и снова получил из легких столько же кислорода, сколько оставил? Время, необходимое для соединения эритроцитов с кислородом в легких и для пребывания в сосудах организма - капиллярном русле, чтобы успеть перенести кислород к тканям, никогда не превышает одной секунды. Вследствие того, что потребность клеток в кислороде в период деятельности, ускоряющей циркуляцию крови - например, во время физических упражнений, возрастает, срок пребывания гемоглобина в капиллярном русле сокращается до одной пятой доли секунды. Если у тканей возникает потребность, гемоглобин может поставить все молекулы кислорода (а их около миллиарда!) для их последующего использования клетками за такой короткий отрезок времени, как десять-двадцать миллисекунд.

Таким образом, в огромном мире протеинов гемоглобин выступает лишь как маленькое белковое соединение. Несмотря на это, очень многим молекулам гемоглобина, синтезированным из тысяч аминокислот и имеющим тщательно запрограммированную их очередность, даны функции, которые они выполняют в организме человека начиная с его рождения и заканчивая смертью.

И. ОМЕРОГЛУ, журнал Новые Грани
http://www.kurman.ru/