Тем не менее углубление знаний о митохондриях дает нам новую надежду в области медицины. Если все генетические и внешние факторы, приводящие к возрастным дегенеративным заболеваниям, сходятся в митохондриях, нам просто нужно сосредоточиться на этой уникальной органелле. Учитывая результаты самых последних исследований, которые указывают на существование сложных взаимодействий между митохондриями и другими органеллами, такими как пероксисомы
[16] и эндоплазматическая сеть, следует констатировать, что мы, по-видимому, сделали еще один широкий шаг к тому, чтобы выявить универсальный механизм, лежащий в основе умирания и сопутствующих ему болезней.
Становится жарко: рассеивание протонного градиента
Любое обсуждение митохондрий не будет полноценным, если не исследовать их роль в производстве тепла. Известно, что протонный градиент может идти или на производство АТФ, или на теплопродукцию, а протоны, рассеивающиеся с выделением тепла, не могут идти на производство АТФ. В ряде случаев специальные белки рассеивают протонный градиент через внутреннюю мембрану митохондрий, в результате чего вместо синтеза АТФ повышается производство тепла. Технически в этом случае перенос электронов по ЭТЦ и выкачивание протонов продолжаются в нормальном режиме, однако протоны не возвращаются назад через АТФ-синтазу, и создание новых молекул АТФ прекращается. Возвращение протонов происходит через иные каналы во внутренней мембране, которые называются разобщающими белками (UCP) и уменьшают (рассеивают) протонный градиент, что приводит к производству тепла.
Этот процесс позволяет ретроспективно проследить эволюцию теплокровных животных, которые в процессе развития приобрели способность к холодному термогенезу (выработке тепла не за счет сокращения мышц). При холодном термогенезе посредством разобщающих белков в бурой жировой ткани происходит разъединение клеточного дыхания и фосфорилирования, то есть быстрое окисление питательных веществ происходит с низкой интенсивностью производства АТФ. В отличие от холоднокровных животных, таких как рептилии, теплокровные птицы и млекопитающие обладают внутренним источником тепла (эндотермией). Различие между теплокровными и холоднокровными животными заключается именно в локализации источника тепла (температура тела и у тех и у других может быть примерно одинаковой).
При этом речь идет о способности генерировать тепло на основе активности внутренних органов, таких как мозг и сердце. Дело в том, что многие как теплокровные, так и холоднокровные организмы (включая змей, акул и некоторых насекомых) способны самостоятельно вырабатывать тепло за счет физической деятельности. Органические же генераторы тепла внутри организма присутствуют только у птиц и млекопитающих, в том числе и у людей.
Интересные факты о том, как это произошло, вы можете найти все в той же книге Лэйна, нас же интересует то, что эндодермия, помимо повышения физических возможностей организма (у согретых мышц реакция быстрее) и адаптивности к холодной среде, защищает митохондрии от повреждения, поддерживая поток электронов в периоды низкой потребности клетки в энергии.
Но как это происходит? Если АТФ не используется в силу ее невысокой востребованности, то возникает дефицит АДФ, и АТФ-синтаза прекращает свою работу. Именно в этот момент возникает опасность, что электроны, бегущие вниз по ЭТЦ, выскочат из ряда и вступят в реакцию с кислородом, в результате чего формируются разрушители-супероксиды. Вернемся к нашей метафоре — речной гидроэлектростанции, состоящей из плотины и водохранилища. В периоды клеточного покоя водный поток (протоны), текущий сквозь турбины (АТФ-синтаза), ослабевает, и резервуар за дамбой может переполниться (наводнение подобно лавине свободных радикалов). Для снижения риска наводнения и существуют водоотводные каналы (разобщающие белки).
Представьте себе спортсмена, который после трудной тренировки поел и лег отдыхать. Изматывающие физические упражнения потребовали от него большого расхода энергии, однако гликоген
[17] и жир, находящиеся в пище, быстро восстановили дефицит калорий. Клетки же отдыхающего организма находятся в состоянии покоя и не нуждаются в притоке энергии, вследствие чего митохондрии переполняются электронами, извлеченными из пищи. Мы уже знаем, что это опасная ситуация: когда ЭТЦ переполняется медленно двигающимися (в результате слабого спроса на энергию) электронами, последние мешают друг другу, создают заторы и с легкостью могут переродиться в свободные радикалы.
Спортсмен мог бы встать и вновь начать двигаться, используя всю избыточную энергию, но есть и другой способ выйти из опасного положения: рассеять лишнюю энергию. Именно этой цели и служат разобщающие белки, которые работают как перепускные клапаны или водоотводные каналы. Они снижают протонный градиент и отсоединяют электроны от синтеза АТФ. Проходя сквозь шлюзы разобщающих белков, потенциальная энергия протонного градиента высвобождается и рассеивается в качестве тепла. Одновременно продолжается перенос электронов по ЭТЦ, потому что выкачивание протонов не приводит к слишком высокому уровню протонного градиента. В результате этого процесса клетка предотвращает появление множества свободных радикалов.
Если организм млекопитающего находится в покое, то 25 % протонного градиента его митохондрий рассеивается в виде тепла. Мелким млекопитающим, таким как крысы, и даже человеческим младенцам, приходится поддерживать производство тепла с помощью бурого жира. В клетках бурого жира находится множество митохондрий и разобщающих белков, и так как практически все протоны, проходящие через разобщающие белки, генерируют тепло, он особенно важен для маленьких млекопитающих. У них и у младенцев соотношение поверхности кожи (теплоотдача) и объема тела (теплообразование) характеризуется сравнительно большой площадью теплоотдачи. Из-за маленьких размеров тела младенцы интенсивно расходуют тепло, их организм регулирует температуру недостаточно (дети не умеют дрожать, когда чувствуют холод). С переохлаждением же справляются островки бурого жира, которые сосредоточены вокруг шеи, на спине и плечах. По мере взросления жировые отложения этого типа уменьшаются.
Контроль над бурым жиром, разобщающими белками и скоростью метаболических процессов в сочетании со снижением образования свободных радикалов — важный фактор предотвращения самых разных проблем со здоровьем (глава 3 «Массаж и гидротерапия»). Ну и, наконец, бурый жир мог бы сыграть весьма важную роль в профилактике ожирения. Как бы то ни было, я до сих пор придерживаюсь идеи, что без митохондрий и рассеивания протонного градиента эволюция никогда не привела бы к появлению теплокровных животных, и мы бы до сих пор пребывали в состоянии рептилий со всеми вытекающими последствиями.
