Кристалографія (12): In vino veritas
Згідно з грецькою міфологією, саме бог Діоніс спустився з гори Олімп, щоб навчити людей робити вино. Згідно з сучасною археологією, цей спуск, якби він існував, мав би місце в Малій Азії (на території теперішньої східної Туреччини) близько 7000 років тому. Разом із винним мистецтвом Діоніс подарував ще один подарунок, який тривав довгий час, не визнавшись таким, - Тартар, який знаходиться на дні амфор і, сьогодні, винних бочок.
І Лукрецій, і Пліній Старший були знайомі з Тартаром. Те, що ми зараз знаємо як кислий тартрат калію (формально - тартрат водню калію), було описано як кисле на смак і пече фіолетовим полум’ям, на додаток до надання рецептів для десятка засобів, що його містять.
Більш детально його вивчали в середні віки. Перський алхімік Абу Муса Шабір ібн Хайян аль-Азді (відомий в Європі як Гебер) був першим, хто близько 800 р. Н. Е. Письмово зафіксував, що зубний камінь - це сіль та виділена винна кислота (і багато інших органічних сполук, але це вже інша історія), хоча і не з великою чистотою. Для отримання хімічно чистої винної кислоти знадобився 1769 рік, що зробив Карл Вільгельм Шеєле (разом із великою кількістю органічних сполук). З'єднання використовувалося у виробництві косметики та лікарських засобів, таких як сіль Ла Рошель або блювотний камінь, тому багато винзаводів стали фактичними фабриками винної кислоти.
Близько 1818 року Пол Кестнер, виробник татарського каменю з Танна (Франція) зрозумів, що окрім винної кислоти, у його бочках утворюється невелика кількість кристалів, схожих на іншу речовину. Спочатку він подумав, що це може бути щавлева кислота; Однак за короткий час він зрозумів, що це щось нове, і почав виробляти його у більших кількостях, кип’ятячи насичені розчини винної кислоти. У 1826 році, повністю переконавшись, що це щось невідоме науці, він вирішив взяти зразок у Гей-Люссака, який після неодноразових експериментів дійшов висновку, що його формула - C4H6O6, така ж, як і винна кислота. Він назвав цю нову сполуку рацемічною кислотою (від лат рацемус, тобто грона винограду).
Хімічні відмінності між винною та рацеміновою кислотами (а також між їх солями, тартратами та рацематами) були невеликими, але достатніми, щоб заінтригувати хіміків. Це був один із відомих випадків ізомерії на той час; також багато солей двох кислот були ізоморфними.
Важливим аспектом важливості, яку ці кислоти стали мати в розвитку науки, була їх низька вартість і простота їх отримання в той час, на початку 19 століття, коли хімічна промисловість була в зародковому стані і була хімічно чистою продукція вони були рідкістю. Крім того, рацемати та тартрати було дуже просто приготувати, і отримання кристалів помітного розміру було зовсім не складним. Отже, це була досконала система, в якій можна було вивчити дві нові концепції, які не були до кінця зрозумілі, і існували вказівки на те, що вони можуть бути пов’язані між собою: ізомерія та ізоморфізм.
У роки після 1830 Біо вимірював оптичну активність винної кислоти та її солей (усі правші); рацемічний та його були оптично неактивними. Берцеліус, сповнений рішучості знайти пояснення цього явища, закликав Мітчерліха, який вже є автором кристалічної хімії, вивчити симетрію тартратів і рацематів.
Мітчерліх підтвердив висновки Біо, винний та його солі були всебічно обертовими, а його кристали - півкулем; рацемічні та їх оптично неактивні та їх голоедричні кристали. Існували дві солі, які не відповідали цим загальним правилам: тартрат амонію натрію і рацемат амонію натрію, які утворювали однакові кристали, але з оптичною активністю протилежного знака. Мітчерліх був настільки розгублений цим фактом, що він не зміг знайти пояснення, що не опублікував свої результати понад десять років. Це було зроблено лише в 1844 р. Після того, як Фредерік Ерве де ла Провостай опублікував подібне дослідження в 1841 р.
Таємницю розгадає 1848 року молодий і невідомий професор з Діжона, нещодавно докторант, Луї Пастер.
Загальні посилання з історії кристалографії:
[1] Вікіпедія (посилання в тексті)
[3] Молчанов К. та Стіліновіч В. (2013). Хімічна кристалографія перед рентгенівською дифракцією., Angewandte Chemie (Міжнародна редакція англійською мовою), PMID: 24065378
[4] Лалена Дж. (2006). Від кварцу до квазикристалів: зондування геометричних візерунків природи в кристалічних речовинах, Відгуки про кристалографію, 12 (2) 125-180. DOI: 10.1080/08893110600838528
[5] Kubbinga H. (2012). Кристалографія від Хауя до Лауе: суперечки про молекулярну та атомістичну природу твердих речовин, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 1-26. DOI: 10.1524/zkri.2012.1459
[6] Шварценбах Д. (2012). Історія успіху кристалографії, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 52-62. DOI: 10.1524/zkri.2012.1453
Цей текст є переглядом тексту, опублікованого в документі Experientia 30 січня 2014 року
Про автора: Сезар Томе Лопес - науковий комунікатор та редактор "Картування незнання"
Регуляція діурезу у ссавців
На відміну від інших хребетних, ссавці (за винятком деяких видів, таких як дромедарії) не регулюють виділення сечі, змінюючи швидкість клубочкової фільтрації (ШКФ). Насправді вони підтримують цю відносно постійну кількість і модифікують фракцію первинної сечі, яка реабсорбується перед її евакуацією назовні, щоб регулювати об’єм та осмотичну концентрацію рідин у організмі.
Порівняно високий відсоток первинної сечі - від 60% до 80% від обсягу - реабсорбується з проксимального звивистого канальця, для якого подібні відсотки NaCl активно реабсорбуються. Окрім солі та води, в цьому сегменті також реабсорбуються глюкоза, амінокислоти та бікарбонат, які практично у цілому.
Реабсорбція Na + відбувається завдяки активності АТФази Na + -K + базолатеральної мембрани епітелію (тієї, що відокремлює інтерстиціальну рідину від внутрішньої клітини). Цей транспорт генерує електрохімічний градієнт в апікальній мембрані (той, що відокремлює внутрішню клітину від просвіту канальця), що сприяє надходженню натрію з канальцевої рідини. Реабсорбція води відбувається через структурні аквапорини, які завжди присутні в цих клітинах (їх наявність навряд чи залежить від зовнішніх факторів).
Після проходження через проксимальні канальці сеча потрапляє в петлю Генле. Це робиться з осмотичною концентрацією близько 300 мОсм, але після своєї подорожі цим сегментом він може досягти дистального канальця з меншою концентрацією, ніж попередній (він може досягати 100 мОсм). Як ми побачили, ця різниця обумовлена активним транспортом NaCl, що відбувається у висхідній кінцівці, який виводить його з сечі, зменшуючи його концентрацію в ній, одночасно збільшуючи концентрацію інтерстиціальної рідини.
Після петлі Генле сеча потрапляє в дистальні звивисті канальці. Епітелій цього сегмента активно транспортує NaCl з просвіту канальця в інтерстиціальний простір. І хоча він не є водонепроникним, він не дуже проникний для води.
АДГ - не єдиний гормон, який бере участь у регуляції функції нирок у ссавців. Альдостерон і передсердний натрійуретичний пептид також відіграють важливу роль. Перш ніж коротко пояснити, з чого він складається, слід зазначити, що як альдостерон, так і загалом, натрійуретичні гормони, або гормони подібної природи та дії, крім ссавців, можна знайти в багатьох інших групах, але їх роль краще зрозуміти в цей контекст.
Альдостерон сприяє відновленню Na + з первинної сечі, а також секреції K +. Отже, його найбільш очевидний загальний ефект полягає у регулюванні вмісту цих іонів у рідинах організму. Однак побічно він також відіграє вирішальну роль у регулюванні обсягу позаклітинних рідин, включаючи плазму крові. Причина полягає в тому, що осмотична концентрація та концентрація солі, як ми знаємо, ретельно контролюється у ссавців та, загалом, у інших хребетних. З цієї причини об’єм позаклітинної води сильно залежить від кількості NaCl у цих рідинах (не так у внутрішньоклітинних рідинах, основним катіоном яких є K +), оскільки Na + та Cl– є основними позаклітинними іонами. Таким чином, якщо такий гормон, як альдостерон, сприяє реабсорбції Na +, він також сприяє Cl– і, звичайно, воді. Іншими словами: чим більше Na + реабсорбується в нирках, тим більше води також реабсорбується, тому її чистий ефект є антидіуретичним.
Альдостерон - це стероїдний гормон, мінералокортикоїд, що продукується корою надниркових залоз. Його секреція контролюється іншою гормональною системою - системою ренін-ангіотензин, яка, в свою чергу, частково контролюється рецепторами артеріального тиску та об’єму крові. Коли артеріальний тиск падає і завдяки декільком механізмам, що діють одночасно, юкстагломерулярні клітини (спеціалізовані клітини ендотелію аферентної артеріоли) виділяють ренін. (Ферментативна) дія реніну на молекулу-попередник печінкового походження (ангіотензиноген) призводить до утворення речовини, яка називається ангіотензин II. Він має кілька ефектів: стимулює звуження (звуження) системних артеріол; сприяє спразі; стимулює секрецію АДГ та стимулює секрецію альдостерону. Усі дії, спричинені ангіотензином II, спричиняють відновлення води та відновлення артеріального тиску та обсягу достатньої кількості позаклітинних рідин. Коли дія реніну мала наслідки, деякі паракринні речовини виробляються клітинами щільна пляма2 призводять до того, що клітини юкстагломерула припиняють вивільнення реніну.
Альдостерон працює, проникаючи в клітини-мішені (для цілей того, що нас тут цікавить, це клітини епітелію дистального канальця), він досягає ядра і ініціює транскрипцію ДНК для отримання нових АТФаз Na + - K + та каналів Na + і K + для введення в клітинну мембрану. Таким чином, збільшується канальцева реабсорбція Na + і, як наслідок, відновлення води та відновлення об’єму крові. Цей механізм діє насправді у відповідь на такі ситуації, як крововиливи, в яких відбувається значна втрата рідини, не пов'язана із збільшенням осмотичної концентрації крові.
Існує велика різноманітність натрійуретичних пептидів у домені тварин, найвідомішим є передсердний натрійуретичний пептид (ANP) від ссавців. АНП виробляється в певних ділянках мозку та в серці (звідси його назва «передсердя»), і його ефекти здебільшого протилежні ефекту альдостерону. Насправді він пригнічує вивільнення альдостерону і безпосередньо сприяє секреції Na +, збільшуючи вироблення сечі та концентрацію Na + в ній. Секреція АНП стимулюється збільшенням об’єму позаклітинних рідин, яке виявляється при розтягуванні стінок передсердя в серці.
Словом, функція нирок підпорядковується складній системі регуляції, головним чином ендокринної. Тут ми побачили три основні системи, кожна зі своїми особливостями. Завдяки цій системі множинних ефектів ссавці та інші хребетні мають можливість жорстко контролювати як об’єм рідин у організмі, так і їх осмотичну та іонну концентрації.
1 Механізм дуже схожий на той, що спостерігається у більшості хребетних, хоча в інших групах хребетних АДГ діє в дистальних канальцях, а молекула з антидіуретичним ефектом у інших хребетних була дещо іншою: аргінін вазотоцин (АВТ).
2Група спеціалізованих клітин, розташованих у точці, де дистальний канальчик і аферентна артеріола прилягають.