Приведенное выше точное определение годится для химии или пищевой промышленности, но не для биологии. В присутствии железа донор электронов может быть как антиоксидантом, так и прооксидантом. Все зависит от контекста. Поэтому в данной главе я предлагаю проанализировать контекст и не учитывать детали — оставить редукционистский подход и посмотреть, как работает синтез. Это позволит понять, как целые организмы — одноклеточные или многоклеточные — противостоят окислению. Мы будем проводить анализ не только на уровне химических реакций, но и на уровне морфологии и поведения.
Защититься от окислительного стресса можно пятью способами: спрятаться в укрытие, применить антиоксидантные ферменты, устранить свободные радикалы, осуществить репарацию и запустить индуцируемые стрессом peaкции. Некоторые организмы, особенно те, что прячутся от кислорода, пользуются лишь одним или двумя механизмами, тогда как другие, включая нас с вами, вынуждены применять все средства защиты. Мы — настоящие машины по производству антиоксидантов. Чтобы увидеть, как работает эта защита, мы обсудим принцип действия каждого механизма. Это далеко не исчерпывающий анализ — я выделю только некоторые аспекты влияния этих механизмов на наше с вами физическое и физиологическое устройство.
Самый простой способ защититься от токсичного кислорода — спрятаться от него. Малюсеньким бактериям укрыться легко. Некоторые строго анаэробные бактерии, которые погибают в присутствии даже следовых количеств кислорода, прячутся внутри других клеток. Пример крайней нетерпимости — метаногенные бактерии, которые живут в желудке крупного рогатого скота и овец. Как матрешки, они скрываются внутри симбиотических микробов, которые расщепляют целлюлозу из травы, а те, в свою очередь, прячутся в желудке животных.
Кишечник различных животных — от поедающих древесину термитов до слонов — весьма комфортабельное место, предоставляющее укрытие многим анаэробным микробам. У нас в кишечнике живут большие колонии так называемых комменсальных (симбиотических) бактерий, которые обычно безвредны или даже полезны, но иногда могут оказаться столь же зловредными, как издаваемый ими запах. Считается, что метаболическая емкость всей популяции кишечных бактерий равна метаболической емкости печени. Непереваренные органические вещества и бактерии впитывают кислород, так что в толстой кишке создаются почти аноксические условия с концентрацией кислорода ниже 0,1% атмосферного уровня. В таких условиях анаэробные бактерии, такие как Bacteroides, в сотни раз превосходят по численности своих аэробных родственников.
Конечно, гораздо шире распространены свободноживущие анаэробные бактерии, которые защищаются от кислорода, создавая вокруг себя буферную зону. Хороший пример — сульфатредуцирующие бактерии, которые в качестве побочного продукта метаболизма выделяют сероводород (см. главы 3 и 4). Сероводород взаимодействует с кислородом с образованием сульфата, что одновременно пополняет запасы сырьевого материала для сульфатредуцирующих бактерий и устраняет растворенный кислород. Так бактериям удается избежать контакта с внешним миром и поддерживать вокруг себя постоянные условия. Эволюция сульфатредуцирующих бактерий началась, возможно, еще 2,7 млрд лет назад, и на протяжении более 2 млрд лет они занимали доминирующее положение в глубинах океана. Их и теперь можно обнаружить в водах Черного моря и вообще в любой застойной и зловонной тине, в том числе в нашем кишечнике. Их способность обустраивать мир по своему вкусу сравнима, пожалуй, только со способностью цианобактерий, которые на протяжении 3,5 млрд лет использовали солнечный свет, наполняя воздух кислородом. Эти две группы бактерий противоположны, как библейские силы света и тьмы. Сульфатредуцирующие бактерии прячутся от света и воздуха в темноте и зловонии подземного мира. Однако их ядовитые выбросы помогают поддерживать экологическое разнообразие. Как противопоставление света и тьмы в рамках многих религий определяет мир, где мы с вами соответствуем земному уровню морали, так и противоположные полюса живого мира создают целый спектр условий, в которых расселяются все бесчисленные формы жизни.
Многие одноклеточные организмы не защищаются от кислорода, но быстро перемещаются из тех мест, где его концентрация особенно высока, в экологические ниши, созданные сульфатредуцирующими и подобными им бактериями. В главе 3 мы обсуждали, что свободноживущие ресничные организмы активно уплывают от кислорода. Вообще говоря, это довольно сложная реакция. Для ее реализации клетки должны иметь датчики, определяющие концентрацию кислорода в окружающей среде. Собранная информация сопрягается с движением ресничек. Датчики представляют собой белки, напоминающие по структуре гемоглобин. Гемовые белки прекрасно подходят для этой цели, поскольку их физические свойства изменяются в присутствии кислорода (гемоглобин меняет цвет от алого до темно-красного). Представители всех трех доменов жизни используют гемовые белки в качестве датчиков кислорода, так что, вероятно, и последний универсальный общий предок (LUCA, см. главу 8) использовал их для той же цели.
В описанной ситуации гемовые белки выступают в роли антиоксидантов: они удерживают концентрацию кислорода в приемлемых пределах. Даже если клетки не движутся, как в клубеньках бобовых растений (см. главу 8), гемовые белки выполняют антиоксидантную функцию, связывая избыток кислорода и высвобождая его очень медленно, чтобы поддерживать вокруг себя постоянно низкую концентрацию.
Некоторые микробы защищаются от кислорода, физически экранируя себя от этой напасти. Самым простым экраном может служить слой мертвых клеток — как мертвое тело погибшего товарища может защитить солдата от пули. Именно так защищаются анаэробные клетки, обитающие в строматолитах (cм. главу 3), состоящих из множества слоев мертвых клеток. Они живут так на протяжении 3,5 млрд лет.
Более сложный способ защиты состоит в секреции слизи. Все свободноживущие аэробные микроорганизмы окружают себя капсулой слизи; для них это так же нормально, как для краба — жить в панцире. Слизь имеет ряд преимуществ перед известковой оболочкой. Джеймс Лавлок не смог преодолеть этот уровень защиты бактерий, когда в начале 1950-х гг. пытался стерилизовать больничное оборудование с помощью жестких ультрафиолетовых лучей. Ему удалось уничтожить бактерии, не имеющие слизистой оболочки, но даже при очень высокой интенсивности ультрафиолетового излучения, в сотни раз превышающей нормальный атмосферный уровень, эта обработка не оказала никакого влияния на бактерии, защищенные слизью. В главе 6 мы говорили о том, что излучение повреждает клетки путем образования свободных радикалов из воды. Слизь защищает клетки от свободных радикалов и отчасти позволяет объяснить удивительную способность клеток выживать в космическом пространстве и в других средах с высоким уровнем излучения. Выжить в космосе с помощью субстанции, которую мы обычно рассматриваем не иначе, как симптом простуды! Изображение отвратительных пришельцев из фильмов ужасов, возможно, имеет под собой гораздо более явный биологический фундамент, чем предполагали их создатели. Наверное, вы не очень сильно удивитесь, когда узнаете, что слизь ограничивает распространение свободных радикалов гораздо более изобретательным способом, чем просто за счет повышения вязкости.
Бактериальная слизь — это смесь длинноцепочечных полимеров, отчасти аналогичных пластмассам, имеющих одно общее свойство: все они несут на себе отрицательный заряд. Поэтому слизь прочно связывает положительно заряженные ионы, такие как железо и магний, вытягивая их из их окружения. Это сродство настолько велико, что некоторые бактерии применяются в промышленном масштабе для извлечения тяжелых металлов из сточных вод.
Какое преимущество дает бактерии металлический жакет? Ответ может показаться неожиданным. В главе 6 мы говорили о том, что пероксид водорода и супероксидный радикал не очень активны и до вступления в реакцию могут диффундировать на некоторое расстояние. Они представляют опасность только в присутствии ионов металлов, могущих катализировать образование чрезвычайно реакционноспособных гидроксильных радикалов. Учитывая способность металлов катализировать опасные свободнорадикальные peaкции, наличие металлического жакета может показаться недостатком, а не достоинством, поскольку связано с постоянной опасностью. Однако, накапливая железо вокруг себя, бактерии удерживают свободные радикалы на определенном расстоянии, не позволяя им войти внутрь клетки. Слизь приносится в жертву, а железо превращается в биологически неактивную ржавчину. Эффект такой же, как от взрыва бомбы на безопасном расстоянии. Кроме того, такой контролируемый взрыв уничтожает захватчиков, таких как бактериофаги (вирусы бактерий), и даже клетки иммунной системы, которые пытаются поглотить бактерии. Таким образом, существует прямая корреляция между толщиной слизистой оболочки и инфицирующей способностью некоторых бактерий.
По мере накопления ионов металлов слизистая оболочка утолщается. В конечном итоге бактерии погибают под тяжестью своего инкрустированного жакета. Иногда в полосатых железных горах обнаруживают микроскопические пустоты, которые, возможно, образованы телами бесчисленного множества инкрустированных железом бактерий. Сами бактерии растворились, остались только их металлические оболочки — свидетельства массовых захоронений.
Не только микробы используют такие «примитивные» методы защиты. Эквивалентный механизм работает в организме каждого из нас. Мы тоже прячемся под слоем мертвых клеток, который называем кожей. Как ресничные, мы используем гемовые белки в качестве датчиков, чтобы поддерживать внутреннее содержание кислорода на постоянном уровне. Как сульфатредуцирующие бактерии, мы применяем серу для создания кислородного буфера (мы поговорим об этом позднее). Мы секретируем слизь для защиты носовых ходов, дыхательных путей и легких от кислорода и бактериальных инфекций. Как клетки анаэробных бактерий скрываются от кислорода в кишечнике, так и наши с вами клетки «прячутся» внутри организма, где концентрация кислорода намного ниже, чем в опасном окружающем мире.