Уреіди як дзеркало еволюції

Кандидат хімічних наук А. С. Садовський

Жеребця Тсоавіахіму з відомої повісті В. Войновича мучив питання: якщо праця зробила з мавпи людину, то чому в нього, який пропрацював все життя, і так важко, це перетворення не вийшло? Можливо, справа в тому, що при всій важливості праці тут позначилися і інші обставини, а саме - пов'язані з хімією. Адже тільки у мавп і людей склад продуктів пуринового обміну - уреідов, або, попросту кажучи, сечі, зовсім не такий, як у коней та інших ссавців. Так що предком людини може бути тільки примат. Нижче і піде мова про шляхи еволюції, а також про властивості ключових уреідов - сечової кислоти та алантоїн.

В органічної хімії немає іншого речовини, яка такою мірою привертала б увагу фізіологів і хіміків.

Ф. Велер і Ю. Лібіх про сечової кислоти (1838)

Зародження біохімії

Отримання сечовини, "тварини" речовини, з неорганічних матеріалів Ф. Велером в 1828 році можна вважати першим біохімічним синтезом. Саме цей досвід історики науки називають ключовим доказом хімічної тотожності живої та неживої матерії. Крім природних похідних сечовини, тобто уреідов, тоді були отримані і чисто синтетичні. Дослідження в цій області інтенсивно розвивалися. На синтез і з'ясування будови сечової кислоти у А. Байєра і Е. Фішера пішло більше 30 років (1863-1899 роки). Хоча ці роботи ні для вчителя, ні для учня не були головними, але вони зарахували при присудження їм Нобелівських премій. Біциклічною структуру цієї кислоти, за пропозицією Е. Фішера, стали називати пуринів (від латинського Purum uricum - чиста сеча). Як з'ясувалося згодом, такі сполуки дуже поширені у живих істот. Досить сказати, що пуринові підстави служать двома літерами нашого генетичного коду - Аденін і гуаніном. Вони ж входять до складу коферментів; алкалоїди кави, чаю і какао - це ті ж пурину. Більшу половину пуринового кістяка представляє шестичленних піримідинові гетероцикли (див. схему), він дає основу іншим трьом буквам інформаційного коду - цитозин, тимін в ДНК і урацілу в РНК.

Гусь і свиня нам не товариші

З шестичленних циклами надлишкових піримідинових підстав, втім, як і амінокислотами, організми всіх ссавців справляються добре: в печінці вони розкладаються за участю ферментів до сечовини. А п'ятичленних цикл, який поряд з шестичленних входить в пурину, виявляється міцним горішком. До добре розчинної у воді сечовини їх катаболізм доходить тільки у риб, амфібій і деяких молюсків, у яких навіть утворюється аміак. У подробиці заглиблюватися не будемо для економії місця в журналі, і читачеві доведеться повірити на слово, що так рибам та іншим водним тварям дійсно простіше. А ось у сухопутних все йде по-іншому. Мабуть, справа в тому, що, коли живі істоти стали освоювати сушу, їм довелося пристосовуватися до нових умов, а робити це можна кількома способами. Один з них - перейти для економії води на "суху" або згущене сечу. Таке рішення використовують віддалені риб'ячі нащадки - птиці, і їх зовсім не родичі, походження яких приховано в туманною дали мілліонолетій - комахи. У них обох пурину окислюються лише до сечової кислоти. Вона малорозчинна у воді, але навіть насичений її розчин нетоксичний. Птахи скидають напівсухе сечу в клоаку, де вона змішується з калом.

Інший шлях обрали ссавці: вони обзавелися сечовим міхуром. Чи то природа скористалася принципом "не робити зайвої роботи", чи то причина була іншою, але ссавці стали розкладати пурин не повністю, як риби, а лише до добре розчинної у воді алантоїн. Однак на етапі праобезьяни еволюція зробила якийсь дивний поворот, і примати, так само як і людина, повернулися до "пташиною" схемою: в їх організмах більша частина пуринів окислюється тільки до сечовий кислоти, і вона присутня в крові нарівні з алантоїн.

Таке відміну приматів від всіх ссавців змушує трохи поміркувати про проблеми міжвидової пересадки органів. Зазвичай найбільш багатообіцяючим донором для пересадки органів людині вважають свиню. Однак потрібно врахувати, що при створенні трансгенної "людиноподібної" свині буде потрібно якось нейтралізувати у неї гени, що кодують освіта ферменту уриказа, який окисляє сечову кислоту до алантоїн. Втім, печінка гусака або страуса (тепер це вже домашня птиця) нам теж не підійде. У птахів і білковий обмін організований так, що добре розчинна сечовина взагалі не утворюється. Серед собак справжній друг людини тільки далматин - у нього таке ж співвідношення сечова кислота/алантоїн, як і у нас. З ким схрещували предків цих собак і чому вийшла така порода, незрозуміло, але це вже справа рук людських, і еволюція тут ні до чого.

цілюща сеча корів і опаришів

алантоїн відкрив, досліджуючи навколоплідної рідини, один з основоположників аналітичної хімії Л.Н. Вакулін в 1789 році. Назва ж походить від грецького "Аллантоіс" - колбасовідний; мабуть, саме така асоціація виникла у того, хто вперше ввів науковий опис зародкової оболонки ембріона. Строго кажучи, аллантоіс - один з трьох таких оболонок у рептилій, птахів і ссавців; у нас з нього утворюється сечовий міхур, у рептилій і птахів - клоака. Алантоїн потім знайшли і в сечі, причому особливо багато його виявляється у вагітних, як людей, так і тварин. Стельние корови ще довго забезпечували своєю цінною сечею виробництво цієї речовини.

Початок практичного використання алантоїн в офіційній медицині можна угледіти в історії Кримської війни (1853-1856 роки) та Громадянської війни в США (1861-1865 роки). Збереглися документи про те, що військові лікарі застосовували личинки мух (опаришів) для лікування ран. Тепер цей метод іноді називають біохірургіей, а сутність стала прояснюватися з 1930-х років. Як виявилося, дія личинок багатостороннє: по-перше, вони сприяють стерилізації рани, по-друге, стимулюють загоєння, а по-третє, очищають її, поїдаючи омертвілу тканину. Нашої теми стосується другий фактор, оскільки його визначає алантоїн. Це речовина служить непоганим стимулятором поділу (проліферації) клітин; тобто загоєння. І саме алантоїн в кількості 2% від всієї маси екскрементів виділяють разом з сечовиною личинки мухи. Крилата ж муха надходить, як ми - окисляє пурину до сечової кислоти.

Метод такий біохірургіі не дешевий, вельми неестетічен (хоча використання медичних п'явок виглядає не краще), але не поступається сучасної медикаментозної і перев'язочній техніці. Його застосовують у безвихідних ситуаціях, однак вони трапляються не так уже й рідко: за кордоном є кілька компаній, які спеціалізуються в постачаннях стерилізованих личинок зеленої падальной мухи (Lucilia sericata).

алантоїн присутня і в інших народних способи лікування ран - компресії та мазях з живокосту (див. "Хімію і життя", 2000, № 7/8). Наукова медицина переконалася в лікувальних властивості алантоїн, із середини минулого століття його часто вводять до складу лікувальних і косметичних кремів. У рекламі косметики деяких компаній особливо підкреслюється, що їх алантоїн не тваринного походження (треба розуміти, не з сечі стельних корів). Сучасними джерелами сировини служать не тільки рослини (соя і окопник), а й молюски, наприклад Helix aspersa Muller - південноєвропейських родичка виноградної равлики.

Можливо, плід у мавп і людини, як і личинка мухи, окисляє сечову кислоту до алантоїн, чим і обумовлено його підвищення утримання під час вагітності. На цю особливість фізіології людини чомусь звертають мало уваги. А от для тварин вимірювання вмісту алантоїн в сечі і молоці дозволяє поліпшити раціон годування. При великій частці фуражної компоненти, тобто зерна або сіна, мікрофлора жуйних тварин пригнічується, не виробляє потрібного кількості білків і відповідно нуклеїнових кислот. В результаті печінка розкладає менше пуринових підстав і виходить менше продуктів цього розкладу. Положення коригують, додаючи силос, він же соковитий корм, в такій пропорції, щоб алантоїн було стільки, скільки належить.

Упаковка для азоту

Рослини за життя не створюють відходів, виводити їм нічого. Навіщо ж тоді і вони виробляють той алантоїн, який людина потім видобуває з рослинної сировини?

Досліди з рослинами, як не дивно, медики почали ставити. У літературі до цих пір можна зустріти згадка про зворушливу історію про хворого хлопчика і гіацинти. У хлопчика, який перебував на лікуванні в дитячому Королівському госпіталі в англійському Ліверпулі, в баночках проростали дві цибулини цієї квітки. Однією цибулину, сильно відстає в розвитку, медсестри стали робити ін'єкції водного розчину алантоїн. Буквально на очах хворого гіацинт випустив стрілку і розквіт раніше сусіда. Досліди продовжили, і вони увінчалися успіхом з цибулинами лілій та тюльпанів. Алантоїн насамперед впливав на зростання квітконоса, а не листя. Однак якщо його просто додавати в баночку, ефекту не буде, а при великих концентраціях можливо навіть пригнічення рослини. Накопичені дані намагалися пояснювати проліферацією.        

  

У промисловості більшу частину кофеїну синтезують із сечової   кислоти через ксантин. Рослини синтезують його теж через ксантин, який   виходить з аденіну та гауніна     

Лише багато пізніше, в кінці сімдесятих років XX століття, призначення алантоїн було з'ясовано стосовно до сої. Як виявилося, в принципі воно таке ж, як і у ссавців: алантоїн - форма транспортування азоту, а ось напрямок транспорту по-різному. У рослинах уреіди рухаються не у відвал, а у листя, до місця фотосинтезу. Природа не марнотратна, вдалі знахідки вона тиражує в усіх відповідних випадках. Аміак, який використовують риби для виведення азоту з організму, легко утворює іон амонію і тому навіть в помірних концентраціях згубний для живих тканин. Алантоїн по атомній співвідношенню N/C трохи поступається сечовині (1 проти 2). Це гарна нейтральна упаковка для азоту. Соя і окопник, треба думати, стоять високо на сходах еволюції. Адже вони не чекають аміак від природи, а обмінюють його на вуглеводи у бактерій-сімбіотов, які знаходяться в бульбочок (соя) або в прикореневій зоні (ризосфери у живокосту). У інших рослин упаковка для азоту менш ємна. Для багатьох представників бобових, здатних "Хворіти" бульбочкових фіксують азот (горох, люпин), транспортна форма азоту - це аміди аспаргін і глутамін (N/C 0,5 і 0,4, відповідно).

Зараз транспортні властивості алантоїн продовжують досліджувати вже на генно-молекулярному рівні з коханим ботаніками модельним рослиною арабідопсис - в надії відтворити передовий досвід у інших зелених друзів людини.

Хвороба чудових людей

сечову кислоту вперше виділив К.В. Шеєле в 1776 році з сечових каменів. Освіта таких каменів з солей (уратів) або частково з вільної кислоти відбувається при її підвищеному вмісті - гіперурикемії. Приблизно в одному випадку з десяти така патологія призводить до подагрі - ті ж камені в суглобах і, рідше, в інших місцях. Подагру хворіють переважно чоловіки після 40 років. Англійці першими знайшли в своїй історії ознаки "подагричної геніальності". Поряд з іншими фактор гіперурікеміческой стимуляції розумової активності простежено В.П. Ефроімсоном в спадковості таланту (див. "Хімію і життя", 1994, № 1). Ось статистика: частота захворювання на подагру в розвинених країнах для літнього населення не більше 1-2%, а зі списку 400 загальновизнаних геніїв світової історії та культури 12,5% безперечно страждало такою патологією.

Поширеність подагри у видатних осіб як загальнолюдська закономірність була віднесена за рахунок можливого стимулюючої дії сечової кислоти на розумову і загальну активність організму. До таких роздумів має в своєму розпорядженні близькість будови сечової кислоти та кофеїну. Виникла гіпотеза, що цей постійно присутній допінг і став двигуном швидкої "сапіенізаціі" людини. Вульгарні матеріалісти в антропології довго недооцінювали роль інтелекту і свідомості в еволюції людини. Однак після себе доісторичні люди залишили не тільки знаряддя праці, а й предмети мистецтва, а пізніше і грандіозні культові споруди.

Генії подагричного типу мають свій психологічний портрет: вони рішучі, активні і самобутні, їхні видатні якості особливо проявляються в переломні, критичні часи. Чітко простежується паралелізм в спадкової передачі гіперурикемії і розумових здібностей (цар Македонії Філіпп і його син Олександр, тринадцять поколінь нащадків султана Османа, рід герцогів Лотаринзький, Медічі і багатьох інших). Характер спадковості відомий: гіперурикемія або схильність до неї передається від батьків через здорових матерів і бабусь або ж дідів (прадідів) по материнській лінії. Втім, гіперурикемія може призводити не тільки до геніальності. Надмірне зміст сечової кислоти призводить до серйозних розладів психіки - синдрому Леш-Ніхана (нервозність, агресивність, уповільнення розумового розвитку, елементи мазохізму). Хвороба також передається у спадщину, і її причина -- недолік ферменту утилізації пуринів.

Скептики вільні не погоджуватися зі статистикою геніальних подагріков і матимуть рацію. Всі одно цей факт не може служити обгрунтуванням пропорційної зв'язку між якістю розуму і кількістю сечової кислоти у всьому діапазоні її змісту. Ось у собак, наприклад, такий зв'язок відсутній: далматин не виявляє особливої інтелектуальності в поведінці або в дресирування в порівнянні з іншими породами. А чим він гірший мавпи? Січовий кислоти і в Далматин предостатньо, не те що у інших собак. Мабуть, біохімікам і фізіологам все ж таки треба ще попрацювати, перш ніж про роль уреідов в еволюції виду і в житті конкретного індивіда можна буде говорити з більшою визначеністю.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://wsyachina.narod.ru/