О многом может  выдох рассказать

В здоровом теле
здоровый дух.
Народная поговорка

Как только заходит речь о выдыхаемом воздухе, у многих перед глазами возникает тревожная картина в виде работника дорожно-постовой службы. Страж закона заставляет водителя подуть в трубочку и торжествующе заявляет, что теперь водителя ждут крупные неприятности.

Большинство людей старается, чтобы от них вообще ничем не пахло. Однако выдыхаемый воздух давно интересовал многих, и в первую очередь врачей. Опытные целители всегда отличались тем, что умели точно ставить диагноз. Неоценимую помощь в этом им оказывали запахи. Со времен Гиппократа врачи по сладковато-фруктовому запаху ацетона распознавали диабет, по затхлому запаху рыбы – поражение печени, а гнилостное зловоние указывало на абсцесс в легких. Острый запах аммиака указывал на заболевание почек, а от больного золотухой пахнет прокисшим пивом.

Существуют свидетельства очевидцев, что великий клиницист С.П.Боткин во время обхода больных ставил точный диагноз по внешнему виду пациента и по запаху.

Тем не менее восприятие запаха довольно индивидуально, и чувствительность носа не может обеспечить чисто научный подход к изучаемому явлению. Ориентироваться на запах в процессе исследований – дело ненадежное. Поэтому химики стали изучать весь комплекс явлений в полном соответствии с традициями своей науки, т. е. экспериментально. У химика интерес к составу выдыхаемого воздуха определяется тем, что дыхание, как любой химический процесс, несет много интересной и полезной информации. Химика интересует, какие именно соединения при этом выделяются и в результате каких процессов они возникают.

Крупное открытие простыми методами

Состав выдыхаемого воздуха заинтересовал свыше 200 лет назад Антуана Лорана Лавуазье, который был поистине великим естествоиспытателем. Результаты многих его экспериментов и, что самое главное, безупречность выводов определили на много лет вперед пути развития многих ветвей химической науки. В 1784 г. Лавуазье вместе с известным математиком и физиком Пьером Симоном Лапласом провел анализ дыхания у морских свинок и обнаружил, что содержание кислорода в замкнутом пространстве, где находились животные, уменьшается, а количество диоксида углерода увеличивается. Не довольствуясь этим, Лавуазье провел затем опыты на самом себе, в результате чего возникло устойчивое выражение: «Быть подопытной свинкой». Для того чтобы сделать анализ более наглядным, Лавуазье использовал ловушку – раствор гидроксида бария в воде, через который «пробулькивал» выдыхаемый воздух. Выпадающий в осадок карбонат бария указывал на присутствие диоксида углерода. Вывод Лавуазье оказался абсолютно точным: органические вещества «сгорают» в организме под действием кислорода. Этот результат фактически заложил основы новой науки – биохимии.

Сохранилась гравюра, где изображен первый в истории химии эксперимент такого типа, проведенный Лавуазье.

Полученные результаты позволили высказать Лавуазье поистине пророческую мысль: «Из всех явлений жизни нет более поразительного и более заслуживающего внимания, чем дыхание».

Обнаружить углекислоту в выдыхаемом воздухе сравнительно несложно, поскольку ее содержание достигает 5%. Остальные компоненты исследователи смогли обнаружить много позже – по мере развития более чувствительных методов химического анализа. Достижения в этой области химии стали использовать врачи, которые достаточно быстро смогли оценить новый подход к диагностике заболеваний.

В середине XIX в. немецкий врач А.Небельтау разработал способ, который позволял обнаружить незначительные следы ацетона, возникающего в организме при нарушении обмена веществ с участием глюкозы, – признак диабета. Небельтау предлагал пациентам выдыхать воздух через трубку, опущенную в щелочной раствор йода. По существу это был раствор йодата натрия, который, окисляя ацетон, выделял элементарный йод:

По изменению цвета Небельтау мог достаточно точно определить концентрацию ацетона в выдыхаемом воздухе.

В 1874 г. английский врач Ф.Ансти применил сходную методику для того, чтобы решить вопрос, усваивается ли алкоголь в организме или выводится, не перерабатываясь. Выдыхаемый воздух он пропускал через раствор окисляющей смеси бихромата калия и серной кислоты, цвет раствора при этом менялся от красно-коричневого к зеленому из-за превращения Cr(VI) в Cr(III):

Проведя комплексное исследование, Ансти установил, что суммарное количество выводимого алкоголя (не только при выдохе, но и другими путями) много меньше, чем было введено в организм. До этого времени многие полагали, что алкоголь выводится из организма, не усваиваясь.

Новые методы – новое знание

Развитие приборостроительных технологий привело к появлению исключительно чувствительных методов – газовой хроматографии и масс-спектроскопии. В 1971 г. лауреат Нобелевской премии по химии Лайнус Полинг также заинтересовался составом выдыхаемого воздуха. Он пропускал воздух через трубку из нержавеющей стали, охлаждаемую сухим льдом. Это позволило концентрировать вещества, содержание которых в выдыхаемом воздухе было незначительно. Затем конденсированные компоненты он анализировал с помощью газового хроматографа и масс-спектрографа. В итоге Полинг обнаружил в выдыхаемом воздухе около 250 соединений. Последующие исследования показали, что соединений при выдохе человека гораздо больше, примерно 400 летучих органических соединений (например, C₅H₁₂, CH₂Cl₂, C₆H₆). Далеко не для каждого из них установлено, в результате каких процессов оно возникает. Однако совместные усилия химиков и биологов постепенно расширяют круг веществ, дающих полезную информацию об организме.

Применение хроматографических методов анализа позволяет обнаруживать в смеси газов примеси с очень низкими концентрациями. Вот типичный пример. Метионин – одна из незаменимых при питании человека аминокислот, которая содержится в заметных количествах в казеине. В организме метионин расщепляется, образуя среди прочих продуктов диметилсульфоксид:

Накапливающийся в организме диметилсульфоксид разрушается в процессе работы печени. При нарушении функции печени диметилсульфоксид появляется в выдыхаемом воздухе и может быть обнаружен хроматографически. Подобные методики открывают принципиально иной путь диагностики, без использования рентгеноскопии, эндоскопии, анализов крови и т. п., которые часто вызывают неприятные ощущения у пациентов, а иногда не безвредны.

В исследование подобных процессов можно активно вмешиваться, например, направленно вводить в организм препараты, содержащие меченые атомы. Обычно используют безопасный и легко обнаруживаемый изотоп углерода ¹⁴С. Галактоза, меченная таким изотопом, окисляется в организме до CO₂. Изменение содержания в выдыхаемом воздухе ¹⁴СО₂ точно указывает на интенсивность происходящих процессов.

Интересную загадку предложил исследователям чеснок. Большинство ученых сходится в том, что запах изо рта того, кто съел чеснок, определяется веществом, которого в чесноке нет. Установлено, что в чесноке присутствуют аминокислоты, содержащие сульфогидридные группы –SH. Под действием ферментов они превращаются в организме в органические сульфиды. Таким образом, эти соединения с очень устойчивым запахом возникают в пищеварительном тракте, всасываются в кровь, попадают в легкие и затем выдыхаются. Однако мнение исследователей относительно состава этих соединения различны. Многие полагают, что источником запаха является метилмеркаптан, другие приписывают такие свойства диметилселениду, третьи утверждают, что виновата смесь диаллилдисульфида и аллицина.

Несовпадающие точки зрения различных исследователей могут быть объяснены тем, что анализ подобных смесей достаточно сложен, и каждый исследователь указал в итоге то соединение, которое ему удалось идентифицировать.

Относительно лука таких разногласий нет, в этом случае запах изо рта определяет аллилпропилдисульфид, а механизм образования этого соединения такой же, как и у веществ, создающих чесночный аромат.

Явление известно всем, причина – немногим

Вслед за опытами Ансти, описанными выше, последовал естественный этап – выяснение того, как перерабатывается этанол в организме. Подавляющее большинство людей знает, что влияние алкоголя очень сильно зависит от индивидуальных биологических особенностей данного человека. Подобные факты, подтвержденные большим количеством наблюдений, позволили уверенно делать обобщающие выводы. Например, азиаты (как правило, люди желтой расы) гораздо острее реагируют на незначительные дозы алкоголя, чем представители белой расы. Прилив крови к лицу, сердцебиение, тошнота и слабость возникают у азиатов после сравнительно небольших доз.

Конечный продукт окисления этанола в организме – уксусная кислота, которая, как известно, никаким опьяняющим эффектом не обладает. Однако процесс окисления проходит через промежуточную стадию – образование ацетальдегида. Именно ацетальдегид является наркотическим веществом, а не сам этанол, как полагают многие.

Как и большинство процессов, протекающих в организме, обе стадии проходят с участием катализаторов – ферментов. На первой стадии необходим фермент алкогольдегидрогеназа (АДГ), на второй – альдегиддегидрогеназа (АЛДГ). Из общих соображений понятно, что опьяняющее действие проявляется тем сильнее и длится тем дольше, чем медленнее проходит вторая стадия – окисление ацетальдегида до уксусной кислоты, иными словами, чем медленнее снижается концентрация ацетальдегида в крови.

Анализ показал, что у жителей Азии, употребивших алкоголь, в выдыхаемом воздухе очень высокое содержание ацетальдегида. Это наблюдение повлекло за собой исследования генетических особенностей такой группы людей. В результате удалось установить, что более чем у 80% представителей желтой расы относительно низкая активность альдегиддегидрогеназы. Причиной пониженной активности АЛДГ оказалась замена некоторых остатков глутаминовой кислоты в молекуле АЛДГ на фрагменты лизина.

Возникает естественный вопрос: нельзя ли помочь жителям азиатских стран, а заодно и некоторым нашим соотечественникам уменьшить страдания от действия популярного напитка, вводя, например, перед застольем в организм порцию доброкачественного фермента, не содержащего фрагментов лизина? Решение данной задачи не такое простое, как кажется, впрочем, это тема отдельной беседы.