Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость

Ноу Ли

ДУХОВНЫЙ ПОВОРОТ?

Тот факт, что за миллиарды лет эволюции эукариотические клетки появились только единожды – случайное событие с точки зрения теории вероятности, – действительно заставляет думать, что их формирование направлялось высшей силой. Наука и духовность (а также некоторые религии) вполне могут сосуществовать. Эта идея излагается во многих академических и философских работах. Согласно теории конвергентной эволюции, если мы нажмем на кнопку и перезагрузим все вокруг, то через какое-то время (измеряемое миллиардами лет) жизнь вновь придет к тому, чем является сейчас. Дело в том, что, начав развитие заново, жизнь столкнулась бы все с теми же препятствиями, что и раньше, а так как естественный отбор предоставляет ограниченное количество идеальных решений конкретных проблем, с высокой степенью вероятности жизнь пошла бы проторенным путем. Эти рассуждения заставляют меня думать, не подчиняются ли биохимические процессы на других планетах закономерностям конвергентной эволюции?

Несмотря на то что мы коснулись темы, достойной другой книги, отметим вот что: аминокислоты (строительные блоки жизни) были найдены в составе метеоритов, более древних, чем наша Солнечная система. Пирролохинолинхинон (витамин B₁₄),

естественное водорастворимое витаминоподобное вещество, о котором мы поговорим в главе 3, был обнаружен в межзвездной пыли. Все это свидетельствует о том, что семена жизни были занесены на Землю из глубин космоса. Мы действительно являемся детьми звезд.

Полагаю, что некоторым читателям психологически трудно принять эту информацию. С эгоцентрической точки зрения человечество уникально. Наше сознание отделяет нас от механического мира физики и химии и, возможно, даже от низших форм жизни. Но факт в том, что фундаментальные сходства между всеми формами жизни превосходят различия. Я пишу это с полным пониманием и признанием противоречий между эволюционной теорией естественного отбора и религией. И хотя я предпочел бы избежать обсуждения таких противоречий, невозможно вести дискуссию об эволюции, не учитывая противодействия самой идее эволюционного развития со стороны многих верующих. Но отрицание реальности эволюции перед лицом множества убедительных доказательств, собираемых на протяжении столетий, – очень слабая позиция. Такая позиция мешает восприятию удивительной и очень интересной истории.

Конечно, в ней есть много слепых пятен, а многие научные концепции спекулятивны, но этого не стоит стыдиться и тем более выплескивать ребенка вместе с водой. К тому же следует помнить, что научные данные постоянно меняются: чем больше мы знаем, тем больше мы не знаем. И если наблюдение за природой противоречит той или иной теории – неважно, насколько она обоснована, популярна и привычна, – ее следует без церемоний отбросить и приложить все усилия для создания новой и более точной концепции. Именно это произошло с современным научным пониманием митохондрии: множество теорий было предложено, критически осмыслено, проверено, а затем принято в качестве допущения или отвергнуто. Так и должно быть, ибо научная база знаний постоянно претерпевает изменения.

Традиционным религиям важно развиваться, переходя к новой парадигме и включая в свои учения данные об эволюции как о процессе, направляемом высшей силой. Для твердолобых же ученых не менее важно признать, что, хотя мы иногда претендуем на всезнание, на самом деле нам мало что известно («Ничего ты не знаешь, Джон Сноу»). Следует со всем научным смирением помнить, что все наши знания о доступной Вселенной и реальности нашего мира (от фундаментальной химии до невероятно сложной квантовой физики) составляют не более 4 % от общего массива информации (по крайней мере, так утверждает Нил Деграсс Тайсон [2] ). Другими словами, у нас нет информации о 96 % постижимого сейчас космоса и окружающей человечество реальности.

Уверенность в знании «всего и вся» напоминает архаичную веру в то, что Земля – плоская.

Является ли эта книга истиной в последней инстанции? Конечно, нет. Как и все теории, которые в свое время считались верными, но затем были признаны полностью или частично ложными. Я всего лишь передаю вам знания, соответствующие уровню современной науки, и с нетерпением ожидаю новых данных, которые либо подтвердят их истинность, либо направят нас по совершенно (или частично) иному пути.

2

Нил Деграсс Тайсон – американский астрофизик, PhD по физике, писатель, популяризатор науки, агностик. – Здесь и далее примеч. ред.

Любая форма жизни, неспособная генерировать собственную энергию, обречена на гибель. Без энергии жизнь существовать не может. Дыхание снабжает кровь кислородом, который затем поступает практически в каждую из триллионов клеток нашего организма. Клетка направляет этот кислород в митохондрии, которые в ходе процесса клеточного (аэробного) дыхания используют его для превращения глюкозы, жирных кислот и (иногда) аминокислот в энергию. В это трудно поверить, но, постепенно эволюционируя, мы, жители Земли, стали наиболее могущественными генераторами энергии во всей Вселенной. В своей книге «Энергия, секс и самоубийство: митохондрии и смысл жизни» [3] Ник Лэйн приводит следующие данные: человеческие существа каждую секунду производят в 10 тыс. раз больше энергии (на грамм), нежели Солнце.

3

Лэйн Н. Энергия, секс, самоубийство: митохондрии и смысл жизни / Пер. с англ. Н. Ленцман. – СПб.: Питер, 2016. – 368 с.: ил. – (Серия «New Science»)

Здесь мы вновь сделаем небольшое художественное отступление и обратимся к фильму «Матрица». В этом фильме машины удовлетворяют свои потребности в движущей силе, собирая урожай с фабрик человеческой энергии. С точки зрения Лэйна, это вполне возможно. Кстати, он указывает на тот факт, что некоторые бактерии, включая азотобактеров [4] , превосходят Солнце в 50 млн раз. Отсюда следует вопрос: почему никто не взял азотобактеров и не создал источник чистой органической энергии? Наверняка эта идея, стоящая триллионы долларов, пришла в голову не только мне!

4

Азотобактеры – род бактерий, живущих в почве и способных переводить газообразный азот в растворимую форму, доступную для усваивания растениями.

Основа структуры митохондрий

На большинстве иллюстраций митохондрия изображена в виде палочки, хотя она может принимать разнообразные формы. В действительности митохондрии очень гибкие и могут делиться, подобно клеткам, или объединяться, формируя сложные структуры.

Данные исследований говорят о том, что они постоянно находятся в движении, перемещаясь туда, где в них есть нужда. Передвижение митохондрий

происходит вдоль микротрубочек, пронизывающих матрикс клетки (речь идет о цитоскелете, который придает клетке форму), при помощи моторных белков.

Метаболически активные клетки сердца, мышц и головного мозга обладают тысячами митохондрий. Яйцеклетка же (ооцит) содержит целую сотню тысяч митохондрий (!), тогда как в сперматозоидах их число обычно не превышает сотню. Красные же кровяные тельца и клетки кожи практически лишены этих генераторов энергии. На долю митохондрий приходится до 10 % массы человеческого тела. В целом их там порядка десяти миллионов миллиардов. Поговорка «сила в цифрах» представляется здесь вполне уместной.

Так как митохондрии в свое время были бактериями, их облик и размеры до сих пор напоминают вид и размеры бактерий. Однако, в отличие от бактерий, они отделены от остальной части внутреннего пространства клетки внешней мембраной (аналогом клеточной оболочки). Внутренняя же их мембрана напоминает мембрану бактерий, но образует многочисленные гребневидные складки – кристы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Митохондрия с двумя мембранами – внутренней и внешней. Складки внутренней мембраны увеличивают общую площадь ее поверхности

Кристы придают внутренней мембране характерную измятую форму, что значительно увеличивает поверхность для протекания биохимических реакций и, соответственно, производства энергии. При этом энергия генерируется за счет движения электронов по дыхательной цепи переноса электронов (электрон-транспортной цепи). Электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) и ферменты, отвечающие за производство энергии, локализованы на мембране (на ее внутренней стороне) и в самой митохондрии.

Внутреннее пространство митохондрии (матрикс) содержит ферменты цикла трикарбоновой кислоты (ЦТК), по-другому называемого циклом Кребса. Прохождение одного полного цикла трикарбоновой кислоты приводит к образованию трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН₂, которые снабжают топливом ЭТЦ. Две ферментные системы расположены в непосредственной близости друг к другу, и поэтому все процессы протекают без задержки.

Основы клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования

Каждый ребенок знает: чтобы жить – нужно дышать и есть. Однако возникает вопрос: почему это так? Почему (или как) обеспечение организма кислородом и питательными веществами наполняет нас живительной энергией? Клеточное дыхание – это самая важная из выполняемых митохондриями функций. Ферменты цикла Кребса и ЭТЦ используют молекулы, которые становятся доступными в ходе расщепления пищи, стыкуя их с кислородом (О₂), что приводит к высвобождению энергии. Важно отметить, что митохондрии – единственное место в клетке, где молекулы питательных веществ могут быть окислены для производства нужной для жизни энергии.

Несмотря на то что такое объяснение может удовлетворить большинство, мы должны подробней разобрать этот вопрос, потому что он напрямую выводит нас на тему здоровья и болезней, а ведь ради нее вы и пробираетесь сквозь дебри научного материала.

Давайте начнем с начальной фазы метаболизма глюкозы, которая называется гликолизом и происходит в гиалоплазме [5] . Именно здесь глюкоза благодаря серии химических реакций превращается в пируват (соль пировиноградной кислоты). Пируват транспортируется в митохондриальный матрикс, где еще одна цепочка реакций превращает его в ацетилкофермент А [6] . После этого начинается настоящая магия. Дело в том, что ацетилкофермент А дает старт циклу Кребса, в ходе которого происходит финальное высвобождение энергии из пищи, в результате чего синтезируются выдыхаемый нами углекислый газ (СО₂) и два типа молекул: НАДН и ФАДН₂. При этом расщепление находящихся в пище жирных кислот высвобождает ацетил-коэнзим А, который опять поступает в цикл Кребса.

5

Гиалоплазма – жидкая растворимая часть цитоплазмы клетки, заполняющая пространство между органеллами.

6

Ацетилкофермент А (ацетил-коэнзим А, ацетил-КоА) – важное для обмена веществ соединение, используемое во многих биохимических реакциях. Его главная функция – доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот, чтобы те были окислены с выделением энергии.

Следующая фаза называется окислительным фосфорилированием и происходит во внутренней мембране митохондрии. При окислительном фосфорилировании происходит перенос несколькими белковыми комплексами электронов от НАДН и ФАДН₂ по ЭТЦ к соединениям-акцепторам в ходе окислительно-восстановительных реакций. В конце ЭТЦ электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды. Энергия, выделяющаяся при каждом этапе движения электронов по дыхательной электрон-транспортной цепи, используется для транспорта протонов (атомов водорода) через матрикс в межмембранное пространство. Это приводит к высокой концентрации протонов между мембранами и их низкой концентрации в матриксе. Разница между уровнями концентрации протонов называется протонным (электрохимическим) градиентом и является потенциальной энергией. Эта энергия высвобождается при возвращении протонов обратно в митохондриальный матрикс под влиянием электрохимического градиента. Возвращение осуществляется через особые каналы, в которых происходит синтез молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), представляющей собой универсальный источник энергии и использующейся всеми живыми клетками. Все это можно представить себе так: вода (протоны) перекачивается в резервуар (межмембранное пространство) и накапливается перед плотиной (внутренней мембраной), стремясь вернуться в матрикс. По мере того как вода течет сквозь плотину по специальным каналам, она приводит в движение турбины, в результате чего высвобождается гидроэлектрическая энергия (рис. 1.2).