Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Красные клетки в крови плода содержат гемоглобин, слегка отличающийся от обычного. У этих двух гемоглобинов разные электрические свойства, что требует дальнейшего обсуждения.
Все белки имеют электрические заряды, локализованные в разных точках на поверхности их больших молекул. Существует два типа электрического заряда — положительный и отрицательный, и все белки обладают обоими типами. Эти заряды, объединяясь, составляют суммарный заряд молекулы. Он считается положительным, если на белке больше положительных зарядов, чем отрицательных, и отрицательным — в обратном случае. Он также может быть нулевым, это значит, что молекула несет равное количество положительных и отрицательных зарядов.
Если через раствор белка пропустить электрический ток, молекулы с суммарным положительным зарядом потянутся к отрицательному электроду, а молекулы с отрицательным зарядом — к положительному. Молекулы с нулевым зарядом останутся неподвижны. Скорость передвижения белковых молекул зависит от их размера и формы, от величины суммарного заряда и распределения положительных и отрицательных зарядов на их поверхности. Существует множество комбинаций этих параметров, и поэтому можно быть уверенным, что две различные молекулы будут передвигаться с различной скоростью под влиянием электрического поля.
Близкородственные молекулы белка, которые, кажется, обладают одинаковыми характеристиками, могут обладать совершенно разными зарядами и передвигаться на различных скоростях. Если раствор с молекулами различных белков подвергнуть воздействию электрического поля, то одни молекулы станут передвигаться быстрее, чем другие, и оба вида начнут разделяться, подобно двум группам бегунов на беговой дорожке, когда одна группа вырывается вперед другой.
Процесс, позволяющий похожим белкам разделяться в соответствии со скоростями движения в электрическом поле, называется электрофорезом. Был изобретен сложный аппарат, при помощи которого химики могут следить за процессом разделения по небольшим изменениям в преломлении световых лучей, проходящих через белковый раствор в различных точках. Позднее удалось создать более простую версию этого прибора, в котором белки двигались по листу пористой бумаги, смоченной в растворе. Это электрофорез на бумаге.
Гемоглобин в красных клетках плода, отличающийся по электрофоретической подвижности от нормального гемоглобина, называется фетальным гемоглобином или гемоглобином F.
Еще одно различие между гемоглобином А и F заключается в том, что последний более прочно захватывает кислород. Если смешать растворы гемоглобина А и F и подвергнуть их воздействию кислорода, то гемоглобину F достанется львиная доля.
Ясно, что это происходит ради нормального развития плода, который, находясь в утробе, зависит от того, сколько молекул кислорода просочится через плацентарную оболочку из крови матери. Эритроциты матери с гемоглобином А находятся по одну сторону оболочки, а красные клетки плода с гемоглобином F по другую сторону. Поскольку гемоглобин F более крепко присоединяет молекулы кислорода, на плодной стороне плаценты бывает меньше свободного кислорода, чем на материнской. Так как кислород будет переходить из области высоких концентраций в область более низких, мать будет отдавать свой кислород плоду.
Тем не менее почти с самого начала развития плод учится пользоваться гемоглобином А, готовясь к самостоятельной жизни. Когда ему исполняется двадцать недель, одну шестнадцатую часть его гемоглобина составляет гемоглобин А. Когда проходит девять месяцев и ребенок появляется на свет, одну пятую часть его молекул гемоглобина составляет гемоглобин А. Через четыре месяца после рождения гемоглобин F почти полностью исчезает.
Как бы ни был полезен плоду гемоглобин F, очевидно, он не столь полезен взрослому. Иногда человек может наследовать от одного из родителей дефектный ген (или ген может стать таковым по стечению обстоятельств во время образования сперматозоида или яйцеклетки), который не в состоянии эффективно выполнять свою задачу по контролю за выработкой гемоглобина А. Тогда у человека остается только один нормальный ген: помните, что у каждого из нас по два гена, отвечающих за определенный признак, один от матери, другой от отца. Фактически один ген может выполнять работу обоих, но не всегда. Организм способен существовать, вырабатывая слишком мало гемоглобина А и удовлетворяя свои потребности гемоглобином F. (Любой человек может вырабатывать гемоглобин F в чрезвычайных ситуациях, подобных этой, иначе он никогда бы не выжил во время внутриутробного развития.) Это состояние, которое называется малой талассемией, не представляет угрозы для жизни.
Однако человек может унаследовать дефектный ген и от матери, и от отца. У этого несчастного ни один ген не в состоянии вырабатывать гемоглобин А. Количество гемоглобина F в красных клетках может достигать 100 %. В этом случае развивается большая талассемия, и обычно она заканчивается летальным исходом еще в раннем возрасте.
Известны и другие виды аномальных молекул гемоглобина. В 1910 году Джеймс Б. Херрик, осматривая двадцатилетнего негра из Вест-Индии, обнаружил в его крови красные клетки необычной формы. Они изгибались, подобно острию серпа, и ученый назвал их серповидными эритроцитами. После этого и у других людей, также чернокожих, были обнаружены подобные клетки. К 1928 году выяснили, что это наследственное заболевание и красные клетки приобретают серповидную форму, когда концентрация кислорода в крови ниже нормальной.
В 1949 году американский химик Лайнус Полинг и его коллеги выяснили, что красные клетки приобретают такую форму из-за содержания в них необычного гемоглобина, названного ими гемоглобином S (от слова «серповидный»). Эту разновидность гемоглобина легко выявить при помощи электрофореза. Гемоглобин F передвигается медленнее в электрическом поле, чем гемоглобин А, а гемоглобин S — еще медленнее.
Очевидно, главная проблема с гемоглобином S заключается в том, что он менее растворим, чем гемоглобин А или F; в условиях организма растворяется только одна двадцать пятая его часть. Он упакован в красных клетках довольно плотно, и в них едва хватает места для жидкости, чтобы он мог свободно плавать, при условии, что это растворимый гемоглобин А или F. Если часть гемоглобина представлена гемоглобином S, то последний образует маленькие твердые кристаллы. Они выпячиваются сквозь мембраны красных клеток и искажают их, придавая клетке серповидную форму. Оксигемоглобин S так же растворим, как оксигемоглобин А, поэтому искажение происходит лишь в том случае, когда содержание кислорода в крови уменьшается и оксигемоглобин S превращается в гемоглобин S.
Если бы красные клетки постоянно сохраняли свою серповидную форму, случилась бы беда. Они не только хуже присоединяют кислород, их искаженная оболочка необычайно хрупка, поэтому такая клетка разрушается быстрее нормальной. В результате развивается анемия.
К счастью для людей с одним геном гемоглобина S (к ним относятся большинство негров, чьи красные клетки можно превратить в пробирке в серповидные), образование аномальных клеток в обычных условиях происходит в организме редко. Такие люди могут вести обычную жизнь и жить не меньше, чем здоровые.
Опасение вызывает будущее ребенка, унаследовавшего оба гена гемоглобина S. Поскольку у него нет генов гемоглобина А, он его совершенно не вырабатывает, вместо этого вырабатывается гемоглобин S и, возможно, немного гемоглобина F. У таких детей красные клетки имеют серповидную форму даже при обычных условиях, вследствие чего развивается серповидноклеточная анемия, которая обычно заканчивается смертью в раннем возрасте.
Почему же гемоглобин S встречается только в организме негров? Как он образуется? Иногда ген может не передаваться по наследству. В процессе формирования сперматозоида или яйцеклетки часть химической структуры гена может случайно измениться. Его структура очень сложна, и во время часто повторяющихся воспроизводств этой структуры случаются ошибки и просчеты. Измененный ген может вместо гемоглобина А производить гемоглобин S. Изменение гена, которое приводит к появлению у ребенка нового признака, отсутствующего у его родителей, называется мутацией.
Мутации происходят не очень часто. Возможно, если говорить о данном случае, она произошла много поколений назад у какого-нибудь африканского негра и больше не повторялась, а в наше время проявляется только у тех, чьи гены имеют отношение к генам их далекого предка, то есть у негров.
Тропическая Африка — центр сосредоточения гена S, и гемоглобин S встречается там намного чаще, чем в остальном мире. Американские негры наследуют ген S от своих африканских предков, но, из-за того что их кровь в значительной степени смешалась с кровью американцев, ген гемоглобина S стал более «разбавленным» и встречается реже. Но все же у одного из одиннадцати афроамериканцев присутствует ген гемоглобина S, поэтому в крови обнаруживаются серповидные изменения клеток. Наличие их в малых количествах не причиняет вреда, и это состояние не следует путать с серповидноклеточной анемией. Лишь один из пятисот американских негров, имеющих ген S, страдает от этого заболевания.
