3) притягивается к полюсам магнита. В 1891 г. на одном из пятничных вечеров Дьюар с присущим ему артистизмом демонстрировал аудитории свое открытие, используя сильный магнит и недавно созданный им вакуумный сосуд, который теперь во всех лабораториях мира называют сосудом Дьюара. Этот опыт стал классическим, его показывают студентам во многих университетах (вы можете найти его демонстрацию в Интернете). Жидкий кислород выходит из сосуда Дьюара, притягиваемый магнитом. Жидкость повисает в воздухе и налипает на магнит, образуя облако, которое прогибается между полюсами магнита, а затем испаряется.
Что же при этом происходит? В 1925 г. Роберт Малликен смог объяснить магнитные свойства кислорода, применив сформулированную незадолго до того квантовую теорию. Магнитные свойства вещества объясняются спином неспаренного электрона, а как показал Малликен, в молекуле кислорода есть два неспаренных электрона[36]. Именно они определяют химические свойства этого элемента и усложняют получение молекулярным кислородом других электронов для образования химических связей (рис. 8). Из данного химического тупика есть два выхода. Во-первых, кислород может получить энергию от другой молекулы, возбужденной теплом или светом, что изменит спин одного из неспаренных электронов кислорода. Такое действие оказывают некоторые пигменты, что используется для фотодинамической терапии, основанной на способности активированного светом пигмента разрушать опухоли или другие патологические ткани.
Изменение спина одного электрона приводит к образованию электронной пары и освобождению одной орбитали, что позволяет кислороду вступать в реакции (снимаются так называемые спиновые ограничения). Кислород в такой форме называют синглетным кислородом. Он быстро реагирует с органическими молекулами. Если бы синглетный кислород был единственной формой кислорода, он никогда бы не накапливался ни в атмосфере, ни в океане.
Второй способ заставить кислород вступать в химические реакции заключается в том, чтобы передавать ему дополнительные электроны по одному, так чтобы каждый из двух неспаренных электронов получил подходящего партнера независимо от другого. Это может делать железо, поскольку оно имеет собственные неспаренные электроны (которые объясняют его магнитные свойства) и существует в разных состояниях окисления, которые в нормальных условиях характеризуются примерно одинаковой энергетической стабильностью. (Отчасти дело в том, что атом железа большой и удаленные от ядра электроны связаны с ним не очень прочно.) Способность железа передавать электроны по одному объясняет его сродство к кислороду и ржавление железных изделий и минералов. С этим же связана необходимость прятать железо в организме в молекулярные ловушки. Некоторые другие металлы, например медь, которые тоже могут существовать в двух или нескольких степенях окисления, эффективно передают электроны кислороду и поэтому в свободном виде тоже опасны.
Живые системы вынуждены учитывать странные химические свойства кислорода и, чтобы заставить его реагировать, передают ему электроны по одному. Клетки научились разделять процесс окисления пищи на отдельные стадии, на каждой из которых выделяется некоторое количество энергии, запасаемой в виде молекул АТФ (см. главу 3). К сожалению, на каждой стадии могут выделяться одиночные электроны, способные присоединяться к кислороду с образованием супероксидных радикалов. Непрерывное возникновение супероксидных радикалов в клетках означает, что, как ни странно, дыхание таит в себе ту же опасность, что и облучение.
Когда мы находимся в состоянии покоя, от 1 до 2% поглощенного клетками кислорода выделяется в виде супероксидных радикалов, а при физической активности этот показатель может достигать 10%. Эти цифры не кажутся угрожающими, но следует помнить, что при каждом вдохе мы поглощаем много кислорода. Взрослый человек с массой тела 70 кг за минуту вдыхает около четверти литра кислорода. Даже если лишь 1% превращается в супероксидные радикалы, за год человек производит 1,7 килограмма этих частиц. А из супероксидных радикалов в соответствии с приведенными выше реакциями могут возникать гидроксильные радикалы и пероксид водорода.
Они могут возникать, но возникают ли они на самом деле? Человеческий организм выработал эффективные механизмы устранения супероксидных радикалов и пероксида водорода до того, как они встретятся с железом и образуют гидроксильные радикалы (подробнее об этих механизмах мы поговорим в главе 10). Можно ли оценить, сколько гидроксильных радикалов все же образуется в организме, несмотря на указанные защитные механизмы?
К решению этой задачи можно подойти с двух сторон. Во-первых, теоретически мы способны рассчитать скорость образования гидроксильных радикалов на основе оценочных значений стационарной концентрации пероксида водорода и железа и известной кинетики реакции. По-видимому, в теле человека пероксид водорода и железо содержатся в стационарной концентрации около миллионной части грамма на килограмм массы тела. Это означает, что в организме образуется меньше 10-12 г гидроксильных радикалов на килограмм массы тела в секунду. Представить себе столь малую величину невозможно, но, если с помощью числа Авогадро перевести количество граммов в количество молекул, получаем значительно более понятное значение: в каждой клетке человеческого тела за секунду образуется примерно 50 гидроксильных радикалов[37]. Это означает, что за сутки каждая клетка выделяет 4 млн гидроксильных радикалов! Многие из них нейтрализуются тем или иным способом, а поврежденные молекулы ДНК или белков заменяются новыми, но со временем в организме, состоящем из 15 × 1012 клеток, накапливаются повреждения, которые вполне могут быть причиной старения.
Все хорошо, но пока это только теория. Если в клетках происходят такие серьезные повреждения, мы должны иметь возможность их измерить. Второй путь оценки количества выделяемых гидроксильных радикалов как раз и заключается в анализе нанесенных ими повреждений. Один метод анализа был разработан в конце 1980-х гг. Брюсом Эймсом и его группой в Беркли. Ученые следили за содержанием окисленных фрагментов расщепления ДНК в моче. Однако на этом пути возникает несколько сложностей. ДНК постоянно подвергается воздействию различных ферментов в нормальных процессах репликации и репарации, так что лишь некоторые типы окисленных фрагментов ДНК являются результатом действия гидроксильных радикалов, а другие могут возникать в нормальных физиологических процессах. Таким образом, мы должны точно знать, какие фрагменты являются результатом действия гидроксильных радикалов и какую часть всего набора фрагментов они составляют.
Одно такое основание — 8-гидроксидезоксигуанозин (8-ОНdG) — химически модифицированная форма дезоксигуанозина (G в четырехбуквенном коде ДНК). Эймс и его коллеги измеряли концентрацию этого вещества в моче крыс, а затем на основании полученных данных пытались рассчитать число гидроксильных радикалов, которые «атакуют» ДНК в каждой клетке тела крысы. Они пришли к выводу, что за сутки в каждой клетке происходит до 10 тыс. таких «атак», но бóльшая часть повреждений ликвидируется, и поэтому 8-OHdG оказывается в моче. В более поздних исследованиях аналогичный анализ был выполнен на людях. В клетках человека, по-видимому, выделяется меньше гидроксильных радикалов, чем в клетках крыс, но все же число «атак» за сутки в одной клетке достигает нескольких тысяч. Это на несколько порядков меньше, чем приведенное выше расчетное значение (4 млн радикалов), однако не стоит забывать, что речь идет только о повреждениях ДНК, но не о возможных повреждениях липидов клеточных мембран или белков, которых в клетке значительно больше, чем ДНК.
Несмотря на сильный разброс данных, тот факт, что гидроксильные радикалы образуются и при дыхании, и под действием излучения, позволяет сравнивать между собой эти процессы. Джеймс Лавлок использовал примерно такие же значения для расчета эквивалентной дозы облучения, которую мы получаем в процессе дыхания. По его оценкам, за год в процессе дыхания в организме возникают такие же повреждения, как при однократном поглощении дозы в 1 зиверт (1 Дж/кг). Доза облучения при стандартном рентгенологическом обследовании грудной клетки составляет 50 мкЗв, так что год дыхания кислородом оказывается в 10 тыс. раз более опасным, чем рентген грудной клетки, или в 50 раз более опасным, чем все излучение, которое мы в норме получаем из самых различных источников за всю жизнь.
Да, цифры впечатляющие, но не совсем честные. Для начала, мы не знаем, подвергается ли «атакам» функциональная или так называемая мусорная ДНК, которая ничего не кодирует, но составляет преобладающую часть человеческой ДНК. Кроме того, между дыханием и облучением есть одно важное различие — начальная точка. Под действием излучения из воды сразу образуются гидроксильные радикалы, случайным образом распределенные во внутриклеточном пространстве. Поскольку в норме мы не подвергаемся высоким дозам радиоактивного излучения, у нас нет механизма немедленной защиты. Напротив, при дыхании поначалу о