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 становятся тонкими, а живот сильно увеличивается в размерах, что приводит к повышенному риску сердечного приступа, диабета и деменции. Большой живот – типичное возрастное явление. Поскольку жир исчезает из-под кожи, например, на лице, щеки вваливаются, и человек выглядит старше. Повышенный риск сердечных приступов, диабета и липодистрофии – это результат плохой работы митохондрий, которые больше не могут нормально сжигать и перерабатывать жиры и сахара.
