ранится вся ДНК (в этом отличие клетки от бактерии, где ДНК просто свободно плавает внутри).
Как выглядит клетка внутри. Длинные белки формируют скелет клетки, который помогает ей двигаться и определяет ее конкретную форму. (Источник: David S. Goodsell, the Scripps Research Institute.)
Благодаря энергии, вырабатываемой митохондриями, большие бактерии еще и смогли вырасти намного крупнее: бактерии в тысячи раз меньше, чем обычные клетки организма, из которых состоят люди (а также все растения, животные и грибы). Митохондрии позволили крупным одноклеточным бактериям еще и вырастить клеточный скелет – сложный каркас, состоящих из десятков тысяч соединенных шарнирными механизмами белков, которые заставляют клетку двигаться. Лейкоциты, например, умеют хватать бактерии и вирусы своими щупальцами и поедать их. С помощью клеточного скелета клетки кишечника формируют большие отростки, которые помогают усваивать больше питательных веществ из кишечника. Чтобы клеточный скелет двигался, нужно много энергии (чтобы изменить структуру скелета, АТФ должен прикрепляться ко всем его белкам), и митохондрии дают нам эту энергию.
Отростки наверху клетки – длинные штырьки, состоящие из тысяч белков. Из этих штырьков, нитей и трубочек состоит клеточный скелет.
Благодаря митохондриям клетки стали намного крупнее и сложнее. Без митохондрий жизнь на Земле навсегда осталась бы бактериальной. Некоторые ученые считают, что появление митохондрий – это намного более важное и редкое событие, чем зарождение самой жизни. В конце концов, мы, судя по всему, живем в довольно биофильной вселенной. Это означает, что живым существам не так и сложно появиться из безжизненных элементов. Соберите вместе немного метана, фосфористых минералов и двуокиси углерода, и примерно через неделю спонтанно сформируются аминокислоты – строительные материалы для белков и всех живых существ. Строительные материалы для ДНК находили даже на метеоритах. Более того, недавние исследования показывают, что жизнь может довольно легко зародиться в порах гидротермальных источников на дне океана.
Соответственно, зарождение жизни – это не такое уж и эпохальное событие, но вот зарождение сложных форм жизни – совсем другое дело. Для этого потребовалось случайное сотрудничество двух бактерий, которое оказалось удачным. Именно так появились митохондрии, а вместе с ними – сложные организмы. Успешное слияние бактерий – это, возможно, куда более редкое событие в истории, чем само зарождение жизни. А еще становится понятнее, почему эволюция жизни на планете была такой медленной. Сама жизнь зародилась очень рано (буквально через несколько сотен миллионов лет после того, как Земля достаточно охладилась, – примерно 3,8 миллиарда лет назад). Но затем понадобилось еще почти два миллиарда лет, прежде чем от бактерий произошли митохондрии. Почти два миллиарда лет самой сложной формой жизни на Земле были бактерии. Это довольно долго. Возможно, в нашей вселенной есть множество планет, изобилующих простыми организмами вроде бактерий, у которых так и не появились митохондрии, так что они не смогли эволюционировать в более сложные организмы, например, медуз или людей.
Митохондрии оказались невероятно важны для истории жизни на Земле. Более того, именно они сделали жизнь конечной, потому что играют важную роль в старении. Все потому, что у митохондрий есть слабое место: ДНК, которую они хранят внутри себя. Митохондриальная ДНК содержит инструкции по сборке и ремонту митохондрий. Но она очень уязвима для повреждений, потому что хранится внутри митохондрий, а это одно из наиболее непригодных мест для хранения ДНК во всей клетке.
Митохондрии – это энергостанции наших клеток; внутри них кипит постоянная, интенсивная химическая активность, в том числе и производство токсичных, вредных, «мусорных» частиц – свободных радикалов. Точно так же, как из угольных электростанций валит токсичный дым, из митохондрий выделяются свободные радикалы. Эти свободные радикалы – маленькие частицы (атомы или молекулы), обладающие большой химической активностью; они прикрепляются к самым разнообразным клеточным структурам и повреждают их. Свободные радикалы реагируют и с митохондриальной ДНК, располагающейся очень близко к месту производства свободных радикалов. Это проблема, потому что митохондриям ДНК необходима, чтобы собирать себя, размножаться (копировать себя) и ремонтироваться. Соответственно, держать уязвимую митохондриальную ДНК внутри митохондрий – не самое лучшее решение. Это примерно то же самое, что держать бумажную инструкцию по эксплуатации сталеплавильной печи, которая постоянно сыплет искрами, рядом с самой печью.
Матушка-Природа тоже это заметила. Именно поэтому в последние два миллиарда лет она постаралась переместить как можно больше частей митохондриальной ДНК (генов) из митохондрий в куда более безопасное место – ядро клетки. Оно далеко от свободных радикалов, которые выделяются митохондриями. Более тысячи митохондриальных генов (частей ДНК, которые содержат коды для выработки белков митохондрий) уже переместили в ядро клетки; исключение составляют 37 генов, кодирующих примерно тринадцать митохондриальных белков. Эти гены до сих пор располагаются в митохондриях, формируя митохондриальную ДНК, уязвимую для повреждений.
У младенцев митохондрии свежие и нетронутые. Митохондрии у детей работают великолепно. Они могут часами бегать по дому или на детской площадке, совершенно не уставая; энергии у них в изобилии. А вот когда вам 50 лет, все уже совсем иначе. Вы быстрее устаете, и восстанавливаться после долгой прогулки, теннисного матча или танцев ночь напролет приходится дольше. Со временем повреждается все больше митохондриальной ДНК, и ваши митохондрии работают уже не так хорошо. Это одна из причин старения. Генераторы энергии в наших клетках уже работают не так хорошо, и у нас начинаются всевозможные типичные симптомы, проблемы и болезни, характерные для старения. Мы легче устаем, потому что наши поврежденные митохондрии вырабатывают недостаточно энергии (АТФ). Старые митохондрии в мозге дают меньше энергии клеткам мозга и вызывают спад функциональности клеток; в результате ваша способность учиться новому ухудшается, вам труднее вспоминать слова, а скорость мышления замедляется. Старые митохондрии в сердце дают меньше энергии сердечным мышцам, так что сердце начинает хуже перекачивать кровь. Старые митохондрии в мускулах уменьшают мускульную силу. Становится труднее подниматься по лестницам, потом – просто ходить, и в один прекрасный день вы оказываетесь в инвалидной коляске. Короче говоря, чем хуже чувствуют себя наши митохондрии, тем меньше у нас энергии, чтобы двигаться, думать и вообще жить.
Некоторые люди рождаются с редким митохондриальным заболеванием, при котором типичные симптомы старения начинаются уже в молодом возрасте. Подобные заболевания развиваются, когда некоторые белки в митохондриях работают не очень хорошо или вырабатываются в недостаточных количествах. Неудивительно, что эти болезни в первую очередь поражают ткани, которым необходимо много энергии – мозг, сетчатку, сердце, мышцы.
Один из примеров такой митохондриальной болезни – синдром MELAS (сокращенно от «митохондриальная энцефалопатия, лактатацидоз, инсультоподобные эпизоды»). Эта болезнь проявляется даже у маленьких детей. Они страдают от мышечной слабости и болей в мышцах, потому что митохондрии в мышцах вырабатывают недостаточно энергии. Зрение и слух ухудшаются, потому что зрительные и слуховые клетки вырабатывают слишком мало энергии и из-за этого отмирают. Еще эти дети страдают от сильнейших головных болей и приступов эпилепсии, потому что энергии не хватает и клеткам мозга. Потом начинается сердечная и почечная недостаточность и диабет, а заканчивается все деменцией, слепотой и глухотой. К этим детям возрастные болезни, которые обычно начинаются у здоровых людей лишь в старости, приходят буквально на десятилетия раньше.
Другая митохондриальная болезнь – синдром Кернса-Сейра (или, на жаргоне врачей, окулокраниосоматическое нервно-мышечное расстройство с рваными красными волокнами). Болезнь обычно начинается со слабости глазных мышц. Этим мышцам требуется много энергии, чтобы смотреть туда-сюда целыми днями. Когда из-за митохондриального дефекта энергии становится недостаточно, первыми часто страдают именно мышцы вокруг глаз. Веки обвисают, потому что маленькие мышцы, удерживающие их, ослабевают (такое наблюдается и у пожилых людей; некоторые делают пластические операции, чтобы исправить положение). Людям с этой болезнью приходится слегка запрокидывать голову, чтобы видеть из-под обвисшего века. Затем ослабевают мышцы, двигающие глазное яблоко, что приводит к ухудшению зрения, после них – мышцы рук и ног и, наконец, мышцы, которые помогают глотать. Пациенты с этим синдромом также страдают от потери зрения, глухоты, сердечной аритмии, нарушений движения и диабета.
Ослабление мышц, потеря зрения и слуха, диабет и деменция относятся к классу митохондриальных заболеваний и обычно сопровождают старость.
Есть и много других митохондриальных заболеваний. Их все объединяет одна вещь: они вызывают разнообразные симптомы, которые мы обычно видим в старости, – ослабление мышц, потерю зрения и слуха, диабет, деменцию. Эти недуги развиваются у большинства здоровых людей с возрастом, когда митохондрии уже работают не так хорошо, как раньше. Ученые научились вызывать самые разные возрастные заболевания у мышей, давая им токсичные вещества, мешающие работе митохондрий. Функцию митохондрий у людей тоже можно нарушить определенными веществами, которые в долгосрочной перспективе вызывают различные заболевания, похожие на возрастные. Это вещество может быть даже лекарством, например, лекарством, замедляющим развитие ВИЧ. Один из побочных эффектов некоторых лекарств от ВИЧ – они повреждают митохондрии (к счастью, это относится не ко всем лекарствам от ВИЧ). Лекарства от ВИЧ не дают вирусу размножаться внутри лейкоцитов (иммунных клеток), что иначе приводит к значительному ослаблению иммунной системы. Без нормальной иммунной системы больные ВИЧ умирают от бактериальных инфекций, вирусов и грибков – эту стадию болезни мы называем СПИД. Как и у многих лекарств, у некоторых средств от ВИЧ есть побочные эффекты. Эти средства мешают работе белка в митохондриях. Митохондрии больше не могут нормально размножаться, и их работа ухудшается. Заметные и осязаемые последствия наступают лишь после того, как больной принимает эти лекарства много лет. У пациентов начинается невралгия, часто – со ступней, потому что нервы повреждаются из-за плохого функционирования митохондрий. А еще у них развиваются разнообразные симптомы преждевременного старения: кровеносные сосуды быстрее засоряются, что повышает риск сердечного приступа. Еще у них может начаться диабет или синдром, называемый липодистрофией. При этом синдроме жир исчезает. Звучит вроде бы хорошо, только вот жир при этом перемещается из нужных мест в совсем ненужные. Подкожный жир, например, уходит с лица, рук и ног в живот, так что руки и ноги становят