Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

Для современного биолога дыхание — не только и не столько «вдох-выдох, нос сопит, стекла запотели». Это сложный биохимический процесс получения необходимой нашему телу энергии путем реакций различных питательных веществ с кислородом. Дыхание, по сути, — это то же самое, что горение, то есть реакция окисления веществ кислородом воздуха. Только происходит оно гораздо более медленно, постепенно и под жестким контролем организма.

Наши дыхательные пути и легкие решают проблему доставки кислорода из воздуха в кровь и высвобождения из крови углекислого газа. Наш желудочно-кишечный тракт обеспечивает поступление в кровь питательных веществ из пищи. Кровь доставляет кислород и питательные вещества ко всем клеткам нашего тела. Внутри практически каждой клетки есть специальные сложные структуры — органеллы, названные митохондриями, которые отвечают за главный этап дыхания — за «сжигание» питательных веществ кислородом и получение энергии, необходимой для жизни клетки. Тут и начинается самое интересное.

Митохондрии — это вытянутые пузырьки внутри клетки, отделенные от остального ее содержимого двумя тонкими мембранами, состоящими из липидов и гидрофобных белков — жирных, нерастворимых в воде молекул. Эти мембраны — самое главное в процессе дыхания. Мембраны похожи на тонкие масляные пленки; они непроницаемы для большинства водорастворимых молекул и ионов. Мембраны играют важнейшую роль в жизни клетки, надежно отделяя клетку от окружающей среды, а клеточные органеллы — от прочего внутриклеточного содержимого (цитоплазмы).

Внешняя мембрана митохондрий — гладкая, а внутренняя многократно складчата. В качестве аналогии можно представить еще, не надутый воздушный шар, который смяли и засунули внутрь маленького воздушного шарика, а затем начали надувать. Маленький шарик снаружи будет круглый и гладкий, а большой шар внутри будет сморщенный и весь в складках.

Такое странное устройство мембран необходимо митохондриям, чтобы увеличить площадь внутренней мембраны. Ведь именно в этой мембране, прочно засев в ее жирной толще, находятся белки-ферменты, осуществляющие дыхание, т. е. окисление питательных веществ кислородом.

Дыхательные ферменты работают подобно миниатюрным насосам: сжигая «топливо», они перекачивают с одной стороны мембраны на другую электроны, а в обратную сторону — ионы водорода. Электроны несут отрицательный заряд, а ионы водорода — положительный. В результате работы дыхательных ферментов внутренняя мембрана митохондрии заряжается как конденсатор: внутри митохондрии

получается минус, а снаружи — плюс. Жирная мембрана является хорошим электрическим изолятором и надежно держит высокое напряжение. Без этого митохондриям не обойтись — ведь напряженность электрического поля на внутренней мембране превышает 200 киловольт на сантиметр!

Затем энергия, накопленная в виде разности потенциалов на внутренней мембране митохондрии, используется для синтеза «энергетической валюты» клетки — аденозинтрифосфата (АТФ). Это — последний этап дыхания. Полученные молекулы АТФ покидают митохондрии, распределяются по всей клетке и используются везде, где необходимо провести энергозатратную химическую реакцию, будь то синтез ДНК, РНК или белков, транспорт ионов или питательных веществ в клетку или из нее, движение внутриклеточных органелл и т. д. При этом, АТФ расщепляется с выделением необходимой энергии, а продукты его распада АТФ отправляются в митохондрии, чтобы там, на внутренней мембране вновь соединиться в АТФ в процессе дыхания (масштаб этого процесса иллюстрируется цифрой: взрослый человек образует в день 40 кг АТФ, чтобы расщепить все это количество за тот же срок при совершении разных видов работы). Таким образом, АТФ работает в клетке «универсальным посредником» между всевозможными питательными веществами (которые мы потребляем, чтобы получить необходимую для жизни энергию) и разнообразными биохимическими реакциями, в которых эта энергия используется.

Все это имеет прямое отношение к проблеме старения. Дело в том, что некоторые из белков-ферментов, которые сидят во внутренней мембране митохондрий и осуществляют процесс дыхания, делают это не совсем «чисто». То есть, в ходе окисления питательных веществ кислородом получаются весьма вредные побочные продукты — активные формы кислорода (АФК). В силу своей химической неустойчивости и высокой реакционной способности АФК быстро и агрессивно реагируют практически с любыми органическими молекулами. В первую очередь это липиды и белки, образующие мембраны.

С липидами АФК расправляются особенно жестоко. Даже один-единственный зловредный радикал OH· (одна из АФК) может начать цепную реакцию окисления: поврежденная молекула липида сама становится радикалом, повреждает следующую молекулу и так до тех пор, пока очередной радикал не встретит молекулу-антиоксидант, способную прервать этот порочный круг. Если это не случится, дело может дойти до повреждения ДНК, что особо опасно, т. к. приводит к искажению «инструкций» для синтеза белков, и в результате в клетке начнут появляться дефектные белки, мешающие её нормальной жизни.

Повреждения белков на первый взгляд не должны быть серьезной угрозой для клетки: в норме большая часть белков постоянно портится, утилизуется и синтезируется вновь. Однако некоторые белки, например, коллаген хрящей или сухожилий, или кристаллин в хрусталике глаза, практически не заменяются, и повреждения в них накапливаются с возрастом и приводят в итоге к целому ряду неприятностей из списка признаков старения. Кроме того, если повреждаются белки дыхательной цепи митохондрий, это может повысить скорость продукции АФК такими белками. Получается порочный круг: появляясь в митохондриях, АФК в первую очередь наносят повреждения самим митохондриям, что приводит не только к снижению эффективности окисления питательных веществ, но и к еще большей продукции АФК. В итоге разбалансированные митохондрии могут необратимо отравить и убить не только саму клетку, но и ее соседей. Более того, повышенная концентрация АФК является для клетки сигналом к самоуничтожению: после превышения определенного уровня АФК в митохондриях запускается цепь биохимических реакций, приводящая в итоге к гибели клетки — апопотозу.

В норме деление клеток жестко контролируется целым набором генов. Однако случайные повреждения ДНК могут приводить к мутациям и поломкам в механизме контроля деления. Как уже говорилось выше, стоит только одной-единственной клетке перестать ограничивать собственное деление — и начинается безудержное размножение, вызывающее рак.