Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Теория Перла основана на эмпирическом наблюдении, заключающемся в том, что длительность жизни животных определяется фиксированным числом сердцебиений. Измерив частоту сердечных сокращений мыши и умножив ее на продолжительность жизни мыши, можно получить значение, которое примерно одинаково для большинства млекопитающих, будь то лошадь, корова, кошка, собака или морская свинка. То же самое относится к таким показателям, как общий объем прокачиваемой крови, количество сжигаемой глюкозы или общая масса синтезированных белков. Все эти показатели связаны со скоростью метаболизма, которую принято измерять в единицах количества кислорода, потребляемого за один час. Обычно чем меньше размер животного, тем выше скорость метаболизма, что объясняется необходимостью поддерживать постоянную температуру тела. Сопоставляя скорость метаболизма и продолжительность жизни разных животных, можно получить удивительную зависимость. Максимальная продолжительность жизни лошади составляет 35 лет при скорости основного метаболизма 0,2 л кислорода на килограмм массы тела в час. За всю жизнь лошадь потребляет около 60 тыс. л кислорода на килограмм массы. Белка живет не более семи лет при скорости метаболизма около 1 л кислорода на килограмм в час. За всю жизнь она тоже потребляет около 60 тыс. л кислорода на килограмм. Это соотношение соблюдается практически для всех видов животных. Коэффициент корреляции данной зависимости называют энергетическим потенциалом продолжительности жизни (LEP, от lifetime energy potential).

Сначала об этом потенциале рассуждали в терминах скоростей химических реакций. Но потом была выявлена связь между скоростью метаболизма и скоростью образования свободных радикалов. Дело в том, что какая-то часть кислорода (несколько процентов), расходуемого на метаболические нужды клетки, покидает митохондрии в форме супероксидных радикалов (см. главу 6). За всю жизнь в результате постоянной утечки выделяется весьма значительное количество супероксидных радикалов, возможно, до 2000 л/кг. Если фиксированная доля вдыхаемого кислорода превращается в свободные радикалы, значит, чем выше потребление кислорода, тем больше свободных радикалов образуется в организме. Таким образом, мелкие животные, которые живут быстро и умирают молодыми, теоретически производят больше свободных радикалов. По-видимому, это общее правило. Среди широкого спектра млекопитающих существует строгая обратная зависимость между скоростью образования свободных радикалов и продолжительностью жизни: чем больше радикалов, тем короче жизнь [69] К свободным радикалам в данном случае я отношу и такие молекулы, как пероксид водорода, хотя, строго говоря, он не является радикалом (см. главу 6). .

Впервые о возможной связи между свободными радикалами и старением в 1956 г. заявил молодой химик Денам Харман из Калифорнийского университета в Беркли. До обучения биологии в Стэнфорде Харман семь лет проработал в компании Shell Oil , где изучал химические свойства свободных радикалов. Он быстро понял, что аналогичные процессы могут происходить и в биологических системах. Еще в 1956 г. он настолько четко выразил свою идею, что его формулировка актуальна до сих пор:

«Старение и связанные с ним дегенеративные процессы в целом могут быть вызваны разрушительным влиянием свободных радикалов на содержимое клетки и соединительные ткани. Вероятно, свободные радикалы в основном выделяются в результате реакций с участием молекулярного кислорода, катализируемых в клетке окислительными ферментами, и в соединительных тканях под действием следовых количеств таких металлов, как железо, кобальт и марганец».

Более 50 лет ученые занимаются анализом повреждений клеточных мембран, белков и ДНК под действием свободных радикалов. Никто не сомневается, что свободные радикалы образуются и что наносимые ими повреждения пропорциональны скорости их выделения. Проблема в том, что изначально свободнорадикальная теория старения не учитывала причинно-следственных связей. В быстро стареющих организмах образуется больше свободных радикалов, но означает ли это, что свободные радикалы вызывают старение, являются продуктами старения или представляют собой посторонний фактор, не имеющий прямого отношения к старению? Наилучший способ проверки причинно-следственной связи состоит в изменении параметров, например в увеличении продолжительности жизни с помощью антиоксидантов. Первые эксперименты Хартмана показали, что антиоксиданты могут замедлять старение мышей, но последующие работы этого не подтвердили [70] В эксперименте Xартмана мыши из контрольной группы (не получавшие дополнительных антиоксидантов) жили недостаточно долго. Возможно, они умирали раньше срока из-за недостатка антиоксидантов в стандартном рационе питания, и Хартман просто ввел в расчеты поправку. Это действительно вполне вepоятно, поскольку мы до сих пор не знаем, каков оптимальный пищевой рацион большинства животных в дикой природе и в неволе. . Как мы обсуждали в главе 9, пока мы не уверены в том, что пищевые добавки антиоксидантов могут увеличивать продолжительность жизни. А вот сбалансированная диета, по-видимому, корректирует недостаточность витаминов, которая может сократить жизнь. Все эти наблюдения заставили многих исследователей отказаться от идеи о важной роли свободных радикалов в организме.

Однако теория скорости жизни имеет недостаток более общего плана: она не является универсальной даже для теплокровных позвоночных животных. Вот почему выше я говорил о «большинстве млекопитающих». Птицы и летучие мыши меньше подвержены нападениям хищников, поскольку умеют летать, и их продолжительность жизни и скорость метаболизма не укладываются в общую корреляцию. Летучие мыши живут до 20 лет, хотя их скорость метаболизма сравнима с таковой у обычных мышей, живущих не более четырех лет. Скорость метаболизма голубей сравнима с таковой у крыс, но живут они 35 лет — в десять раз дольше несчастных крыс. Самый удивительный пример — колибри. Частота сердечных сокращений у этих птиц составляет от 300 до 1000 ударов в минуту, и, чтобы не впасть в кому от голода, они вынуждены облетать тысячи цветов за день. При таком метаболизме «по правилам» они должны жить год или два, а они живут до десяти лет и более, потребляя за все это время 500 тыс. л кислорода на килограмм массы тела. В целом, если мы умножим объем потребляемого птицами кислорода на их продолжительность жизни, мы придем к выводу, что они подвергаются в десять раз более интенсивному воздействию свободных радикалов, чем короткоживущие млекопитающие, такие как крысы, и в два раза более интенсивному, чем человек. Тот факт, что птицы живут долго при такой высокой скорости метаболизма, часто считают доказательством несостоятельности теории скорости жизни. Однако это суждение справедливо только в том случае, если мы соглашаемся, что всем живым существам отпущено фиксированное число сердцебиений. На самом деле, исключения только подтверждают правило — или хотя бы его модифицированную версию.