Введение
Мочекаменная болезнь — широко распространённое заболевание, выражающееся в образовании в почках и мочевыводящих путях так называемых мочевых камней (уролитов). Считается, что основной причиной такого заболевания является нарушение обмена веществ в организме, особенно водно-солевого обмена, и нарушения кислотно-щелочного равновесия в крови и других жидкостях организма человека вследствие инфекционных заболеваний печени и желудочно-кишечного тракта (Севостьянова, Полиенко, 2004). Заболевания желез внутренней секреции, регулирующих водный и солевой обмен (щитовидная железа, паращитовидные железы, гипофиз), также играют значительную роль в возникновении мочекаменной болезни. Развитию заболевания способствует состав пищи, например, растительно-молочная пища приводит к ощелачиванию урины, мясная, наоборот, к повышению её кислотности. Способствует возникновению мочекаменной болезни и недостаточное содержание в пище витаминов A и D. В конечном счете все упомянутые факторы приводят к возникновению у людей биоминерализации (Мак-Коннелл, 1977) вследствие кристаллизации в урине слаборастворимых солей. При нарушении физиологического равновесия, приводящем к снижению растворимости в жидкостях организма человека, из нее выделяются и начинают расти твердые зародыши, формируясь в разноразмерные органоминеральные образования — объекты биоминералогических исследований (Бородулин, Глыбочко, 2009; Брик, Радчук, 2007; Волков, Волкова, 2004; Каткова, 1996; Каткова, Боровкова, 2007; Козловский, 1973; Кокин, 2020; Колониченко, 2007; Кораго, 1992; Полиенко, Ермолаев, 1996; Полиенко, Севостьянова, 2003, 2010, 2012; Полиенко, Шубин, 1997; Силаев, Кокин, 2017, 2021; Cилаев, Пономарев, 2016; Сребродольский, 1983; Юшкин, 1999, 2002, 2006, 2007).
В настоящее время установлено, что абсолютное большинство уролитов имеет сложный фазовый состав (Боровкова, Филиппов, 2009; Козловский, 1973; Лебедев, Смирнова, 2021; Нигматулина, Сокол, 2004; Ракин, Каткова, 2006; Севостьянова, Полиенко, 2004). К числу наиболее часто встречающихся минералоподобных фаз относятся оксалаты кальция — уэвеллит и уэделлит; урициты (мочевая кислота); фосфаты — брушит, струвит, ньюбериит, бабьеррит, гопеит, биоапатит; сульфаты — гипс и др. Среди смешаннофазных камней наиболее распространены мочекислотно-оксалатные, фосфато-оксалатные, фосфатомочекислотные. Очевидно, что уже достигнутый уровень изученности уролитов не является окончательным и может быть существенно повышен благодаря непрерывно развивающимся методам экспериментальных минералогических исследований.
Объекты и методы исследований
В качестве объектов наших исследований (табл. 1) выступили: 1) 12 образцов мочевых камней мужчин и женщин в возрасте 27—83 лет с максимальным размером (5.5 ± 2.3) мм (Vx = 43 %) и массой (160.9 ± 201.4) мг (Vх = 125 %); 2) сопряженные с камнями 10 образцов мочи-1; 3) два дополнительных образца мочи-2 пациентов с пиелонефритом. В ходе исследований был использован широкий комплекс методов: оптическая микроскопия (компьютеризированный комплекс OLYMPUS BX51); химический анализ горных пород; определение содержания Сорг методом кулонометрического титрования по величине pH на анализаторе Ан-7529М; термический анализ на автоматическом дериватографе Shimadzu DTG-60A/60AH; рентгеноструктурный анализ с использованием дифрактометра Shimadzu XRD-6000; ИК-спектроскопия с применением прибора «Люмекс ИнфраЛЮМ ФТ-02»; раман-спектроcкопия с использованием прибора Horiba LabRam HR 800; ЭПР на спектроскопе SE/X-2547; рентгенолюминесцентная спектроскопия на основе рентгеновского аппарата УРС-1.0 (трубка БСВ-2, Fe-антикатод, напряжение на катоде 50 кВ, анодный ток 14 мА), монохроматора AAS-1 (Carl Zeiss, Jena) и регистрирующего узла с ФЭУ-106; аналитическая сканирующая электронная микроскопия с применением комплекса Jeol JSM-6400; рентгенофлуоресцентный анализ на ЭД-спектрометре MESA-500W; определение изотопного состава углерода и азота в углеродистом веществе на аналитическом комплексе Flash EA, соединенном с масс-спектрометром Delta V Advantage; газовая пирохроматография с использованием пиролитического устройства и хроматографа «Цвет-800»; масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой с использованием масс-спектрометра ELAN 9000 (Perkin Elmer). ИСП-МС-анализы на микроэлементы в образцах мочи выполнены в ЦКП «Геоаналитик» Института геологии и геохимии УрО РАН в рамках госбюджетной темы № 123011800012-9.
Для определения содержания аминокислот в белках мочи 1.0 мл пробы помещали в пробирку Eppendorf, добавляли 0.4 мл 40 % раствора трихлоруксусной кислоты (ТХУ) и встряхивали в течение 10 мин. Для отделения белков, выпадающих в осадок, пробирки помещали в микроцентрифугу и подвергали вращению со скоростью 12000 об./мин в течение 5 мин. Супернатант аккуратно сливали. Белковый осадок промывался от ТХУ, для чего к нему добавляли 1 мл смеси метанола и диэтилового эфира в объемной пропорции 1:1. Пробирка подвергалась встряхиванию в течение 1 мин, после чего ее центрифугировали с последующим аккуратным сливанием супернатанта. Операция повторялась трижды. Дальнейшая методика анализа аминокислот была стандартной.
Объекты для исследований были представлены ассистентом кафедры терапии медико-биологического факультета РНИМУ им. Н. И. Пирогова А. А. Слюсарь и врачом-урологом высшей категории Ростовской клинической больницы ЮОМЦ ФМБА России А. В. Слюсарем. В число этих объектов вошли пять образцов мочевых камней и скоррелированные с ними пять образцов мочи мужчин в возрасте 27—71 лет (в среднем 52 года), а также пять образцов мочевых камней и мочи женщин в возрасте 40—83 лет (в среднем 64 года). Масса камней: у мужчин — 236.7 ± 235.9 мг (у более пожилых камни массивнее); у женщин — 104.8 ± 137.2 мг (у более пожилых камни менее массивные). Кроме того, исследовались два образца мочи пациентов с хроническим пиелонефритом. Все образцы мочи варьировались по окраске от бесцветных до бурых.
Морфология, внутреннее строение и химико-фазовый состав
Исследованные мочевые камни характеризовались преимущественно светлой окраской и округлой формой, не обнаруживая корреляции ни с возрастом больных, ни с местом извлечения камней, ни с их размером (рис. 1). Уролиты широко варьировались по внутреннему строению благодаря сочетанию участков со скрытокристаллической, микрозернистой, пластинчатой, лучистой, лучисто-слоистой структурами (рис. 2—11), что вообще характерно для таких образований (Боровкова, 2004).
По валовому составу исследуемые камни близки к составу карбонатапатита, но по результатам рентгеноспектрального микрозондового анализа (табл. 2) в их составе выявлено до 14 фаз (в последовательности снижения частоты встречаемости, %): 1) органическое вещество, включая эритроциты и урициты (100); 2) водные кальциевые оксалаты (100); 3) силикаты и алюмосиликаты (90); 4) металлоорганические соединения (80); 5) самородные металлические фазы (60); 6) гидроген (Н)-сульфаты и фосфаты (60); 7) биоапатит (40); 8) эритроциты (30); 9) фосфато-сульфаты бария (30); 10) сульфиды (10); 11) гидрокси (ОН)- и гидроген-хлориды (20); 12) сульфато-силикатофосфаты (10); 13) магнетит (10); 14) кремниевая (SiO2) фаза (10). По данным рентгеноструктурного анализа, часть микрофаз в составе исследованных камней характеризуется кристалличностью. В число таких фаз входят (d, в скобках индексы hkl):
Вевеллит, CaC2O4 H2O = 5.94—5.95 (10—1); 5.81 (110); 4.78 (200); 4.53 (101); 3.78 (21—1); 3.64—3.65 (020); 3.11 (12—1); 2.97 (10—2); 2.91 (310); 2.84 (121); 2.49 (112); 2.52 (301); 2.49—2.51 (112); 2.45 (31—2); 2.42 (32—1); 2.38 (400); 2.35 (130); 2.30 (11—2); 2.26 (202); 2.24 (031); 2.21 (40—2); 2.13 (23—1); 2.09 (10—3); 2.08 (321); 1.996 (50—1); 1.976—1.978 (30—3); 1.95 (411); 1.933 (013); 1.890 (42—2); 1.858 (312); 1.845 (610); 1.837 (510); 1.824 (040); 1.814 (12—3); 1.793 (132); 1.737 (32—3); 1.691 (520); 1.639 (213); 1.589 (600); 1.573 (20—4); 1.573 (20—4); 1.548—1.549 (033).
Ведделлит, CaC2O4 2H2O = 8.76—8.77 (110); 6.19 (200); 4.42—4.43 (211); 4.36 (220); 3.91 (310); 3.68 (002); 3.39 (112); 3.16 (202); 3.09 (400); 2.81-2.82 (222); 2.78 (411); 2.67 (312); 2.42 (510); 2.41 (103); 2.37 (402); 2.34 (501); 2.28 (331); 2.24 (213); 2.21 (422); 2.12 (530); 2.02 (512); 1.994 (323); 1.957 (611); 1.898 (413); 1.836—1.837 (532); 1.797 (602); 1.787 (631); 1.762 (204); 1.741 (503); 1.711 (640); 1.695 (224); 1.624 (730); 1.624 (730); 1.578 (712); 1.564 (613); 1.552 (642).
Урицит (мочевая кислота), C5H4N4O3 = 6.59—6.63 (200); 5.66—5.68 (001);4.94—4.96 (210); 4.78—4.80 (111); 4.50—4.51 (011); 3.87—3.89 (11—1); 3.72—3.74 (020); 3.6 (20—1); 3.28—3.29 (400): 3.20—3.21 (121); 3.11—3.12 (021); 3.01 (410); 2.88 (12—1); 2.80 (402);2.63—2.64 (012): 2.58(421): 2.46—2.47 (420); 2.42—2.43 (40—1); 2.41 (11—2); 2.32 (230); 2.28—2.29 (521); 2.25 (022); 2.19—2.24 (600); 2.15 (13—1); 2.10 (12—2); 2.03 (42—12); 1.918—1.919 (332); 1.879—1.881 (003); 1.801—1.809 (721); 1.796 (731); 1.77 (322); 1.746 (123); 1.667—1.668 (623; 1.641—1.642 (800); 1.616—1.617 (62—1); 1.594—1.598 (242); 1.553—1.554 (042).
Тиннункулит (урицит дигидрат), С5H4N4O32H2O = 8.84 (200); 5.99 (101); 5.67 (210); 4.23 (211); 3.78 (410; 3.72 (311); 3.42 (220); 3.25 (411); 3.20 (021); 3.15 (121; 3.06 (221); 2.8 (302); 2.72 (610); 2.61 (312); 2.58 (402; 2.50 (611; 2.43 (412); 2.37 (716); 2.19 (800); 2.15 (430).
Брушит, CaH[PO4] 2H2O = 7.6 (020); 4.93 (–111); 4.24 (021; 3.80 (040); 3.64 (–131); 3.05 (041); 3.93 (–221); 2.86 (–112); 2.67 (150); 2.62 (220); 2.60 (–202); 2.52 (–132); 2.42 (–241); 2.41 (022); 2.27 (061; 2.25 (240); 2.17 (151); 2.15 (–242); 2.12 (042); 2.10 (–152); 2.08 (–311); 2.02 (170); 2.0 (171); 1.976 (112); 1.898 (08); 1.876 (260); 1.858 (–223); 1.815 (241); 1.797 (062); 1.787 (081); 1.741 (330).
Именно эти кристаллические фазы считаются в почечных камнях наиболее ранними и наиболее влияющими на регулирование режима пересыщения минералообразующих растворов в организме человека (Изатулина, Гуржий, 2014). Не исключено, что число окристаллизованных фаз не ограничивается оксалатами, урицитами и гидроген-фосфатами, но рентгеновский результат сильно лимитируется содержанием фаз и размером их индивидов.
ИК-поглощение в среднем ИК-диапазоне в основном определяется органическим веществом, на что указывают следующие группы полос в направлении снижения длины волны: 1) 428—540 см–1 — деформационные колебания химических связей –С–Н (ароматические функциональные группы); 2) 710—770 см–1 — внеплоскостные колебания химических связей С—С (ароматические функциональные группы); 3) 990—1135 см–1 — деформационные колебания химических связей С–Н, –СН2=СН2=СН2– и –СН2–СН3–СН3–СН2– (фенольные гидроксилы, спирты, алифатические эфиры); 4) 1300—1387 см–1 — деформационные колебания групп ОН в химических связях СН2(ОН)–СО–СН2(ОН) (алифатические группы); 5) 1642—1674 см–1 — деформационные колебания химических связей СО–ОН (группы аминов, карбонильные группы) в органическом веществе и биоминералах — биоапатите и сульфатах; 6) 2800—2820 см–1 — валентные колебания химических связей СН и СН2 (алифатические функциональные группы); 7) 3006—3481 см–1 — валентные колебания химических связей NH и групп ОН (группы аминов и гидроксильные группы). Валовый элементный состав органического вещества в исследованных камнях приведен в табл. 3. Полученные для них данные примерно соответствуют данным и для желчных камней (Каткова, Боровкова, 2007), и для человеческого организма в целом (Колониченко, 2007).
На кривых нагревания присутствуют экзотермические эффекты, отвечающие выгоранию органического вещества: пик В1 = (282—349 °С) отражает «липидный» этап ДТА (выгорание углеводородов); В2 = (365—476 °С) — «аминокислотный» этап ДТА (выгорание белков) (Силаев, Юшкин, 2019). Кроме того, на кривых нагревания наблюдаются и три эндотермических эффекта: 1) экстремум при 55—100 °С (потеря гигроскопической воды); 2) перелом при 660—665 °С (возможно, конституционная вода в алюмосиликатах); 3) экстремум при 800—831 °С (вероятно, диссоциация кислородных солей (Архипенко, Бокий, 1982)).
По характеру распределения выявленных фаз исследуемые мочевые камни подразделяются на два типа. К первому — преобладающему — типу (№ обр. 1, 2, 4—6, 9, 10) относятся многофазные (от 6 до 14 фаз) камни, равномерно распределенные между мужчинами и женщинами с возрасте 27—83 лет. Второму — более редкому — типу (№ обр. 3, 7, 8) соответствуют ограниченно-фазные (3—5 фаз), преимущественно мужские. В целом полученные нами данные значительно расширяют известные представления о фазовом составе данного вида минерализаций (Боровкова, Филиппов, 2009; Изатулина, Гуржий, 2014; Ламанова, 2007; Лебедев, Смирнова, 2021; Мак-Коннелл, 1977; Машина, 2017; Нигматулина, Сокол, 2004; Ракин, Каткова, 2006; Севостьянова, Полиенко, 2004; Huskic, Pecov, 2016).
Органическое вещество составляет до трети вещества мочевых камней, будучи равномерно рассеянным по объему камня в виде микровключений, линзочек и прослоев. По элементному составу — C0.65—0.68(N+H)0.2—0.25O0.08—0.13 (табл. 3) — оно примерно соответствует смеси урицитов и бактериального вещества. Довольно часто наряду с обычными частицами органического вещества встречаются формы, похожие на эритроциты (клетки крови). Как правило, во всех этих органических образованиях присутствует поликомпонентная неорганическая примесь (табл. 4), вполне отражающая сложный минерально-фазовый состав камней. Эритроциты при этом такими примесями беднее раза в 1.5.
В части биоминералов в исследованных камнях преобладают водные оксалаты кальция, часто представленные хорошо окристаллизованными пластинчатыми формами (моноклинно-призматическими). При этом оксалаты характеризуются сильно примесным составом, комплексно отражающим всю сложность фазового состава камней (табл. 5).
Широкое распространение и разнообразие по составу в мочевых камнях имеет металлоорганические соединения, которые современными физиками рассматриваются как вполне закономерные формы конденсации металлов в живых организмах (Миронова, 2006). В нашем случае в камнях выявлены до восьми видов и разновидностей таких форм (табл. 6), которые в последовательности снижения частоты встречаемости металлических компонент могут быть представлены следующим образом: 1) оловянно-медные — Cu0.38—0.58Sn0.05—0.44Zn0—0.36Pb0—0.04Ni0—0.05Fe0—0.06Si0—0.09Al0—0.07Ca0—0.02P0—0.22S0—0.07Cl0—0.12; 2) золотые — Au0.51—0.77Cu0—0.07Pв0—0.01Ni0—0.06Si0—0.18Al0—0.31Ca0—0.06K0—0.03Cl0—0.06; 3) железные — Fe0.88—1P0—0.02 S0—0.03Cl0—0.07; 4) железистые — Fe0.42—0.47Cu0—0.06 Zn0.06Ni0—0.03Pb0—0.01Au0.01Si0.19—0.25Al0.02—0.21Ca0.03—0.04 K0.01—0.02S0—0.01Cll0.02—0.03; 5) цинковые — Zn0.44—0.95Si0.01—0.08Al0—0.04 Mg0—0.42Ca0.01—0.03K0—0.02P0—0.12 S0—0.1; 6) цинково-медные — Cu0.55—0.74Zn0.24—0.44 Fe0.01—0.02; 7) медистые — Cu0.44Pb0.04Fe0.01Sn0.02 Si0.04 Al0.04Ca0.02K0.01P0.2SS0.01Cl0.19; 8) никель-оловянные — Sn0.53Ni0.13Zn0.1Cu0.04Cl0.2.
Наряду с металлоорганическими соединениями в исследованных камнях обнаружены собственно металлические фазы, подразделяющиеся на четыре разновидности (в порядке снижения частоты встречаемости): оловянистые — Sn0.6—0.94Cu0.01—0.3Fe0—0.23Zn0—0.11Ni0—0.03Cr0—0.02; железные — Fe; висмутовые — Bi0.94—1Ca0—0.04Si0—0.02; железистые — Fe0.95—0.98Mn0—0.04Zn0—0.02Cr0—0.01(Si,Na,K)0—0.01 (табл. 7). В микроассоциации с металлическими фазами в мочевых камнях обнаружены редкие включения сульфидов, представленные пиритом (Fe = 46.13; S = 53.89 мас. %; эмпирическая формула — Fe0.98S2) и галенитом (Pb = 86.59; S = 13.41 мас. %; PbS).
Довольно распространенным биоминералом в изученных камнях выступает магнетит, широко варьирующийся по составу (табл. 8). Его можно представить следующей эмпирической формулой: (Fe0.59—1Cu0—0.22Mg0—0.16Mn0—0.13Ni0—0.0.03Zn0—0.02)(Fe0.55—2Al0—0.6Cr0—0.81Ti0—0.04)2O4. По минальному составу этот минерал подразделяется на четыре разновидности — преобладающую магнетитовую, герцинит-магнохромит-купрошпинель-магнетитовую, якобсит-магнетитовую и франклинит-магнетитовую.
Широко распространены в исследованных мочевых камнях силикатные и алюмосиликатные микрофазы (табл. 9), чаще всего приуроченные к выделениям органического вещества. По составу и минералогической номенклатуре они могут быть сопоставлены (в последовательности снижения частоты встречаемости) с каолинитом, плагиоклазами, слюдами, анортоклазом, клинопироксенами, гранатами. Кроме того, в ассоциации с алюмосиликатами встречаются зерна кремниевой фазы состава (мас. %): SiO2 = 97.63, Al2O3 = 2.37 — с эмпирической формулой (Si0.97Al0.03)O2.
Кислородные соли в составе мочевых камней представлены прежде всего биоапатитом (табл. 10), состав которого характеризуется следующей эмпирической брутто-формулой: (Ca9.31—9.51Mg0.09—0.29Na0.2—0.5K0—0.05Ni0—0.04Zn0—0.07)10[P5.38—6S0—0.21C0—0.41O24]F0—1.59Cl0—0.04(OH)0—1.85. Судя по приведенной формуле, в камнях мы имеем дело главным образом с фтор-, фторгидроксил- и хлоргидроксилапатитом. Изредка встречается фторкарбонатапатит А-типа.
Наряду с биоапатитом в мочевых камнях обнаружена серия так называемых гибридных соединений, в составе которых сочетаются несколько комплексных анионов — силикатных, фосфатных, сульфатных. К таким соединениям отнесены титано-кальциевые сульфато-силикатофосфаты с эмпирической брутто-формулой: (Ca0.47—0.62Ti0.19—0.75)0.81—1.22[PO4]0.55—0.76[SiO4]0.21—0.42[SO4]0.02—003 (табл. 11) — и гидроген-гидроксильные фосфатосульфаты бария (табл. 12), которым отвечают следующие эмпирические формулы: (Ba0.79—0.99 Ca0.03—0.25Sr0—0.05K0—0.05)0.87—1.24H0—0.41[SO4]0.9—1[PO4]0—0.1 (OH)0—0.48 и (Ba0.67—0.68Ca0.02—0.04Ni0.06—0.08Na0—0.37 K0—0.05Cu0—0.08)0.79—1.27H0—0.53[SO4]0.87—0.89[PO4]0.11—0.13(OH)0—0.48.
В качестве галогенидов в мочевых камнях выступают гидрокси- и гидроген-хлориды с незначительной примесью сульфатного и фосфатного анионов (табл. 13). По катионному составу эти минералы можно подразделить на четыре разновидности: натрий-кальций-калиевые гидроксихлориды — (K0.9—0.99Na0—0.09Ca0.05—0.27)1.03—1.86[SO4]0.01—0.02[PO4]0—0.02Cl0.97—0.99(OH)0.07—0.81; калий-натриевые гидроксихлориды — (Na0.62—1.53K0.25—0.51Ca0—0.02Fe0.01—0.04Ti0.01—0.05)1.17—3.07Cl(OH)0.21—2.41; натрий-кальциевые гидроксихлориды — (Ca0.54Na0.1)0.64 [SO4]0.02[PO4]0.02Cl0.96(OH)0.12: кальций-натриевые гидроген-хлориды — (Na0.14—0.47K0.01—0.02Ca0.04—0.28)0.19—0.57H0.15—0.77[SO4]0—0.01[PO4]0—0.01Cl0.98—1.
Таким образом, в составе изученных нами мочевых камней обнаружены биоминералы, охватывающие практически всю современную номенклатуру минеральных типов: простые вещества (металлы), халькогениды (сульфиды), галогениды (хлориды), оксиды (магнетит, SiO2-фаза), силикаты (алюмосиликаты), кислородные соли. В дополнение к минералам в камнях присутствуют так называемые минералоиды, представленные водными оксалатами кальция и урицитами.
Моча, сопряженная с мочевыми камнями и принадлежащая пациентам с пиелонефритом, исследовалась на валовый химический состав. Полученные данные для обеих коллекций мочи оказались схожими (мас. %, в скобках — среднее): H2O = 75—77 (76.3), Cl = 6—12 (9), SO3 = 1.5—4 (2.8), P2O5 = 2.5—7 (4.4), Na2O = 3—5 (4), K2O = 2—4 (2.7), CaO = 0.2—0.3 (0.26), MgO = 0.05—0.25 (0.14), NH4 = 0.6—1.5 (1.5).
Микроэлементы
Определялись в образцах мочевых камней и моче пациентов с мочекаменной болезнью (моча-1) и пиелонефритом (моча-2).
В составе исследованных мочевых камней выявлены 18 микроэлементов, из которых к определяющим сумму относятся Zn > Sr > Ti (табл. 14). Доля (%) групп органофильных элементов (Солонин, 1991) в среднем составляет для эссенциальных (жизненно необходимых) — 46.2, физиогенно-активных — 53.7. Доля элементов-антибионтов крайне незначительна — 0.1 %. Из приведенных данных следует, что в составе мочевых камней абсолютно доминируют именно органофильные микроэлементы. При этом суммарное содержание этих элементов в камнях отрицательно коррелируется с массой камней (r = –0.39) и возрастом человека (r = –0.73). По сравнению с микроорганизмами в человеческих конкрементах (Павлович, Кокин, 2019) общее содержание микроэлементов в исследованных камнях выше в 30—1580 раз. Согласно вычисленным кларкам концентрации, степень обогащения камней эссенциальными и физиогенно-активными микроэлементами несколько уступает таковой в земной коре (КК < 1), но многократно (до КК = 100) превышает степень концентрации тех же элементов в базовых органических субстанциях (Войткевич, Кокин, 1990) в последовательности «наземные растения < бактерии < наземные животные < живое вещество». При этом в сравнении с большинством органических субстанций в мочевых камнях физиогенно-активные микроэлементы значительно преобладают над эссенциальными (рис. 12).
В образцах мочи-1 пациентов с мочекаменной болезнью выявлен 41 микроэлемент (табл. 15), что более чем в 2 раза превышает число микроэлементов в соответствующих образцах мочевых камней. К определяющим сумму в моче малым элементам относятся: Ti > Rb > Zn > Sr > V > As. В отличие от камней, моча содержит 9 лантаноидов, при этом содержание элементов иттриевой подгруппы превышает содержание элементов цериевой подгруппы в 3 раза. Проанализированная моча по сравнению с образцами камней валово обогащена микроэлементами в среднем в 26 раз. По суммарной их концентрации она отрицательно коррелируется с камнями (–0.73) и возрастом больных (r = –0.33). Доли (%) групп элементов органофилов в моче составляют в среднем для эссенциалов — 86.4, физиогенно-активных — 12.9, элементов-антибионтов — 0.7. То есть в составе мочи, так же как и в камнях, сильно доминируют именно органофильные микроэлементы. Согласно кларкам концентрации, степень обогащения мочи эссенциальными и физиогенно-активными микроэлементами превышает таковую в базовых органических субстанциях в 10—850 раз в последовательности «бактерии < наземные растения < живое вещество < наземные животные». Относительно земной коры моча в среднем немного уступает по физиогенно-активным микроэлементам, но в 10 раз превышает по эссенциальным (рис. 13).
Таким образом, получается, что моча у пациентов с мочекаменной болезнью по валовой концентрации аномально обогащена органофильными микроэлементами как относительно камней, так и эталонных органических субстанций. При этом в ней многократно превалируют не физиогенно-активные, как в камнях, а эссенциальные элементы.
В образцах мочи-2 пациентов с пиелонефритом тоже выявлен 41 микроэлемент, к определяющим сумму элементам в этом случае относятся Ge > Sc > Te > Rb > Cd > Li. В составе 9 лантаноидов содержание элементов иттриевой подгруппы преобладает над содержанием элементов цериевой подгруппы в 9 раз (табл. 16). По валовому содержанию микроэлементов рассматриваемая моча уступает почечным камням почти в два раза, а моче пациентов с мочекаменной болезнью — в 49 раз. Доля (%) групп элементов-органофилов в образцах мочи-2 составляет в среднем для эссенциальных микроэлементов — 75, физиогенно-активных — 23, элементов-антибионтов — 2. То есть в составе мочи пациентов с пиелонефритом, так же как и в моче пациентов с мочекаменной болезнью, абсолютно преобладают элементы-эссенциалы при ничтожной доле элементов-антибионтов. Согласно вычисленным кларкам концентрации, степень обогащения мочи-2 эссенциальными микроэлементами превышает кларки в большинстве органических субстанций в 18—45 раз в последовательности «наземные растения < живое вещество < наземные животные». Рассматриваемая моча почти на два порядка уступает земной коре по содержанию элементов-антибионтов и в 5 раз — по содержанию физиогенно-активных элементов, но в 1.5 раза превосходит ее по элементам-эссенциалам (рис. 14 ).
Белковые аминокислоты
Важное значение в современных исследованиях органического вещества имеет анализ аминокислотного состава их белков (Амосова, Машина, 2020; Амосова, Шанина, 2018; Анищенко, Шанина, 2009, 2010; Бельская, Голованова, 2007; Изатулина, Голованова, 2007; Каткова, Симаков, 1998; Каткова, Шанина, 2019; Котельникова, 2018; Машина, Шанина, 2022; Шанина, Бушнев, 2016; Шанина, Голубев, 2022; Юшкин, 1999; Юшкин, Бушнев, 2006; Fuch, Berger, 2005; Kimura, Hamase, 2016). В рамках нашего исследования аминокислотный состав органического вещества определялся в мочевых камнях, образцах мочи-1 и мочи-2, а также непосредственно в белках мочи-1.
В мочевых камнях установлено 15 аминокислот, в том числе 7 незаменимых (табл. 17). Сумма содержаний всех кислот колеблется в пределах 13—37 мг/г, незаменимых — 4.67—14.38 мг/г. Размах колебаний групповых концентраций составляет в среднем около 15. Среднестатистический коэффициент вариации содержаний аминокислот составляет (59 ± 23) %. Доля незаменимых кислот составляет в среднем 0.85. Последовательность снижения концентрации групп аминокислот: алифатические > кислые > имино > ароматические > гидроксильные > основные > алифатические серосодержащие. Аналогичный ряд для незаменимых кислот: лейцин > метионин > лизин > фенилаланин > треонин > валин > изолейцин. В нашем случае, что храктерно для органического вещества в организме человека (Каткова, Шанина, 2019), только три аминокислоты — аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты — представлены обоими энантиомерами, отношения D/L (показатель хиральности) составляют в них соответственно 0—0.013, 0.038—0.055, 0—0.011.
В образцах мочи-1 установлены те же аминокислоты (табл. 18). Сумма содержаний всех кислот варьируется в пределах 0.0552—0.4407 мг/г, а незаменимых кислот — 0.0235—0.1913 мг/г, что уступает данным для камней соответственно в 84—235 и 75—199 раз. Размах колебаний групповых концентраций аминокислот составляет в среднем около 10. Среднестатистический коэффициент вариации содержаний кислот составляет (93 ± 33) %. Доля незаменимых кислот определяется в среднем как 0.93, т. е. в моче пациентов с мочекаменной болезнью доля незаменимых аминокислот выше, чем в собственно камнях. Последовательность снижения концентраций групп аминокислот: алифатические > кислые > ароматические > гидроксильные > основные > имино > алифатические серосодержащие. Этот ряд почти совпадает с аналогичным рядом для камней, отличаясь только дефицитом группы имино. Последовательность снижения концентраций незаменимых кислот имеет в рассматриваемом случае следующий вид: лизин > лейцин > валин > фенилаланин > треонин > метионин > изолейцин. То есть моча-1 отличается от камней дефицитом метионина. Так же как в камнях, в этой моче аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты представлены обоими энантиомерами, отношения D/L в них составляют соответственно 0—0.103, 0—0.038, 0—0.159.
В собственно белках мочи-1 (табл. 19) сумма содержаний всех аминокислот достигает 27.74—286.43 мг/г, а незаменимых — 11.55—124.28 мг/г, что превышает данные для камней соответственно в 2—8 и 2.5—9 раз, а для мочи-1 соответственно в 533—650 и 491—650 раз. Размах колебаний групповых концентраций составляет в среднем около 10. Среднестатистический коэффициент вариации содержаний аминокислот оценивается в (92 ± 27) %. Доля незаменимых кислот в проанализированных белках составляет в среднем 0.42, что гораздо ниже, чем в моче-1 и камнях. Последовательность снижения концентрации групп аминокислот в мочевых белках: алифатические > кислые > ароматические > основные > гидроксильные > имино > алифатические серосодержащие. Это практически совпадает с последовательностью в моче. Аналогичная последовательность незаменимых кислот в белках тождественна таковой в моче: лизин > лейцин > валин > фенилаланин > треонин > метионин > изолейцин. В мочевых белках, так же как в камнях и моче, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты представлены обоими энантиомерами, отношения D/L в них составляют соответственно 0—0.105, 0—0.04, 0—0.07.
В образцах мочи-2 больных хроническим пилонефритом (табл. 20) установлен тот же набор аминокислот. Сумма содержаний всех аминокислот составляет 0.0974—0.233 мг/г, что в 1.5 раза меньше, чем в моче-1. Размах колебаний групповых концентраций достигает в среднем 19, что почти в два раза больше, чем в моче-1. Среднестатистический коэффициент вариации содержаний аминокислот определяется как 82 ± 37 %, что уступает такому показателю в моче-1. Сумма содержаний независимых кислот в моче-2 составляет 0.0384—0.1109 мг/г, что дает 0.88 общего баланса аминокислот. Это ниже, чем в моче-1. Последовательность снижения концентрации групп аминокислот: алифатические > кислые > гидроксильные > ароматические > основные > имино > алифатические серосодержащие. Здесь в сравнении c образцами мочи-1 поменялись местами гидроксильные (их стало больше) и ароматические кислоты. Последовательность незаменимых аминокислот в моче-2 специфична: треонин > лейцин > лизин > валин > фенилаланин > > изолейцин > метионин. Здесь особенность состоит в том, что в моче-2 наибольшее содержание не у алифатической, а у гидроксильной незаменимой кислоты. Кроме того, в этой моче только две аминокислоты — аланин и аспарагиновая кислота — представлены обоими энантиомерами, отношения D/L в них составляют соответственно 0—0.0415 и 0—0.032.
Обобщение полученных данных приводит к следующему выводу. Среди исследованных объектов по свойствам аминокислотности объединяются три, относящиеся к пациентам с мочекаменной болезнью и образующие более или менее упорядоченную последовательность: белки мочи-1 мочевые камни моча-1. В направлении этой последовательности более или менее упорядоченно снижается сумма содержаний аминокислот (очень резко при переходе к моче), аналогичным образом падает сумма содержаний незаменимых кислот, возрастает доля незаменимых кислот в их общей сумме. Последовательности снижения концентраций групп аминокислот в белках мочи-1 и собственно моче-1 практически тождественны, а в мочевых камнях концентрация отличается аномально высоким содержанием метионина. Аналогично ведут себя величина колебаний содержаний кислот (достигает максимума в камнях) и коэффициентов их вариации (минимален в камнях). Степень хиральности в аланине, аспарагиновой и глутаминовой кислотах минимальна и примерно одинакова. Как известно, это свойство аминокислот в живых организмах и минерализациях часто объясняют старением (Huskic, Pecov, 2016; Hassan, Jaleel, 2014). Однако в нашем случае корреляции между возрастом пациентов и степенью хиральности не выявляется. Вероятной причиной появления D-энантиомера в аминокислотах изученных образцов может являться участие в жизнедеятельности человека бактерий, в аминокислотах которых всегда есть D-энантиомеры (Машина, Шанина, 2022).
Остается отметить особенности аминокислотного состава образцов мочи-2 пациентов с хроническим пиелонефритом. В этом случае суммарное содержание аминокислот и содержание незаменимых кислот примерно совпадают с таковыми в образцах мочи-1, но значительно (почти в 2 раза) возрастает размах колебаний содержаний, увеличивается групповая доля гидроксильных аминокислот и особенно резко возрастает содержание треонина среди незаменимых кислот.
Изотопия
Изотопный состав углерода и азота определялся в органическом веществе мочевых камней и моче-1 пациентов с мочекаменной болезнью (табл. 21), а также моче-2 пациентов с хроническим пиелонефритом (табл. 22). Согласно полученным данным (рис. 15), мочевые камни характеризуются относительно изотопно-тяжелым составом углерода, но изотопно-легким составом азота. Моча-1 более изотопно-легкая по углероду, но более изотопно-тяжелая по азоту. Моча-2 наиболее изотопно-легкая по углероду и изотопно-легкая на уровне мочевых камней по азоту. В целом исследованные нами объекты по изотопному составу весьма специфичны и отличаются как от органического вещества человеческих костей — гораздо более изотопно-тяжелые по азоту (Силаев, Белицкая, 2019), ископаемых копролитов — более изотопно-тяжелые по углероду (Силаев, Юшкин, 2019), так и от земной атмосферы (δ13СPDB = –5…–8 ‰; δ15NAIR = 5—8 ‰) и углеродного вещества в осадочных горных породах (δ13СPDB = –15 —2 ‰; δ15NAIR = от –12 до 12 ‰) (Силаев, Смолева, 2012). Как ни странно, но наиболее близкими к изученному органическому веществу по изотопным данным оказались выявленные нами в продуктах современного вулканизма абиогенные органические полимеры, в которых δ13СPDB лежит в пределах –27…–25 ‰ (Силаев, Аникин, 2018).
Заключение
С использованием широкого комплекса минералогических и физико-химических методов изучена эталонная коллекция образцов мочевых камней мужчин и женщин в возрасте 27—83 лет и мочи пациентов с мочекаменной болезнью и хроническим пиелонефритом. Мочевые камни характеризуются преимущественно светлой окраской и округлой формой, широко варьируются по внутреннему строению. В их составе выявлено до 14 фаз: органическое вещество с урицитом и эритроцитами, водные кальциевые оксалаты, силикаты и алюмосиликаты, металлоорганические соединения, металлические фазы, гидроген-сульфаты и фосфаты, биоапатит, фосфатосульфаты бария, сульфиды, гидрокси- и гидроген-хлориды, сульфато-силикатофосфаты, магнетит, кремниевая фаза. По характеру распределения выявленных фаз исследуемые мочевые камни подразделяются на два типа: 1) многофазные (от 6 до 14), равномерно распределенные между мужчинами и женщинами в возрасте 27—83 лет; 2) ограниченно-фазные (3—5), преимущественно мужские. В целом обнаруженные в составе мочевых камней биоминералы охватывают практически всю современную номенклатуру минеральных типов. Исследованная моча состояла на 75—77 % из воды, в состав примесей входили Cl, SO3, P2O5, FeO, Na2O, K2O, CaO, MgO, NH4 — важнейшие компоненты и мочевых камней.
В мочевых камнях выявлены 18 микроэлементов, почти исключительно органофильных: 46 % — эссенциальные, 54 % физиогенно-активные. В моче-1 обнаружен 41 органофильный микроэлемент с сильным преобладанием (86 %) эссенциальных элементов. По степени суммарного обогащения микроэлементами моча-1 преобладает над мочевыми камнями в 26 раз. В моче-2 установлен также 41 органофильный микроэлемент с преобладанием (75 %) эссенциальных элементов. По степени суммарного обогащения микроэлементами образцы мочи-2 в два раза уступают мочевым камням и в 49 раз — образцам мочи-2.
Исследованные объекты, относящиеся к пациентам с мочекаменной болезнью, по свойствам белковых аминокислот образуют довольно упорядоченную последовательность: белки мочи-1 мочевые камни моча-1. В направлении этой последовательности снижается сумма содержаний аминокислот (очень резко при переходе к моче), аналогичным образом падает сумма содержаний незаменимых кислот, но возрастает их доля в общей сумме аминокислот. Очевидно, что это обусловлено последовательностью снижения в объектах содержания белков. Последовательности снижения концентраций групп аминокислот в белках мочи-1 и собственно моче-1 практически тождественны, а в мочевых камнях аналогичная последовательность отличается только аномально высоким содержанием метионина. Аналогично ведут себя размах колебаний содержаний кислот (достигает максимума в камнях) и коэффициент их вариации (минимален в камнях). Степень хиральности в аланине, аспарагиновой и глутаминовой кислотах минимальна и примерно одинакова. Вероятной причиной появления D-энантиомера в аминокислотах изученных образцов может являться участие в жизнедеятельности человека бактерий. В целом информация об аминокислотном составе свидетельствует о высокой степени сходства мочи-1 и мочевых камней. В образцах мочи-2 пациентов с хроническим пиелонефритом суммарное содержание аминокислот и содержание незаменимых кислот примерно совпадают с таковыми в образцах мочи-1, но значительно (почти в 2 раза) возрастает размах колебаний содержаний, увеличивается групповая доля гидроксильных аминокислот и особенно резко возрастает содержание треонина среди незаменимых кислот.
Мочевые камни характеризуются относительно изотопно-тяжелым составом углерода, но изотопно-легким составом азота; моча-1 более изотопнолегкая по углероду, но более изотопно-тяжелая по азоту; моча-2 наиболее изотопно-легкая по углероду и изотопно-легкая на уровне мочевых камней по азоту. В целом исследованные объекты по изотопному составу весьма специфичны, отличаясь от органического вещества человеческих костей, ископаемых копролитов, земной атмосферы и углеродного вещества в осадочных горных породах. Но при этом они обнаруживают близость по изотопному составу углерода с абиогенными органическими полимерами в продуктах современного вулканизма. Представленные данные достаточно хорошо согласуется с современными представлениями о непрерывном процессе обмена веществом практически всех геосфер Земли (Кокин, 2024).
Результаты междисциплинарного исследования показывают следующее. Если в условиях земной коры источником энергии образования минеральных видов выступают физико-химические процессы в её геологической истории, то в организме человека биоэнергетический и биохимический потенциал выполняет ту же работу, но по синтезу металлоорганических соединений и других минералоидов. В условиях, близких к равновесному состоянию, в организме человека и земной коре не происходит существенных сдвигов, вызывающих минералообразование. В неравновесных термодинамических условиях земной коры под влиянием обменных эндогенных физико-химических и геологических процессов формируется все многообразие пород, руд и минералов. Подобное состояние наблюдается и в организме человека, но при нарушениях обменных биохимических процессов под влиянием особенностей питания, различных заболеваний, колебаний pH и Eh среды, жизнедеятельности бактерий, изменений в окружающей среде. В организме человека происходит сброс органоминеральных образований из водно-солевого раствора по всей разветвлённой сети сосудов и каналов, что приводит к возникновению мочекаменной и желчнокаменной болезней, отложению солей в кровеносных сосудах. То есть практически в организме человека возникают условия для минералообразования, имеющего принципиальное подобие с минералообразованием в геологических условиях (коэволюция минерального и биологического миров по Н. П. Юшкину). Однако концентрации органофильных элементов и соответствующих им биоминералов в организме человека могут многократно превышать таковые в геологических условиях. То есть потенциал живого для экстракции ряда химических элементов из водных растворов при образовании конкрементов может оказаться более эффективным, чем рудообразование в геологических условиях.
Все это лишний раз подтверждает известные положения о том, что «природа транслирует подобие своей организации на любом уровне вещества в рамках её фундаментальных законов» (Кокин, Кокин, 2022). Следовательно, продемонстрированные нами междисциплинарные исследования могут быть полезными не только для минералогов, биологов и медиков, но и для геологов в части изучения осадочных рудных месторождений, образовавшихся при участии живого вещества.
Исследования выполнены в рамках бюджетной темы 122040600009-2 «Фундаментальные проблемы минералогии и минералообразования, минералы как индикаторы петро- и рудогенеза, минералогия рудных районов и месторождений Тимано-Североуральского региона и арктических территорий».
