Читать онлайн Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость бесплатно

Без мидихлориан жизнь не может существовать, и мы никогда не узнали бы, что такое Сила. Они непрерывно общаются с нами, указывая путь Силы. Когда ты научишься усмирять свой разум, то обязательно услышишь, что они говорят.

Звездные войны, Эпизод 1, «Скрытая угроза». Квай-Гон Джинн – Энакину Скайуокеру

Давным-давно, в далекой-далекой галактике существовали обладавшие коллективным разумом микроскопические формы жизни, находящиеся внутри клеток всех живых существ. Количество мидихлориан свидетельствует о способности воспринимать и использовать в своих целях вездесущее энергетическое поле, известное как Сила. Высокая концентрация мидихлориан позволяет входить в контакт с Силой и управлять ею. В обычном человеке насчитывается максимум 2500 мидихлориан на одну клетку, а у джедаев их содержание намного больше. Самая большая концентрация мидихлориан была обнаружена у джедая Энакина Скайуокера (свыше двадцати тысяч на клетку).

Являясь неотъемлемой частью жизни, мидихлорианы присутствуют во всех мирах, где она есть. Более того, можно сказать, что они – условие существования жизни. Если в организме пребывает достаточное количество мидихлориан, это позволяет чувствовать Силу. Такая связь может быть усилена медитативным успокоением ума. Медитируя, будущий джедай позволяет мидихлорианам «говорить» и транслировать волю Силы.

Я уверен, что многие из читателей сейчас думают: «Совсем рехнулся! Что за бред он несет?» Хотя, конечно, фанаты научной фантастики и люди, выросшие на «Звездных войнах», припомнят, что мидихлорианы – плод творческого воображения Джорджа Лукаса… или нет?

Концепция мидихлориан впервые была сформулирована Лукасом еще в 1977 году. Тогда он засел за работу вместе с одним из членов своей команды и продиктовал основополагающие положения, проясняющие концепции его вселенных. Среди них была и концепция мидихлориан (несмотря даже на то, что у Лукаса не было времени или возможности представить ее на суд широкой публики до 1999 года, когда на экраны вышел первый эпизод «Звездных войн» – «Скрытая угроза»). Объяснение того, почему некоторые люди чувствуют Силу, а другие – нет, занимало Лукаса с самого начала, пусть он около 20 лет оставлял проблему неразрешенной.

Тема мидихлориан, симбиотически существующих с человеческим организмом, красной нитью проходит сквозь «Скрытую угрозу». Поразительно, но описание мидихлориан в целом совпадало с научными представлениями о митохондриях – органеллах, которые обеспечивают энергией клетки в нашем реальном мире. Считается, что, подобно мидихлорианам, митохондрии в свое время были самостоятельными организмами, которые затем населили живые клетки и стали их частью. Даже сейчас митохондрии, обладая собственной ДНК, в ряде случаев ведут себя как независимая форма жизни.

Многие из читателей изучали митохондрии на уроках биологии. Учителя часто называют их «крошечными электростанциями», живущими внутри клетки и генерирующими практически всю необходимую ей энергию. В зависимости от типа клеток в каждой из них, как правило, живут от нескольких сотен до пары тысяч митохондрий. Они используют кислород из воздуха, которым мы дышим, чтобы сжигать калории, находящиеся в съедаемой нами пище, и обеспечивать организм полезной энергией.

Возможно, вы слышали о митохондриальной Еве. Это «матерь матерей» – женщина, от которой современное человечество предположительно унаследовало митохондриальную ДНК. Дело в том, что ДНК митохондрий наследуется только по материнской линии.

Считается, что митохондриальная Ева жила в Африке примерно 170 тысяч лет назад. Это не означает, что она была первым человеком. Речь идет о том, что она – наиболее близкий к нам по времени прародитель всех живущих ныне людей.

Митохондрии обладают собственной ДНК («генами»), которые в природе передаются только от матери к дочери (передача идет через материнские яйцеклетки, тогда как сперматозоиды лишены этой функции), и это дает возможность составить родословную человечества). Митохондриальная ДНК – это в своем роде «генетическая фамилия», мтДНК. В отличие от западной традиции, согласно которой фамилия передается по отцовской линии (и может измениться по самым разным причинам, включая брак), линия фамильной мтДНК остается неизменной, позволяя нам проследить происхождение человечества, идя по прямому (женскому) пути. Это также означает, что мы можем подтвердить или опровергнуть наличие родственных связей между теми или иными людьми.

Исследование мтДНК приносит огромную пользу в рамках криминологической экспертизы, позволяя идентифицировать живых людей или трупы. Одной из причин высокой эффективности исследования мтДНК является генетическое богатство митохондрий. Тогда как в каждой клетке находится только по две копии каждой нити ядерной ДНК (яДНК), расположенной в ядре, которое представляет собой центр управления всей внутриклеточной системой, геном каждой митохондрии представлен пятью-десятью копиями. В клетке есть только одно ядро, на которое приходится «орда» митохондрий. Отсюда следует, что в каждой клетке присутствуют многие тысячи копий одной и той же мтДНК.

Медиков интересует прежде всего «митохондриальная теория старения». Рассмотрим ее позже, а сейчас отметим, что, в соответствии с этой концепцией, старение и связанные с ним болезни обусловлены постепенной деградацией митохондрий. Дело в том, что во время нормального клеточного дыхания – процесса, в ходе которого митохондрии расщепляют употребляемую нами пищу с помощью вдыхаемого нами кислорода, формируются свободные радикалы – активные молекулы кислорода, лишившиеся парного электрона и в процессе поиска старающиеся отобрать недостающий электрон у других молекул, входящих в состав клеток и тканей.

Свободные радикалы кислорода разрушают находящиеся рядом структуры, включая как ядерную, так и митохондриальную ДНК. Они атакуют каждую из наших клеток десятки тысяч раз в сутки. Бо́льшая часть нанесенного ими ущерба потихоньку компенсируется за счет мощных восстановительных механизмов клетки, но иногда эти нападения могут привести к непоправимым последствиям – перманентным мутациям ДНК. Так как волны атак со стороны свободных радикалов практически непрерывно накатывают на внутриклеточные структуры, со временем происходит накопление этих мутаций. Когда степень ущерба достигает порогового значения, клетка умирает. С каждой новой умершей клеткой происходит медленная дегенерация соответствующей ткани. Многие возрастные болезни дегенеративного плана и даже само старение обусловлены процессом неуклонного разрушения тканей, вызванного атаками на митохондрии свободных радикалов кислорода, производимых самими митохондриями.

Существует ряд врожденных или приобретенных митохондриальных заболеваний, поражающих метаболически активные ткани (мышцы, сердце, мозг и т. д.) и вызывающих самые разные симптомы (в зависимости от локализации в наибольшей степени охваченных разрушительными процессами тканей). Некоторые из этих болезней могут быть известны читателю.

В 2015 году члены палаты общин парламента Великобритании проголосовали за легализацию спорного метода лечения бесплодия посредством процедуры замещения митохондрий (переноса ядерного генома). Суть одобренной технологии состоит в экстракорпоральном оплодотворении, в котором принимает участие материал от трех разных доноров, что позволяет предотвратить передачу наследственных митохондриальных заболеваний от матери ребенку. Сначала готовят два набора клеток: яйцеклетки бесплодной женщины, содержащие дефектные митохондрии, и яйцеклетки здоровой и способной к деторождению женщины-донора с митохондриями, ДНК которых не несет опасных мутаций. Затем из материнской яйцеклетки (ооцита) здоровой женщины извлекаются ядро (однако в яйцеклетке остается все остальное, включая здоровые митохондрии). После этого ядро из зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) бесплодной женщины переносится в здоровую донорскую яйцеклетку. Во всем остальном мире перенос ядерного генома запрещен из этических и практических соображений, однако Соединенное Королевство продолжает выделяться на общем фоне, позволяя детям рождаться от трех генетических родителей (ядерная ДНК наследуется от матери и отца, а митохондриальная ДНК – от донора, или третьего родителя). В 2016 году на территории Великобритании была выдана первая лицензия на перенос ядерного генома, что привело к созданию всех законных условий для появления первого ребенка от одного отца и двух матерей. (Я пишу о законных условиях, потому что впервые этот метод был применен в 2015 году в Мексике в подпольных условиях, а ребенок с тремя генетическими матрицами был рожден в 2016 году).

При всем этом на протяжении последних 20 лет один из самых важных вопросов, связанных с миром митохондрий, не привлекал особого внимания прессы. Речь идет о роли, которую митохондрии играют в процессе апоптоза, то есть запрограммированной гибели клеток или, другими словами, клеточного самоубийства. Смысл апоптоза состоит в самоуничтожении клетки ради блага организма как целого.

До определенного момента ученые считали, что апоптоз инициируется ядерной ДНК. Однако в середине 90-х у них открылись глаза: в ходе исследований было доказано, что апоптоз запускается и управляется митохондриями. Значение этого открытия для медицины очень велико, причем прежде всего для борьбы с раком. Клетки, как мы отметили выше, постоянно стареют или подвергаются атакам, что приводит к мутациям их ДНК. Когда мутации накапливаются в клетке, которая хочет бесконтрольно самовоспроизводиться, возникает зловещее новообразование – раковая опухоль. Современная наука считает основной причиной онкологических заболеваний отказ клеток умирать по приказу единой системы организма.

Из сказанного выше следуют и более глубокие выводы. Без запрограммированной клеточной смерти сложные многоклеточные организмы никогда бы не смогли достичь необходимого для контролируемой эволюции уровня внутренней направленности и организованности, а привычный мир был бы совершенно неузнаваем. Я понимаю, что это звучит странно, но при чтении раздела «Эволюция эукариотических клеток» все станет на свои места.

К этому следует присовокупить тот факт, что комплексные (многоклеточные) организмы состоят из клеток, имеющих ядро (эукариот) и превосходящих по размеру и сложности одноклеточные бактерии (которые не имеют ядра). Вскоре вы поймете, что без митохондрий эукариотические клетки просто не могут удовлетворить свои потребности в энергии.

Хотя я не хочу вдаваться в вопрос эволюционной теории пола, то есть говорить о том, как появились мужчины и женщины, митохондрии могут ответить и на этот вопрос. Секс между мужчиной и женщиной, несмотря на доставляемое им удовольствие, – неэффективный способ репродукции. В мире людей для рождения одного ребенка требуется два родителя (хотя здесь, конечно, возможны варианты). Для вегетативного же размножения достаточно единственной «материнской» особи – отец тут не только бесполезен, но и вреден, так как требует дополнительных ресурсов (по странному совпадению, я пишу эти строки в День отца). Более того, наличие двух полов означает, что каждый из нас может зачать детей, занимаясь сексом с представителями лишь половины человеческой популяции. Столь явная расточительность приводит к бессмысленной трате энергии с математической точки зрения. Логичнее было бы, если бы каждый мог зачать детей от каждого вследствие существования единого пола или бесчисленного числа полов.

Однако наличию двух полов в человеческом мире есть разумное объяснение, и его дают митохондрии: тогда как женщины специализируются на передаче своих митохондрий потомству (через яйцеклетки), функция мужчин заключается в блокировании их передачи (митохондрии сперматозоида при оплодотворении не проникают внутрь клетки или разрушаются в ней). Мы подробно рассмотрим эту тему в главе 2 (раздел «Митохондрии и бесплодие»).

Экскурс в науку о живой клетке

Я должен предупредить вас: сейчас мы затронем вопросы, которые несколько сложны для понимания, особенно если у вас нет научной подготовки. Чтобы максимально убедительно показать значимость митохондрий и важность исследования, описанного в книге, нам нужно рассмотреть некоторые научные детали. Прояснив по крайней мере базовые понятия из курса клеточной биологии, мы будем разговаривать на одном языке. Поэтому, я думаю, быстрый научный обзор, сделанный «пунктиром», стоит того, чтобы посвятить ему несколько лишних страниц. Если он утомит вас частными подробностями, отвлекитесь от них и сконцентрируйтесь на главном. Определенный же уровень детализации предназначен для читателей с научной подготовкой, которым будет полезно оценить сложность рассматриваемых феноменов. Итак, начнем.

Клетка – это простейшая индивидуальная форма жизни, и, соответственно, она представляет собой базовую единицу биологии. Самыми простыми клетками являются одноклеточные организмы, в число которых входят бактерии. Они чрезвычайно малы, редко превышают несколько тысячных миллиметра в диаметре. Чаще всего бактерии похожи на сферы или палочки, однако есть и исключения. От внешней среды они защищены крепкой, но водопроницаемой оболочкой. Внутри этой оболочки находится клеточная мембрана – необычно тонкая и нежная, но обладающая существенной водонепроницаемостью. Бактерии используют мембрану для генерации энергии. Именно бактериальная мембрана со временем стала внутренней мембраной митохондрий, вероятно, самой важной мембраной человеческого тела.

Внутри бактериальной клетки находится цитоплазма – желеобразная масса, в которой «гудит рой» бесчисленных биомолекул. Самые крупные из них очень сложно рассмотреть даже с помощью мощного микроскопа, увеличивающего изображение в миллион раз. Среди такого рода молекул – легендарные молекулы ДНК, состоящие из двух полинуклеотидных цепей и открытые Уотсоном и Криком более чем полвека назад. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали. Если же идти еще дальше, то рассмотреть что-либо практически не представляется возможным. Однако биохимический анализ показывает: бактерии – простейшая из форм жизни – столь сложны, что мы до сих пор многого не знаем об организации их невидимых глубин.

Люди состоят из других типов клеток[1]. Хотя они и считаются базовой единицей жизни, размер человеческих клеток в сотни тысяч раз превышает размер бактерий, и это позволяет нам увидеть там много интересного. В частности, внутри клеток человеческого организма находятся очень важные структуры, называемые мембранными органеллами и включающие в себя самые разные белки. Органеллы для клетки – то же самое, что органы для человеческого тела. Подобно сердцу, печени, почкам и т. д., они выполняют четко определенные функции. Кроме того, в цитоплазме присутствуют все виды крупных и мелких везикул, а также густая трехмерная сетевая система микротрубочек, которые называются цитоскелетом, или клеточным каркасом. Функция цитоскелета – поддержание и адаптация формы клетки ко внешним воздействиям. Наконец, в каждой клетке человеческого организма есть ядро, которое, как считают ученые, является ее управляющим центром. Такие клетки называются эукариотическими. Все растения, животные, водоросли – по сути, все живое, доступное человеческому глазу, состоит из эукариотических клеток, а в каждой из них есть свое собственное ядро.

Внутри же ядра клетки находится ДНК. Хотя ДНК эукариотической клетки имеет точно такую же двойную спиралевидную структуру, что и ДНК бактерий, есть кардинальные различия в их организации. Бактерии характеризуются кольцевой ДНК, состоящей из длинных перекрученных петель. Кольцевая ДНК похожа на деформированный и спутанный клубок ниток, у которых нет начала и конца. В каждой бактерии присутствует множество копий ДНК, но все это – копии одних и тех же генов. В эукариотических же клетках обычно есть некоторое количество хромосом – линейных, а не циркулярных. Это не значит, что нити ДНК в ядре эукариотических клеток являются прямыми. Просто они обладают различимыми концами. В отличие от кольцевой ДНК, каждая хромосома содержит в себе разные гены. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, всего в клетке человеческого организма – 46 хромосом. В ходе деления клетки хромосомы удваиваются, будучи соединенными в центре и образуя знаменитую Х-образную форму, известную нам из школьных уроков биологии.

Хромосомы состоят не только из ДНК. Они покрыты особыми белками, среди которых находятся гистоны (упаковка ДНК), защищающие ее от вредоносных воздействий извне и при этом выполняющие функции генетических стражей. Гистоны – отличительный признак именно эукариотических хромосом, тогда как ДНК бактериальных хромосом лишена гистонного щита и, можно сказать, обнажена перед внешними воздействиями.

Каждая из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль ДНК, является копией другой. Когда они разъединяются в процессе деления клетки, каждая из цепей сохраняет информацию, необходимую для воссоздания полноценной двойной спирали в новой клетке. Как соотносятся между собой ДНК, гены и белки? Геном – это некоторая информация, которая определяет молекулярную структуру белков, из которых построен организм, а также (косвенно) алгоритм развития и общий план строения организма. ДНК же – носитель этой информации. Точно так же, как слова русского языка формируются лишь из 33 букв, каждый из генов состоит всего из четырех молекулярных букв. Специфика конкретного гена определяется их последовательностью.

Геном (который может состоять более чем из миллиона букв) – это полная совокупность генов организма. Каждый ген (обычно состоящий из тысяч букв) в сущности является шифром того или иного белка. Белок – это цепочка из комплексов, называемых аминокислотами. Именно конкретная последовательность аминокислот детерминирует функциональные свойства каждого белка.

Мутации возникают при изменении последовательностей генетических букв и приводят к трансформации аминокислоты или структуры белка. К счастью, природа выстроила достаточно прочную систему предохранительных механизмов: несколько комбинаций букв могут сформировать один и тот же белок, и, соответственно, мутации не всегда приводят к деструктивным изменениям в функциях или структуре белка.

Это важно, потому что белки – основа жизни. Их формы и функции практически безграничны, и известная нам жизнь без них не могла бы существовать. Понимание функциональных особенностей белков позволяет отнести их к той или иной из широких категорий, таких как ферменты, гормоны, антитела и нейротрансмиттеры.

Процесс синтеза белков от начала и до конца контролируется рядом других белков, среди которых наиболее важными являются транскрипционные факторы. Хотя ДНК содержит гены, на самом деле они неактивны, и их экспрессия регулируется именно транскрипционными факторами, которые активируют тот или иной специфический неактивный участок ДНК, в результате чего синтезируется конкретный белок. При этом, вместо того чтобы воздействовать непосредственно на ДНК, клетка обращается к ее копиям под названием РНК. Есть разные типы РНК, и каждый из них выполняет свои функции. Первый из них – матричная (информационная) РНК (мРНК). Она представляет собой точную копию соответствующей последовательности генов ДНК. Молекулы мРНК выходят из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке (мембране). Как только молекула мРНК появляется на поверхности цитоплазматической части ядерной мембраны, она находит одну из тысяч рибосом – фабрик по производству белков. Работа рибосом – транслировать зашифрованную в мРНК информацию, синтезируя ту или иную последовательность аминокислот, составляющую конкретный белок.

Надеюсь, вы еще со мной. Я постарался максимально просто изложить материал, блуждая в дебрях которого сотни ученых пытались, пытаются и будут пытаться прояснить подробности вышеприведенного урока биологии. У большинства из вас, уважаемые читатели, формируется (или обновляется) некий фундамент знаний, позволяющий понять значимость митохондрий и их внутреннюю сущность. Что ж, давайте продолжим.

Эволюция эукариотической клетки

Несмотря на то что греческое слово «эукариотический» означает «истинно ядерный», содержимое эукариотических клеток помимо собственно ядра включает и иные составные части, например митохондрии. В свое время они являлись самостоятельными организмами – бактериями, которые вошли в состав других бактерий, но не были ими переварены (как это обычно бывает), а наладили с ними симбиотические (партнерские) взаимоотношения, приносящие пользу обеим сторонам. Неудивительно, что митохондриальный геном имеет много общего с альфа-пробактериями – микроорганизмами, приносящими пользу своему хозяину.

Данные научных исследований говорят о том, что вхождение одних бактерий в состав других произошло около двух миллиардов лет назад. Первоначально оба вида представляли собой полностью независимые организмы и обладали всеми генами, необходимыми для независимой жизни. Однако после симбиотического поглощения они начали бесконечные эксперименты как биохимического, так и генетического плана.

Путь проб и ошибок достиг кульминации в период умопомрачительного развития жизни длиной в 1,2 миллиона лет, но в итоге поглощенная бактерия стала специализироваться на выработке энергии (стала митохондрией), а оставшиеся части новообразованной и все еще примитивной эукариотической клетки приобрели специфические структуры и функции. Приобретение митохондрий, как полагают ученые, стало решающим моментом в истории жизни, как мы ее знаем. Если это так, то именно митохондриям мы обязаны богатством земной биосферы. Если бы не митохондрии, то жизнь никогда бы не вышла за рамки одноклеточного существования.

Несмотря на то что митохондрии и их «хозяева» когда-то были бактериями, возникшие в результате симбиоза эукариотические клетки характеризуются очень сильными, многообразными и интересными изменениями по сравнению со своим бактериальным прошлым. Во-первых, эукариотические клетки являются настоящими гигантами по сравнению с крошечными бактериями. Объем эукариотических клеток превышает объем бактерий как минимум в десять тысяч, а как максимум в сто тысяч раз.

Во-вторых, как мы уже отмечали, у эукариотической клетки есть ядро. Обычно клеточное ядро представляет собой сферу, окруженную двумя мембранами, состоящими из защитных белков и скрывающими за собой плотную массу ДНК. У бактерий же, наоборот, ядро отсутствует, а их ДНК довольно примитивна и лишена защиты.

Третье отличие заключается в размере геномов (общего набора генов) эукариотических клеток и бактерий. Бактерии обладают гораздо меньшим количеством генов, чем их эволюционировавшие потомки. Кроме того, эукариотические клетки имеют гораздо больше некодирующей ДНК (участков ДНК, которые не участвуют в системе кодирования мРНК, определяющей, какие будут синтезированы белки). Раньше ученые думали, что некодирующая ДНК является мусорной и не приносит пользы. Но новейшие исследования показывают, что обширные участки некодирующей ДНК (или, по крайней мере, их часть) выполняют множество функций. Как бы то ни было, ДНК эукариотических клеток требует гораздо больше энергии, чем ДНК бактерий, для того чтобы копировать находящуюся в ней информацию и обеспечивать ее копирование.

Наконец, ДНК эукариотических клеток и ДНК бактерий существенно отличаются друг от друга в плане структуры. Хромосома бактерий имеет кольцевую замкнутую структуру. Будучи прикрепленной к клеточной стенке, она предпочитает свободно плавать в цитоплазме. Так как ДНК бактерий не покрыта защитной белковой оболочкой, она всегда готова к репликации (копированию). Гены бактерий объединяются в функциональные кластеры, каждый из которых нацелен на решение определенных задач. Помимо этого, в бактериях находятся плазмиды – небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные автономно воспроизводить себя. Они представляют собой двухцепочные кольцевые молекулы. Крошечные кольца плазмид способны к независимому самовоспроизведению и могут сравнительно быстро передаваться от бактерии к бактерии. Напротив, у эукариотических клеток гены расположены на хромосомах случайным образом, более того, они часто разбиты на короткие участки, перемежаемые длинными участками некодирующей ДНК. Чтобы синтезировать какой-либо белок, обширные участки ДНК нужно прочитать много раз. Более того, к тому моменту, когда мРНК эукариотической клетки покидает ядро, она уже разрезана и избавлена от избыточного генетического материала – некодирующих участков. Процесс вырезания определенных участков мРНК называют сплайсингом. После этого кодирующие участки сшиваются вместе и формируют ген, кодирующий искомый белок. Сам по себе доступ к генам является довольно сложным, потому что хромосомы покрыты плотной оболочкой из гистонов – белков, о которых мы упоминали выше. Гистоны обеспечивают ДНК определенную степень защиты, но при этом затрудняют связь с ней. Если гены должны реплицироваться (то есть создавать копии самих себя) в целях деления клетки или осуществлять синтез белка, то структура гистонов должна изыскивать возможность для обеспечения доступа к ДНК. Это – работа другого типа белков, о которых мы также говорили выше, – факторов транскрипции.

Чтобы не зацикливаться на этой теме, просто скажу, что бактерии в ходе эволюции обрели поистине примитивную эффективность, тогда как большинство эукариотических клеток являются гигантскими и невероятно сложными живыми системами. Вся эта сложность требует огромного количества энергии.

Высоких расходов энергии требуют и другие аспекты жизнедеятельности эукариотической клетки. Сравним цитоскелет эукариотической клетки и оболочку бактерии, или прокариотической клетки. Несмотря на сходство функций (поддержание структуры клетки), они отличаются друг от друга в той же степени, что и человеческий скелет – от экзоскелета (панциря черепахи или хитинового покрова насекомого).

Стенки бактериальных клеток варьируют по своей структуре и составу, но в целом представляют собой жесткую оболочку, позволяющую бактерии сохранять свою форму и предотвращающую ее распад при внезапных изменениях внешней среды. Напротив, эукариотические клетки обычно имеют гибкую оболочку, структурную стабильность которой придает внутренний клеточный каркас. Цитоскелет – очень динамичная и постоянно перестраивающаяся структура, которая требует больших энергозатрат. Это дает эукариотическим клеткам огромное преимущество, так как они могут менять форму и очень активно пользуются этой возможностью. Классическим примером этого являются макрофаги (вид белых кровяных клеток), поглощающие враждебные организму частицы, бактерии и остатки погибших клеток.

Практически каждый аспект жизнедеятельности эукариотической клетки – изменение формы, большие размеры, формирование ядра, синтез сложных структур ДНК, многоклеточность организма, из которого они состоят – требуют огромного количества энергии и зависят от митохондрий. Без митохондрий высшие животные вряд ли могли бы существовать, потому что при отсутствии митохондрий возможно только анаэробное дыхание (производство энергии в отсутствии кислорода), которое гораздо менее эффективно, чем используемое митохондриями аэробное дыхание. Митохондрии позволяют клетке производить в 15 раз больше энергии (синтезируя аденозинтрифосфат (АТФ) – универсальный источник энергии для всех биохимических процессов), чем она могла бы получить без «крошечных электростанций». Люди и другие высшие животные выживают и вообще существуют благодаря им.

Митохондрии – источники Силы

Итак, эволюция превратила митохондрии в мельчайшие генераторы энергии для живой клетки. Они являются органеллами, выполняющими функции внутриклеточной пищеварительной системы, вбирающей в себя питательные вещества, расщепляющей и превращающей их в энергию. Этот процесс называется клеточным дыханием (респирацией), и большая часть химических реакций, вовлеченных в него, происходит в митохондриях.

Митохондрии – очень маленькие органеллы, которые при этом оптимально организованы для выполнения своих сложных функций. Как уже было сказано, в каждой клетке находится от нескольких сотен до нескольких тысяч митохондрий. Точное количество зависит от потребностей клетки. Множество митохондрий обнаружены в сердце и скелетных мышцах, механическая работа которых требует мощного потока энергии, и в большинстве органов, таких как поджелудочная железа, осуществляющая биосинтез инсулина; печень, ответственная за очищение организма, и, конечно, в головной мозг, чьи нейроны буквально обжираются энергией.

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.

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.

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!

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.

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).

Это очень эффективный процесс по извлечению скрытой в пище энергии для синтеза АТФ. Все подлинно жизненно важные действия (дыхание и поглощение пищи) осуществляются для того, чтобы обеспечить митохондрии материалом для производства энергии. Если занять депрессивно-редукционистскую позицию, то мы живем, чтобы давать работу нашим митохондриям.

Рис. 1.2. Процесс производства энергии в митохондриях подчиняется тем же базовым принципам, что и работа гидроэлектростанции. По мере того как вода (протоны) перекачивается в резервуар (межмембранное пространство) и накапливается перед плотиной (внутренней мембраной), давление на нее становится все более сильным. Оно заставляет воду пробиваться сквозь находящиеся в плотине каналы, что приводит в действие генерирующие энергию турбины

Игра в «горячую картошку»: электрон-транспортная цепь (ЭТЦ)

В митохондриях находятся четыре мембраносвязанных комплекса: три из них – это протонные насосы. Каждый характеризуется чрезвычайно сложной структурой, встроенной во внутреннюю мембрану. На рис. 1.3 показаны компоненты ЭТЦ. Следуя за потоком электронов (е) вниз по ЭТЦ, можно увидеть, куда направляются протоны (H). Комплекс I забирает электроны у молекул НАДН и передает их коферменту Q10 (CoQ10, обозначенному на рисунке как Q). CoQ10 также получает электроны от комплекса II. Затем CoQ10 передает электроны комплексу III, который, в свою очередь, передает их цитохрому c. Цитохром с передает электроны комплексу IV, который принимает их и два иона водорода (H) и вступает в реакцию с кислородом, что приводит к образованию воды (H₂O).

Рис. 1.3. Дыхательная электрон-транспортная цепь (ЭТЦ), включая АТФ-синтазу. Цикл Кребса (ЦТК) производит НАДН и ФАДН₂, которые включаются в ЭТЦ на этапе первого и второго комплексов соответственно. Оба комплекса передают электроны (е) коферменту Q10, после чего электроны продолжают свой путь до тех пор, пока не вступают в реакцию с кислородом (О₂), для того чтобы синтезировать воду (H₂O). Протоны (H+) накачиваются комплексами I, III и IV, создавая градиент концентрации протонов, или протонный градиент. Затем протоны возвращаются с помощью АТФ-синтазы, и в результате синтезируется АТФ

Важно понимать, что передача электронов вниз по ЭТЦ не всегда является на сто процентов эффективной. Небольшая часть электронов сбивается с курса и вовлекается в молекулярную игру «горячая картошка», в результате чего происходит их утечка в матрикс. Такие электроны слишком рано вступают в реакцию с кислородом, что приводит к формированию супероксида – потенциально опасного свободного радикала. Свободные радикалы – это молекулы с высокой реакционной способностью. Они играют огромную роль в окислительном стрессе, приводящем к развитию множества болезней и даже старению как таковому (об этом я вкратце расскажу ниже).

ОТРАВЛЕНИЕ УГАРНЫМ ГАЗОМ (МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА)

При отравлении угарным газом этот токсин подменяет кислород в качестве конечного пункта следования электронов, спускающихся по ЭТЦ. Если это происходит, то клеточное дыхание останавливается, так как электроны не могут двигаться дальше. Если угарный газ не удалить из клетки, митохондрии умрут, что в свою очередь приведет к смерти клеток, а затем к гибели всего организма.

Тем, кто знаком с концепцией свободных радикалов, может быть интересно узнать, что электрон-транспортная цепь – это основной участок производства эндогенных свободных радикалов (то есть свободных радикалов, возникающих в самом организме, в отличие от внешних вредоносных факторов, таких как промышленные выбросы). Все это вскоре соберется в единый пазл. А пока давайте закончим обзор ЭТЦ и ее компонентов.

Комплекс I – первый шаг в ЭТЦ

Известный также как НАДН-дегидрогеназа, комплекс I представляет собой большую молекулу, состоящую из 46 белковых субъединиц. Он забирает два электрона у НАДН и передает их жирорастворимому коферменту убихинону (окисленному CoQ10, или просто Q). В рамках двухшагового процесса CoQ10 восстанавливается до убихинола (QH₂) и проталкивает 4 протона (H) через мембрану, создавая таким образом протонный градиент. Это – основной участок в ЭТЦ, откуда электроны ускользают, чтобы сформировать вредоносные супероксиды.

Комплекс II: второй шаг, или короткий путь к ЭТЦ

Этот уникальный комплекс, также называемый сукцинатдегидрогеназой (или сукцинат-убихинон-оксидорекдуктазой), прямо участвует как в цикле Кребса, так и в ЭТЦ. Он состоит всего из четырех белковых субъединиц и является единственным комплексом в ЭТЦ, который не выкачивает протоны. Его функция заключается в переносе дополнительных электронов от сукцината к CoQ10 (через ФАДН₂). Другие доноры электронов (такие как жирные кислоты) также вводятся в ЭТЦ через ФАДН₂.

Комплекс III: близнецы, жонглирующие электронами

Комплекс III, известный как цитохром-bc1-комплекс, является димером, то есть состоит из двух идентичных и сравнительно простых комплексов. Каждая часть димера включает в себя 11 белковых субъединиц, что в совокупности равняется 22.

Рис. 1.4. Комплекс I принимает электроны от молекулы НАДН и передает их с помощью железосерных кластеров (Fe-S) коферменту Q10 (Q). В результате четыре протона (H) выкачиваются из матрикса в межмембранное пространство

Именно здесь протекает цикл Q, многоступенчатый процесс, благодаря которому убихинол (кофермент Q восстановленный) трансформируется в убихинон (окисленный CoQ10). Сеть из четырех протонов выкачивается соответствующим насосом и вносит свой вклад в протонный градиент.

Это второй основной участок в ЭТЦ, где электроны могут выпасть из общей цепи и вместе с кислородом сформировать свободные радикалы в форме супероксида.

Комплекс IV: создатель воды

Комплекс IV, или цитохром с-оксидаза, состоит из 13 белковых субъединиц. Он обеспечивает отъем четырех электронов у четырех молекул цитохрома с (Cyt c) и передачу их молекулам кислорода (О₂), что приводит к синтезу двух молекул воды. В результате два протона выкачиваются через мембрану, участвуя в создании протонного градиента.

Рис. 1.5. Комплекс II также является частью цикла Кребса, в котором синтезируется ФАДН₂. Затем электроны ФАДН₂ с помощью железосерных кластеров (Fe-S) передаются коферменту Q10 (Q). Это – единственный комплекс, который не выкачивает протоны

О ТОМ, КАК ВЕРБЛЮДЫ ОБХОДЯТСЯ БЕЗ ВОДЫ В ПУСТЫНЕ

Настало время развеять миф о верблюдах, которые якобы носят запасы воды в своих горбах. На самом деле их горбы являются залежами жира, который не только служит источником большого количества энергии, но и, расщепляясь в ходе окислительного фосфорилирования, превращается в воду под воздействием комплекса IV (приблизительно 1 грамм или миллилитр воды на каждый грамм сжигаемого жира). Отчасти поэтому (есть у них и другие адаптационные механизмы) верблюды могут столь долгое время обходиться без воды.

Рис. 1.6. Комплекс III принимает электроны восстановленного кофермента Q₁₀ (QH₂) в ходе многоступенчатого процесса под названием Q-цикл. Электроны перемещаются к цитохрому с (Cyt c), после чего четыре протона (H) выкачиваются в межмембранное пространство

ОТРАВЛЕНИЕ ЦИАНИДОМ И СУИЦИД

Цианистый калий – широко известный яд (он использовался при массовом самоубийстве в Джонстауне, Гайана, а также часто выдается военным на случай неизбежного пленения), который убивает за счет остановки ЭТЦ. Цианид-ионы блокируют комплекс IV (цитохромоксидазу), связываясь с железом, входящим в состав данного фермента, чем препятствуют переносу электронов между цитохром сцитохром с-оксидазой и кислородом и прерывают этот жизненно важный процесс. Сегодня наиболее эффективным противоядием против цианистого калия является гидроксокобаламин (форма витамина В₁₂), который вступает в реакцию с цианидом и образует цианилкобаламин (форма витамина B₁₂, присутствующая в большинстве питательных веществ и легко выводимая из организма почками).

Рис. 1.7. Комплекс IV принимает электроны от цитохрома с (Cyt c), выкачивает четыре протона в межмембранное пространство и передает электроны конечному получателю, кислороду (О₂), в целях синтеза безопасной субстанции – воды (H₂O)

Суперкомплексы: оптимизация скорости потока электронов

То, что я рассказал, относится к школьному и вузовскому курсам биологии. В дополнении к четырем комплексам есть еще и АТФ-синтаза (которую некоторые ученые относят к комплексу V). В целом ЭТЦ митохондрий состоит из пяти белковых комплексов, функция которых заключается в синтезе АТФ. Современные биологические исследования выявили несовершенство стандартной теории о свободно плавающих во внутренней мембране митохондрий дискретных ферментах. Научные данные свидетельствуют о том, что митохондриальные ферменты ЭТЦ собраны в более крупные супрамолекулярные структуры, называемые «цельными суперкомплексами». Наличие этих структур резко повышает качество переноса электронов, так как расстояние, которое электрон должен преодолеть между комплексами, сокращается до нескольких нанометров.

Чтобы еще больше запутать ситуацию, отметим, что в научном мире обсуждается не только существование суперкомплексов, но и их возможное разнообразие. Примером является суперкомплекс респирасома, в который входят комплексы I, III и IV. Есть суперкомплексы, в которые входят только комплексы I и III или комплексы III и IV. Такие сочетания комплексов обусловливают доступность пула CoQ10 и цитохрома с для этих суперкомплексов.

Есть доказательства того, что некоторые расстройства здоровья связаны с диссоциацией компонентов этих суперкомплексов. Я намеренно не буду указывать на конкретные заболевания, потому что вопрос еще недостаточно изучен, и упоминаю о данных исследованиях, чтобы показать: наши знания в этой области постоянно эволюционируют и расширяются.

АТФ-синтаза: соединение ЭТЦ и окислительного фосфорилирования

АТФ-синтаза (аденозинтрифосфатаза, или комплекс V) – важный фермент, являющийся финальной ступенью в длинной цепи событий, кульминацией которых становится синтез АТФ.

Именно этот фермент соединяет протонный градиент (возникающий в результате функционирования ЭТЦ и восстановления кислорода до воды) с фосфорилированием – процессом добавления фосфатов к аденозиндифосфату (АДФ), который превращается в аденозинтрифосфат (АТФ). Все это называется окислительным фосфорилированием.

АТФ-синтаза, будучи крупным ферментом, представляет собой мельчайшую из известных нам машин. В интернете можно найти несколько удачных анимированных иллюстраций ее работы, и я советую вам не пожалеть времени и посмотреть их. Фактически АТФ-синтаза – это роторный двигатель, состоящий из множества крошечных белковых деталей. АТФ-синтаза состоит из двух основных компонентов – главного вала, который пронизывает мембрану насквозь, и прикрепленной к нему вращающейся головки, которая в электронный микроскоп напоминает шляпку гриба. Давление протонов, скопившихся снаружи от мембраны, проталкивает их через вал и вращает головку; три протона, проходящие через вал, проворачивают головку примерно на 120 градусов, так что она совершает полный оборот за три щелчка. На головке находятся три участка связывания, и именно на них происходит сборка АТФ. С каждым поворотом головки образующееся напряжение создает или разрывает химические связи. Первый участок связывает АДФ; при следующем повороте головки к АДФ присоединяется фосфат и образуется АТФ; третий поворот высвобождает АТФ. У людей для каждого полного оборота головки нужны девять протонов, при этом образуются три молекулы АТФ.

Использование протонных насосов для хранения потенциальной энергии в форме электрохимического градиента, а затем укрощение этой энергии по мере того, как она проходит сквозь мембрану, чтобы создать химическую энергию, может выглядеть довольно странным механизмом. Однако он присущ всем формам земной жизни.

Рис. 1.8. Молекулярное изображение АТФ-синтазы, демонстрирующее ее направленность и сложность

Аналогично происходит и фотосинтез растений, хотя в этом случае солнечная энергия используется для выкачивания протонов через мембрану хлоропласта, который представляет собой результат растительной эволюции митохондрий. Бактерии, являясь прародительницами митохондрий, функционируют в этом же ключе. Они создают протонный градиент за счет разницы в концентрациях растворенного вещества по обе стороны мембраны и разницы зарядов и свободно удерживаются с помощью их клеточной стенки. Но, в отличие от людей и млекопитающих, в растительном мире конечным «приемником» электронов, движущихся по ЭТЦ, могут быть самые разные молекулы, а не только кислород. Как бы то ни было, извлекаемая с помощью ЭТЦ энергия используется для выкачивания протонов через мембрану. Этот механизм является столь универсальным, что может считаться отличительным признаком жизни на Земле.

Рис. 1.9. Иллюстрация механизма генерации энергии с помощью окислительного фосфорилирования посредством комплекса I (верхняя половина рисунка) и комплекса II (нижняя половина рисунка)

Митохондриальная ДНК: любопытный реликт древности

После поглощения бактерии, впоследствии ставшей митохондрией, бактерией-хозяином она некоторое время жила на правах паразита. Организм хозяина давал ей практически все, что нужно для выживания, и поэтому она обленилась. Ей не было нужды содержать громоздкую и бесполезную ДНК. В самом деле, зачем кодировать белки, если это с успехом делает хозяйская ДНК? Природа также задалась этим вопросом и со свойственной ей безжалостной эффективностью сделала так, что паразитическая бактерия начала терять лишние гены.

И все бы ничего, только при утрате наиболее важных генов клетка неизбежно умирает. Лэйн в своей книге приводит следующий пример: наши предки-приматы однажды (миллионы лет назад) лишились гена, синтезирующего витамин С. К счастью, их диета была богата фруктами с повышенным содержанием этого витамина. Поэтому потеря данного гена не вызвала катастрофических последствий: древние человекообразные выживали и даже процветали. Но откуда мы знаем, что они в свое время обладали геном витамина С, если его нет у современных людей? Бо́льшая часть его находится в мусорной ДНК, и этот рудимент идентичен функционирующему гену рецептора витамина С у других видов.

Утрата бесполезных генов – весьма распространенное явление. Бактерии могут потерять их в течение нескольких часов или дней. Как это помогает выживанию? Деление клеток, обеспечивающее репродукцию бактерий, требует очень большого количества энергии, тогда как бактерии в сравнении с эукариотами производят очень мало энергии. Чем меньше размер бактериальной ДНК, тем меньше энергии требуется для ее копирования для дочерних клеток. Эффективность сброса генетического балласта проявляется в малом количестве мусорного ДНК на главной хромосоме бактерий.

Вы можете возразить, что утрата генов – это неэффективный механизм, потому что сброшенные гены могут быть вновь востребованы. Тем не менее отказ от генов бактериями не является столь безрассудным, как это может показаться. Дело в том, что бактерии могут вновь приобрести нужные им (равно как и другие) гены в рамках процесса, называемого горизонтальным переносом генов. Бактерии способны подбирать ДНК в окружающей их среде (забирая генетический материал у мертвых клеток или других бактерий) с помощью бактериальной конъюгации, которая не сильно отличается от акта совокупления между людьми в плане передачи ДНК. (Ну ладно, возможно, различия здесь существенны, но главное здесь то, что бактерии могут приобретать новые гены и успешно пользуются этой способностью.) Феномен горизонтального переноса генов, позволяющего бактериям получать новый генетический материал, говорит о том, что введение в пищевую цепь генетически модифицированных растений и животных может привести к непредсказуемым последствиям и требует гораздо более углубленных исследований, нежели проведены до сих пор. Бактерии в наших кишечниках или в кишечниках наших домашних животных способны вобрать в себя модифицированные гены. Если это произойдет, то в царствах животных и растений может начаться необратимый хаос (а ведь существует бесконечное число иных возможностей утечки модифицированных генов в мир живой природы).

Процесс потери и приобретения генов сохраняет общую генетическую базу бактерий в состоянии постоянного изменения, что является благоприятным для выживания, так как предупреждает потерю той или иной колонией всех «избыточных» генов в конкретный момент времени. Какая-то часть входящих в данное сообщество бактерий, как правило, сохраняет эти гены в полностью функциональном состоянии, и, если в них вновь возникает нужда, передает реабилитированный генетический материал остальным членам сообщества посредством механизма горизонтального переноса. Развитая способность бактерий делиться друг с другом генами объясняет такие явления, как очень быстрое распространение резистентности к антибиотикам в рамках больших бактериальных сообществ. Именно поэтому регулирующие организации требуют от компаний-изготовителей пищевых добавок с содержанием пробиотиков доказательств того, что соответствующие пробиотические штаммы не обладают сопротивляемостью к антибиотикам (в противном случае генетическая защита от лекарств может быть передана потенциально патогенным бактериям в кишечнике).

Процесс переноса хромосомных генов при конъюгации гораздо быстрее протекает при участии содержащихся в хромосоме крошечных колец – плазмид