Борьба со старением, или Не все мы умрем…

Для начала своей работы ДНК-полимераза должна прикрепиться к цепочке ДНК. Место своего крепления на конце ДНК она скопировать не может. Поэтому копии получаются немного короче. Для своего крепления ДНК-полимераза использует находящиеся на конце ДНК теломеры, поэтому с каждым делением теломеры немного укорачиваются. Мы об этом уже говорили раньше.

Здесь мы коснулись двух процессов, которые традиционно считаются причинами старения: удвоение ДНК и сопровождающих его ошибок-мутаций и укорочение теломер. Мы подробно остановимся на них в следующей части книги, посвященной старению.

Итак, в ядре созданы дубли хромосом для построения новой клетки. Для того чтобы распределить эти хромосомы по новым «квартирам», в клетке имеются специальные органеллы – центриоли. Мы о них раньше не говорили, потому что они выходят на сцену только при делении клетки. Грубо говоря, центриоль – это пучок трубочек, которые используются для растаскивания хромосом в новые клетки. Она находится вне ядра, но близко от него. Поскольку для притягивания хромосом в каждую новую клетку нужна своя центриоль, эти органеллы также удваиваются. Вот теперь уже всё готово и процесс разделения (митоз)[53 - Мито?з (др. – греч. ????? – «нить») – деление клетки.] начинается.

Теперь хромосомы, которые были развернуты для удвоения, туго сворачиваются (конденсируются). В таком виде их уже хорошо видно в микроскоп. Ядерная оболочка распадается, и центриоли тянут свои трубочки к соответствующим хромосомам.

Рис. 1.2.13. Растаскивание хромосом центриолями

Сами хромосомы выстраиваются в одной плоскости посередине клетки, как это показано на средней схеме рис. 1.2.13.

Центриоли прикрепляются трубочками к дублированным («сестринским») хромосомам в месте их прикрепления друг к другу, (называемого цетромерами, мы о них уже говорили[54 - Центромеры – участок хромосомы, делящий ее на два неравных плеча. Центромеры, так же как теломеры, представляют собой повторяющиеся последовательности нуклеотидов.]).

Дальше трубочки сжимаются и растаскивают дублированные («сестринские») хромосомы (рис. 1.2.13). И наконец, вокруг каждой группы хромосом образуются новые ядерные мембраны и появляется два новых ядра. ДНК в новых ядрах приводится в рабочее состояние (деконденсируется). Внутри новых ядер образуются ядрышки, и цитоплазма делится между двумя новыми клетками. Образуются новые оболочки. Процесс деления завершен.

Так рождаются почти все клетки человека. За исключением половых или репродуктивных. Процесс рождения и деления половых клеток (мейоз) сильно отличается от обычного.

Собственно, отличия связаны с функциями половых клеток. Во-первых, мужские клетки должны соединиться с женскими и образовать первую клетку организма ребенка (зиготу). Значит, в каждой половой клетке (гамете) должен быть только один набор хромосом – 23 хромосомы. Второй набор берется от партнера.

Во-вторых, как мы помним, каждая клетка содержит два набора хромосом – материнский и отцовский. В половую клетку попадет только один набор. При этом он не может быть только материнским или только отцовским, иначе смысл полового размножения теряется. Необходимо, чтобы в ДНК сперматозоида и яйцеклетки были представлены гены обоих родителей, отца и матери. Это достигается тем, что перед делением отцовская и материнская хромосомы с одинаковым набором генов (гомологичные хромосомы) притягиваются друг к другу, тесно сближаются и во многих местах скрепляются[55 - Процесс точного и тесного сближения гомологичных хромосом называется конъюгация (от лат. conjugatio – «соединение»). Места соединения называют хиазмами.]. Далее между ними начинается удивительный процесс обмена генами (кроссинговер). В результате на каждой хромосоме присутствуют и отцовские, и материнские гены – получается уже отцовско-материнская хромосома.

Рис. 1.2.14. Схема деления половых клеток (мейоза)

В целом схема мейоза представлена на рис. 1.2.14. Мейоз состоит из нескольких шагов.

Сначала всё идет как при обычном делении клеток: хромосомы удваиваются.

Однако второй шаг, совершенно особенный, – кроссинговер, обмен генами уже удвоившихся хромосом.

На третьем шаге уже смешанные отцовско-материнские хромосомы делятся на две клетки с обычным двойным набором хромосом.

Наконец, на четвертом шаге происходит еще одно деление каждой из двух клеток на две с уже одинарным набором хромосом. Итак, родилась половая клетка, готовая к соединению с половой клеткой партнера и образованию первой клетки нового организма (зиготы).

До своего рождения половая клетка (гамета) прошла немалый путь от первой клетки собственного организма (зиготы) через стволовые клетки и многие деления. Естественно, каждое деление сопровождалось определенными ошибками. На каждом этапе часть генов блокировалась различными эпигенетическими способами, о которых мы говорили раньше. В общем, клетка пришла к мейозу постаревшая и изрядно потрепанная жизнью.

И вдруг, совершенно чудесно, вся предыдущая жизнь как бы обнуляется. Клетка мгновенно молодеет, все приобретенные в процессе жизни и многочисленных делений метки исчезают, и половая клетка (гамета) готова к слиянию с партнерской клеткой и рождению нового организма! Значит, существует путь быстрого омоложения клетки. Это очень впечатляет и ободряет!

Однако все клетки, кроме половых, стареют и умирают. В организме пожилого человека клетки работают не так, как у молодого. Теломеры заметно короче. Часть полезных генов эпигенетически заблокировано, а часть вредоносных, наоборот, стала работать интенсивнее. Клетки накопили запас белков для деления, но поделиться уже не могут. Функции этих клеток в организме выполняются заметно хуже. При этом старые клетки плохо влияют на ещё хорошо работающие. Они портят им рабочий настрой и сигнализируют: пора уже на отдых. Однако плохое функционирование больших групп клеток быстро приводит к ухудшению работы органов и систем. Начинаются сбои в работе, и старые клетки бесславно умирают вместе со всем организмом.

На порядки большее число клеток умирает в процессе жизни организма, обеспечивая его дальнейшую работу. Наиболее распространенный тип смерти клетки – запрограммированная смерть (апоптоз).

Клетка гораздо больше, чем человек, склонна к альтруизму. Когда человек осознанно гибнет во имя долга, веры, царя, Родины, его считают героем. Для клетки такое поведение совершенно естественно.

Запрограммированное самоубийство может инициироваться как внешними, так и внутренними сигналами. По разным причинам организм (мозг, нервная и эндокринная системы) может подать клетке сигнал на самоуничтожение. Например, у человеческого эмбриона сначала пальчики рук и ног соединены вместе в единую пластину. На определенном этапе развития подается сигнал на самоуничтожение клеток соединительной ткани между пальчиками и они приобретают привычный нам вид.

Часто многочисленные специальные белки, постоянно тестирующие состояние ДНК и белков-ферментов, обнаруживают в них непоправимые неполадки. В этом случае также подается сигнал на самоуничтожение. В хорошо работающем организме суицидом заканчивают стареющие клетки, которые уже плохо могут выполнять свои функции.

Самоуничтожение идет крайне четко и аккуратно. Специальные белки режут клетку на части, разрезают ДНК и крупные белки. Таким образом, подготовленные части клетки без остатков поглощаются и перевариваются макрофагами – специальными клетками иммунной системы. Такое самоубийство приносит организму пользу: он избавляется от ненужных или больных клеток, а все полезные вещества утилизируются.

Бывают случаи, когда система самоуничтожения не срабатывает. Тогда возникают негативные и даже страшные последствия. Клетка может накопить вредные вещества и умереть не по собственной воле и заранее заданной программе. Она просто взрывается. Происходит заражение межклеточного пространства выбрасываемыми вредными веществами – токсинами, приводящими к гибели соседних клеток. Возникает некроз, и возможно отмирание отдельных тканей. Это может привести к смерти человека.

Как и у людей, клетка может предпочесть героическому поведению предательство. Она отказывается покончить с собой и начинает уже неконтролируемое организмом деление. Образуется множество бесконтрольно делящихся клеток. Так появляются раковые опухоли. Они живут отдельной от организма жизнью: переключают на себя питание, обзаводятся собственной сетью кровеносных сосудов. И в конце концов гибнут вместе с заболевшим человеком.

Подведем итоги этой главы:

1. Все важные для жизни процессы происходят за счет химических связей, вызываемых исключительно электростатическими силами. Сильная ковалентная связь возникает, когда атомы делят общий электрон, а слабая водородная связь – общий протон (ядро водорода). Водородная связь обеспечивает связи между нуклеотидами в ДНК: T – A и C – G. Ковалентная связь образует молекулы воды в форме диполей, заполняющих клетку и не позволяющих молекулам самопроизвольно соединяться. Для соединения молекул в живой клетке необходим фермент, который как бы раздвигает диполи воды и сближает молекулы так, чтобы они могли соединиться, а затем отпускает.

2. Жизнь на Земле существует в форме клеток, окруженных довольно прочной оболочкой. В центре клетки помещено маленькое ядро, хранящее информационную молекулу ДНК. Записанная в гене в кодах ДНК информация транскрибируется в коды РНК. В рибосоме информация транслируется из кодов РНК в белковый код аминокислот – синтезируется белок. Далее в эндоплазматической сети под действием ферментов белки обрабатываются и собираются, а в комплексе Гольджи белки модифицируются и сортируются. Бракованные белки утилизируются или выбрасываются из клетки.

3. Молекула ДНК человека, содержащая около 3 млрд пар нуклеотидов, разделена в ядре на 46 частей, названных хромосомами. Они образуют 22 пары (от отца и матери) и 2 половых хромосомы. Довольно длинная, почти двухметровая ДНК наматывается на белки-гистоны и невероятно плотно упаковывается в малюсеньком ядре. Для начала работы участок ДНК, содержащий ген, должен освободиться и распутаться (деконденсироваться), чтобы к нему мог подойти специальный белок-промотор, строящий соответствующую молекулу РНК. Промотору может помешать прикрепленная к ДНК молекула метила. В этом случае соответствующий ген заблокирован. Копирование ДНК при делении клетки осуществляет ДНК-полимераза, которая прикрепляется к краю каждой хромосомы, называемому «теломера». Поскольку часть теломеры, на которой крепится ДНК-полимераза, не копируется, теломера с каждым делением укорачивается.

4. Форму клетки определяет гибкая оболочка и цитоскелет, состоящий из трубочек и нитей, по которым транспортируются белки. При этом трубочки и нити цитоскелета быстро строятся по мере потребностей и разбираются при ненадобности. В клетке работает несколько видов удивительных молекулярных машин, важнейшие из которых – калиево-натриевый насос, поддерживающий повышенную концентрацию калия и пониженную натрия в клетке по сравнению с межклеточной жидкостью, и АТФ-синтаза, образующую молекулу транспорта энергии АТФ. Невероятно, но АТФ-синтаза – полная копия электромагнитного мотора со статором и ротором.

5. Клетка рождается при делении клетки-родителя путем сложного и многоступенчатого процесса деления – митоза. Иначе происходит рождение половых клеток – мейоз. В результате соединения мужской и женской половых клеток рождается первая клетка нового организма (зигота). Удивительно, но она появляется на свет совершенно обновленной и готовой к огромному числу новых делений. Значит, есть возможность полного омоложения на клеточном уровне. Смерть клетки часто носит характер самоубийства, называемого «апоптоз». Это очень полезный процесс самоуничтожения больных или старых клеток с их полной разборкой «на запасные части» для здоровых клеток. Однако есть клетки, которые хотят жить вечно. Они восстают против установленного порядка и становятся раковой опухолью.

Глава 1.3. Как устроены системы и органы человека

В главе 1.1 мы описали, как работает сообщество клеток, коим, в сущности, и является человек, в самых общих чертах. Во главе 1.2 уже довольно подробно описаны устройство и жизнь клеток. В этой главе мы рассмотрим отдельные системы жизнеобеспечения и входящие в них важнейшие органы человека. Возможно, некоторым читателям известно, как устроены основные системы человека, – тогда он может пропустить известные ему разделы. Нам необходимо это описание для целостности картины, чтобы во второй части книги рассмотреть старение этих систем и связанные со старением болезни, а в третьей части – возможные способы лечения этих болезней и, в определенном смысле, самого старения.

1.3.1. Система пищеварения и энергетического обеспечения человека

Мы начинаем с системы пищеварения, поскольку она, по-видимому, является самой древней. Эта система напоминает огромного червя, которого окружают другие, эволюционно появившиеся гораздо позже системы и органы человека.

В главе 1.1 мы рассмотрели важнейшие составляющие нашей пищи: углеводы, белки и жиры. Целью пищеварительной системы является превращение этих компонент в более простые вещества: углеводов – в глюкозу; белков – в аминокислоты; жиров – в жирные кислоты. Аминокислоты и жирные кислоты клетка умеет превращать в универсальное клеточное топливо ацетил-КоА, из которого довольно сложным, но чрезвычайно эффективным способом (цикл Кребса, фактически сжигание глюкозы) клетка производит энергию. Затем эта энергия на специальном станке (АТФ-аза) преобразуется в энергию химической связи молекулы АТФ, которая участвует практически во всех реакциях организма, требующих энергетических затрат.

Когда мы съедаем какую-нибудь пищу, она при необходимости пережевывается зубами, перемешивается со слюной языком и превращается в пищевой комок. В главе 1.1.4 мы довольно тщательно рассмотрели приготовление углеводов, белков и жиров для их потребления клеткой. Теперь мы изучим эти же процессы с другой стороны: более детально остановимся на работе органов пищеварительной системы. Поскольку мы описываем одни и те же процессы с разных позиций, некоторые важные моменты будут повторены, но, по моему мнению, частичные повторы очень полезны при изучении сложных тем.

Мы будем двигаться по пищеварительной системе сверху вниз, следя за пищевым комком (рис. 1.3.1).

Рот и слюнные железы. Первые превращения пища претерпевает уже во рту под действием слюны. Слюноотделение осуществляется множеством слюнных желёз, среди которых выделяется три пары больших слюнных желёз: околоушные, подчелюстные и подъязычные слюнные железы. Их расположение очевидно из названий. Остальные железы считаются малыми. Железы выделяют 1–2 литра слюны в сутки.

Пища во рту (16–18 секунд до проглатывания) анализируется рецепторами, и результаты анализа передаются всем органам пищеварения для соответствующей подготовки. Слюна – активный пищеварительный сок. В ней содержится около 50 различных ферментов, обеспечивающих ротовое пищеварение. За счет ферментов (амилазы и мальтазы) слюна расщепляет углеводы до простых сахаров. Она смачивает и склеивает пищевой комок. Кроме того, некоторые ферменты могут убивать определенные вирусы и дезинфицировать пищу.

Пищевод – следующий этап прохождения пищевого комка – представляет собой полую, покрытую внутри слизью трубку из мышечной ткани, идущую от гортани до желудка. Со стороны глотки и желудка расположены два запирающих клапана (сфинктера), препятствующих выбрасыванию агрессивных жидкостей из желудка в пищевод (нижний сфинктер) и из пищевода в глотку (верхний сфинктер)[56 - Если плохо закрывается нижний сфинктер, то возникает изжога (главный симптом рефлюкс-эзофагита). Плохая работа верхнего сфинктера приводит к неприятной отрыжке.]. Пищевой комок транспортируется по пищеводу под действием самопроизвольных мышечных сокращений 8–10 секунд.

Рис. 1.3.1. Система пищеварения

Желудок – полый, выстланный эпителием и слизью мышечный орган, идущий от пищевода к двенадцатиперстной кишке. Его объем меняется от полулитра (пустой) до 2 литров (полный). Мышцы желудка интенсивно перемешивают пищу, а примерно 15 млн желёз слизистой оболочки желудка выделяет желудочный сок, содержащий соляную кислоту и пищеварительные ферменты (пепсин, липазу и др.). Желудочный сок расщепляет белки до пептидов и аминокислот (пепсин) и частично жиры (липаза), соляная кислота убивает бактерии. Клетки эпителия постоянно соприкасаются с соляной кислотой и поэтому нуждаются в замене примерно раз за двое суток. После переваривания в желудке пищевой комок, который в желудке становится пищевой кашицей и приобретает новое название химус, готов к движению в двенадцатиперстную кишку, куда его проталкивают мышцы желудка.

Двенадцатиперстная кишка[57 - Её длина составляет примерно двенадцать поперечников пальца руки (около 25–27 см). Отсюда название.] – первая часть тонкого кишечника – отделена от желудка еще одним клапаном-сфинктером, красиво названным привратником желудка. Он отделяет желудок с его кислой средой от тонкого кишечника с преимущественно щелочной средой. В двенадцатиперстную кишку через еще один клапан-сфинктер впрыскивается желчь из желчного пузыря и поджелудочный (панкреатический)[58 - «Поджелудочный» и «панкреатический» – синонимы.] сок из, соответственно, поджелудочной железы. Сюда же добавляется произведённый собственными железами тонкого кишечника кишечный сок, содержащий 22 фермента. Смесь кишечного, поджелудочного сока и желчи действует гораздо эффективнее, чем каждое составляющее вещество в отдельности. Так, ферменты поджелудочного сока расщепляют жиры в присутствии желчи в 20 раз эффективнее, чем без нее. Ферменты поджелудочного (панкреатического) сока ДНК-аза и РНК-аза расщепляют длинные последовательности ДНК и РНК до очень коротких, состоящих из относительно небольшого числа нуклеотидов. Поэтому страхи о возможности генно-модифицированных организмов (ГМО) передавать свои гены съевшему содержащий ГМО продукт человеку совершенно беспочвенны.

Тонкий кишечник – орган пищеварения длиной 5 метров и толщиной 3–3,5 см. В нем продолжается и практически завершается пищеварительный процесс, то есть процесс расщепления белков на аминокислоты, углеводов на моносахариды и жира на жирные кислоты и глицерин. Аминокислоты и совсем небольшие пептиды, глюкоза и другие простые сахара, жирные кислоты и глицерин всасываются в тонком кишечнике множеством специальных ворсинок и по крови и лимфе доставляются во все клетки организма. Причем в лимфу поступают продукты переработки жиров, а в кровь – аминокислоты и простые углеводы.

Кишечник – самый защищенный иммунной системой орган. Здесь находится около 80 % всех иммунных клеток, образующих барьер от вредных веществ и бактерий.

При питании белки пищи усваиваются в среднем на 84,5 %, жиры – 94 %, углеводы – 95,6 %. Не переваренные в тонком кишечнике остатки, основную часть которых составляет клетчатка, проталкиваются мышцами кишечника в толстый кишечник.

Толстый кишечник имеет длину около 1,5 метра и толщину от 4 до 7 см в разных частях. Толстая кишка вырабатывает собственный сок, который по составу близок к кишечному соку тонкой кишки, но примерно в 10 раз меньшей концентрации. Собственный сок и проникающий в толстую кишку сок тонкой кишки завершают пищеварительный процесс. В толстом кишечнике из поступающего в него пищевого комка (химуса) формируется каловая масса. В слепой кишке, расположенной правее входа тонкой кишки в толстую кишку, из пищевого комка высасывается большая часть воды. В толстом кишечнике живет почти вся микробиота – около 1000 видов различных бактерий. О микробиоте мы поговорим чуть позже. В толстом кишечнике при помощи микробиоты вырабатываются витамины группы B и витамин K. Каловая масса под действием мышц толстого кишечника (перистальтика[59 - Перистальтика – волнообразное сокращение мышц стенок пищевода, желудка, кишечника, продвигающее их содержимого к выходным отверстиям.]) выталкивается из толстого кишечника через его конечную часть – прямую кишку и задний проход (анус).