и паразитический червь Fasciola hepatica. Когда эти паразиты попадают в организм человека, они подвергаются атаке кислородными радикалами, высвобождаемыми нейтрофилами и другими иммунными клетками. Эта атака настолько сильна, что может вызвать очень сильную воспалительную реакцию и жар, способные убить не только паразита, но и хозяина. Большинство паразитов защищаются с помощью антиоксидантных ферментов, таких как СОД, но, как ни странно, лишь у немногих есть каталаза для удаления пероксида водорода. В 1980-х гг. это казалось противоречием: действие СОД в отсутствии каталазы должно убивать паразитов, усиливая реакцию иммунной системы. Но этого не происходит. Паразиты одерживают верх. По-видимому, они имеют какой-то другой фермент, расщепляющий пероксид водорода. Поиски этого «недостающего звена» в конечном итоге привели к открытию пероксиредоксинов, которые с тех пор обнаружены у всех паразитов, не имеющих каталазы.
Понимание функции пероксиредоксинов помогает найти новые способы борьбы с паразитарными инфекциями. Например, одна из возможностей заключается в использовании в качестве вакцины фрагментов белков паразитов, которые отличаются от человеческих аналогов, что позволит иммунной системе атаковать один из ключевых бастионов антиоксидантной защиты паразитов.
Если перед клетками стоит задача обезвредить свободные радикалы, пока они не причинили непоправимого вреда, сочетание СОД и какого-либо фермента для удаления пероксида водорода является практически обязательным. Поскольку существует множество ферментов, способных расщеплять пероксид водорода, недостаточность каталазы переносится легче, чем недостаточность СОД. Более того, как мы видели, пероксид водорода опасен только в присутствии железа или меди, которые могут катализировать образование гидроксильных радикалов. В норме эти металлы удерживаются белками — ферритином и церулоплазмином. Микробиолог и эволюционист Томас Билински из Университета Люблина (Польша) считает, что удаление ионов металлов, возможно, является самым лучшим способом предотвращения образования гидроксильных радикалов. Но даже несмотря на все меры предосторожности, некоторое количество гидроксильных радикалов все же образуется. В главе 6 я отмечал, что скорость выведения окисленных фрагментов ДНК с мочой позволяет предположить, что ДНК ежедневно подвергается многочисленным «атакам» свободных радикалов. Даже с учетом экспериментальной ошибки следует признать, что ферментативная защита не является совершенной. Этот вывод подтверждается нашей зависимостью от таких пищевых антиоксидантов, как витамины Е и С. Технически их можно отнести к антиоксидантам, прерывающим цепные реакции, поскольку они гасят свободнорадикальные цепные реакции, уже начатые гидроксильными радикалами. Это третий механизм защиты из нашего списка.
Большинство антиоксидантов, прерывающих цепные реакции, действуют по тому же принципу, что и витамин С, — путем передачи электронов. Многие наиболее известные антиоксиданты, включая каротиноиды, флавоноиды, фенолы и танины, человек получает в составе растительной пищи. Сложно оценить участие каждой группы в поддержании антиоксидантного равновесия в организме, однако именно с этими веществами обычно связывают пользу овощей и фруктов. Но не все антиоксиданты данной группы мы получаем с пищей. Мочевая кислота, билирубин (пигмент желчи и продукт распада гема) и липоевая кислота являются продуктами нашего собственного метаболизма. Это не менее мощные антиоксиданты, чем витамины С и Е. Некоторые состояния, которые мы обычно рассматриваем в качестве патологических, например желтуха новорожденных, могут объясняться физиологической адаптацией. В частности, билирубин, накапливающийся в коже при желтухе, защищает младенца от окислительного стресса. Ребенок выходит из замкнутого и безопасного пространства матки в богатый кислородом внешний мир, но у него еще нет защиты, которую предоставляют пищевые антиоксиданты, поэтому ему нужен билирубин. Уродливый цвет синяка тоже связан с выделением билирубина, защищающего поврежденную ткань от окислительного стресса, поскольку антиоксиданты из крови могут не справиться с этой задачей.
Во многих случаях нам неизвестно точное соотношение вреда и пользы антиоксидантов, прерывающих цепные реакции. Например, мочевая кислота — это мощный антиоксидант, но в высокой концентрации она способствует развитию подагры, поскольку кристаллизуется в суставах. Иногда повышенный уровень мочевой кислоты считают фактором риска сердечно-сосудистых заболеваний, поскольку люди с высоким уровнем этого вещества в крови чаще других страдают от сердечных приступов. Впрочем, такая простая корреляция может оказаться ошибочной. Люди с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний обычно употребляют меньше пищевых антиоксидантов. Совершенно естественная реакция организма заключается в усилении выработки эндогенных антиоксидантов. Чем сильнее прогрессирует болезнь, тем больше мочевой кислоты нужно для ее преодоления, поэтому и наблюдается связь между тяжестью заболевания и содержанием мочевой кислоты в крови. Конечно, это лишь теоретическое рассуждение, но оно подчеркивает ошибочность линейных ассоциаций. В данном случае попытки снизить уровень мочевой кислоты в плазме без изменения рациона питания могут привести к негативным последствиям. Но если мы изменяем характер питания, мы не сможем прийти ни к какому строгому выводу относительно роли мочевой кислоты. Между количеством антиоксидантов и состоянием здоровья очень мало однозначных зависимостей.
Я уже несколько раз упоминал две небольшие серосодержащие молекулы — глутатион и тиоредоксин. Оба соединения отдают электроны, что позволяет либо регенерировать антиоксиданты, такие как витамин С, либо напрямую обезвредить пероксид водорода и органические пероксиды. Это совсем не рядовые игроки, а контролеры, стоящие на страже между генами и питанием, между здоровьем и болезнью. Пришло время познакомиться с ними поближе, поскольку именно они отвечают за два последних механизма антиоксидантной защиты из списка, который я привел в начале главы: механизм репарации и стрессовые реакции. Серу считают главным противовесом кислорода как внутри отдельных клеток, так и в более обширных экосистемах.
Я прошу прощения за единственный в книге параграф «чистой» биохимии и за слабую попытку возразить генетику Стиву Джонсу, который считает, что популяризировать биохимию невозможно. Эта тема несложная, но очень важная для понимания роли серы в молекулярных процессах в больной клетке. Я приведу единственный пример. Существует огромное множество других механизмов, которые сопрягаются с данным механизмом и либо ослабляют, либо усиливают сигнал. Тем не менее атомы серы играют очень важную роль в системе проведения сигнала и поэтому активно изучаются.
Сера в связи с водородом (-SH) входит в состав лишь одной из 20 основных аминокислот — ничем не примечательной маленькой молекулы цистеина, состоящей из 14 атомов. Единственная SH-группа цистеина называется тиогруппой (а также тиоловой, или сульфгидрильной, группой). Тиолы — очень нежные, легко окисляющиеся соединения. Я представляю их в виде одуванчиков, тихонько покачивающих желтыми серными головками. Окисление тиолов может привести к одному из двух результатов. Во-первых, при удалении атома водорода (протона и электрона) два соседних серных обрубка могут связываться друг с другом, образуя так называемую дисульфидную связь (дисульфидный мостик). В присутствии кислорода дисульфидные мостики более устойчивы, чем неокисленные тиолы, и очень важны для стабилизации трехмерной структуры внеклеточных белков. Во-вторых, тиолы могут подвергаться так называемому S-нитрозилированию, открытому в конце 1990-х гг. благодаря работам Джонатана Стемлера — последнего из биохимиков Университета Дьюка, сформировавших биохимию свободнорадикальных процессов. Стемлер и его коллеги считают, что окислительный стресс усиливает выработку еще одного свободного радикала — оксида азота (NO+). Сам по себе этот радикал не очень активен, но в синергизме с другими радикалами окисляет тиолы. В таком случае продуктом реакции оказывается не дисульфидная связь, а тоже вполне устойчивый S-нитрозотиол (-SNO). Образование дисульфидных мостиков или S-нитрозотиолов приводит к обратимой модификации структуры белка. Присоединение атомов водорода из глутатиона или тиоредоксина позволяет вернуть исходные тиоловые группы.
Структура белков напрямую связана с их активностью, поэтому тиогруппы определяют не только структуру белков, но и их активность. Другими словами, окислительное состояние тиолов может служить молекулярным переключателем активности белков, содержащих тиогруппы. Список белков с чувствительными тиогруппами продолжает расти, и к их числу относятся некоторые важнейшие транскрипционные факторы (белки, связывающиеся с ДНК и стимулирующие транскрипцию генов для синтеза новых белков). Способность этих факторов проникать в ядро клетки и связываться с ДНК зависит от состояния тиогрупп.
Внутри здоровой клетки содержится множество тихонько покачивающихся тиогрупп. Они находятся в неокисленном состоянии под присмотром глутатиона и тиоредоксина. Любая окисленная «по ошибке» тиогруппа тут же возвращается в исходное состояние. Глутатион и тиоредоксин образуются за счет энергии клеточного дыхания, как мы видели в главе 9 при обсуждении витамина С. В норме на это отводится небольшая часть клеточных ресурсов. Однако в условиях окислительного стресса ситуация резко изменяется.
Что происходит в клетке при окислительном стрессе? Источником стресса может быть избыток кислорода, инфекция или болезнь. Но результат один и тот же — повсюду разбегаются свободные радикалы. В работу сразу включаются антиоксиданты, такие как витамин С, обрывающие цепные реакции. Они регенерируются при участии глутатиона, но потери неизбежны. При исчерпании запаса антиоксидантов свободные радикалы производят еще более значительные разрушения. Начинают окисляться тиоловые группы белков. Некоторые восстанавливаются глутатионом и тиоредоксином, но равновесие сдвигается. Это зона вооруженного конфликта. Защитники не могут каждую ночь восстанавливать разбомбленные мосты. Уже в половине клеточных белков тиогруппы окислены, и активность этих белков выключена в ожидании конца войны. Другие белки включены. На защиту последнего бастиона, ядра, встает ополчение — транскрипционные факторы. Они связываются с ДНК в ядре и стимулируют синтез новых белков. Но каких белков? Выбор далеко не случайный. Клетке нужно принять серьезное решение: продолжить борьбу или покончить с собой (этот процесс называется апоптозом) во имя процветания всего организма. Решение зависит от вероятности успеха, в частности от количества и состояния транскрипционных факторов в ядре. Афоризм Ницше действует и на молекулярном уровне: что нас не убивает, делает нас сильнее.