Чому ми старіємо? І чи можна якщо не зупинити, то хоча б уповільнити цей процес? У книзі "Проти годинникової стрілки: Що таке старіння і як з ним боротися "(видавництво" Альпіна нон-фікшн ") біолог, науковий журналіст і редактор Поліна Лосєва розповідає, як старіє людське тіло, чому вікові зміни - це не завжди погано і що заважає науці нарешті виявити таблетку від старості. Оргкомітет премії «Просвітитель» включив цю книгу в «довгий список» з 25 книг, серед яких будуть обрані фіналісти та лауреати премії. пропонує своїм читачам ознайомитися з уривком, присвяченим вільнорадикальній теорії старіння і розплаті за тимчасову перемогу над старістю.
Найголовніша отрута
Прихильники теорій старіння як зношування люблять категоричні висловлювання. Наприклад, геронтолог з Орхуського університету Суреш Раттан описує своє бачення проблеми так: "Кожного разу, коли я вдихаю, - каже він, - я вбиваю себе. Щоразу, коли я їм, я вбиваю себе ".
Однак це не просто красиві слова. Насправді це парафраз найпотужнішої з теорій «wear and tear» - вільнорадикальної теорії старіння, яку запропонував американський хімік Денхам Харман у 1955 році. З точки зору цієї теорії причина розпаду тіла криється в ушкодженнях макромолекул. У них, у свою чергу, винні вільні радикали, а своєю появою в клітинах вони зобов'язані страшній отруті - кисню.
Незважаючи на те, що в організмі людини травлена і дихальна системи існують окремо одна від одної, для клітини харчування і дихання - це частини єдиного процесу. Кисень, який постачає в організм дихальна система, потрібен клітинам для того, щоб їсти, тобто отримувати енергію з їжі.
Основною їжею для наших клітин є глюкоза. Добути з неї енергію можна прямо в процесі розщеплення на частини, цей процес називають гліколізом. Але при цьому енергії виходить небагато - якщо вимірювати її в «енергетичній валюті» клітини, молекулах АТФ. Тому клітина може прожити на одному гліколізі недовго - так роблять, наприклад, м'язові волокна при скороченні, коли енергія потрібна терміново.
Якщо ж у клітини є час на те, щоб добути побільше енергії, то вона йде більш довгим шляхом: те, що залишилося від глюкози після розщеплення, відправляється в мітохондрію. Там розпад глюкози триває, поки від молекули не залишаються тільки вуглекислий газ (який ми видихаємо), а ще окремі протони і електрони на спеціальних переносниках, головний з яких - НАД (його позначають як НАД· Н, коли на ньому є водень, і як НАД +, коли він «вільний»).
Довгий шлях розщеплення глюкози в мітохондріях дає в 18 разів більше енергії (АТФ), ніж гліколіз. Крім того, за допомогою мітохондрій клітина може отримувати енергію і з інших молекул - наприклад, білків і жирів, - які не можуть брати участь у гліколізі.
Але за високоефективне мітохондріальне дихання клітці доводиться платити. Щоб вчасно звільняти переносники, клітина використовує кисень: він реагує з протонами і електронами, утворюючи молекули води. Таким чином, клітина стає залежна від надходження кисню, а за його відсутності швидко гине.
У той же час у кисню є і одна неприємна властивість: оскільки це хімічно активна молекула, час від часу вона вступає в незаплановані хімічні реакції. Наприклад, захоплює не чотири електрони, як годиться, а всього один - і перетворюється на супероксид. Зустрічаючись з протонами, супероксид перетворюється на перекис водню. А вона вже, в свою чергу, розпадається, утворюючи гідро ксильний радикал. Все це - активні форми кисню, які дають початок іншим вільним радикалам в клітці, вступаючи в реакції з навколишніми їх молекулами, а потім пошкоджують білки, жири і - в крайніх випадках - навіть ДНК, викликаючи в клітині окислювальний стрес.
Оскільки першими під удар активних форм кисню потрапляють мітохондрії, то одна з гілок вільнорадикальної теорії передбачає, що саме їх пошкодження рухає старінням. Її так і називають - мітохондріальна теорія старіння, - і саме нею займався Обрі ді Грей до того, як придумав свій «інженерний підхід». Згідно з цією теорією, атака вільних радикалів заважає мітохондріям видобувати енергію з їжі, що залишає клітку без ресурсів.
Крім того, з віком мітохондрій у клітинах стає менше. Активні форми кисню вносять мутації в мітохондріальну ДНК, а далі мітохондрії-мутанти конкурують один з одним у клітці і поступово гинуть. Нещодавно японські вчені підрахували, що щороку у клітинах гине на 0,36% більше мітохондрій, ніж утворюється. Ця цифра здається невеликою, але якщо людина живе досить довго, то різниця стає суттєвою: за 104 роки життя з 1000 мітохондрій залишається всього 685. Відповідно, вони можуть постачати все менше енергії і її перестає вистачати на внутрішньоклітинний ремонт.
Так чи інакше, чим більше радикалів, тим вищий рівень стресу. Слабкий окислювальний стрес виникає щоразу, коли кисень потрапляє в клітку. Сильний розвивається рідше - наприклад, якщо кисню занадто багато або якщо клітина не здатна протистояти слабкому. У відповідь на сильний стрес клітини старіють, тобто перестають ділитися, починають виділяти SASP (набір провоспалювальних білків) і набувають інших ознак сенесцентності. Цей феномен назвали стрес-індукованим старінням (SIPS, stressinduced premature senescence). Тобто для того, щоб зістарити клітку, багато часу не потрібно: досить великої дози окислювального стресу.
Таким чином, вільні радикали стають неминучим побічним продуктом дихання і розплатою клітини за можливість отримувати енергію. Ми могли б жити одним гліколізом і супутніми процесами, як роблять дріжджі, але тоді нам не вистачило б ресурсів на скорочення м'язів і роботу нейронів нервової системи. Складний пристрій нашого тіла не дозволяє йому обійтися без кисню. І в цьому сенсі Раттан, безумовно, правий: кожен шматок їжі і кожен вдих збільшує кількість активних форм кисню і, отже, посилює в клітинах окислювальний стрес (накопичення вільних радикалів і пошкодження білків).
Вільнорадикальна теорія старіння, як і інші теорії з групи «wear and tear», передбачає, що старіння невідворотне. Оскільки жити без кисню ми не вміємо, то неминуче будемо дихати і спалювати глюкозу, а кисень буде поставляти нам вільні радикали, руйнуючи клітини зсередини. І чим більше активних форм кисню, тим коротше життя.
Втім, не варто думати, що клітини абсолютно беззахисні перед обличчям вільних радикалів. Одночасно з диханням клітини виробляють антиоксиданти - речовини, які нейтралізують активні форми кисню. Це, наприклад, білки: супероксиддисмутаза, яка бореться з супероксидом, або каталазу, яка розкладає перекис водню на воду і кисень. Як антиоксиданти можуть виступати й інші речовини, для яких ця функція не основна, - наприклад, вітаміни С і Е.
Проте антиоксиданти «пропускають» якусь кількість активних форм кисню, тому деякі молекули від них все-таки страждають. На зіпсовані молекули у клітки теж є управа - ми вже говорили про неї в другій частині книги - це системи прибирання сміття: білки репарації (які лагодять ДНК), протеасоми (які розщеплюють зіпсовані білки) і аутофагія (процес перетравлювання білкових комків або цілих органелл). Однак невеликий відсоток пошкоджень неминуче вислизає і від них, і з віком кількість окислених макромолекул у клітці зростає.
Чи є життя без стресу
Логічно припустити, що можна продовжити життя, знизивши рівень окислювального стресу. Ймовірно, з цим у тому числі пов'язане довголіття голих землекопів: у підземних тунелях, де вони живуть, немає сонячного світла, а разом з ним і ультрафіолетових променів - джерела вільних радикалів у клітинах. Крім того, під землею концентрація кисню в повітрі дещо нижча, ніж на поверхні: близько 20% замість належних 21%. Ймовірно, забравшись поглибше, голі землекопи втекли не тільки від хижаків, але і від джерел окислювального стресу.
Є серед тварин і такі, які вміють позбавлятися від стресу на всі 100%. Для цього вони впадають в ангідробіоз, тобто практично повністю висихають. Це вміють круглі хробаки, деякі раки, тихоходки та інші безхребетні, але найкраще ця форма існування вивчена у африканського комара-дзвінця Polypedilum vanderplanki. Він живе в Африці, на південь від Сахари. Чотири дощових місяці в році, коли тварини можуть розмножуватися, змінюються вісьмома місяцями жорстокої спеки. Личинки комарів зазвичай виводяться в калюжах на поверхні гранітних скель, тому спекотні дві третини року їм доводиться перечікувати у вигляді сушеної «мумії».
Впадаючи в ангідробіоз, личинка комара втрачає майже всю воду з тіла, до 98% і більше. На зміну воді приходить вуглевод трегалозу, який заповнює весь внутрішній простір клітин. Він складений з двох молекул глюкози, але таким чином, щоб з нею не можна було вступити в хімічну реакцію. Тому трегалоза виконує роль наповнювача: підтримує форму клітини і не дає мембрані схлопнутися і злипнутися. Крім того, личинка виробляє велику кількість спеціальних білків, які обволікають власні білки клітин, щоб ті не змінили форму при висиханні.
У результаті виходить щось на зразок мумії або стародавньої тварини, що застрягла в бурштині, яких досі знаходять по всьому світу. Втім, і це порівняння не цілком точне. Найбільше ангідробіоз нагадує технологію пластифікації, за допомогою якої люди зараз консервують тіла померлих для подальших досліджень: по кровоносних судинах тіла пускають застигаючий полімер, який заповнює порожнини і застигає, не дозволяючи розпадатися структурі.
Ангідробіоз робить личинок комарів практично супергероями. Вони без найменших наслідків переживають вісім місяців спеки і воскресають назад за півгодини у воді. При необхідності вони можуть виконати цей трюк ще кілька разів. Крім того, у висушеному стані вони витримують дію багатьох токсинів і радіації, а ще перебування в космосі і перепади температури від -270 до + 102 ° С.
Секрет у тому, що, позбавляючись всієї своєї води, личинки зупиняють хімічні процеси в клітинах. Макромолекули, якими заповнені клітини, вступають у хімічні реакції тільки в розчині - їм необхідно пересуватися по клітці, щоб дістатися один до одного. За відсутності води це неможливо, тому висушена личинка не їсть і не дихає, не будує білків і не копіює ДНК, і на її клітини не діє ніякий стрес.
Чи це означає, що за вісім місяців ангідробіозу тварина не старіє? Строго кажучи, для самих личинок комара-дзвінця це ще не доведено. Але є дані по тихоходці - більш відомому супергерою, - яка теж відрізняється стійкістю до самих різних життєвих негараздів і теж впадає в ангідробіоз. Ось у неї, судячи з усього, за час, проведений в стані тотальної сухості, ознак старості не додається, і роки проходять для неї непомітно. Деякі автори навіть порівнюють безхребетних у стані ангідробіозу зі Сплячою красунею з казки, для якої час зупинився на сотню років.
Однак ця тимчасова перемога над старістю дається тваринам нелегкою ціною: зупиняючи старіння, вони зупиняють і протягом власного життя. Як говорив Лао-цзи, "оволодіння Піднебесної завжди здійснюється за допомогою недіяння. Хто діє, не в змозі опанувати Піднебесну ". Перефразовуючи його слова стосовно старіння, можна сказати, що безсмертний тільки той, хто не живе.
Детальніше читайте: . Проти годинникової стрілки: Що таке старіння і як з ним боротися/Поліна Лосєва. - М.: Альпіна нон-фікшн, 2020. - 470 с. - (Серія PRIMUS).