Кислород. Молекула, изменившая мир

Почему митохондрии птиц столь совершенны? Возможно, способность летать требует высочайшей эффективности энергетического метаболизма, вне зависимости от продолжительности жизни (необходимое для полета отношение силы мышц к массе тела требует эффективного энергетического метаболизма). Млекопитающие в этом смысле остались далеко позади. Барха обнаружил, что митохондрии птиц лучше удерживают кислород и почти не выделяют свободных радикалов, так что практически весь потребленный кислород превращается в воду. В результате птицам требуется меньше антиоксидантов для поимки ускользнувших радикалов. Это объясняет одну старую загадку — плохую корреляцию между содержанием антиоксидантов и продолжительностью жизни птиц и млекопитающих. Предположение, что птицам для долгой жизни требуется больше антиоксидантов, оказалось неверным, поскольку их митохондрии выделяют гораздо меньше свободных радикалов. С антропоцентрической точки зрения это настоящий удар: гораздо труднее заменить «протекающие» митохондрии, чем принимать «правильные» антиоксиданты. Но есть в этом и позитивная сторона. Даже если пример птиц нам не подходит, эксперименты Бархи подтверждают гипотезу, что свободные радикалы укорачивают жизнь. Мы не можем брать пример с птиц, но, возможно, можем бороться со свободными радикалами?

Мы видели, что продолжительность жизни нематоды можно увеличить. И не нужно отбирать наиболее эффективные митохондрии на протяжении нескольких поколений: следует активировать всего несколько контролирующих генов, таких как daf-16, которые, в свою очередь, контролируют экспрессию многих вспомогательных генов. Многие из них еще не идентифицированы, однако хорошим навигатором на этом пути является устойчивость к стрессу. Не дожидаясь систематической идентификации всех генов, контролируемых геном daf-16, некоторые исследователи занялись измерением уровня экспрессии известных стрессовых белков (так полиция проверяет уже известных преступников до подробного осмотра места преступления). Например, можно предположить, что при стрессе нематоды синтезируют больше супероксиддисмутазы (COP). И это справедливо: в 1999 г. группа японских ученых сообщила об обнаружении долгоживущих мутантных нематод, вырабатывающих значительно больше митохондриальной СОД (см. главу 10), чем нормальные взрослые черви. Мутации гена daf-16 блокировали выработку СОД, следовательно, ген митохондриальной СОД относится к числу генов, контролируемых геном daf-16.Аналогичным образом, в 2001 г. группа ученых из Университета Манчестера сообщала, что у устойчивых к стрессу нематод экспрессия металлотинеина (еще одного индуцируемого стрессом белка, о котором мы упоминали в главе 10) в семь раз превышает нормальный уровень экспрессии.

Это дает основания предположить, что повышение устойчивости к окислительному стрессу служит общим механизмом замедления старения у всех животных, хотя это не всегда проявляется так очевидно, как у нематод. Я хочу выделить три группы взаимосвязанных факторов: во-первых, COД и каталаза, во-вторых, ферменты репарации ДНК, в-третьих, ограничение калорийности питания.

В 1994 г. Уильям Орр и Раджиндер Сохал из Южного методистского университета Далласа опубликовали в журнале Science первые прямые доказательства замедления старения при повышении уровня антиоксидантов в организме. Генно-инженерным путем они создали трансгенных дрозофил, способных синтезировать больше СОД и каталазы. Продолжительность жизни этих дрозофил была примерно на треть больше нормы. Важно заметить, что по отдельности эти ферменты не оказывали никакого влияния на продолжительность жизни: они работали только сообща, и их синтез был координирован. В результате совместного действия ферментов увеличивалась как средняя, так и максимальная продолжительность жизни насекомых, что связывали с их меньшей чувствительностью к ионизирующему излучению и менее выраженному окислительному повреждению ДНК и белков. Кроме того, трансгенные дрозофилы были более активными в пожилом возрасте, что связано примерно с 30%-ным повышением их энергетического потенциала продолжительности жизни (LEP; что эквивалентно увеличению числа сердцебиений за время жизни). Таким образом, повышение уровня СОД и каталазы не просто связано со снижением «скорости жизни»: трансгенные дрозофилы жили с той же скоростью, что и нормальные дрозофилы, но дольше. Более поздние исследования с применением новых генно-инженерных технологий позволили увеличить продолжительность жизни дрозофил на 50%[71].

Необходимость совместного действия СОД и каталазы связана со сложной структурой сети антиоксидантов; конечно же, СОД и каталаза работают не в одиночестве. Устойчивость к стрессу является результатом действия многофакторной системы, включающей в себя эффективный оборот белков и репарацию ДНК — наш второй фактор.