Иод
Оригинал взят у shkrobius в Иод
Можно
забыть,
где и когда
пузы растил
и зобы,
но землю,
с которой
вдвоем голодал, -
нельзя
никогда
забыть!
Пищевую соль иодируют, чтобы пузы и зобы не росли и дети кретинами не вышли. Дело хорошее, но с точки зрения химии операция архизагадочная.
Зачем организму нужен иод? Не сказать, чтобы у нас была потребность в других труднодоступных элементах. Никто не добавляет в столовую соль цезий или церий; не нужен нам и бром, которого куда больше, чем иода. Иод уникален в этом смысле - необходимый элемент, которого чрезвычайно мало в окружении. Приходится иметь специальный орган - щитовидную железу, который его улавливает и накапливает. Но даже это не помогает, и миллионы людей маются критическими для жизни болезнями.
По наблюдению, люди убеждены, что иод критически вовлечен в метаболизм: эта роль "оправадывает" загадочную зависимость. Это не так. Физиологическая роль соединений иода неизвестна. Иодотирозины (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; иодотирозины не примечательны на общем фоне. У них есть известная роль - они сигнальные молекулы для развития позвоночных животных. Иод с трудом извлекается, чтобы иодировать тирозин в иодотирозин, 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 иод? Необходимости в иодотирозинах нет (не надо про "природа не может иначе"). У насекомых иодотирозины как сигнальные молекулы не используются. У них находят подобные соединения, но они используются для детоксификации иода, попадающего из пищи.
В морской воде содержится растворенный иодид, и он накапливается водорослями; но и там его мало - и было мало всю историю Земли. После выхода на сушу, где иода 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 иодотирозины как сигнальные молекулы и упорно охотимся за следами иода, 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 иод - случайность: за 100 млн лет до рождения солнечной системы неподалеку взорвалась сверхновая и обогатила им среду. Иода могло быть с гулькин нос, и тогда в солонки класть было бы нечего. Впрочем, вряд ли бы мы тогда использовались иодотирозины... хотя... хотя... Есть подозрение, что ароматические аминокислоты - сравнительно недавнего происхождения (поздний архей); отсюда гипотеза (жидкая на аргументацию), что молекулярный иод был вовлечен в первоначальный синтез тирозина
http://icb.oxfordjournals.org/content/49/2/155.full
Тогда загадочного в использовании именно иодотирозинов (промежуточных продуктов гипотетического синтеза) нет, хотя наша сегодняшняя от них зависимость по-прежнему остается непонятной.
Автор идет далее: конечный ответ на "почему иод" - 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 иодид 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 органичекие соединения тоже летучие, а метилбромид - главный биогенный источник уничтожения озона. Я не вижу необходимости конкретно в иоде в рамках "гайской" картины. Что до тирозинной гипотезы, хотелось бы, как говорится, подробностей. Сомнительно, что редкий иод был совершенно необходим для его синтеза; бактериальные клетки делают его "шикиматным" способом - изящная пятиходовка. Иод там ни к селу ни к городу.
Бактерии не специалисты по иоду; 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?
Йод 2.
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. Иод - оптимум: слишком редок, чтобы бактерии могли его извлечь из среды, но достаточно доступен, чтобы его можно было накопить самому. Кто не может ь станет жертвою естественного отбора; на чем-то он должен работать, в конце концов. В отличие от тяжелых металлов, иод легко ковалентно внедрить в органическую молекулу. Если бы я сам искал что-нибудь этакое, то тоже выбрал бы иод.
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 иоде. Паразит не может сделать без-иодную молекулу, которая обманывает TH рецептор, т.к. тот существенно использует поляризацию C-I связи. Паразит мог бы делать такие молекулы сам, извлекая иод из организма, но иод встречается почти исключительно в виде TH гормонов, т.е. это было бы бессмысленно. Паразит может уничтожать такие молекулы (скажем, выделяя иодид), но для этого ему придется что-то делать с освобожденным иодом. Так как тот токсичен, ему придется запасать иод внутриклеточно: если выпустить иод в любой форме наружу, то организм его отберет назад и в итоге сделает сигнальную молекулу. Единственная возможность - превращать иод в экскретируемую молекулу, из которой организм не может иод извлечь. Свойства иода делают это невозможным - его всегда можно извлечь окислением. Шах, шах, мат. Против природы не попрешь.
Pассуждение логически объясняет, как может возникнуть зависимость от иода 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 иода, 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 иодированные молекулы - одна из таких возможностей.
Можно
забыть,
где и когда
пузы растил
и зобы,
но землю,
с которой
вдвоем голодал, -
нельзя
никогда
забыть!
Пищевую соль иодируют, чтобы пузы и зобы не росли и дети кретинами не вышли. Дело хорошее, но с точки зрения химии операция архизагадочная.
Зачем организму нужен иод? Не сказать, чтобы у нас была потребность в других труднодоступных элементах. Никто не добавляет в столовую соль цезий или церий; не нужен нам и бром, которого куда больше, чем иода. Иод уникален в этом смысле - необходимый элемент, которого чрезвычайно мало в окружении. Приходится иметь специальный орган - щитовидную железу, который его улавливает и накапливает. Но даже это не помогает, и миллионы людей маются критическими для жизни болезнями.
По наблюдению, люди убеждены, что иод критически вовлечен в метаболизм: эта роль "оправадывает" загадочную зависимость. Это не так. Физиологическая роль соединений иода неизвестна. Иодотирозины (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; иодотирозины не примечательны на общем фоне. У них есть известная роль - они сигнальные молекулы для развития позвоночных животных. Иод с трудом извлекается, чтобы иодировать тирозин в иодотирозин, 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 иод? Необходимости в иодотирозинах нет (не надо про "природа не может иначе"). У насекомых иодотирозины как сигнальные молекулы не используются. У них находят подобные соединения, но они используются для детоксификации иода, попадающего из пищи.
В морской воде содержится растворенный иодид, и он накапливается водорослями; но и там его мало - и было мало всю историю Земли. После выхода на сушу, где иода 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 иодотирозины как сигнальные молекулы и упорно охотимся за следами иода, 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 иод - случайность: за 100 млн лет до рождения солнечной системы неподалеку взорвалась сверхновая и обогатила им среду. Иода могло быть с гулькин нос, и тогда в солонки класть было бы нечего. Впрочем, вряд ли бы мы тогда использовались иодотирозины... хотя... хотя... Есть подозрение, что ароматические аминокислоты - сравнительно недавнего происхождения (поздний архей); отсюда гипотеза (жидкая на аргументацию), что молекулярный иод был вовлечен в первоначальный синтез тирозина
http://icb.oxfordjournals.org/content/49/2/155.full
Тогда загадочного в использовании именно иодотирозинов (промежуточных продуктов гипотетического синтеза) нет, хотя наша сегодняшняя от них зависимость по-прежнему остается непонятной.
Автор идет далее: конечный ответ на "почему иод" - 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 иодид 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 органичекие соединения тоже летучие, а метилбромид - главный биогенный источник уничтожения озона. Я не вижу необходимости конкретно в иоде в рамках "гайской" картины. Что до тирозинной гипотезы, хотелось бы, как говорится, подробностей. Сомнительно, что редкий иод был совершенно необходим для его синтеза; бактериальные клетки делают его "шикиматным" способом - изящная пятиходовка. Иод там ни к селу ни к городу.
Бактерии не специалисты по иоду; 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?
Йод 2.
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. Иод - оптимум: слишком редок, чтобы бактерии могли его извлечь из среды, но достаточно доступен, чтобы его можно было накопить самому. Кто не может ь станет жертвою естественного отбора; на чем-то он должен работать, в конце концов. В отличие от тяжелых металлов, иод легко ковалентно внедрить в органическую молекулу. Если бы я сам искал что-нибудь этакое, то тоже выбрал бы иод.
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 иоде. Паразит не может сделать без-иодную молекулу, которая обманывает TH рецептор, т.к. тот существенно использует поляризацию C-I связи. Паразит мог бы делать такие молекулы сам, извлекая иод из организма, но иод встречается почти исключительно в виде TH гормонов, т.е. это было бы бессмысленно. Паразит может уничтожать такие молекулы (скажем, выделяя иодид), но для этого ему придется что-то делать с освобожденным иодом. Так как тот токсичен, ему придется запасать иод внутриклеточно: если выпустить иод в любой форме наружу, то организм его отберет назад и в итоге сделает сигнальную молекулу. Единственная возможность - превращать иод в экскретируемую молекулу, из которой организм не может иод извлечь. Свойства иода делают это невозможным - его всегда можно извлечь окислением. Шах, шах, мат. Против природы не попрешь.
Pассуждение логически объясняет, как может возникнуть зависимость от иода 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 иода, 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 иодированные молекулы - одна из таких возможностей.