Кристалография (12): In vino veritas
Според гръцката митология самият бог Дионис е слязъл от планината Олимп, за да научи хората да правят вино. Според съвременната археология това спускане, ако е съществувало, ще е станало в Мала Азия (в днешна Източна Турция) преди около 7000 години. Заедно с виненото изкуство Дионис дари още един подарък, който продължи дълго време, без да бъде признат за такъв, Тартарът, който е в дъното на амфорите и днес бъчвите с вино.
И Лукреций, и Плиний Стари бяха запознати с Тартар. Това, което сега знаем като киселинен калиев тартарат (формално калиев хидроген тартрат), беше описано като кисело на вкус и изгарящо с лилав пламък, в допълнение към предоставянето на рецепти за дузина лекарства, които го съдържаха.
Той е изучаван по-подробно през Средновековието. Персийският алхимик Abū Mūsa Ŷābir ibn Hayyan al-Āzdī (известен в Европа като Geber) е първият, който писмено записва около 800 г., че зъбният камък е сол и изолирана винена киселина (и доста други органични съединения, но това е друга история), макар и не с голяма чистота. Отнема 1769 г. за получаване на химически чиста винена киселина, което Карл Вилхелм Шееле постига (заедно с голям брой органични съединения). Съединението се използва в производството на козметика и лечебни средства, като сол на La Rochelle или еметичен зъбен камък, така че много винарни стават фактически фабрики за винена киселина.
Около 1818 г. Пол Кестнер, производител на зъбен камък от Тан (Франция), осъзнава, че в допълнение към винената киселина, в бъчвите му се произвеждат малко количество кристали, които приличат на друго вещество. Отначало той помисли, че това може да е оксалова киселина; Скоро след това обаче той разбра, че това е нещо ново и започна да го произвежда в по-големи количества чрез кипене на наситени разтвори на винена киселина. През 1826 г., напълно убеден, че това е нещо непознато за науката, той решава да вземе проба на Гей-Люсак, който след многократни експерименти стига до заключението, че неговата формула е C4H6O6, същата като винената киселина. Той нарича това ново съединение рацемична киселина (от латински рацемус, т.е. грозд).
Химическите разлики между винената и рацеминовата киселини (и между техните соли, тартрати и рацемати) са малки, но достатъчно, за да заинтригуват химиците. Това беше един от известните случаи на изомерия по това време; също така много от солите на двете киселини бяха изоморфни.
Важен аспект от значението, което тези киселини са имали в развитието на науката, е ниската им цена и лекотата на тяхното получаване в даден момент, в началото на 19-ти век, когато химическата промишленост е била в зародиш и продуктите са били химически чисти. те бяха рядкост. В допълнение, рацематите и тартаратите бяха много лесни за приготвяне и получаването на кристали със значителен размер не беше сложно. Следователно това беше перфектната система, в която да се изследват две нови, но не напълно разбрани концепции и че има индикации, че те могат да бъдат свързани: изомерия и изоморфизъм.
В годините след 1830 г. Biot измерва оптичната активност на винената киселина и нейните соли (всички десни); рацемичният и неговият бяха оптически неактивни. Берзелиус, решен да намери обяснение за явлението, призова Митчерлих, който вече е авторитет в областта на кристалната химия, да проучи симетрията на тартаратите и рацематите.
Митчерлих потвърди констатациите на Biot, винената и нейните соли бяха правоъгълни, а кристалите й полуградни; рацемичните и техните оптически неактивни и техните холоедрични кристали. Имаше две соли, които не отговаряха на тези общи правила: натриев амониев тартарат и натриев амониев рацемат, които образуваха еднакви кристали, но с оптична активност с противоположен знак. Митчерлих беше толкова объркан от този факт, че не успя да намери обяснение, че не публикува резултатите си повече от десетилетие. Това би станало едва през 1844 г., след като Фредерик Ерве де ла Провостай публикува подобно изследване през 1841 г.
Мистерията ще бъде разгадана през 1848 г. от млад и неизвестен професор от Дижон, наскоро доктор, Луи Пастьор.
Общи справки по история на кристалографията:
[1] Уикипедия (свързана в текста)
[3] Молчанов К. и Стилинович В. (2013). Химическа кристалография преди рентгенова дифракция., Angewandte Chemie (Международна изд. На английски), PMID: 24065378
[4] Лалена Дж. (2006). От кварц до квазикристали: изследване на геометричните модели на природата в кристални вещества, Кристалографски рецензии, 12 (2) 125-180. DOI: 10.1080/08893110600838528
[5] Kubbinga H. (2012). Кристалография от Haüy до Laue: противоречия относно молекулярната и атомистична природа на твърдите вещества, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 1-26. DOI: 10.1524/zkri.2012.1459
[6] Schwarzenbach D. (2012). Историята на успеха на кристалографията, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 52-62. DOI: 10.1524/zkri.2012.1453
Този текст е преработка на този, публикуван в Experientia docet на 30 януари 2014 г.
Относно автора: Сезар Томе Лопес е научен комуникатор и редактор на Mapping Ignorance
Регулиране на диурезата при бозайници
За разлика от други гръбначни животни, бозайниците (с изключение на някои видове, като например дромедарии) не коригират отделянето на урина чрез модифициране на скоростта на гломерулна филтрация (GFR). Всъщност те поддържат тази относително постоянна и модифицират фракцията от първичната урина, която се реабсорбира преди евакуацията й навън, за да регулират обема и осмотичната концентрация на телесните течности.
Относително висок процент на първична урина - между 60% и 80% от обема - се реабсорбира от проксималния извит тубул, за който подобни проценти NaCl се реабсорбират активно. В допълнение към солта и водата, глюкоза, аминокиселини и бикарбонат също се реабсорбират в този сегмент, те практически на практика в тяхната цялост.
Реабсорбцията на Na + се получава благодарение на активността на Na + -K + ATP-аза на базолатералната мембрана на епитела (тази, която отделя интерстициалната течност от вътрешността на клетката). Този транспорт генерира електрохимичен градиент в апикалната мембрана (този, който отделя вътрешността на клетката от лумена на тубула), който благоприятства навлизането на натрий от тръбната течност. Реабсорбцията на вода се осъществява чрез структурни аквапорини, които винаги присъстват в тези клетки (тяхното присъствие едва ли зависи от външни фактори).
След преминаване през проксималния канал, урината навлиза в контура на Henle. Прави го с осмотична концентрация около 300 mOsm, но след пътуването си през този сегмент, той може да достигне дисталния канал с по-ниска концентрация от предишния (може да достигне 100 mOsm). Както видяхме, тази разлика се дължи на активния транспорт на NaCl, който се извършва във възходящия крайник, който го отстранява от урината, намалявайки концентрацията му в него, като същевременно увеличава тази на интерстициалната течност.
След примката на Henle урината навлиза в дисталния извит канал. Епителът на този сегмент активно транспортира NaCl от лумена на тубула до интерстициалното пространство. И въпреки че не е водоустойчив, не е много пропусклив за вода.
ADH не е единственият хормон, участващ в регулирането на бъбречната функция при бозайниците. Алдостеронът и предсърдният натриуретичен пептид също играят важна роля. Преди да обясним накратко от какво се състои, трябва да отбележим, че както алдостеронът, така и като цяло натриуретичните хормони, или хормоните от подобно естество и ефекти, се срещат и в много други групи, в допълнение към бозайниците, но тяхната роля е по-добре разбрана в този контекст.
Алдостеронът подпомага възстановяването на Na + от първичната урина, а също и секрецията на K +. Следователно най-очевидният му цялостен ефект е да регулира съдържанието на тези йони в телесните течности. Въпреки това, косвено той също играе решаваща роля в регулирането на обема на извънклетъчните течности, включително кръвната плазма. Причината е, че осмотичната и солевата концентрация, както знаем, е строго контролирана при бозайници и като цяло при други гръбначни животни. Поради тази причина обемът на извънклетъчната вода силно зависи от количеството NaCl в тези течности (не е така във вътреклетъчните течности, чийто основен катион е K +), тъй като Na + и Cl– са основните извънклетъчни йони. По този начин, ако хормон, като алдостерон, насърчава реабсорбцията на Na +, той също така повишава Cl– и, разбира се, вода. С други думи: колкото повече Na + се реабсорбира в бъбреците, толкова повече вода се реабсорбира, така че нетният му ефект е антидиуретичен.
Алдостеронът е стероиден хормон, минералокортикоид, произведен от надбъбречната кора. Секрецията му се контролира от друга хормонална система, ренин-ангиотензиновата система, която от своя страна се контролира частично от кръвното налягане и рецепторите за кръвен обем. Когато кръвното налягане спадне и по силата на няколко механизма, които действат едновременно, юкстагломеруларните клетки (специализирани клетки на ендотела на аферентната артериола) освобождават ренин. (Ензимното) действие на ренина върху молекула-прекурсор от чернодробен произход (ангиотензиноген) води до производството на вещество, наречено ангиотензин II. Той има няколко ефекта: стимулира свиването (стесняването) на системните артериоли; насърчава жаждата; стимулира секрецията на ADH и стимулира секрецията на алдостерон. Всички действия, причинени от ангиотензин II, водят до възстановяване на водата и възстановяване на кръвното налягане и обема на адекватни извънклетъчни течности. Когато действието на ренина има своите ефекти, някои паракринни вещества, произведени от клетките на плътна макула2 карат юкстагломеруларните клетки да спрат да отделят ренин.
Алдостеронът действа, като прониква в своите целеви клетки (за целите на това, което ни интересува тук, това са клетките на дисталния тубулен епител), достигайки ядрото и инициира ДНК транскрипция, за да произведе нов Na + -K + и каналира ATPases Na + и K + за вмъкване в клетъчната мембрана. По този начин се увеличава тубуларната реабсорбция на Na + и като следствие възстановяването на водата и възстановяването на обема на кръвта. Този механизъм действително действа в отговор на ситуации - като кървене - при които има значителна загуба на течност, без това да е свързано с повишаване на осмотичната концентрация в кръвта.
Съществува голямо разнообразие от натриуретични пептиди в областта на животните, като най-известният е предсърдният натриуретичен пептид (ANP) от бозайници. ANP се произвежда в определени области на мозъка и в сърцето (оттук и името му "предсърдно") и ефектите му са до голяма степен противоположни на тези на алдостерона. В действителност той инхибира освобождаването на алдостерон и директно насърчава секрецията на Na +, увеличавайки производството на урина и концентрацията на Na + в него. Секрецията на ANP се стимулира от увеличаването на обема на извънклетъчните течности, което се открива от разтягането на стените на атриума в сърцето.
Накратко, бъбречната функция е подчинена на сложна система за регулиране, главно ендокринна. Тук видяхме трите основни системи, всяка със своите специфики. Благодарение на тази система с много ефекти, бозайниците и други гръбначни животни са в състояние да поддържат обема на телесните течности, както и техните осмотични и йонни концентрации, плътно контролирани.
1 Механизмът е много подобен на този, наблюдаван при повечето гръбначни животни, въпреки че при другите групи гръбначни ADH действа в дисталния канал и молекулата с антидиуретични ефекти при други гръбначни животни е малко по-различна: аргинин вазотоцин (AVT).
2 Група от специализирани клетки, разположени в точката, в която са разположени дисталната тубула и аферентната артериола.