Другая проблема заключается в том, что обычные антиоксиданты не достигают главного источника АФК в клетке — митохондрий. Ведь клетка отделена от внешней среды жирной липидной мембраной, а митохондрии отделены от остального клеточного содержимого еще двумя мембранами. Липидные мембраны плохо проницаемы для антиоксидантов, растворимых в воде, например аскорбиновой кислоты. А жирорастворимые антиоксиданты, наоборот, скапливаются в липидных мембранах, но, помимо мембраны митохондрий, попадают и во все прочие мембраны клетки, а также в жировую ткань. В результате для эффективного действия требуются высокие концентрации антиоксиданта, а его неспецифическое накопление во всех мембранах клетки и в жировых депо приводит к серьезным побочным отрицательным эффектам.
Было БЫ ЗДОРОВО НАЙТИ ТАКОЙ АНТИОКСИДАНТ, КОТОРЫЙ ПРОНИКАЛ БЫ СКВОЗЬ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ И ПОПАДАЛ ИМЕННО В МИТОХОНДРИИ.
Было бы здорово, скажете вы, чтобы нашелся такой антиоксидант, который бы мог проникать сквозь клеточные мембраны и попадать именно в митохондрии. В этом случае он не затрагивал бы важных для жизни функций АФК, и можно было бы избирательно и аккуратно регулировать «токсичные выбросы митохондрий», не нарушая баланса АФК в других местах. Вот тогда бы мы и увидели, чего стоит эта самая «теория АФК». Спешим вас обрадовать: есть такой антиоксидант! И даже не один, а целая палитра. Только он не сам нашелся, его придумали биохимики. Кто, когда и как — читайте в следующей главе.
ГЛАВА 1.7
Что делать, чтобы не стареть?
Если вы читаете эту главу, значит, мы можем вас поздравить — скоро вы поймете, чем эта книга отличается от всех остальных книг о старении, которые бывают весьма увлекательными, стройно доказывающими ту или иную теорию, полны интересными примерами и обескураживающими вычислениями. Но книги лучших геронтологов всегда оставляют открытым самый главный вопрос — «Ну и что?». То есть ваш рассказ был чудесен, увлекателен, но к чему все это? Что делать-то, чтобы не стареть? В ответ — либо молчание, либо набор очень правильных банальностей: поменьше пить, не курить, не ходить «налево», не забывать о физической нагрузке. Замечательно! То есть смысл обычной книги про старение — рассказать про то, как автору было интересно заниматься этой проблемой и при всем при этом ничем не помочь стареющему читателю. Нечего удивляться после этого, что геронтологические исследования так плохо финансируются.
Авторы этой книги не являются профессиональными геронтологами. Мы трудимся в сферах биофизики, биохимии и молекулярной биологии, то есть в чистом виде экспериментаторы. Это значит, что для нас бессмысленна любая теория, гипотеза, которую нельзя проверить экспериментом. Дело в том, что биология еще настолько молодая наука, что мы в подавляющем количестве случаев не можем ничего доказать строго. Системы, с которыми работают биологи, настолько сложны и плохо изучены, что у любого факта, результатов любого опыта может быть несколько объяснений, порой — взаимоисключающих. Физики-теоретики и математики тут, наверное, схватились за голову — и это вы называете наукой? Если толком ничего нельзя доказать, то какие вообще могут быть критерии правильности вашей работы?
На самом деле все очень просто: гипотеза должна что-то предсказывать. То есть, сформулировав предположение, вы на ее основе утверждаете, что такие-то эксперименты должны дать такие-то результаты. Далее ставятся соответствующие опыты, и если результаты совпадают с предсказанными, то вы правы, и можно двигаться дальше в доказательстве вашей схемы. Вот так устроена современная биология и опирающаяся на нее «доказательная медицина».
А теперь сформулируем, что предсказывает схема, которую мы вам изложили в предыдущих главах.
1) Отдельные клетки и организмы могут умирать не спонтанно, а следуя заложенной в них генетической программе.
2) Старение, судя по всему, является одной из таких программ медленного самоубийства. При этом у некоторых видов живых существ ее нет — они не стареют. Хотя все организмы в итоге умирают: вечная молодость еще не означает вечную жизнь! Людям не повезло — у нас программа старения есть и пока работает.
3) Есть все основания полагать, что старение млекопитающих, в том числе и людей, устроено через медленное отравление собственного организма какой-то «гадостью», которую этот организм сам и производит.
4) Лучшие кандидаты на роль этой «гадости» — активные формы кислорода (АФК), причем не все, а именно те, что вырабатывают «электростанции» наших клеток — митохондрии.
Эксперимент напрашивается сам собой — так давайте уменьшим производство АФК в митохондриях клеток нашего организма и посмотрим, не замедлится ли старение? Сказано — сделано!
1.7.1. Антиоксиданты для тушения очага старения
Итак, мы решили уменьшить количество митохондриальных АФК и посмотреть — не станем ли мы от этого дольше сохранять молодость. А теперь нам придется объяснить вам, какая огромная работа необходима для этого эксперимента и почему до самого последнего времени он был принципиально невозможен.
Мы предположили, что митохондрии медленно убивают нас, выполняя команды какой-то генетической программы. Если это действительно так, то, казалось бы, вернейший путь к победе над старостью — это найти те гены, в которых записана программа старения, и отключить их. Бывает, что в гене достаточно заменить одну букву (нуклеотид), и он перестанет работать. Проблема в том, что к человеку такой метод применять нельзя, так как его последствия необратимы. Как получаются генетически модифицированные животные? Берутся, скажем, мыши — родители, над ними, а точнее — над их половыми клетками, проводятся определенные манипуляции, и у их потомства «выключается» тот или иной ген. Перенося эту технологию на человека, мы для начала получим генетически модифицированных детей (!), у которых нет выбранного нами гена во всех клетках его организма. А если мы ошиблись? Вернуть этот ген мы уже не сможем. А вдруг он не только участвует в программе старения, но и выполняет какую-то еще важную, пока неизвестную функцию?
Ни один биолог в мире сейчас не возьмется предсказать все последствия удаления одного отдельно взятого гена у человека. А если так, то никаких экспериментов по генетической модификации здоровых людей проводить нельзя!
Конечно, выше описан самый радикальный способ вмешательства в генетику человека. Есть и другие — например, заразить человека вирусом, который умеет вставлять свои гены внутрь ДНК определенных тканей человека или сделать генетически модифицированные стволовые клетки и ввести их ему. При этом, правда, не удастся добиться изменения генов в 100% клеток организма, а все риски сохранятся. То есть если что-то пошло не так, то обратного пути не будет, как и в случае с генетически-мо-дифицированными детьми.
Чтобы окончательно убедить вас в невозможности генной модификации людей, заметим, что, если верны наши предположения о программе старения, проводить эту крайне рискованную процедуру придется на здоровых молодых людях, в надежде, что они будут медленнее стареть. Даже если найдутся самоотверженные добровольцы, которых понадобятся тысячи, какой ученый в здравом уме сумеет взять на себя ответственность за подобный эксперимент?!
Так что же делать? Мы знаем, что внутри нас работает смертоносная программа, ведущая обратный отсчет нашей жизни, а сделать ничего нельзя? Не все так уж плохо. Гены сами по себе ничего делать не умеют. Они — лишь код, считывая который клетка синтезирует главные молекулы жизни — белки. Белки выполняют самые разные функции — с их помощью происходят всевозможные биохимические реакции, передаются сигналы от одной системы к другой, белки служат основным строительным материалом для всех клеточных структур. В том числе и для наших любимых митохондрий. То есть наша зловредная программа заставляет какие-то белки митохондрий работать «во вред» и производить активные формы кислорода. С этим, пожалуй, современными средствами ничего сделать нельзя. Но можно попробовать перехватить эти активные радикалы кислорода до того, как они наделали бед.
Хорошо известны вещества, которые умеют обезвреживать АФК: антиоксиданты. Их существует великое множество, они бывают природные: витамин С, витамин Е, коэнзим Q, флавоно-иды зеленого чая, резвератрол из красного вина. Бывают и синтетические: N-ацетилцистеин, идебенон, тролокс и др. В 60-70-х годах XX века, когда ученые открыли вредоносность свободных радикалов и активных форм кислорода, начался настоящий бум антиоксидантов. Какие только магические свойства им не приписывали и куда только их не добавляли! Отголоски этого бума вы можете ощутить и сейчас, посмотрев на полки магазинов: «Новейшая антиоксидантная косметика!», «Биологически-активные добавки на основе антиоксидантов!», «Бальзам-ополаскиватель с антиоксидантами зеленого чая!» и так далее.
Двоим авторам этой книги сейчас около 40 лет, и витамин С мы периодически принимаем с младых ногтей. Должны честно признаться, что мы уже ощутимо постарели по сравнению с тем, какими мы были 17 лет назад на 5-м курсе биологического факультета МГУ. Как и все остальные люди, принимавшие антиоксиданты. В чем же дело? Активные формы кислорода вредные? — Вредные. Антиоксиданты с ними борются? — Борются. А почему эффекта нет? Потому что живой организм очень сложен, это вам не «сферическая лошадь в вакууме»!
В стародавние времена человеческое тело воспринималось естествоиспытателями как бурдюк, наполненный кровью. Ткнешь его чем-нибудь острым — польется кровь, и если ее не остановить, то человек умрет. Хочешь человека полечить — дашь ему какое-нибудь снадобье, оно смешивается внутри с кровью, лечит ее и человеку становится лучше. Довольно скоро древние эскулапы выяснили, что не все так просто. Внутри человека есть разные органы. У них разные функции и свойства, и что, например, воздух для легких — это хорошо, а пузыри воздуха внутри сердца могут означать смерть. Тогда, следуя прежней логике, бурдюками стали считать органы. Относительно недавно, в середине XIX века, было обнаружено, что органы и ткани состоят из отдельных живых клеток. И очень многие вещества, путешествующие по крови и органам, внутрь клеток не попадают.
Клетки могут жить своей жизнью, выполнять разные функции, умирать, «сходить с ума», превращаясь в раковые и т.п. Короче, все дело — в клетках. И согласно древней научной традиции, «бурдюками» были объявлены они. До сих пор очень многие биологи и почти все медики для простоты считают клетки маленькими налитыми водой пузырьками, внутри которых, конечно же, есть какие-то структуры, но это все не очень важно. Есть внутри свободные радикалы — добавляешь антиоксидант и клетке должно стать лучше. К глубокому сожалению, все не так.
Старение — это не взрыв, а скорее
МЕДЛЕННОЕ, ДЕЛИКАТНОЕ ТЛЕНИЕ ВНУТРИ ОРГАНИЗМА. Если ТОЧНЕЕ — ВНУТРИ КЛЕТОК, ЕСЛИ ЕЩЕ СОВСЕМ ТОЧНО — ВНУТРИ
митохондрий. Залить этот тлеющий
ОЧАГ СТАРЕНИЯ МОЖНО ТОЧНЫМИ ДОЗАМИ
антиоксиданта. Как же доставить антиоксидант туда и только туда?
Внутренность клетки строго структурирована. Там практически почти нет «свободной» воды. Как и у тела, у клеток есть отдельные органы. Чтобы не путаться, их называют «органеллы». Некоторые из органелл наглухо изолированы мембранами от остального пространства клетки. И даже эти органеллы не являются «бурдюками» с протоплазмой, а представляют собой упорядоченные и очень слаженно функционирующие структуры.
Все это мы вам рассказываем не только для того, чтобы похвастаться, с какой бесконечно сложной штукой мы имеем дело. Просто, как мы уже писали в начале этой книги, разобраться в проблеме старения и путях ее решения невозможно без современного взгляда на биологию. А в нем нет места концепции «бурдюков».
Так вот, митохондрия и есть такая изолированная органелла. И если вы хотите нейтрализовать образуемые ею активные формы кислорода, то и антиоксидант нужно доставить точно по адресу — во внутреннюю мембрану митохондрии. А там с точностью до нескольких нанометров расположить его рядом с белками, осуществляющими дыхание и образующими АФК. Потому что задача — не позволить свободному радикалу кислорода развязать цепную реакцию в мембране митохондрии, т. е. грубо говоря, «поджечь» мембрану.
Конечно, если как следует накачать клетку антиоксидантом, то, в конце концов, эти молекулы достигнут и митохондрий. И даже как-то будут бороться с АФК. Но есть ряд моментов, делающих такой подход невозможным.
а) Необходимо давать очень большие дозы антиоксиданта, которые уже могут обладать нехорошими побочными эффектами. Для всех биологически активных веществ есть такое понятие как передозировка, а для антиоксиданта она означает смену знака его эффекта с анти- на прооксидантный.
б) Вообще-то активные формы кислорода необходимы для жизни. В небольших количествах. Например, с их помощью клетки иммунной системы убивают вредоносных микробов. Кроме того, микроколичества свободных радикалов служат для передачи ряда сигналов от одной клетки к другой, они участвуют в некоторых полезных химических реакциях. Если мы «зальем» весь организм антиоксидантом, то все эти жизненно необходимые процессы рискуют быть задушенными.
в) Достичь таких колоссальных доз антиоксиданта внутри клетки, скорее всего, не удастся. Дело в том, что существующие антиоксиданты — это либо природные вещества, либо их близкие аналоги. Такие соединения знакомы нашему организму, он умеет определять, когда их становится многовато, и у него есть специальные системы, которые связывают, расщепляют и выводят из организма избыток таких веществ.
Поэтому, несмотря на то, что уже с 60-х годов известна ключевая роль активных форм кислорода в старении, решить эту проблему с помощью антиоксидантов не удалось. Это не значит, что антиоксиданты совершенно бесполезны. Ни в коем случае! Есть ряд состояний, когда в клетке и даже в ткани вокруг нее происходит настоящий взрыв продукции свободных радикалов. Например, при инфаркте миокарда. И тогда крайне полезно «залить этот пожар» мощным антиоксидантом — например, коэнзимом Q. На его основе сделано много лекарственных препаратов, показанных людям с сердечными патологиями. Но старение — это не взрыв. Это медленное, деликатное тление изнутри. Причем совсем изнутри. Изнутри митохондрий. Так как же доставить антиоксидант туда и только туда?
1.7.2. Ионы Скулачева: история термина
Как вы помните из предыдущей главы, митохондрия работает как электростанция и в процессе дыхания «заряжает» свою внутреннюю мембрану, как конденсатор (плюс снаружи, минус внутри). Внутренняя мембрана митохондрий является очень хорошим изолятором, потому что не пропускает обычные заряженные частицы. Но если заряженную частицу (ион) окружить объемистыми водоотталкивающими органическими остатками, то мембрана перестанет быть для иона непреодолимой преградой. Идея применить подобные вещества — «проникающие ионы» для изучения митохондрий родилась на рубеже 1960-1970-х гг. Автор этой книги и его группа из МГУ совместно с группой Е.А. Либермана из Института биофизики обнаружили, что проникающие положительно заряженные ионы, т.е. катионы, способны избирательно проникать в митохондрии и там накапливаться. Минус — внутри митохондрий, вы помните? Именно эти опыты привели к открытию «митохондриального» электричества. Оказалось также, что проникающие катионы — удобный инструмент для исследования биологических мембран; вскоре их стали активно использовать исследователи по всему миру, и в 1974 г. известный американский биохимик Д. Грин назвал их «ионами Скулачева».
А в 1970 году С.Е. Севериным, Л.С. Ягужинским и В.П. Скула-чевым было высказано предположение, сыгравшее затем решающую роль в разработке антиоксидантов нового поколения. Авторы предположили, что проникающие сквозь мембрану катионы могут использоваться как «молекулы-электровозы» для накопления в митохондриях незаряженных веществ, присоединенных к этим катионам. Другими словами, для доставки чего-нибудь полезного в митохондрию необходимо прицепить это «что-то» к иону Скулачева и вся конструкция неизбежно окажется в митохондрии.