Затем энергия, накопленная в виде разности потенциалов на внутренней мембране митохондрий, используется для синтеза «энергетической валюты» клетки — аденозинтрифосфата (АТФ). Это — последний этап дыхания. Наверняка вам рассказывали про АТФ на уроках биологии еще в школе. 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 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 самое 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 ОН* (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-антиоксиданта, способную прервать этот порочный круг. Если это не случится, дело может дойти до повреждения ДНК, что особо опасно, так как может привести к искажению «инструкций» для синтеза белков, и в результате в клетке начнут появляться дефектные белки, мешающие ее 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 самоубийству: 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.
АФК являются одним из основных факторов, приводящих к случайным повреждениям ДНК. Поэтому, если в клетке повышена концентрация АФК, эта клетка имеет более высокий шанс переродиться в раковую. Для организма появление единственной раковой клетки может оказаться смертельным. В этой связи неудивительно, что как только клетка «замечает», что в ней стало многовато АФК, она самоликвидируется посредством апоптоза. Тут уж лучше перестраховаться, чем допустить промашку.
Деление клеток контролируется набором генов. Случайные повреждения ДНК могут приводить к мутациям И ПОЛОМКАМ В МЕХАНИЗМЕ КОНТРОЛЯ деления. Стоит только одной-единственной клетке перестать ограничивать собственное деление — И НАЧИНАЕТСЯ БЕЗУДЕРЖНОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ, ВЫЗЫВАЮЩЕЕ РАК.
Что же получается в итоге? В митохондриях клеток нашего тела в процессе дыхания вырабатываются АФК, которые медленно, но верно отравляют эти самые клетки и вызывают их гибель. Это касается практически всех клеток, но особенно важно для таких «энергоемких» органов, как мозг, сердце и мышцы. В результате с течением времени скорость гибели клеток возрастает. Способность же регенерировать и заменять погибшие клетки новыми с возрастом не растет, а наоборот, уменьшается. Все это вместе приводит к потере «клеточности» органов: в них падает количество полноценных, активных клеток. В свою очередь это ведет к снижению работоспособности органа и увеличению вероятности его отказа при стрессовой нагрузке. А увеличение вероятности отказа системы с возрастом — это и есть старение.
Ну что ж, подумаете вы, вот и славно! Хорошо, что ученые разобрались с причинами старения и все оказалось гладко и просто. Непонятно даже, отчего столько суеты и дискуссий вокруг этой темы, когда все и так уже ясно. К сожалению, причины для суеты и споров пока есть, и количество их весьма внушительно. Дело в том, что, как любая научная концепция, вышеописанная гипотеза о роли митохондрий и АФК в процессе старения — всего лишь одно из нескольких существующих объяснений. И для того, чтобы оценить, насколько она заслуживает доверия, необходимо чуть подробнее разобраться, на каких экспериментально установленных фактах она базируется.
Вот доказательства роли митохондрий и активных форм кислорода для процесса старения.
> Образование АФК в ходе работы ферментов дыхания во внутренней мембране митохондрий — установленный факт.
> Вредоносное действие АФК на белки, липиды и ДНК клетки — также установленный факт.
> Воздействие повышенных концентраций АФК на митохондрии запускает в клетке программу самоубийства (апоптоза), которое сопровождается дополнительным мощным выбросом АФК, — наблюдение, сделанное независимо во многих лабораториях мира. Кроме того, показано, что факторы, которые повышают «самоубийственную» активность клеток, приводят к ускоренному старению.
> В клетке существуют специальные системы защиты от АФК. Важное место среди них занимают ферменты, быстро нейтрализующие АФК. Показано, что усиление этих систем, а также внедрение вышеупомянутых ферментов с помощью генной инженерии в митохондрии может приводить к увеличению продолжительности жизни у животных.
> Животные, у которых из-за определенных мутаций была сильно снижена точность копирования митохондриальной ДНК (из-за чего в ней быстро накапливались повреждения и ошибки), были подвержены ускоренному старению. Кроме того, у этих животных наблюдалось повышенное окисление липидов внутренней мембраны митохондрий — четкий признак вредительства АФК. Это окисление, а также до некоторой степени и старение можно было предотвратить с помощью антиоксиданта, избирательно направленного в митохондрии (подробнее о таких антиоксидантах — в следующей главе).
