Белок в организме человека при высокой температуре
При превышении определённой температуры клетка приходит в негодность и умирает. Одно из простейших объяснений такой непереносимости жары состоит в том, что необходимые для жизни белки – те, что извлекают энергию из еды или солнечного света, обороняются от вторжений, уничтожают отходы и т.п. – часто обладают удивительно точной формой. Начинаясь как длинные нити, они затем скручиваются в виде спиралей, «заколок для волос» и других форм, диктуемых последовательностью их составных частей. И эти формы играют огромную роль в их деятельности. Но когда температура начинает расти, связи, удерживающие белковые структуры, нарушаются: сначала самые слабые, а затем и сильные. Логично, что распространяющаяся потеря белковой структуры должна быть летальной, но до последнего времени детали того, как именно это убивает перегретые клетки, были неясны.
Теперь же биофизики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха изучили поведение каждого белка в клетках четырёх различных организмов при повышении температуры. Это исследование и богатый набор собранных данных, опубликованный в журнале Science, показали, что при температуре, достаточной для смерти клетки – человеческой, или же клетки кишечной палочки Escherichia coli – разрушаются лишь несколько ключевых белков. Более того, обилие белков в клетках оказалось неожиданным образом связанным с их стабильностью. Исследования позволили учёным бегло ознакомиться с фундаментальными правилами, по которым выстроена работа белков и их упорядочивание, и последствия которых, как стало понятно, простираются гораздо дальше простой смерти от жары.
Паола Пикотти, биофизик, руководивший работой, объяснила, что эксперименты отталкивались от старых и нерешённых вопросов: почему некоторые клетки выживают при высоких температурах, а другие – умирают? Бактерия Thermus thermophilus счастливо живёт в горячих источниках и в домашних нагревателях [при оптимальной температуре в 65 °C – прим. перев.], тогда как клетки E. coli чахнут при температурах выше 40 °C. Убедительные доказательства говорят о том, что дело тут в разной стабильности белков этих организмов. Но следить за белком, находящимся в живой клетке, что было бы идеальным методом изучения, очень неудобно. Изолирование белка в пробирке не даёт всех ответов, поскольку внутри организма белки сбиваются вместе и влияют на химию друг друга, или же поддерживают друг друга в необходимой форме. Чтобы понять, что именно и почему разваливается, необходимо наблюдать за белками в то время, когда они всё ещё влияют друг на друга.
Как тепло уничтожает белки
1) Первичная структура белков – это длинные цепочки аминокислот, объединённые в заданные генами последовательности.
2) Вторичная структура – это аминокислота, которая также свёртывается в конфигурации, удерживаемые слабыми межмолекулярными связями.
3) Третичная структура – слабые связи, стабилизирующие расположение прямых и скрученных участков трёхмерной структуры белка. Их расположение позволяет белку соединяться с нужными молекулами.
Тепловая смерть. Слабые связи теряют способность удерживать третичную и вторичную структуры, и белок денатурирует, то есть разворачивается. Но не все белки разворачиваются при одной температуре – окружение белка в клетке может придавать ему дополнительную стабилизацию.
Чтобы решить поставленную задачу, команда разработала автоматизированную процедуру наблюдения. Они разрезали клетки и нагревали их содержимое поэтапно, выпуская на каждом этапе ферменты, разделявшие белки. Эти ферменты особенно хорошо разрезают развернувшиеся белки, поэтому исследователи на основе остатков разрезанных белков могли судить о том, какие белки развалились при заданной температуре. Таким образом им удалось построить денатурационные кривые для каждого из тысяч изученных белков. Дуги кривых идут от нетронутой структуры белка при комфортабельной для него температуре до полностью развёрнутого состояния при высокой температуре. Для поиска различий между кривыми разных видов живых существ, были проведены эксперименты над клетками людей, E. coli, T. thermophilus и дрожжей. «Исследование было прекрасным», – сказал Алан Драммонд [Allan Drummond], биолог из Чикагского университета, имея в виду как масштаб, так и точность процесса.
Во время наблюдений было ясно видно, что белки всех живых существ не разворачиваются все сразу при повышении температуры. «Мы увидели, что лишь небольшое подмножество белков разрушилось на самых ранних стадиях, – сказала Пикотти, – и это были ключевые белки». На диаграмме с переплетениями межбелковых связей самые хрупкие белки из этого небольшого подмножества часто обладали большим количеством связей, что означает, что они влияют на множество процессов, происходящих в клетках. «Без этих белков клетки не могут работать, – сказала Пикотти. – Когда они пропадают, вся сеть разрушается». И вместе с ней, очевидно, останавливается и жизнь клетки.
Этот парадокс – самые важные белки оказываются самыми хрупкими – может быть отражением того, как эволюция создала их для выполнения соответствующих задач. Если у белка есть множество ролей, его нестабильность и склонность к разворачиванию и повторному сворачиванию может стать преимуществом, поскольку она может позволить ему принимать разные формы, подходящие к разным задачам. «Многие из этих ключевых белков обладают большой гибкостью, что и делает их менее стабильными», но при этом наделяет их способностью связываться с различными целевыми молекулами в клетке, пояснила Пикотти. «Скорее всего, именно так они справляются со своими функциями. Это некий компромисс».
Тщательнее изучив E. coli, для которой собранные данные получились наиболее качественными, исследователи обнаружили и связь между обилием белка – количеством его копий в клетке – и его стабильностью. Чем больше копий белка делает клетка, тем больше температура требуется для его уничтожения. При этом оказывается, что большое количество копий не коррелирует с критичностью белка для выживания. Некоторые ключевые белки встречаются очень редко. Эта связь между обилием и надёжностью подтверждает идею, выдвинутую Драммонд ещё лет десять назад – у клеточной системы, изготавливающей белки, есть тенденция к тому, чтобы периодически допускать ошибки. Ошибка обычно дестабилизирует белок. Если этот белок оказывается распространённым, и такой белок в клетке появляется сотню или тысячу раз в день, тогда неправильно свернувшиеся копии, произведённые в больших количествах, могут засорить клетку. Таким образом организму выгодно было бы эволюционировать так, чтобы наиболее распространённые белки были бы и наиболее стабильными, что подтверждают полученные командой Пикотти данные.
Чтобы понять, какие качества белка делают его стабильным, исследователи сравнили данные E. coli и T. Thermophilus. Белки E. coli начали разваливаться при 40 °C, и практически полностью деградировали при 70 °C. Но при этой температуре белки T. thermophilus только начинали испытывать дискомфорт – некоторые из них держали форму и при 90 °C. Команда обнаружила, что у T. thermophilus белки обычно были короче, и некоторые типы форм и компонентов белка чаще встречались в самых стабильных из них.
Пример кривой из эксперимента. По вертикали – процент развернувшихся белков, по горизонтали – температура. Вертикальная черта – температура, при которой клетки начинают умирать. Для этого нужно развернуться всего нескольким ключевым белкам.
Открытия могут помочь исследователям разработать белки, чья стабильность подстроена под их задачи. Во многих промышленных процессах, где используются бактерии, повышение температуры повышает и отдачу – но довольно скоро бактерии начинают умирать от жары. Было бы интересно узнать, сможем ли мы стабилизировать бактерии, сделав ключевые белки более устойчивыми к температуре – сказала Пикотти.
Обилие информации по поводу того, насколько легко разворачиваются определённые белки, сильно порадовало некоторых биологов. От стабильности белка напрямую зависит вероятность его агрегации: появления комков неразвернувшихся белков, прилипающих друг к другу. Агрегаты белков могут обернуться кошмаром для клеток и мешать выполнению главных задач. К примеру, их обвиняют в появлении некоторых серьёзных неврологических проблем, таких, как болезнь Альцгеймера, при которой бляшки развернувшихся белков засоряют мозг.
Паола Пикотти
Но это не значит, что агрегация происходит только у организмов, страдающих определёнными заболеваниями. Наоборот, исследователи поняли, что возможно, она происходит постоянно, и что у здоровых клеток есть методы, при помощи которых они справляются с нею. «Я думаю, что всё чаще это явление признаётся очень распространённым», – сказал Микель Вендрусколо [Michele Vendruscolo], биохимик из Кембриджского университета. «Большинство белков неправильно сворачиваются и агрегируют внутри клеток. Самое важное, что установила команда Пикотти, это тот отрезок времени, в котором какой-либо выбранный белок находится в развёрнутом состоянии. Это время определяет степень возможной агрегации белка». Некоторые белки почти никогда не разворачиваются и не агрегируют, другие ведут себя так в определённых условиях, а иные делают так постоянно. По словам биохимика, детальное описание белков в новой работе сильно облегчит изучение и понимание этих различий между белками. Некоторые из денатурационных кривых говорят о том, что их белки агрегируют после того, как развернулись. «У них получилось отследить оба этапа – как развёртывание, так и последующую агрегацию, – сказал Вендрусколо. – В этом вся прелесть этого исследования».
И хотя многие учёные интересуются агрегатами из-за наносимого ими ущерба, некоторые смотрят на это явление с другой точки зрения. Драммонд говорит, что становится ясным, что некоторые агрегаты – это не просто кусочки мусора, болтающиеся в клетке. Они содержат активные белки, продолжающие выполнять свои функции.
Представьте, что вы издалека видите дым, поднимающийся из какого-либо здания, говорит Драммонд. Вокруг здания вы видите некие фигуры, и вы представляете себе, что это тела, извлечённые из руин. Но если вы подойдёте ближе, вы можете обнаружить, что это живые люди, спасшиеся из горящего здания, ждущие, пока происшествие закончится. Так получается с исследованием агрегатов, говорит Драммонд: исследователи обнаруживают, что белки в агрегатах оказываются не жертвами, а выжившими. «Сейчас вообще появляется новая область науки, растущая взрывными темпами», – говорит он.
Комкование белков может оказаться не признаком повреждений, а способом для белка сохранять свои функции в сложной ситуации. Оно может, к примеру, защищать их от окружающей среды. А когда условия улучшаются, белки могут покидать агрегаты и сворачиваться заново. «Их форма меняется в зависимости от температуры таким образом, что на первый взгляд это кажется неправильным сворачиванием, – говорит Драммонд. – Но в этом есть какой-то иной смысл». В статье в журнале Cell от 2015 года он с коллегами определил 177 белков дрожжей, сохранивших свои функции уже после попадания в агрегаты. В работе, вышедшей в марте, эта команда описала, что если изменить один из белков так, чтобы он не смог агрегировать, то это приводит к серьёзным проблемам в функционировании клетки.
В общем и целом, работа утверждает, что белки – удивительно динамичные структуры. Сначала они могут показаться жёсткими машинами, работающими над зафиксированными задачами, для которых подходит одна определённая форма. Но на самом деле белки могут принимать несколько различных форм во время своей нормальной работы. И в нужное время их форма может меняться так сильно, что может показаться, будто они портятся, хотя на самом деле они наоборот укрепляются. На молекулярном уровне жизнь может представлять собой постоянные соединения и разъединения связей.
Источник
Всем известно, что 36,6 °C – это нормальная температура тела, а 39 °C означает, что все очень плохо. Но при этом вы когда-нибудь задумывались, что произойдет, если ваш градусник вдруг покажет цифры за пределами этих значений?
Мы в AdMe.ru всерьез задались этим вопросом и нашли результат, который стоило бы знать каждому. Давайте рассмотрим запредельные температуры и выясним, почему же они нигде не упоминаются.
Нормальная температура – 35,5–37 °C
В течение дня температура тела каждого из нас колеблется в пределах от 35,5 °C (утром) до 37,0 °C (вечером). Такое изменение температуры определяется суточным циклом Солнца, непосредственно вы на процесс особо не влияете. Вдобавок вот вам интересный факт: средняя температура тела женщин на 0,5 °C выше, чем у мужчин.
Длительные 37,1–38,0 °C
Повышенная температура в пределах 37,1–38,0 °C в течение длительного времени может говорить о наличии некоего вялотекущего заболевания в организме. В некоторых случаях такая температура может быть единственным проявлением какой-либо болезни на ранних стадиях, поэтому лучше сразу обратиться к врачу.
Если же подобная температура наблюдается в течение короткого времени, паниковать вовсе не стоит, это неопасно.
Высокие 38–41°C
Такой подъем температуры воспринимается нами как ужасная болезнь. Но на самом деле температура 39 °C и выше затормаживает размножение абсолютного большинства микробов. Благодаря этому процессы в иммунной системе протекают быстрее, интенсифицируется кровоток, сокращается срок выделения антител против вашего вируса. При этом зачастую включается программа мелкой мышечной дрожи, что удерживает тепло внутри. Если у вас в таком состоянии возникает жар, это говорит о второй фазе – снижении температуры. Так что высокая температура – это автоматизированная борьба организма за выживание. Это вовсе не плохо. Но и бездействовать тоже нельзя – смотрим следующий пункт.
Также температура может подниматься до 40 °C в парной бане – в этом случае не стоит беспокоиться, это естественно.
Экстремальные 42–43 °C
Вы никогда не задумывались, почему шкала медицинского градусника заканчивается на 45 °C? Дело в том, что при 42 °C начинается необратимое разложение белков в организме, при 43 °C – денатурация белков в нейронах головного мозга, что ведет к гарантированному летальному исходу. Поэтому температуру выше 40 °C нужно немедленно сбивать.
Опасные 30–35 °C
Уровень температуры от 30 до 35 °C указывает либо на сильное переутомление, либо на наличие серьезного заболевания. Даже при минимальном падении температуры тела ниже нормы человека начинает знобить (мышцы пытаются выработать больше тепла), сжимаются кровеносные сосуды. От 33 °C начинают замедляться обменные процессы организма.
Катастрофичные 29,5 °C
При данной температуре падает насыщение организма кислородом, замедляется кровоснабжение. Большинство людей в таком состоянии теряют сознание.
И последние 26,5 °C
Ниже 26,5 °C кровь начинает сворачиваться и образовывать тромбы. Это препятствует притоку крови к жизненно важным органам и также вызывает летальный исход.
Оговорка: бывают исключения. Например, рекорд был зафиксирован в 1994 году, когда у 2-летней канадской девочки, проведшей 6 часов на морозе, температура тела равнялась 14,2 °C (сейчас с ней все хорошо). Но это единичный случай, скорее, даже феноменальный. Так что при понижении температуры лучше сразу обратиться к врачу.
А у вас когда-нибудь была аномальная температура?
Источник
Может ли кровь вскипеть прямо в организме? Любопытный вопрос, на который мы постараемся дать ответ в этой статье.
Кровь является жидкой подвижной соединительной тканью внутренней среды организма. Состоит из жидкой среды – плазмы и взвешенных в ней форменных элементов-клеток – лейкоцитов, постклеточных структур (эритроцитов) и тромбоцитов (кровяные пластинки). Это важнейшая жидкость организма, поэтому вопросы о крови всегда волновали людей: при какой температуре сворачивается кровь, состав крови и ее качество, необходимое количество ее в организме, как остановить кровотечение – все это надо знать и полученные знания при необходимости суметь применить на практике.
Когда кровь бурлит
Этот процесс не имеет ничего общего с романтическими любовными переживаниями. Он начинается при температуре тела от 44-45 градусов и выше, при этих условиях начинается денатурация, то есть белок крови сворачивается. Все из нас видели кипящее молоко и яйца-пашот, аналогичный процесс происходит и здесь.
Температура кипения крови
Кипение – образование в жидкости пузырьков с газом. Стоит помнить о том, что при любых обстоятельствах при резком понижении давления газ, растворенный во всех жидкостях, конденсируется в пузырьки. Поэтому о перепадах давления, которые не связаны с температурой кипения крови, важно помнить как тем, кто опускается на большую глубину, так и тем, кто поднимается на значительную высоту. Резко всплывать ни в коем случае нельзя – все слышали о кессонной болезни, смысл которой заключается в том, что кровь при резком всплытии с глубины вскипает пузырьками азота. Явление не связано с температурой тела, оно возникает при быстром подъеме с глубины. При этом возможен даже летальный исход, но и без него последствия для организма будут очень тяжелыми. На всех современных водолазных ботах есть барокамеры, куда помещают резко всплывшего водолаза, чтобы немедленно прекратить кипение крови.
Зашкаливает температура?
Что значит гипертермия (высокая температура) для организма? Это механизм защиты от патогенного возбудителя. При аварийной ситуации происходит выработка веществ-пирогенов, отвечающих за подъем температуры. При повышении температуры тела до 39 градусов усиливается выработка интерферона и лейкоцитов, при этой температуре начинается гибель и замедление процессов жизнедеятельности многих инфекционных возбудителей.
Различают повышенную температуру до 39 градусов и высокую, превышающую этот показатель. Когда говорят о температуре кипения крови, имеют в виду гиперпиретическую температуру – свыше 41 градуса.
При 42,5 градуса развивается необратимый процесс нарушения обмена веществ в клетках мозга. А при какой температуре сворачивается кровь? По достижении 45 градусов начинается процесс денатурации белка клеток всего организма, который, к сожалению, приводит к летальному исходу, если срочно не принять мер. Поэтому при болезни очень внимательно отнеситесь к данным на градуснике. Температура 40 у ребенка и взрослого – это порог, до которого процессы могут протекать с пользой для организма, активизируя его защитные силы, а гиперпиретическая температура опасна для жизни человека.
Движение крови
Оно осуществляется по замкнутой сосудистой системе, ее циркуляция происходит под действием силы работы сердца, которое ритмически сокращается. Нормальный объем крови в мужском организме составляет 5,2 литра, в женском – 3,9 литра. Для сравнения – объем крови новорожденного составляет 200-350 мл.
Состав человеческой крови
Теперь, когда понятно, при каких обстоятельствах и при какой температуре закипает кровь у человека, давайте исследуем состав главной жидкости нашего организма. Совокупная масса крови составляет примерно 8 % от общей массы тела. Состав крови представлен клетками, клеточными фрагментами и плазмой – водным раствором. Доля клеточных элементов – гематокрита – в общем объеме крови составляет порядка половины, а точнее, 45 процентов.
Функции крови
Самая главная жидкость нашего организма служит для него транспортным средством, переносящим важные вещества, благодаря крови поддерживается правильный баланс внутри нас под названием гомеостаз. Кровь также играет основную роль в защите организма от чужеродных веществ.
В замкнутой системе кровеносных сосудов кровь выполняет набор разнообразных функций.
- Транспортная, подразделяющаяся на: дыхательную (кислород переносится от легких ко всем тканям, а углекислый газ переносится от тканей к легким), питательную (вещества доставляются кровью к клеткам тканей), экскреторную (кровь выводит лишние продукты обмена веществ), терморегулирующую (регулирует температуру тела), регуляторную (перенос гормонов (сигнальных веществ, образующихся в органах), кровь является связующей между различными системами и отдельными органами.
- Кровь защищает наш организм от чужеродных тел.
- Функция поддержания постоянства внутренней среды организма – баланса кислот и щелочей, электролитов и воды.
- Механическая, обеспечивающая прилив крови к органам. Понятно, что по достижении температуры кипения крови все ее функции также сводятся к нулю.
Что переносит кровь?
Это кислород и диоксид углерода. С помощью крови происходит доставка необходимых питательных веществ к печени и остальным органам после того, как они будут всосаны в кишечник.
Благодаря этому обеспечивается снабжение органов, происходит обмен веществ в тканях, кроме того, осуществляется вывод продуктов распада от процессов метаболизма почками, легкими и печенью. Кровь переносит также и гормоны по организму.
За счет клеток иммунной системы и антител обеспечивается защита организма от чужеродных молекул. Для предотвращения сильной кровопотери в организме работает система физиологического свертывания крови.
Свойства крови и состав
От белкового состава плазмы (при нормальном соотношении альбуминов больше, чем глобулинов) зависят суспензионные свойства крови.
С наличием белков в плазме связаны коллоидные свойства крови. Поскольку молекулы белка могут удерживать воду, свойства обеспечивают постоянство жидкого состава крови.
От содержания анионов и катионов зависят электролитные свойства, определяемые осмотическим давлением крови.
В плазме крови здорового человека содержится порядка 8 % белков, из которых доля сывороточного альбумина составляет 4 %, сывороточного глобулина – 2,8 %, фибриногена – 0,4 %. Процент содержание минеральных солей в плазме приблизительно равен 0,9-0,95 %, взятая натощак глюкозная проба в норме показывает 3,6-5,55 ммоль/литр.
Какая температура опасна для человека, так это та, при которой белок крови сворачивается, но и соотношение кровяных клеток и их количество также являются важнейшими показателями здоровья человека. Что касается содержания гемоглобина, то у мужчин его нормальная доля составляет до 8,1 ммоль/литр, а у женщин – до 7,4 ммоль/литр. Число эритроцитов в 1 мм³ крови: у мужчин — 4,5-5 миллионов клеток, у женщин от 4 до 4,5 миллиона. Количество тромбоцитов в 1 кубическом миллиметре 180-320 тысяч клеток, лейкоцитов – 6-9 тысяч.
Форменные кровяные элементы (эритроциты, тромбоциты, лейкоциты) занимают 46 % ее состава, плазма – 54 %.
Какая температура опасна для крови? Предназначенную для донорства жидкую кровь хранят при 4 градусах по Цельсию до трех недель, в таких условиях сохраняется порядка 70 % первоначального количества жизнеспособных эритроцитов. В отстоявшейся крови можно различить три слоя: верхний, образованный желтоватой плазмой, средний, серый, сравнительно тонкий, который составляют лейкоциты, самый нижний – эритроцитный слой.
Эритроциты
Кровь имеет красную окраску благодаря эритроцитам. Они являются самыми многочисленными из форменных элементов. В зрелом состоянии эритроцит не содержит ядра. Срок их жизни, когда они циркулируют по организму – 120 дней, а затем они разрушаются в печени и селезенке. В состав эритроцитов входит железосодержащий белок — гемоглобин, благодаря которому обеспечивается основная функция эритроцитов – это транспорт кислорода и других газов. В легких человека гемоглобин связывает кислород, там он превращается в вещество светло-красного цвета оксигемоглобин. Далее, переходя в ткани, оксигемоглобин высвобождает кислород, образуется гемоглобин, кровь снова приобретает более насыщенный, темный оттенок. Карбогемоглобин из тканей в легкие переносит углекислый газ.
Клетки-тромбоциты
Их также называют кровяными пластинками, и эти клетки представляют собой часть цитоплазмы огромных клеток костного мозга, они ограничены клеточной мембраной. Благодаря совместной работе тромбоцитов с белками плазмы крови обеспечивается свертывание крови при повреждении кровеносного сосуда, это предотвращает кровопотерю.
Лейкоциты
Эти клетки отвечают за иммунитет, и их еще называют белыми кровяными тельцами. Их особенностью является то, что они способны к выходу в ткани за пределы кровяного русла. Главная функция лейкоцитов состоит в защите организма от чужеродных тел и соединений. Лейкоциты принимают активное участие в иммунных реакциях, выделяя особые Т-клетки, умеющие распознавать вирусы и вредоносные вещества, и клетки, которые борются с вредными веществами. В норме лейкоцитов в крови гораздо меньше, чем прочих элементов.
Плазма крови
С точки зрения тканей организма плазма представляет собой важнейшее межклеточное вещество жидкой соединительной ткани, то есть крови.
В плазме содержится раствор электролитов, сигнальных веществ, метаболитов, питательных веществ, белков, следовых элементов, витаминов. Электролитный состав плазмы напоминает морскую воду, что может быть свидетельством эволюции форм жизни из моря.
Плазма в переводе с греческого языка означает “нечто сформированное, образованное”. Жидкая часть крови содержит воду и взвеси – белки (альбумины, глобулины и фибриноген) и прочие соединения. Плазма почти на 90 % состоит из воды, на 2-3 % из неорганических веществ и примерно на 9 процентов из органических. В состав плазмы крови входят углекислый газ и кислород, ферменты, гормоны, медиаторы и витамины, то есть биологически активные вещества.
Берегите кровь
Наша кровь обновляется довольно часто, кроветворным органом является костный мозг, клетки которого расположены в тазовых и трубчатых костях. Смертельная температура в 45 градусов убивает нашу кровь, поэтому допускать даже малейшее возникновение возможности подъема температуры до подобного уровня недопустимо. Берегите свой организм, это храм вашей души. И берегите свою кровь. При температуре 40 у ребенка немедленно вызывайте скорую помощь, важна каждая секунда.
Источник