Зачем организму нужен йод?
В Маракканаме (Индия) находится множество соляных копий для добычи морской соли
Её добывают осушая часть морского дна, отгораживая его от моря заслонами
Фотография: Dey.sandip, Маракканам (Индия), 2012 год
Йод - редкий, труднодоступный, загадочный и жизненно необходимый человеку элемент. В нашем организме даже есть специальный орган для его улавливания и накопления - щитовидная железа. «Как возникла наша зависимость от редкого тяжелого элемента? Почему от неё не удалось избавиться через сотни лет жизни на суше?» Рассказывает shkrobius.
shkrobius объясняет:
Пищевую соль йодируют, чтобы пузы и зобы не росли и дети кретинами не вышли. Дело хорошее, но с точки зрения химии операция архизагадочная. [...]
По наблюдению, люди убеждены, что йод критически вовлечен в метаболизм: эта роль «оправадывает» загадочную зависимость. Это не так. Физиологическая роль соединений иода неизвестна. Йодотирозины (в которых он содержится) прочат в «антиоксиданты», но так всегда говорят о соединениях с непонятной функцией. Кислород реагирует с немалым количеством ненасыщенных органических соедиений, все они антиоксиданты; йодотирозины не примечательны на общем фоне. У них есть известная роль - они сигнальные молекулы для развития позвоночных животных. Йод с трудом извлекается, чтобы йодировать тирозин в йодотирозин, который потом превращается в гормоны, используемые как сигнал для соответствующих рецепторов. Но ведь на эту регулирующую роль годилась бы любая молекула - зачем именно эта, которая включает недоступный йод? Необходимости в йодотирозинах нет (не надо про «природа не может иначе»). У насекомых йодотирозины как сигнальные молекулы не используются. У них находят подобные соединения, но они используются для детоксификации йода, попадающего из пищи.
В морской воде содержится растворенный йодид, и он накапливается водорослями; но и там его мало - и было мало всю историю Земли. После выхода на сушу, где йода уже совсем мало, четвероногое, использующее другую молекулу, должно было бы получить огромное преимущество (которое имеет любое шестиногое или восьминогое). Тем не менее, мы по-прежнему используем йодотирозины как сигнальные молекулы и упорно охотимся за следами йода, часто безуспешно. Если взглянуть с этой стороны (загадочно-избирательный «консерватизм» природы), мы могли бы охотиться за ванадием с золотом (ведь наши ближайшие беспозвоночные родсвенники-туникаты копят ванадий из морской воды - так они хотя бы его используют для настоящего дела). Есть морские бактерии, использующие вольфрам и барий; однако, солонки мы ими не наполняем. Нам нужен именно иод, которого мало именно там, где мы живем. Зачем?
То, что на Земле вообще водится йод - случайность: за 100 млн лет до рождения солнечной системы неподалеку взорвалась сверхновая и обогатила им среду. Йода могло быть с гулькин нос, и тогда в солонки класть было бы нечего. Впрочем, вряд ли бы мы тогда использовались йодотирозины... хотя... хотя... Есть подозрение, что ароматические аминокислоты - сравнительно недавнего происхождения (поздний архей); отсюда гипотеза (жидкая на аргументацию), что молекулярный йод был вовлечен в первоначальный синтез тирозина http://icb.oxfordjournals.org/content/49/2/155.full
Тогда загадочного в использовании именно йодотирозинов (промежуточных продуктов гипотетического синтеза) нет, хотя наша сегодняшняя от них зависимость по-прежнему остается непонятной.
Автор идет далее: конечный ответ на «почему йод» - потому, что иодоорганические соединения летучие (ей явно симпатична идея Гайи - биогеохимического цикла). Летучие соединения попадают из цианобактерий в воду и затем атмосферу, где они окисляются озоном, давая биосфере возможность тонко регулировать радиацию. Иодат возвращается с дождем в океан, где может быть использован бактериями как окислитель, а йодид участвуют в нуклеации осадков. Иод используется фототрофами для поддержания гомеостаза, и он обрел эту роль во время окисления атмосферы для модерации эффектов перехода.
Объяснение выглядит натянуто: брома в воде больше, его органические соединения тоже летучие, а метилбромид - главный биогенный источник уничтожения озона. Я не вижу необходимости конкретно в йоде в рамках «гайской» картины. Что до тирозинной гипотезы, хотелось бы, как говорится, подробностей. Сомнительно, что редкий йод был совершенно необходим для его синтеза; бактериальные клетки делают его «шикиматным» способом - изящная пятиходовка. Йод там ни к селу ни к городу.
Бактерии не специалисты по йоду; они плоховато умеют с ним справляться, чему свидетельство его действенность в роли антисептика: наши клетки его быстро нейтрализуют и растаскивают, зловредным же микробам - каюк: не умеют, не нужно им. Обычно все наоборот.
Все это очень странно; страннее всего, что это бросающаяся в глаза странность воспринимается как данность, не требующая объяснений.
Как возникла наша зависимость от редкого тяжелого элемента? Почему от нее не удалось избавиться через сотни лет жизни на суше? Почему не удается забыть «землю», с которою мы голодаем вдвоем?
Читать далее в блоге автора
shkrobius продолжает объяснения:
Предыдущий пост заканчивают два вопроса без ответа. Ответов у меня, разумеется, нет, но есть соображение общего характера.
Представим ситуацию: хозяин (многоклеточный организм) и паразит (бактериальные клетки). Клетки многоклеточного хозяина должны слать друг другу сигналы; паразит будет пытаться использовать эту систему для своего преимущества. Для развития организма сигналы должны быть химическими, и это делает сигнальную систему особенно уязвимой. Как сделать надежную сигнальную молекулу?
Один из вариантов - производить такие молекулы в больших количествах, чтобы паразит не мог существенно менять градиенты концентраций. Другой вариант - делать такие молекулы, которые паразит сделать не может. Но бактерии - химические фабрики, которые могут сделать ВСЕ. Возможно ли это?
Возможно.
У бактерий-паразитов есть уязвимое место: вся их стратегия построена на быстром размножении, а это делает невозможным запасание редко встречающихся веществ. Наша иммунная система использует это свойство, лишая бактерии железа, которое им необходимо для синтеза жизненно необходимых металлопротеинов, например, цитохромов (разумеется, у бактерий есть против этого системы защиты). С запасанием есть проблемы и у свободноживущих бактерий. Они могут использовать разные редкости - скажем, молибден (в нитрогеназах), вольфрам, барий и т. п. но только в микроскопических количествах и по мере надобности: запас идет для дочерних клеток. Редко-редко встречаются бактерии, http://en.wikipedia.org/wiki/Thiomargarita_namibiensis способные запасать нужное им впрок (в данном случае, нитрат).
Эукариоты же могут себе это позволить. Эта возможность - запасание впрок - вероятно, одна из главных причин возникновения многоклеточности. Во-первых, у самих клеток большие энергетические ресурсы. Во-вторых, они могут специализироваться на извлечении редких веществ из среды. В-третьих, у них большой объем для такой деятельности. В-четвертых, они могут пропускать через себя большие количества среды для извлечения. В-пятых, они могут использовать для хранения запасов межклеточное пространство. И т. п. Бактерии тут конкурировать не могут.
Это преимущество можно использовать против паразита, делая сигнальные молекулы из труднодоступных элементов. Тут надо не переборщить: элемент должен быть достаточно доступен для хозяина, но за пределами возможностей паразита. Это не может быть металл, т.к. бактерии - специалисты по синтезу хелаторов для ионов металлов (так они отбирают наше железо сидерофорами); мигом отберут. Йод - оптимум: слишком редок, чтобы бактерии могли его извлечь из среды, но достаточно доступен, чтобы его можно было накопить самому. Кто не может - станет жертвою естественного отбора; на чем-то он должен работать, в конце концов. В отличие от тяжелых металлов, йод легко ковалентно внедрить в органическую молекулу. Если бы я искал что-нибудь этакое, то тоже выбрал бы йод.
На первый взгляд, такая система обречена: паразит научится обращаться и с такой сигнальной молекулой. Мне кажется, однако, что возможности паразита ограничены, ибо он полностью зависит от хозяина в йоде. Паразит не может сделать без-йодную молекулу, которая обманывает TH рецептор, т.к. тот существенно использует поляризацию C-I связи. Паразит мог бы делать такие молекулы сам, извлекая йод из организма, но йод встречается почти исключительно в виде TH гормонов, т.е. это было бы бессмысленно. Паразит может уничтожать такие молекулы (скажем, выделяя йодид), но для этого ему придется что-то делать с освобожденным иодом. Так как тот токсичен, ему придется запасать йод внутриклеточно: если выпустить иод в любой форме наружу, то организм его отберет назад и в итоге сделает сигнальную молекулу. Единственная возможность - превращать йод в экскретируемую молекулу, из которой организм не может иод извлечь. Свойства йода делают это невозможным - его всегда можно извлечь окислением. Шах, шах, мат. Против природы не попрешь.
Рассуждение объясняет, как может возникнуть зависимость от йода, и почему она будет продолжаться в условиях, когда он становится редок. Его редкость - именно то, почему он был и остается нужен. В такой ситуации будет эволюционировать способность к накоплению йода, а не меняться выбор сигнальных молекул.
QED
PS: Насекомые с компанией пошли по другому пути, вырабатывая большие количества сигнальных молекул. Это тоже хорошая стратегия. Сдается, однако, что она более годится для короткоживущих видов, которые могут быстро менять сигнальные молекулы, не давая паразиту под них подстроиться. Для долгоживущих видов необходимо более хитрое решение, и йодированные молекулы - одна из таких возможностей.
Читать далее в блоге автора