Кислород. Молекула, изменившая мир [заметки]

1

Слово «кислород» имеет греческий корень и означает «образующий кислоту», что связано с ошибочной идеей о том, что кислород входит в состав абсолютно всех кислот. Это верно в отношении серных и азотных кислот, но неверно для остальных, таких как соляная кислота. — Здесь и далее примеч. авт.

2

Действительно можно подумать, что селитра (нитрат калия, КNО₃) конденсируется из воздуха: ее белая корка образуется на хорошо удобренной почве (содержащей азот). У этой соли есть несколько замечательных свойств. Она не только является прекрасным удобрением, но использовалась также для консервирования мяса и как лекарственное средство в народной медицине. При добавлении в напитки селитра охлаждает их не хуже льда, а при приеме внутрь оказывает сильное разогревающее действие. Полученная с добавлением селитры кислота (aqua regia, царская водка) способна растворять золото. Кроме того, селитра является ключевым компонентом пороха, изобретенного китайскими алхимиками в IX в.

3

Чтобы быть до конца честным, нужно признать, что Пристли прекрасно осознавал все недостатки теории флогистона. Он сравнивал флогистон со светом и теплом, которые тоже нельзя было взвесить (нельзя этого сделать и теперь).

4

Эффект Поля Берта — острая мозговая форма кислородной интоксикации; эффект Лоррена Cмита — хроническая легочная форма отравления. — Примеч. пер.

5

В знаменитом эссе «О том, как быть собственным подопытным кpoликoм», посвященном опытам на самом себе и опубликованном в 1928 г., Холдейн писал: «Чтобы делать с собаками то, что можно делать с обычными студентами-медиками, нужно получить разрешения в трех экземплярах, подписанные двумя архиепископами». Ему также казалось странным, что лишь немногие химики пытаются узнать, что значит почувствовать самого себя более кислым, более щелочным или более разбавленным.

6

Спортсмены, тренирующиеся на большой высоте над уровнем моря, должны спускаться вниз за считанные дни или недели до состязаний, иначе все преимущества таких тренировок теряются. При тренировках на высоте в организме образуется больше эритроцитов, поглощающих из воздуха дополнительный кислород. При возвращении вниз организм адаптируется к более высокому содержанию кислорода в воздухе и снижает выработку эритроцитов. Преимущества никогда нс сохраняются дольше периода адаптации.

7

Запомнить помогает мнемоническое правило «ВВО/ООВ»: взял (электроны), восстановился — окислитель; отдал (электроны), окислился — восстановитель. — Примеч. пер.

8

В новой книге The Vital Question Ник Лэйн утверждает, что жизнь зародилась не в черных курильщиках, а в щелочных гидротермальных источниках. — Примеч. пер.

9

Растения, водоросли и цианобактерии тоже дышат, используя некоторое количество кислорода, выпущенного в воздух в процессе фотосинтеза, для окисления углеводородных продуктов фотосинтеза и извлечения запасенной в них энергии.

10

Для тех, кто хочет разобраться в химии, представляю общее уравнение процесса фотосинтеза: CO₂ + H₂O = CH₂O (органический углерод в форме углевода) + O₂; процесс дыхания описывается обратной реакцией. Это означает, что сохранение (захоронение, а не сжигание в процессе дыхания) каждой молекулы CH₂O соответствует сохранению в воздухе одной молекулы O₂.

11

Космический аппарат Маrs Global Surveyor, вышедший на орбиту Красной планеты в апреле 1999 г., прислал на Землю подробные изображения осадочных гор. Специалисты из НАСА считают, что они могли образоваться на месте озер и мелких морей. Существующие на Марсе эрозионные каналы свидетельствуют о том, что в далеком прошлом на планете была проточная вода, но новые данные представляют собой первые неопровержимые доказательства того, что когда-то там были океаны. Пока мы не знаем, просочилась ли эта вода в глубь планеты или испарилась в космическое пространство (или и то и другое).

12

Изотоп ¹⁴C распределяется в атмосфере и впитывается живыми растениями в составе углекислого газа в процессе фотосинтеза, а затем поглощается животными. Его доля по отношению к другим изотопам углерода остается практически постоянной, поскольку в долгосрочном плане скорость его распада примерно равна скорости его образования. Однако когда растения и животные умирают, прекращение циркуляции газа в тканях приводит к тому, что ткани больше не находятся в равновесии с атмосферой, и поэтому содержание ¹⁴C постепенно снижается в соответствии со скоростью радиоактивного распада. Таким образом, более старые органические соединения содержат меньше ¹⁴C.

13

В книге «Жизненно важный вопрос» автор уточняет, что изотопное фракционирование не обязательно связано с деятельностью живых существ, но может происходить (хотя и медленнее) за счет геологических процессов в гидротермальных источниках. — Примеч. пер.

14

По другой версии, Черное море сначала называлось Аксинским (Негостеприимным), поскольку его берега населяли дикие воинственные племена, но их сменили более миролюбивые народы, и море стало называться Евксинским (Гостеприимным). — Примеч. пер.

15

Красный цвет красноцветных континентальных отложений указывает на то, что железо в них полностью окислено, что объясняется действием кислорода на продукты эрозии на протяжении неопределенного, но достаточно длительного промежутка времени. Поскольку все железо в этих образцах окислено в одинаковой степени, мы не можем оценить концентрацию кислорода в воздухе.

16

По последним данным, эукариотические клетки появились в результате эндосимбиоза между клетками архей и клетками бактерий, превратившимися в митохондрии. Об уникальности этого события и о его последствиях повествует новая книга Ника Лэйна «Жизненно важный вопрос». — Примеч. пер.

17

Пока мы не можем сказать однозначно, возникли ли эукариоты в результате однократного слияния бактерий разных типов, или их появление стало результатом серии поглощений. За исключением приобретения хлоропластов, скорее всего, это было единичное событие, которое произошло до разделения эволюционных ветвей на дереве эукариот.

18

Как автомобиль может иметь мощность в 100 лошадиных сил, так и эукариотическая клетка со 100 митохондриями обладает мощностью 100 бактерий.

19

На сегодняшний день считается, что все без исключения эукариоты имеют митохондрии, иногда измененные, такие как гидрогеносомы или митосомы. Об этом Ник Лэйн пишет в книге «The Vital Question». ― Примеч. пер.

20

Они применяли так называемый кладистический метод, в рамках которого анализируют не различия, а фундаментальное сходство между видами организмов отражающее их родственные связи.

21

Одна из причин, почему сегментарное двустороннесимметричное строение тела обладает столь высоким генетическим потенциалом, заключается в том, что небольшие изменения Hox-генов, смещающие их зону влияния, могут приводить к значительным изменениям морфологии — это полностью дарвиновский процесс постепенных изменений, но его легко можно принять за гигантский скачок в генетическом пространстве.

22

Палеомагнитные исследования подтверждают возможность такого расположения континентов, хотя точность этого анализа невысока.

23

Жизнь могла сохраниться в горячих источниках и в черных курильщиках на дне океана. Некоторые считают, что именно здесь она  зародилась. Другие утверждают, что после последнего серьезного оледенения Земля была заново населена бактериями из гидротермальных источников. Поэтому теоретически возможно, что все данные, которые мы относим к моменту возникновения жизни, на самом деле, относятся к моменту ее возрождения после окончания оледенения. Я не думаю, что это так: цианобактерии слишком сильно отличаются от бактерий из гидротермальных источников и вряд ли отделились от них лишь недавно. Кроме того, доказательства существования цианобактерий относятся к периоду до всех оледенений. Однако цианобактерии каким-то образом пережили все ледниковые периоды, возможно, под тонким слоем льда вблизи экватора или в теплых источниках на поверхности Земли.

24

Руттен приводит старый довод: поскольку в основном фотосинтез осуществляет океанический планктон, мы не можем сказать, действительно ли флора каменноугольного периода производила измеряемое количество дополнительного кислорода. Но этот аргумент ошибочен. Нужно учитывать не абсолютную продуктивность, а количество захороненного органического материала. Полное разложение планктона означает, что в море захоронено меньше yглepoдa, чем на cyшe, поскольку наземные растения разлагаются хуже.

25

Возможно, на скорость захоронения углерода влияет доступность и других питательных веществ, таких как фосфаты. Однако отношение количества фосфора к количеству углерода в наземных растениях гораздо ниже, чем в морских водорослях и в планктоне, то есть на суше захоранивается больше углерода в пересчете на одно и то же количество фосфора. Таким образом, на суше доступность фосфата должна меньше влиять на скорость захоронения органических веществ, чем в море.

26

Негативный эффект фотодыхания в основном сказывается на так называемых С3-растениях, к которым относятся многие виды деревьев и кустарников. Травы в основном принадлежат к С4-типу и меньше страдают от негативных последствий фотодыхания благодаря обособлению аппарата фотосинтеза. Они захватывают углекислый газ, а затем направляют его в клеточный отдел, содержащий Рубиско. В таких условиях CO₂ выигрывает у O₂ борьбу за фермент.

27

Кроме захоронения органических соединений углерода, нас также интересует захоронение пирита («золота дураков»). Сероводород, выделяемый сульфатредуцирующими бактериями, либо взаимодействует с кислородом с образованием сульфатов, либо, если кислорода нет, может реагировать с растворенным железом, образуя пирит. В последнем случае тот кислород, который мог израсходоваться в реакции с сероводородом, остается в атмосфере. Таким образом, одновременное активное захоронение углерода и пирита способствует росту концентрации кислорода в воздухе.

28

На сегодняшний день старейший вырубленный ледяной керн имеет возраст 800 тыс. лет. — Примеч. пер.

29

Такой же подход применим к анализу активности сульфатредуцирующих бактерий, которые умеют различать изотопы ³²S и ³⁴S. Захоронение пиритов в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий способствует повышению концентрации кислорода в воздухе, поскольку органическое вещество, используемое бактериями в качестве источника углерода, окисляется не полностью. Заметные подписи ³⁴S в сульфатных эвапоритах (продуктах испарения воды), таких как гипс, соответствуют высокой скорости захоронения ³²S в составе пиритов. В описанных в тексте экспериментах наверняка учитывались изотопные подписи серы, но я не могу останавливаться на этом подробнее, так как рискую потерять оставшихся читателей. Бернер подробно и доступно обсуждает этот вопрос в своих работах, так что всем, кто хочет знать больше, я советую обратиться к его статьям, процитированным в списке литературы.

30

Альтернативная гипотеза строится на том, что иридий в этих отложениях появился в результате сильнейших извержений вулканов в области Деканского плоскогорья (Индия). К катастрофическим пожарам могли привести оба явления, однако не очень понятно, как Деканские траппы могут объяснить происхождение кратера на дне отступивших морей на полуострове Юкатан (Мексика) и возникшую впоследствии «мегаволну» цунами.

31

Поскольку дополнительный кислород добавляли к воздуху стандартного состава, повышалась общая плотность воздуха. Более высокая плотность облегчала подъем (из-за повышения числа Рейнольдса) и могла способствовать эволюции полета. В серии замечательных статей Роберт Дадли связал происхождение летающих насекомых, птиц и летучих мышей с изменениями плотности атмосферного воздуха.

32

Мегарахна — вымершее хищное членистоногое. — Примеч. пер.

33

На самом деле, промежуточных соединений может быть намногo больше, но эти три самые важные. Их стабильность и реакционная способность зависят от протонирования (наличия связанного иона водорода, как в пероксиде водорода), что, в свою очередь, определяется внешними условиями. Например, супероксидный радикал (О₂^-+) гораздо более активен в протонированной форме (НО₂⁺).

34

В норме железо прочно связано с белками, находящимися внутри клеток, но при некоторых патологических состояниях оно высвобождается и оказывается даже в ядре.Здесь положительно заряженные ионы железа связываются с отрицательно заряженной ДНК и повреждают ее.

35

Несмотря на звучное название, супероксидный радикал не очень активно реагирует с липидами, белками или ДНК. Однако он весьма активно взаимодействует с другими радикалами, такими как оксид азота, и это может быть причиной повреждения клеток. Кроме того, он активен в слабокислой среде вблизи клеточных мембран, а потому может разрушать мембраны.

36

Вокруг вращающейся заряженной частицы образуется магнитное поле. Это справедливо и для электрического тока в катушке проволоки, и для единственного электрона в атоме. Теоретически все химические (ковалентные) связи образованы парами электронов. Электроны в паре обычно имеют противоположно направленные (антипараллельные) спины. Противоположные спины уравновешивают друг друга, так что молекула в целом спином не обладает. По этой причине большинство химических соединений не проявляют магнитных свойств. Обладающие магнитными свойствами атомы или молекулы, такие как железо или кислород, обязательно имеют хотя бы один неспаренный электрон, а такое электронное состояние, как мы видели, является неустойчивым. Однако в соответствии с законами квантовой механики структура кислорода с двумя неспаренными электронами значительно устойчивее, чем структура с обычной двойной связью, о которой всем нам рассказывали в школе (см. рис. 8).

37

Число Авогадро — количество молекул в одном моле любого вещества; численное значение 6,023 × 10²³. Один моль вещества — это его молекулярная масса, выраженная в граммах. Молекулярная масса гидроксильного радикала 17, так что моль гидроксильных радикалов весит 17 г. Это означает, что в 17 г гидроксильных радикалов содержится 6,023 × 10²³ гидроксильных радикалов. Средний объем клетки млекопитающего составляет от 10^-9 до 10^-8 мл. Данный расчет (с модификациями) взят из книги Холлиуэлла и Гаттриджа «Свободные радикалы в биологии и медицине», см. список литературы в конце книги.

38

Бактерии одного вида или родственных видов обмениваются генами при конъюгации, аналогичной половому размножению. Иногда эти гены являются частью хромосом, иногда частью кольцевых внехромосомных молекул ДНК, называемых плазмидами. Например, на плазмидах содержится большинство генов устойчивости  к антибиотикам, что облегчает их распространение в бактериальной популяции. Кроме того, бактерии могут получать гены неродственных бактерий различными способами, включая прямое поглощение фрагментов ДНК из окружающей среды. Такой обмен генетической информацией называют горизонтальным (латеральным) переносом генов. Горизонтальный перенос генов затрудняет определение эволюционного родства между бактериями.

39

Поскольку растения поглощают красный свет и отражают синий и желтый, нам они кажутся зелеными. На самом деле, хлорофилл — не единственная светопоглощающая молекула. Другие пигменты, такие как каротиноиды, тоже поглощают свет с разной длиной волны и передают его энергию хлорофиллу. Именно общий спектр поглощения всех пигментов придает растениям зеленую окраску.

40

Электрон движется по электрохимическому градиенту от соединений с низким сродством к электронам (с низким редокс-потенциалом) к соединениям с высоким сродством к электронам (с высоким редокс-потенциалом). Электронтранспортная цепь представляет собой набор белков и других молекул, способных передавать электроны и связанных между собой в порядке возрастания электрохимического потенциала. Обычно электроны плавно проходят по цепи от одного конца до другого, но иногда кислород выхватывает их и превращается в супероксидный радикал. На некоторых участках цепи переход электрона от одной молекулы к другой обеспечивает достаточное количество энергии для производства АТФ.

41

Как обычно, в реальности все несколько сложнее. На самом деле для оксигенного фотосинтеза необходим второй светочувствительный центр. Один реакционный центр не может перекрыть широкую химическую пропасть и сразу переправить электроны из воды на молекулу углекислого газа, для этого нужна согласованная работа двух центров. Центры сопрягаются в соответствии с так называемой Z-схемой, и каждый в одном цикле поглощает четыре фотона. Таким образом, для получения одной молекулы кислорода требуется восемь фотонов света.

42

У нас нет неопровержимых доказательств, но кое-что нам известно. Во-первых, механизмы реакций очень похожи. И каталаза, и ВРК связывают две идентичные молекулы (либо 2Н₂О₂, либо 2Н₂О), которые затем реагируют между собой по очень похожей схеме и выделяют кислород. Во-вторых, оба фермента содержат в своем центре кластеры марганца. Хайман Гартман и другие отмечали, что марганцевый центр каталазы очень напоминает по структуре половину марганцевого центра КВК, так что действительно КВК мог образоваться в результате связывания двух молекул каталазы. Однако может оказаться, что структурное сходство между каталазой и KBK — всего лишь совпадение или результат конвергентной эволюции, как эволюция крыльев на основе разных структур у насекомых, птиц и летучих мышей. Но даже если сходство является доказательством генетического родства, мы пока не можем исключить, что это каталаза образовалась из КВК, а не наоборот.

43

Английский богослов Уильям Палей в книге «Естественная теология» доказывал существование Творца. В частности, он писал, что, если мы находим на улице часы, мы не думаем, что это ураган собрал воедино множество мельчайших деталей; но строение часов намного проще строения любого самого примитивного живого существа, которое никак не могло появиться случайно. — Примеч. пер.

44

Используем число Авогадро — 6,023 × 10²³ — число молекул в одном моле вещества. Один моль пероксида водорода весит 34 г, следовательно, 1 г пероксида водорода содержит 6,023 × 10²³/34 ≈ 177 × 10²¹ молекул. Масса ста миллиардов молекул составляет 100 млрд / 177 × 10²¹ = 56 × 10^-12 г.

45

К глубочайшему сожалению, Мати Сарасте скончался 20 мая 2001 г. в возрасте 52 лет. На похоронах коллеги из Гейдельберга процитировали его слова, и это, как мне кажется, лучшая дань его памяти и свидетельство великолепия и магии биохимии. Я надеюсь, что жти слова вдохновят будущих студентов.

«Лучшее, что дает нам биохимия, это возможность сочетать умственную и практическую работу. Это можно делать одновременно. Я нахожу огромное удовольствие в проведении практической работы, эксперимента. Эксперимент — это возможность подойти к существующей научной проблеме на границе между известным и неизвестным. Но не меньшее удовольствие доставляют попытки постичь разумом эту удивительную границу. Чтобы стать хорошим биохимиком, не нужно быть интеллектуалом или абсолютным гением в математике или физике, но, чтобы понимать проблему, нужно размышлять, читать, экспериментировать и планировать. С другой стороны, можно занимать руки и не очень много раздумывать: самым узким местом в исследованиях часто является эксперимент».

Матти Сарасте, 1985 г.

46

Ген витамина С функционирует в клетках растений и большинства животных (см. главу 9). Последовательности этих генов соответствуют последовательности нашего испорченного гена. Мы (точнее, наши предки) когда-то потребляли достаточное количество витамина С с растительной пищей, поэтому потеря гена не была остановлена естественным отбором, как неизбежно случилось бы при дефиците витамина. Обычно хорошим критерием важности гена является степень нарушения физиологической функции в случае его потери. Потеря некоторых генов несовместима с продолжением рода или даже с жизнью. Большинство все еще работающих древних генов играют чрезвычайно важную роль в функционировании oрганизма. Их потеря наказывается путем устранения носителей соответствующих повреждений.

47

Митохондрии является одними из немногих окрашенных компонентов клетки и тоже имеют пурпурный цвет. В красочном отступлении в книге «Энергия жизни» Ги Браун замечает:

«Если бы не меланин в коже, миоглобин в мышцах и гемоглобин в крови, мы имели бы цвет митохондрий. И в этом случае мы меняли бы окраску при занятиях спортом или недостатке воздуха, так что по цвету каждого человека можно было бы сказать, сколько у него энергии».

48

Этот вопрос подробно обсуждается в новой книге Ника Лэйна «Жизненно важный вопрос» (см. примечание в главе 2). — Примеч. пер.

49

Явление горизонтального (латерального) переноса генов было весьма распространено среди бактерий на всем протяжении эволюции. Бактерии не только обмениваются генами с близкими родственниками в пpоцесcе конъюгации, но способны поглощать ДHK из окружающей среды, а затем встраивать ее в собственную ДНК.

50

Явление горизонтального (латерального) переноса генов было весьма распространено среди бактерий на всем протяжении эволюции. Бактерии не только обмениваются генами с близкими родственниками в пpоцесcе конъюгации, но способны поглощать ДHK из окружающей среды, а затем встраивать ее в собственную ДНК.

51

Новейшая версия дерева жизни, предложенная Биллом Мартином в 1998 г., выглядит иначе и отражает гибридное происхождение эукариот — см. Martin W. BioEssays. 21: 99 — 104 (1999). — Примеч. пер.

52

Это проверяемая гипотеза, но на момент написания книги у нас нет окончательного подтверждения ее справедливости или ошибочности. Все истинные цитохромоксидазы получают энергию от кислорода путем перекачивания протонов через мембраны. Градиент протонов используется для производства молекул АТФ. Создание градиента протонов  и его превращение в химическую энергию в форме АТФ называют хемиосмотическим сопряжением, и это процесс является универсальным для большинства способов дыхания, как и фотосинтез — еще один пример фундаментальной универсальности жизни. Если выяснится, что цитохромоксидазы бактерий и архей пользуются одинаковыми механизмами перекачивания протонов, это подтвердит наличие дыхательной функции у их общего предка. Напротив, если детали этого механизма в двух доменах жизни различаются, следовательно, цитохромоксидаза возникла в клетках LUCA для решения другой задачи, например для защиты от кислорода или денитрификации (превращения нитратов в азот), а позднее была адаптирована для дыхания в клетках бактерий и архей независимым образом. Имеющиеся на настоящий момент данные позволяют предположить, что цитохромоксидаза перекачивает протоны в клетках бактерий и архей по одному и тому же механизму, так что, вероятно, LUCA использовал этот фермент для этой же цели.

53

Гены, вышедшие из употребления позднее, все еще можно  узнать, поскольку за более короткий отрезок времени их последовательности меньше изменились. Благодаря определению полной нуклеотидной последовательности генома человека мы узнали, какое множество генов было утеряно. Хороший пример — восприятие запаха. Когда-то у наших предков было 900 обонятельных генов, но 60% оказались «испорчены» (на их основе не может синтезироваться функциональный белок). Когда наши предки приматы стали лазать по деревьям, зрение стало играть более важную роль в борьбе за выживание, чем обоняние, так что многие обонятельные гены оказались ненужными и разрушились.

54

О сходстве механизмов реакций цитохромоксидазы и кислород-выделяющего комплекса писали, в частности, Kypтис Хогансон и его коллеги из Университета Мичигана (см. список литературы в конце книги).

55

Клемент Фрейд (1924 — 2009) — британский писатель и общественный деятель, ресторатор; внук Зигмунда Фрейда. — Примеч. пер.

56

Ежегодный цикл лекций на радио BBC на политические, экономические, научные или другие темы, которые читают видные политические и общественные деятели или ученые; названы в честь первого директора BBC лорда Рита. — Примеч. пер.

57

Это количество (5 — 10 г витамина) получено путем экстраполяции результатов измерений концентрации витамина в гомогенизированных образцах печени козы и может не отражать реального количества витамина, синтезируемого в организме козы за сутки.

58

Мутация гена фермента NADH-оксидазы, генерирующего свободные радикалы кислорода в активированных нейтрофилах, приводит к патологическому состоянию, называемому хроническим гранулематозом. При этой патологии нейтрофилы не могут эффективно уничтожать бактерии, так что в коже, лимфатических узлах, легких, печени и костях возникают хронические гноящиеся гранулемы (зоны абсцесса). Больные часто страдают от оппортунистических инфекций. Болезнь часто проявляется в детском возрасте и отчасти контролируется приемом антибиотиков.

59

Если выражаться наиболее наукообразно, витамин C имеет практически нейтральный восстановительный потенциал: он с большей вероятностью передает электроны сильным, нежели слабым окислителям, и поэтому не мешает нормальной работе клетки.

60

Обычно слабительное действие витамина C считают неопасным побочным эффектом, несопоставимым по значимости с побочным эффектом многих лекарственных препаратов. Однако это действие можно рассматривать в качестве неслучайного физиологического ответа организма на прием потенциально опасных доз витамина С.

61

Избыток железа может возникать в результате лечения других заболеваний, например талассемии, вызванной нарушением образования гемоглобина. Без регулярных переливаний крови пациенты с так называемой большой талассемией погибают еще в детском возрасте. Но регулярные переливания крови часто приводят к перегруженности организма железом.

62

В настоящее время появляется все больше данных, подтверждающих эффективность внутривенного введения витамина С в рамках противоопухолевой терапии. — Примеч. пер.

63

Сторонники приема «мегадоз» витамина C утверждают, что регенерация витамина глутатионом неэффективна: она происходит медленно, расходует энергию клетки и в конечном итоге только усиливает кризис. Одно из оснований для приема высоких доз витамина при болезни как раз и заключается в том, что витамин позволяет обойтись без такой опасной стадии регенерации. Однако это верно в растворе, но не внутри клетки, особенно если защита нужна немедленно. Дело в том, что большинство клеток узнают только окисленную форму витамина C — дегидроаскорбат. Сначала витамин С должен окислиться, проникнуть в клетки в виде дегидроаскорбата и, наконец, превратиться в витамин С при помощи глутатиона. Это далеко не короткий путь.

64

Фридович, который теперь считается родоначальником исследований свободных радикалов, указывает, что скорость этой реакции близка к максимальной скорости диффузии и кажется невероятной высокой. Медьсодержащий участок в центре фермента занимает менее 1% площади поверхности фермента. Таким образом, при случайной диффузии более 99% столкновений между ферментом и субстратом являются непродуктивными. Поэтому супероксидные радикалы направляются в активный центр фермента с помощью электростатического градиента, как самолет выходит на посадочную полосу, ориентируясь на световые сигналы. Активность фермента соответствует скорости диффузии по той причине, что фермент направляет течение естественного процесса. Замена аминокислотных остатков в молекуле фермента может изменять электростатические взаимодействия и скорость реакции даже без изменения структуры самого активного центра. Так что можно синтезировать еще более быстрые версии СОД.

65

Следует различать среднюю и максимальную продолжительность жизни. В западных странах средняя продолжительность жизни за последние сто лет значительно выросла: гораздо меньше людей умирают от инфекционных болезней в детстве или при родах, и гораздо больше людей доживают до старости. Но, несмотря на эти серьезные демографические изменения, максимальная продолжительность жизни практически не изменяется. Людям редко удается пережить столетний юбилей. Возможно, в наше время таких людей стало чуть больше, но и в библейские времена, и теперь люди живут не дольше 115 — 120 лет. Если в науке не произойдет большого прорыва, такая продолжительность жизни может считаться максимальной.

66

ДНК кодирует РНК и белки, которые, в свою очередь, создают клеточную инфраструктуру, обеспечивающую репликацию ДНК. Происхождение данной системы выходит за пределы нашего рассказа. Если вас интересуют подробности, рекомендую обратиться к книге Лесли Оргела (см. список литературы в конце книги).

67

Существуют и другие гены, увеличивающие продолжительность жизни C. elegans, такие как clock-гены, но они не связаны с образованием спящей личинки. Их влияние сравнительно слабое — они увеличивают продолжительность жизни примерно на 30 — 60%. Считается, что продукты clock-генов снижают скорость метаболизма, подавляя функцию митохондрий, и могут сокращать потребление калорий.

68

С. elegans воспринимает окружающий мир с помощью сенсорных клеток, расположенных в чувствительных органах на голове и хвосте. Сотрудники лаборатории Синтии Кеньон показали, что мутанты с дефектными сенсорными клетками неправильно воспринимают окружающий мир и живут дольше.

69

К свободным радикалам в данном случае я отношу и такие молекулы, как пероксид водорода, хотя, строго говоря, он не является радикалом (см. главу 6).

70

В эксперименте Xартмана мыши из контрольной группы (не получавшие дополнительных антиоксидантов) жили недостаточно долго. Возможно, они умирали раньше срока из-за недостатка антиоксидантов в стандартном рационе питания, и Хартман просто ввел в расчеты поправку. Это действительно вполне вepоятно, поскольку мы до сих пор не знаем, каков оптимальный пищевой рацион большинства животных в дикой природе и в неволе.

71

Во всех этих исследованиях увеличивали концентрацию цитозольной, а не митохондриальной формы СОД. И это важно. Митохондриальная форма СОД защищает от супероксидных радикалов как митохондрии, так и окружающий их цитозоль, поскольку бóльшая часть супероксидных радикалов выходит за пределы митохондрий. А цитозольная форма обеспечивает только частичную защиту цитоплазмы. Насколько мне известно, трансгенные дрозофилы с повышенным уровнем экспрессии митохондриальной СОД и каталазы еще не созданы. Думаю, продолжительность их жизни будет еще больше.

72

Хотя ограничение калорий не вызывает стрессового ответа у крыс, экспериментальные животные демонстрируют более эффективные стрессовые реакции на нагрузку на сердце (крыс на короткое время подвергали воздействию высокой температуры), чем нормально стареющие крысы. Другими словами, при нормальном старении стрессовые реакции на утечку свободных радикалов из митохондрий притупляют острый ответ на внезапный стресс (такой как тепловой шок), тогда как ограничение калорийности питания ослабляет хронический стрессовый ответ и усиливает ответ на внезапный стресс.

73

Существует и другая возможность. Высвобождение цитохрома с из митохондрий запускает программированную клеточную смерть — апоптоз. Можно себе представить, что снижение уровня цитохрома с в клетках уменьшает количество клеток, погибающих от апоптоза в стареющих органах. В результате функция opганов реализуется дольше. Это исключительно предположение, но, я думаю, Ричард Вейндрух рассмотрит эту возможность. (Результаты, полученные учеными из Национального института старения, оказались несколько иными. Продолжительность жизни животных в двух группах была одинаковой, но животные, потреблявшие меньше калорий, меньше болели (см. Mattison J. А. et al. Impact of caloric restriction on health and survival in rhesus monkeys from the NIA study // Nature. 2012. № 489. Р. 318 — 321). — Примеч. nep.)

74

Митохондриальная ДНК эволюционирует на протяжении тысячелетий, но не подвергается рекомбинации в половом процессе, сопровождающейся «перемешиванием» генов. Если турчанка выходит замуж за американского аборигена, все их дети будут иметь митохондриальную ДНК турецкой матери. В результате популяции людей, отделившиеся от общих предков несколько тысяч лет назад, можно различить по митохондриальной ДНК, тогда как внутри каждой популяции все люди имеют одинаковую митохондриальную ДНК, унаследованную по материнской линии. На этом основана идея о «митохондриальной Еве» — мифической матери всего человечества, передавшей митохондриальную ДНК всем живущим на планете людям. Специалист по митохондриальной ДНК и автор книги «Семь дочерей Евы» Брайан Сайкс из Оксфорда считает, что все современные европейцы являются потомками семи мифологических женщин — представительниц семи племен, переселившихся в Европу в разное время.

75

Одно объяснение было предложено Джоном Алленом. Он считает, что митохондриальные гены позволяют быстро реагировать на внезапные изменения концентрации кислорода, питательных веществ или присутствие дыхательных ядов. Энергетический статус клетки настолько важен, что клетки должны быстро реагировать на все возможные изменения. Использование ядерных генов сопряжено с преодолением клеточной бюрократии и сравнимо с ожиданием решения правительства относительно передислокации войск во время боевых действий. Таким образом, митохондриальные гены — передовая группа войск, контролирующих изменение ситуации на местах и поддерживающих дыхательную функцию. Митохондриальную ДНК можно назвать «альтруистической», поскольку она служит общему делу, однако клетки и организмы, сохранившие митохондриальную ДНК, имеют селективные преимущества и, следовательно, выживают с большей вероятностью, чем клетки, удалившие «альтруистическую» ДНК. Это напоминает нам о том, что «единицей отбора» всегда является организм (пусть даже одноклеточный), а не отдельные гены.

76

В 2009 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена австралийке Элизабет Блэкберн и американцам Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы. — Примеч. пер.

77

Идея Обри де Грея из Университета Кембриджа заключается в том, что повреждение митохондриальной ДНК может мешать метаболизму кислорода, что парадоксальным образом снижает выработку свободных радикалов. В результате мембраны митохондрий повреждаются меньше, чем обычно, и оборот митохондрий снижается. Возможно, это звучит нелогично, однако его идея подтверждается экспериментальными данными.

78

Храповик Мёллера (назван по имени американского генетика, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине Германа Джозефа Мёллера, 1890 — 1967) — процесс накопления вредных мутаций в популяциях, не способных к половому размножению. — Примеч. пер.

79

Это также может объяснить, почему некоторые виды организмов получают митохондрии от обоих полов. Можно предположить, что либо выживают только неповрежденные митохондрии не помеченные убиквитином), либо какие-то субпопуляции митохондрий отключаются в клетках обоих полов, о чем говорилось выше. Возможно также, что в обоих случаях подвижность половых клеток окажется пониженной. Например, для оплодотворения цветка пыльце не нужно много энергии.

80

Софокл. Царь Эдип (пер. Ф. Ф. Зелинского)

81

Последовательность одного и того же гена у организмов разных видов может иметь замены почти в любом месте, но функция белка при этoм сохpaняется. Различия последовательности связаны с «дрейфом генов»: мутации, не влияющие на функцию белка, передаются следующим поколениям, и со именем происходит расхождение видов. Наличие консервативной функции гена, свидетельствующее об эволюционном родстве организмов, проявляется в сохранении трехмерной структуры белка и конкретных («консервативных») аминокислотных остатков в его активном центре. Несмотря на различия, такие белки могут работать одинаково эффективно. Я думаю, что в миллионе видов организмов можно найти миллионы различных работающих версий одного и того же гена.

82

В человеческой популяции чаще других встречаются три аллели гена ApoE: ApoE2, АроЕЗ и АроЕ4. Они кодируют разные версии белка аполипопротеина Е, который участвует в доставке липидов и холестерина в клетки тела. По этой причине ген АроЕ влияет и на риск развития инфаркта и инсульта. Пока неизвестно, как этот ген связан с развитием болезни Альцгеймера, хотя считается, что аполипопротеин Е каким-то образом участвует в репарации нейронов. По-видимому, продукт гена ApoE4 ycиливает отложение амилоида — основного компонента бляшек, обнаруженных в головном мозге людей с болезнью Альцгеймера.

83

Отвечая на вопрос о факторах риска болезни Альцгеймера, сэр Ричард Сайкс вызвал у слушателей улыбку, когда заявил, что люди с наименьшим риском, имеющие две аллели АpоЕ2, все равно заболеют в возрасте 140 лет.

84

NFκB перемещается в ядро только в окисленной форме. Однако в ядре он должен восстановиться до своего исходного состояния, иначе он не может связаться с ДНK. Таким образом, действие NFκВ регулируется на каждой стадии, и для этого клетка должна coхpанять контроль над окислительным состоянием ядра. При окислении и ядра, и цитоплазмы клетка, скорее всего, не может реагировать должным образом и погибает.

85

NFκB — не единственный транскрипционный фактор, участвующий в реакции на окислительный стресс; в процессе также задействованы Nrf-2, АР-1, Rel-1, Р53 и некоторые другие факторы. Однако в медицинских кругах NFκВ буквально стал синонимом реакции на стресс, поэтому я сосредоточил внимание именно на нем.

86

Пол и Баэрль предполагают, что мелизм может быть связан с накоплением вирусных белков в эндоплазматическом ретикулуме — системе выводящих путей клетки. При перегрузке этих путей происходит выделение кальция, который активирует такие ферменты, как циклооксигеназа и липоксигеназа, а они способствуют образованию свободных радикалов.

87

Известно не менее семи форм NFκВ, которые активируются немного по-разному и воздействуют на транскрипцию разного набора генов. Например, одна из форм усиливает сопротивляемость стрессу, но не вызывает воспаления. Когда в тексте я говорю об NFκB, я имею в виду наиболее распространенную форму, провоцирующую воспалительное действие.

88

Если вам эти цифры кажутся незначительными, вспомните, что изменение активности одного-единственного гена, такого как ген гемоксигеназы, побеждает инфекционное заболевание, но может стоить человеку жизни. Поэтому изменения такой силы в 450 генах — весьма серьезное явление.

89

Степень когнитивных нарушений при болезни Альцгеймера действительно коррелирует с наличием нейрофибриллярных клубков, однако некоторые исследователи считают, что формирование клубков не является причиной развития заболевания. Напротив, нейрофибриллярные клубки могут быть компенсаторной реакцией на окислительный стресс и выполнять защитную функцию. Такая защитная функция была показана для агрегатов белка хантингтина, а теперь появляются данные о том, что клубки белка тау — не патология, а защита. — Примеч. пер.

90

У людей с синдромом Дауна имеется лишняя копия 21-й хромосомы, на которой содержится ген COД. COД устраняет супероксидные радикалы, но при этом производит пероксид водорода. Если пероксид водорода не удаляется каталазой, избыток СОД усиливает окислительный стресс. Кроме того, на 21-й хромосоме расположен ген АРР, так что у людей с синдромом Дауна синтезируется избыток предшественника бета-амилоида и, возможно, самого амилоида; однако фрагмент амилоида у них не длинный и не липкий, а нормальный.

91

Наиболее явное отклонение от нормы выражается в избыточном фосфорилировании белка тау. Некоторые ученые предполагают, что фосфорилирование белка необходимо для образования клубков, однако Швирс и его коллеги не согласны с такой точкой зрения (и это подтверждается более поздними исследованиями): фосфорилирование белка не является обязательным условием отложения волокон, которые могут формироваться даже при полном отсутствии фосфата.

92

Высокие дозы аспирина и НПВП, а также продолжительный прием этих препаратов могут вызывать кровотечения и язвы желудочно-кишечного тракта, и ежегодно тысячи людей попадают в больницы из-за этого побочного действия лекарств (хотя 97% людей нормально переносят умеренные дозы аспирина, остальные 3% — это тысячи человек). Сейчас на рынке появились более специфические препараты, такие как ингибиторы ЦОГ2, обладающие высокой эффективностью, но менее выраженным побочным действием. Однако в низких дозах ингибиторы ЦОГ2 и аспирин ингибируют только циклооксигеназу (ЦОГ), но оказывают весьма слабое действие на другие белки, синтез которых контролируется NFκВ, такие как фактор некроза опухоли или NО-синтаза. В высоких дозах аспирин (но не ингибиторы ЦОГ2) ингибируют NFκВ, что отчасти объясняет особенности его действия (см. Корр. Е., Ghosh. S. Science, 1994, 265: 956 — 969). Глюкокортикоиды еще сильнее подавляют активность NFκВ, что является частью их мощного иммуносупрессорного действия. Однако в обычных дозах глюкокортикоиды вызывают множество неприятных побочных эффектов, включая увеличение массы тела, хронические инфекции, сокращение костной массы и атрофию желез.

93

В опухолевых клетках ген фактора NFκВ часто мутирован и постоянно находится в активированном состоянии. Блокировать его сложно, отчасти по той причине, что это приведет к подавлению иммунитета. Подавление иммунитета способствует развитию опухолевого заболевания, поскольку иммунная система в норме выслеживает и уничтожает раковые клетки.

94

Некий прорыв уже наметился. Речь идет о создании «нокаутных» мышей с отключенными некоторыми генами, например геном COД, так что в их клетках не вырабатываются соответствующие белки. Это ценные эксперименты, указывающие на важную роль COД в организме новорожденных мышей. Однако они не означают, что данный фермент столь же важен и для взрослых особей. Дополнительным yказанием может служить увеличение продолжительности жизни дрозофил с повышенным уровнем синтеза СОД и каталазы, однако пока эти эксперименты проведены только на дрозофилах.

95

По поводу происхождения эукариотических клеток см. примеч. пер. в главе 3. — Примеч. пер.

96

Это иная формулировка идеи «эгоистичного гена», высказанной Ричардом Докинзом. Большинство биологов воспринимают эту идею не в качестве новой теории, а в качестве удобного способа объяснения сути естественного отбора. Конечно же, наши тела — это не только машины по производству генов, о чем говорит и сам Докинз. Но многие негативные элементы жизни, такие как болезни, старение и смерть, легче понять в рамках данной концепции.

97

Подумайте об этом в терминах радиационного облучения. Чем больше интенсивность излучения, тем выше вероятность смерти. Если нас защитить экраном, мы проживем дольше, хотя уровень излучения не изменился. Таким образом, наши шансы на выживание зависят от интенсивности «внешнего излучения» (эквивалент скорости метаболизма) и толщины экрана (эквивалент антиоксидантной защиты), или, проще говоря, от интенсивности проникающего излучения.

98

Глюкокортикоиды, такие как преднизолон, блокируют NFκВ путем синтеза его природного ингибитора IKB. В высоких дозах преднизолон — очень мощный иммунодепрессант общего действия, так что многие люди, принимавшие его после трансплантации, погибали от инфекционных заболеваний и рака. С появлением циклоспорина в 1980-х гг. произошел прорыв в трансплантологии. Этот препарат более избирателен по отношению к Т-лимфоцитам и поэтому не вызывает таких катастрофических последствий для здоровья. Он ингибирует фермент кальциневрин, который среди прочего блокирует активность NFκB в Т-лимфоцитах, но не в других иммунных клетках.

99

Малярийный пигмент, или гемозоин, представляет собой продукт распада гемоглобина и содержится в цитоплазме эритроцитарной формы малярийного плазмодия. — Примеч. пер.

100

Гемоксигеназа является мощным иммунодепрессантом. Усиление синтеза этого фермента предотвращает отторжение сердца, пересаженного от мыши крысе, и даже реакцию «трансплантат против хозяина» у мыши, которой пересадили клетки печени другого организма. Мы не знаем точно, ингибирует ли гемоксигеназа активацию NFκB напрямую, но общее усиление стрессовых реакций действительно блокирует активацию NFκВ, и гемоксигеназа является одним из основных игроков в этом процессе. Гeктop Вонг и его коллеги из Университета Цинциннати показали, что стресс активирует синтез белка IKB — природного ингибитора NFκВ. Кроме того, перенесенный ранее стресс впоследствии предотвращает септический шок. Возможно, психологический стресс, который, как хорошо известно, вызывает подавление иммунитета, тоже может происходить с участием гемоксигеназы.

101

Крис Балпит и его коллеги из Империал-Колледжа в Лондоне в 2001 г. опубликовали статью вжурнале Postgraduate Medical Jоитпal, в которой утверждали, что женщины, выглядящие старше своих лет, имеют в крови низкий уровень билирубина, и наоборот. Билирубин — конечный продукт реакции с участием гемоксигеназы. Вывод такой, что при высокой активности гемоксигеназы женщины выглядят моложе. У мужчин пoдобная корреляция наблюдалась в отношении гемоглобина (который расщепляется гемоксигеназой). Вывод тот же: высокая активность гемоксигеназы позволяет мужчинам выглядеть моложе своих лет.

102

На сегодняшней день рынок пищевых добавок предлагает множество продуктов, содержащих комбинацию карнитина и липоевой кислоты. — Примеч. пер.

103

Переведена на русский язык: P. Коуэн. История жизни. K.: Наукова думка, 1982.

104

Переведена на русский язык: P. Докинз. Эгоистичный ген. М.: АСТ: Corpus, 2013.

105

Переведена на русский язык: P. Фортли. Трилобиты: Свидетели эволюции. М.: Альпина нон-фикшн, 2015.

106

Переведена на русский язык: М. Ридли. Геном. М.: Эксмо, 2008.

107

Переведена на русский язык: Дж. Уотсон. Двойная спираль. М.: Мир, 1969.

108

Переведена на русский язык: Б. Уилкокс, Д. Уилкокс, М. Судзуки. Почему японцы не стареют. М.: Рипол-классик, 2012.