Мы подробно обсудили участие белков, углеводов и жиров в старении. Однако есть и другие причины, почему мы стареем, – не только скопления белков и сахарные поперечные связи. Например, митохондрии тоже играют важную роль в медленном, но неотвратимом движении к немощи и хрупкости, которую мы называем старостью.
Митохондрии – это очень интересные штуки. Это маленькие структуры в наших клетках, без которых мы не могли бы ходить, думать, чувствовать и говорить. Они в буквальном смысле создают жизненную энергию и дыхание, которые поддерживают в нас силы. Они и есть сама жизнь, потому что они вырабатывают энергию, благодаря которой функционируют наши клетки. Именно из-за митохондрий вы делаете 20 000 вдохов в день и едите каждый день. Кислород и еда (в частности, углеводы и жиры) – топливо, из которого митохондрии вырабатывают энергию. Благодаря митохондриям существуют рестораны, супермаркеты, автоматы по продаже еды и сельское хозяйство. Они сделали возможным существование теплокровных млекопитающих, да и вообще всех живых существ сложнее, чем одноклеточные бактерии. И, пока я не забыл, они играют роль и в старении.
Митохондрии – маленькие структуры в клетке, которые вырабатывают энергию. Они похожи на бактерии, потому что являются их потомками.
Каждая клетка организма содержит в среднем от нескольких сотен до многих тысяч митохондрий. В частности, особенно много митохондрий содержат клетки, которым постоянно надо прилежно работать и, соответственно, тратить много энергии, в частности, клетки мозга, глаз и печени (эритроциты – единственные клетки, у которых вообще нет митохондрий, но, с другой стороны, им и работать особо не надо). Учитывая, что в организме 40 триллионов клеток, а в одной клетке – от нескольких сотен до многих тысяч митохондрий, становится понятно, что в вашем организме митохондрий просто невероятное количество. По примерным прикидкам, в организме около десяти квадриллионов (миллионов миллиардов) митохондрий. Почему их так много? Потому что они очень важны.
Что такое митохондрии? На самом деле это практически самостоятельные маленькие клетки. Стенки митохондрий состоят из жиров, как и стенки клеток. Более того, митохондрии тоже содержат ДНК, как и клетки. (Обычная ДНК наших клеток содержится в ядре. Эта ДНК содержит инструкции по выработке белков в клетке. Митохондриальная ДНК находится внутри митохондрий и содержит инструкции по сборке митохондрий – или, если точнее, митохондриальных белков).
У митохондрий есть собственная ДНК, имеющая круглую форму. Эта митохондриальная ДНК содержит инструкции по выработке митохондриальных белков. «Обычная» ДНК находится в ядре клетки. Эта ядерная ДНК содержит инструкции по выработке белков в клетке. (Источник изображения: National Institutes of Health – National Human Genome Research Institute.)
Есть важная причина, по которой митохондрии являются клетками внутри клеток и имеют собственную ДНК. Миллиарды лет назад митохондрии были свободно живущими бактериями. Жизнь на Земле появилась около 3,8 миллиарда лет назад, поначалу это были только бактерии – простые, примитивные клетки, по сути – маленькие мешочки, наполненные водой, ДНК и белками, но без митохондрий. Примерно два миллиарда лет назад случилось одно из важнейших событий в истории эволюции жизни на Земле: большая бактерия поглотила более мелкую. Но вместо того, чтобы перевариться, маленькая бактерия продолжила жить внутри большой. Более того, она стала вырабатывать энергию для большой бактерии. Таким образом, маленькая бактерия стала первой митохондрией, а большая бактерия – настоящей клеткой.
Рост сложных клеток: маленькая бактерия соединяется с большой бактерией. Маленькая бактерия производит энергию для большой, превращаясь в митохондрию. Большая бактерия становится клеткой. Поскольку теперь у большой бактерии есть источник энергии, она может развить в себе ядро, чтобы хранить ДНК (у митохондрий тоже есть собственная ДНК). Клетки с митохондриями и ядром – это сложные клетки, из которых появились все сложные организмы на Земле, от медуз до людей.
Выходит, что митохондрии – это маленькие древние бактерии, которые вырабатывают энергию для более крупных бактерий, или клеток. Все клетки нашего организма – потомки этой большой бактериальной клетки, содержащей маленькие бактерии, производящие энергию, – митохондрии. Эти древние маленькие бактерии производят и нашу энергию, так что благодаря им мы можем ходить, дышать и говорить. Поскольку наши клетки содержат сотни или тысячи митохондрий, каждый человек в буквальном смысле является ходящей и говорящей колонией бактерий. Автомобиль приводится в движение мотором, а наше тело – бактериями в форме митохондрий.
То, что у митохондрий сохранились свойства бактерий, очевидно по их поведению. Например, митохондрии могут делиться внутри клеток – точно так же, как бактерии. Когда клеткам нужно больше митохондрий (например, после физических упражнений, когда нам нужно вырабатывать больше энергии), митохондрии делятся напополам – точно так же, как бактерии. Кроме того, как и бактерии, митохондрии чувствительны к антибиотикам. Соответственно, некоторые антибиотики вредны для митохондрий, потому что на самом деле это древние бактерии. Это объясняет, почему некоторые антибиотики очень ядовиты для организма и не применяются.
Как мы уже увидели, самая важная задача митохондрий – производство энергии для наших клеток. Но что это за энергия, которую производят митохондрии? Под энергией часто понимают что-то абстрактное, вроде вспышки молнии или электрической искры. Но в нашем организме энергия – это реальная молекула, которая называется аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ иногда считается самой важной молекулой всего организма, не считая ДНК.
АТФ, двигатель всей жизни, – небольшая молекула, состоящая из атомов кислорода (O), фосфора (P), водорода (H) и углерода (C); последние изображают не всегда – они располагаются по углам. АТФ прикрепляется к белкам, меняя тем самым их структуру и позволяя им функционировать.
АТФ – маленькая молекула, которую постоянно в гигантских количествах производят митохондрии, перерабатывая кислород, которым мы дышим, а также сахара и жиры, которые мы едим. Почему АТФ – это энергия? Потому что это очень химически активное вещество: оно связывается с самыми разными белками в наших клетках. Эта связь меняет структуру белков. Соответственно, АТФ вызывает в наших клетках своеобразный эффект «белкового домино». Когда АТФ прикрепляется к белку, тот слегка меняет свою структуру, и это позволяет ему функционировать. Прикрепляясь, например, к белку ионного канала, расположенному перпендикулярно стенке клетки, АТФ заставляет его открыться, после чего в клетку попадают определенные вещества. Когда молекула АТФ прикрепляется к мышечному белку, тот слегка меняет форму – становится короче. Если это происходит одновременно с сотнями тысяч белков в мышечной клетке и в миллионах мышечных клеток руки или ноги, мышцы сокращаются и позволяют нам подняться с кресла и пойти погулять – или, допустим, перевернуть эту страницу.
Короче говоря, благодаря АТФ мы двигаемся, дышим и живем. Это вещество дарует всему жизнь – или, если точнее, помогает всему функционировать. АТФ меняет структуру маленьких белков, чтобы мышцы сокращались, желудок вырабатывал желудочный сок, ионные каналы открывались или закрывались, а все тело двигалось и исполняло иные функции. АТФ – то, что отличает живое существо от камня или иного безжизненного предмета. Каждый день триллионы митохондрий в организме вырабатывают около 70 килограммов АТФ! Конечно, этот АТФ постоянно расщепляется при контакте с белками и снова вырабатывается в митохондриях. В общем, каждый день в нашем организме циркулирует около 70 килограммов АТФ.
Мышечные клетки содержат параллельные цепочки белков (состоящие из мышечных белков № 1 и № 2). Эти белки соединены друг с другом. Когда АТФ прикрепляется к мышечному белку 1, мышечный белок 2 заставляет мышечный белок 1 двигаться. Когда миллионы белков делают это в миллионах мышечных клеток, вся мышца сокращается, и мы можем ходить, дышать и смеяться.
АТФ – это жизненная энергия, которая управляет почти всеми процессами в клетках. Это объясняет, например, почему цианиды так ядовиты. Синильная кислота и ее производные прикрепляются к важному митохондриальному белку, и митохондрии перестают работать. Нескольких сотен миллиграммов синильной кислоты достаточно, чтобы отключить наши митохондрии и вызвать смерть в течение нескольких минут. Без АТФ наши клетки перестают работать, и мы умираем. Мозговые клетки не работают, и мы теряем сознание, затем сердечные мышцы перестают сокращаться, и останавливается дыхание.
Соответственно, с помощью АТФ можно объяснить, почему мы умираем. Смерть почти всегда сводится к недостатку кислорода, из-за чего митохондрии больше не могут вырабатывать АТФ (если, конечно, вас не раздавило чем-то тяжелым или испарило сильнейшим жаром). Неважно, утонете вы, получите сердечный приступ или истечете кровью после аварии – все это приведет к тому, что кровь перестанет переносить кислород. Митохондрии больше не смогут производить АТФ, клетки перестают работать, и вы умираете. Можно даже сказать, что АТФ – это душа, невидимое, неосязаемое вещество, которое заставляет тело работать. Организм живого человека постоянно производит триллионы молекул АТФ в секунду, и эти молекулы меняют структуру огромного количества белков. В организме мертвого человека производство АТФ останавливается, и все органы выключаются.
Митохондрии не просто необходимы для того, чтобы поддерживать жизнь. Они еще и придали жизни определенное направление, сыграв важнейшую роль в эволюции на Земле. Благодаря митохондриям появилась разумная жизнь. Без митохондрий не было бы животных, людей, городов и «Айпадов», и планету населяли бы одни бактерии, безразлично дрейфующие в водоемах.
Бактерии – это маленькие мешочки воды, в которых плавает ДНК. В отличие от клеток, бактерии не имеют митохондрий или ядра, в котором аккуратно хранится ДНК. Однако примерно два миллиарда лет назад большая бактерия поглотила маленькую, и появились митохондрии, маленькие бактерии, вырабатывающие энергию для хозяев. Крупные бактерии (клетки) получили намного больше энергии (АТФ), чем раньше, что позволило им эволюционировать дальше и стать намного сложнее. Благодаря этой дополнительной энергии появилось клеточное ядро. Ядро – это шарообразная структура в клетке, где аккуратно х