Кислород. Молекула, изменившая мир

К этому времени Полинг при поддержке своей жены, неутомимой Авы Хелен, стал сторонником активной антивоенной политики. Начиная с 1946 г. и на протяжении 1950-х и 1960-х гг. он много говорил о последствиях ядерных катастроф и, в частности, о риске врожденных дефектов и рака. В 1957 г. он составил петицию о запрещении испытаний ядерного оружия и в конечном итоге представил в Белый дом подписи 11 тыс. ученых, в числе которых были Альберт Эйнштейн, Бертран Рассел и Альберт Швейцер. Эта петиция ускорила подписание Договора о запрещении испытаний ядерного оружия, который вступил в силу 10 октября 1963 г., в тот же день, когда Полингу была вручена Нобелевская премия мира.

Антивоенная деятельность Полинга вызывала недовольство американского правительства в первые годы холодной войны, когда Комитет по антиамериканской деятельности и сенатор Маккарти вели активную антикоммунистическую «охоту на ведьм». В начале 1950-х гг. Полингом заинтересовалось ФБР, и ему было отказано в возобновлении паспорта из-за «недостаточно убедительных антикоммунистических взглядов». Только в 1954 г., когда ему вручили Нобелевскую премию по химии и газета New York Times предала гласности определенные материалы, ему вновь разрешили выезжать за пределы страны. Сложности возникали и на службе, в Калифорнийском технологическом институте. Национальный институт здоровья США сократил финансирование работ Полинга и еще 40 ученых, и в 1963 г. Полинг был вынужден уйти с факультета. После нескольких лет работы в Центpe изучения демократических институтов в Санта-Барбаре, где он занимался проблемами войны и мира, в 1969 г. он наконец получил место на химическом факультете Стэндфордского университета. Здесь он продолжал исследования витамина С и других «ортомолекулярных» соединений, к которым он относил необходимые для жизни вещества, в норме присутствующие в человеческом организме. Позднее Полинг занялся организацией Института ортомолекулярной медицины Лайнуса Полинга, которому посвятил оставшиеся годы жизни.

Вот краткая биография человека, опубликовавшего в 1970 г. чрезвычайно популярную книгу «Витамин С и простуда», в которой он утверждал, что большие дозы витамина С могут предотвратить и победить простуду. Полинг и его жена сами следовали этим рекомендациям, принимая ежедневно от 10 до 40 г витамина С (что в несколько сотен раз выше рекомендованной суточной дозы), добавляя ложку витамина даже в апельсиновый сок. В последующие двадцать лет Полинг стал делать еще более смелые заявления, утверждая, что «мегадозы» витамина могут излечить от шизофрении и сердечно-сосудистых заболеваний, предотвратить инфаркт и рак и, возможно, продлить жизнь на несколько десятков лет. Самой спорной из всех идей Полинга и поддержавшего его шотландского онколога Эвана Камерона была идея о внутривенном введении витамина C онкологическим больным на поздних стадиях заболевания, что якобы позволяло продлить жизнь в четыре раза, а в некоторых случаях даже вызвать полную ремиссию. В целом медицинское сообщество отреагировало на это предложение с недоверием, однако в Клинике Майо в Рочестере (Миннесота) были проведены три небольших клинических испытания на онкологических больных на поздней стадии заболевания. Ни в одном из трех случаев положительного эффекта обнаружено не было. Полинг и Камерон утверждали, что испытания не могли дать результата, поскольку проводились неправильно: витамин С давали пациентам недостаточно долго и назначали в виде таблеток, а не внутривенно. В 1989 г. Национальный институт здоровья согласился рассмотреть 25 случаев, выбранных Камероном, которые могли бы подтвердить положительный эффект «мегадоз» витамина С при лечении онкологических больных. В ответном письме, направленном Полингу в 1991 г., говорилось, что эти случаи не являлись достаточным доказательством положительной роли витамина С.

Полинг был великаном ХХ в., и его труды заложили основы современной химии. Возможно, он проявлял невыносимую самоуверенность, но не непогрешимость, как выяснили Уотсон и Крик. Он всегда шел нестандартными путями. В книге «Двойная спираль», написанной еще до обращения Полинга к ортомолекулярной медицине, Уотсон называл методы Полинга в химии скорее интуитивными, чем математическими, да и сам Полинг говорил о своем подходе как о «стохастическом». Полинг, имевший независимый характер, ощущал предательство научной среды и защищался, а иногда позволял себе и персональные выпады. Его опыт сказался на его отношении к фармацевтической индустрии и к врачам, которых он называл «индустрией болезней» и обвинял в обмане населения и заинтересованности в расширении рынка лекарств. Врачи со своей стороны не признавали идей Полинга о пользе витамина С и считали их жульничеством. Журналы отказывались печатать его статьи, и споры переросли в публичные оскорбления. Так возник тупик, выход из которого не найден и по сей день. Полинг умер в 1994 г. в возрасте 93 лет обиженным и ожесточенным. Если он был прав, он решил одну из самых серьезных проблем человечества — нашел способ стареть без болезней, а мы, дураки, отвернулись от предложенного им простого решения. Однако старческие недуги так и не были побеждены даже теми, кто следовал примеру Полинга. Простим того, кто считает, что он ошибался, и попробуем разобраться, имелась ли в идеях Полинга доля истины.

Витамин С получил статус витамина (компонента питания, необходимого организму в следовых количествах) в связи с одним любопытным обстоятельством. За исключением высших приматов, морских свинок и фруктовых летучих мышей, практически все растения и животные сами синтезируют витамин С. А вот мы должны получать его с пищей, поскольку общий предок высших приматов когда-то потерял ген гулонолактоноксидазы — фермента, катализирующего последнюю стадию синтеза витамина С. В результате все человечество страдает от этого врожденного метаболического дефекта. Полинг постоянно привлекал внимание к этому факту: он показывал пробирку с витамином C, синтезированным за один день в организме козы, и приговаривал: «Я больше верю в биохимию козы, чем в советы докторов»[57].

Этот, казалось бы, справедливый аргумент необходимо опровергнуть. Потеря гена гулонолактоноксидазы нашими предками не была ошибкой, иначе естественный отбор уничтожил бы этих существ. Но, поскольку утратившие этот ген организмы в конечном итоге заняли доминирующее положение среди приматов, такая потеря должна была обеспечивать какое-то преимущество. Одну идею по этому поводу высказали Холлиуэлл и Гаттридж. Они акцентировали внимание на том, что в реакции синтеза витамина С при участии гулонолактоноксидазы в качестве побочного продукта выделяется пероксид водорода. Это означает, что активный синтез витамина С в организме таких животных, как крысы, может приводить к окислительному стрессу. Возможно, лучше потреблять много овощей и фруктов, содержащих готовый витамин, чем синтезировать его. Один из аргументов Полинга состоял в том, что гориллы ежедневно получают с пищей примерно 5 г витамина С. Наши с вами предки из эпохи палеолита, по-видимому, потребляли ежедневно около 400 мг.

Недостаточное употребление витамина C может стать причиной цинги (скорбута). Теперь эта болезнь встречается редко, но когда-то была страшным бичом, уносившим жизни многих моряков, лишенных свежей пищи на протяжении многих месяцев плавания. Цинга косила солдат во время военных кампаний — от Крестовых походов до Первой мировой войны. Болезнь угрожала путешественникам, которые иногда проводили в море несколько месяцев или даже лет. Один такой случай произошел в 1536 г.: тогда цингой заболели 100 из 110 человек из команды французского мореплавателя Жака Картье, основавшего Монреаль. Это случилось зимой, когда корабли Картье застряли во льдах реки Святого Лаврентия. Картье писал, что у больных слабели и опухали ноги и сильно кровоточили десны. Другие симптомы цинги — анемия, кровоподтеки на коже, слабость, сердечная недостаточность; в конечном итоге может наступить смерть. Через 30 лет после той страшной зимы для предотвращения цинги голландский врач Ронсеус советовал морякам есть апельсины, а в 1639 г. английский врач Джон Вудал рекомендовал лимонный сок. Однако Британское адмиралтейство с характерным безразличием игнорировало эти рекомендации даже после гибели половины состава экспедиции лорда Энсона во время кругосветного путешествия в 1740 г. Дo возвращения Энсона в Англию в 1744 г. из 1955 моряков 320 умерли от лихорадки и дизентерии, а 997 — от цинги.

Возмущенный этой ужасающей ситуацией шотландский военно-морской врач Джеймс Линд в 1753 г. написал «Трактат о цинге», в котором тоже рекомендовал морякам пить сок цитрусовых. Однако, в отличие от предшественников, он доказал свою теорию в первых в истории медицины клинических испытаниях на борту английского военного корабля «Солсбери» в 1747 г. Линд проверил несколько существовавших на тот момент способов лечения на 12 матросах, заболевших цингой. Двое ежедневно получали кварту сидра, двое пили купорос, двое — уксус, двое — морскую воду, двое ели апельсины и лимоны, а еще двое получали снадобье из чеснока, редьки, перуанского бальзама и мирры. Те двое, что ели апельсины и лимоны, очень быстро поправились и стали ухаживать за остальными. Слабые признаки улучшения были замечены еще лишь у двух человек, получавших сидр. Любопытно, но сам Линд воспринимал цингу не как результат авитаминоза, а как заразное заболевание, распространяющееся во влажном воздухе. Он считал, что лимонный сок, как мыло, может расщепить вредные частицы.

Рекомендации Линда воплотил в жизнь капитан Кук во время кругосветных плаваний в 1768 и 1775 гг. Кук был чрезвычайно требовательным командиром и придирчиво следил за рационом питания экипажа, соблюдением чистоты, проветриванием помещений и моральным духом команды. Он заставлял моряков есть сырые лимоны, апельсины, лук, капусту, а также квашеную капусту и солод. Почти за шесть лет, проведенных в море, из всей команды Кука от цинги погиб лишь один человек. Но только в 1795 г. Британское Адмиралтейство признало справедливость требований Линда и согласилось снабжать британских моряков лимонным соком. Благодаря усилиям морского врача сэра Гилберта Блейна, активно распространявшего информацию о пользе лимонного сока, были достигнуты потрясающие результаты. Раньше в военно-морской госпиталь Хаслар ежегодно посыпало около 1000 больных цингой, тогда как между 1806 и 1810 гг. таких больных было всего двое. Как позднее заметил историк Рой Портер, лимоны сыграли в победе над Наполеоном не менее важную роль, чем Нельсон. Однако это продолжалось недолго. Как обычно, в целях экономии Адмиралтейство заменило лимоны более дешевыми лаймами, которые содержат в четыре раза меньше витамина С. И цинга вернулась. К болезни добавилось еще и прозвище: британских моряков стали называть «лайми».

Идею о том, что цинга — не инфекционное заболевание, а результат авитаминоза, в 1840-х гг. развивал профессор медицины Джордж Бадд из Королевского колледжа Лондона, прозванный «пророком Баддом». В серии статей, опубликованных в London Mеdical Gazette под заголовком «Нарушения, вызванные недостаточным питанием», Бадд пророчествовал, что цингу вызывает «недостаток какого-то важнейшего элемента, который в ближайшем будущем будет открыт с помощью органической химии или экспериментов физиологов».

Однако пророчество Бадда сбылось только через 93 года. Отчасти это связано с тем, что концепцию авитаминоза затмила выдвинутая Пастером микробная теория заболеваний, которую с энтузиазмом стали применять ко всем болезням без разбора. И все же в конце 1920-х гг. несколько ученых попытались выделить «противоцинготный фактор» из апельсинов, лимонов, капусты и тканей надпочечников. Некоторым исследователям, включая венгерского биохимика Альберта Сент-Дьёрди, удалось выделить белые кристаллы кислого сахара, свойства которого соответствовали свойствам витамина С, но химическая структура этого вещества оставалась загадкой. Сент-Дьёрди предложил назвать вещество «игнозой» (окончание «оза» означало принадлежность вещества к классу сахаров, а корень «игн» указывал на его неизвестное происхождение). Название было отвергнуто, и Сент-Дьёрди предложил другое — «годноза» («божественный сахар»), но в конечном итоге в единственной фразе в статье, опубликованной в 1933 г. в журнале Nature, он употребил название «аскорбиновая кислота», поскольку вещество помогало от цинги (скорбута). Дальнейшие исследования продвигались очень быстро. В том же году аскорбиновую кислоту независимым путем синтезировали швейцарский химик польского происхождения Тадеуш Рейхштейн и английский химик-органик сэр Уолтер Xoуopc. Так что витамин C — не только первый витамин, химическую структуру которого удалось установить, но и первый витамин, синтезированный химическим путем.

Забавно, что отношение к витамину С как к лекарству от цинги помешало исследованию его нормальной функции в организме. При расчете рекомендованной суточной нормы потребления витамина С исходили из необходимости предотвращения заболевания, а не из какого-либо положительного критерия. Для предотвращения клинических симптомов цинги нужно совсем немного витамина C. В серии исследований, проведенных в тюрьмах Айовы в 1960-х гг., было показано, что для устранения симптомов цинги достаточно всего 10 мг витамина в сутки. При повышении суточной дозы до 60 мг витамин C начинает выводиться с мочой, что указывает на его избыток в организме. Идея о том, что при потреблении 60 мг витамина С в сутки достигается насыщение организма, подтверждается скоростью распада витамина: в соответствии с результатами исследований в Айове продукты распада витамина выводятся с мочой со скоростью около 60 мг в сутки. Именно эти три фактора (предотвращение цинги с поправкой на ошибку, скорость выведения витамина С и скорость выведения продуктов его распада) стали основой рекомендуемой суточной нормы потребления (РСНП) витамина С, равной 60 мг.

Казалось бы, все ясно, но дело обстоит гораздо сложнее. В 1990-х гг. Марк Левайн из Национального института здоровья обратил внимание на практические и теоретические несоответствия. Левайн входил в состав комиссии, занимавшейся анализом 25 примеров благотворного влияния высоких доз витамина С, представленных Камероном, и с тех пop активно стремился наладить диалог между сторонниками традиционной медицины и приверженцами лечения витамином С.

Левайн не только поставил под сомнение точность ранних измерений концентрации витамина С и продуктов его распада, которые осуществлялись неспецифическими методами, но и более подробно проанализировал три фактора в основе определения РСНП. Во-первых, он выяснил, что для предотвращения цинги, по-видимому, требуется значительно меньше витамина С, чем для поддержания нормальных функций организма. Во-вторых, выделение с мочой не обязательно коррелирует с насыщением тканей организма: для одних веществ это так, для других иначе, а в случае витамина С это неизвестно. В-третьих, скорость распада витамина С зависит от ряда факторов, включая дозу препарата. При приеме высоких доз распад происходит быстрее, возможно, по той причине, что организму не требуется запасать это ценное вещество. Это означает, что оценки скорости расщепления, сделанные при приеме низких доз (30 или 60 мг), могут быть неверными. Таким образом, Левайн поставил под сомнение справедливость исходных предпосылок для определения РСНП витамина С.

Левайн попытался сформулировать собственные рекомендации по рациональному приему витамина С на основе известных биохимических процессов в организме и уровня насыщения крови и других тканей. Тем, кому интересен результат, сразу скажу, что, по данным Левайна, здоровый человек должен получать 200 мг витамина в сутки. Повышение дозы до 400 мг не давало очевидного преимущества, а доза выше 1 г могла быть опасна, поскольку в таком количестве витамин может вызывать диарею и способствовать образованию камней в почках. Суточная доза витамина от 200 до 400 мг соответствует употреблению пяти порций овощей и фруктов, так что те, кто правильно питается, не нуждаются в дополнительном приеме витамина. Мы увидим далее, что есть и другие причины не прибегать к помощи витаминов в виде пищевых добавок. В то же время, по данным Левайна, суточная норма 60 мг (в СШA с апреля 2000 г. повышена до 90 мг) является заниженной. Чтобы проследить за ходом его рассуждений, а также понять антиоксидантную функцию витамина, нужно подробнее рассмотреть действие витамина С в организме.

Витамин С участвует во множестве биохимических реакций, поддерживающих нормальную физиологическую функцию человеческого организма. Лучше всего изучена роль витамина С в качестве кофактора (дополнительного фактора, необходимого для проявления активности ферментa) в синтезе коллагена.

Коллагеновые волокна по масce cоcтавляют дo 25% всего белка организма. Это вещество всем знакомо как желатин. Коллагеновые волокна — важнейший структурный и защитный элемент соединительных тканей, таких как кости, зубы, хрящи, сухожилия, кожа и кровеносные сосуды. При недостаточности витамина С коллагеновые волокна не могут нормально формироваться, с чем и связаны многие проявления цинги. Кровеносные сосуды становятся хрупкими, раны плохо заживают. Вероятно, именно повреждение сосудов является причиной кровоточивости десен, отека суставов, внезапного появления кровоподтеков. В конечном итоге, когда сосуды больше не могут удерживать жидкость, падает кровяное давление, и развивается сердечная недостаточность.

К другим характерным, но неспецифическим симптомам цинги относятся общее недомогание, слабость и анемия. От хронической усталости страдают миллионы людей на Земле; иногда она является проявлением «доклинической» формы цинги, иногда связана с чем-то другим. В «Трактате о цинге» Линд называл усталость ранним и неизменным симптомом заболевания. В принципе, усталость можно связать с нарушением синтеза коллагена, но, скорее всего, причина заключается в нарушении зависимого от витамина С синтеза аминокислоты карнитина. Он нужен для сжигания жиров. Выделяющиеся при расщеплении жиров жирные кислоты переносятся в митохондрии, где окисляются с выделением энергии. Однако жирные кислоты не могут попасть в митохондрии самостоятельно, им нужен переносчик — карнитин. Он также отвечает за выведение неизрасходованных органических кислот из митохондрий в цитоплазму. При недостатке витамина С организм не может синтезировать достаточно карнитина для получения энергии из жиров, а митохондрии засоряются токсичными органическими кислотами, что ослабляет эффективность извлечения энергии даже из глюкозы. Так что усталость — не такая уж высокая плата за столь серьезные нарушения.

Витамин С также задействован в работе нервной и эндокринной систем, поддерживающих организм в нормальном физиологическом и психологическом состоянии. Например, витамин C нужен для синтеза норадреналина — родственника адреналина, модулирующего наши реакции на стресс. Он нужен и для правильного функционирования фермента пептидил-глицин-альфа-амидирующей монооксигеназы (ПАМ), который содержится в разных тканях организма, включая гипофиз. Фермент отщепляет концевые фрагменты у многих незрелых пептидных гормонов и нейромедиаторов, тем самым активируя их. Без активации под действием ПАМ гормоны остаются нефункциональными. Чтобы вы удостоверились в том, что витамин C — не только водорастворимый антиоксидант и кофактор синтеза коллагена, перечислю лишь несколько пептидов. активируемых ПАМ: кортиколиберин (стимулирует выработку стероидных гормонов), гормон, высвобождающий гормон роста (стимулирует рост и влияет на энергетический метаболизм), кальцитонин (cпocoбcтвует всасыванию фосфата кальция и его распределение в костной ткани), гастрин (самый мощный стимулятор секреции желудочного сока), окситоцин (стимулятор секреции молока и сокращений матки), вазопрессин (регулирует водный баланс и активность кишечника), секретин (стимулирует секрецию ферментов поджелудочной железы и желчи), вещество Р (мощный вазодилататор и нейромедиатор, регулирующий восприятие боли, тактильных ощущений и температуры). Учитывая этот широчайший спектр действия, думаю, всем понятна степень зависимости нашего физиологического состояния от витамина C.

Но это еще не все. Витамин С нужен белым клеткам крови — лейкоцитам. При бактериальной инфекции первую линию защиты обеспечивает группа лейкоцитов, называемых нейтрофилами, которые высасывают из окружающей среды витамин С с помощью миниатюрных белковых насосов, встроенных в клеточные мембраны. За несколько минут концентрация витамина C внутри клеток повышается в 10 раз, а если инфекционной процесс продолжается, то и в 30 раз по сравнению с концентрацией в покоящихся нейтрофилах или в 100 раз по сравнению с концентрацией в плазме даже тех людей, которые принимают добавки витамина.

Вот в чем заключается антиоксидантное действие витамина С в соответствии с описанием Тома Кирквуда, которое я привел в начале главы. Нейтрофилам эта дополнительная защита нужна, чтобы пережить ими же затеянную битву. Их можно сравнить с солдатами, натягивающими противогазы, прежде чем выпустить во врага облако хлора. Вместо хлора нейтрофилы выпускают множество свободных радикалов и другие мощные окислители (включая хлорноватистую кислоту — производное хлора), уничтожающие бактерий[58]. Витамин С предотвращает или замедляет гибель самих нейтрофилов и ускоряет гибель бактерий, которые не могут поглощать витамин С или продолжать пользоваться им в обедненном локальном окружении. Левайн отмечал, что поглощение витамина С нейтрофилами можно использовать в фармацевтических целях, учитывая распространение устойчивых к антибиотикам бактерий.

А что можно сказать об анемии? Она также является симптомом цинги, но в данном случае речь идет не о физиологическом нарушении, как обсуждалось выше. Витамин C действует на неорганическое железо, содержащееся в пище, в желудке и в кишечнике, превращая его из нерастворимой формы (Fe3+) в растворимую (Fе2+), которая может всасываться в кишечнике. (Это обратная реакция по отношениюк той, которая происходила во всепланетном масштабе в докембрийских океанах и приводила к образованию полосатых железных гор; см. главу 3.) При недостаточности витамина С всасывается слишком мало железа, чтобы снабжать эритроциты гемоглобином (который содержит железо), что и приводит к анемии.

Столь широкий спектр функций создает вокруг витамина C магическую ауру. Однако в каждом случае на молекулярном уровне витамин С выполняет одну и ту же работу, хотя результаты могут быть противоположными — как при подбрасывании монетки. Чтобы понять, что происходит, давайте более подробно рассмотрим синтез коллагена, на примере которого можно не только наблюдать за действием витамина C, но и объяснить его антиоксидантные свойства и потенциальную опасность.

Коллаген синтезируется лишь в присутствии кислорода (см. главу 4). Кислород, как и витамин C, нужен для модификации некоторых аминокислот в составе коллагена уже после их включения в белок. Модификация заключается в гидроксилировании (присоединении дополнительных ОН-групп) белковых молекул. Эти группы обеспечивают образование перекрестных сшивок между молекулами коллагена: сначала формирование тройных нитей коллагена, а затем их объединение в более толстые волокна. Именно эти перекрестные сшивки объясняют невероятную прочность коллагена. Если нет витамина С и кислорода, перекрестные сшивки не образуются, и соединительная ткань ослабевает. Кроме того, негидроксилированный коллаген не выводится, а удерживается в синтезирующих его клетках. Он менее стабилен, более чувствителен к нагреванию и легче расщепляется пищеварительными ферментами. Желе из такого коллагена вряд ли украсит праздничный стол.

Механизм гидроксилирования коллагена выдает секрет витамина С: он является донором электронов. Атом кислорода в гидроксильной группе происходит из молекулярного кислорода. Чтобы присоединить этот кислород, каждый из двух атомов в молекуле должен получить электрон. Они обычно передаются парами, и лишь немногие соединения могут отдать единственный электрон и при этом не потерять устойчивость и не стать чересчур реакционноспособными, например металлы, которые могут существовать в нескольких состояниях окисления, и витамин С. В биохимических реакциях витамин С всегда отдает электроны. И никак иначе. Нужно сказать, он не разбрасывается электронами направо и налево: в физиологических условиях он с наибольшей вероятностью отдает их железу или меди[59]. Именно это происходит при синтезе коллагена. Витамин C отдает электрон железу, находящемуся в активном центре фермента гидроксилирования. А железо передает электрон кислороду, который теперь может присоединяться к аминокислоте в молекуле коллагена. При этом железо окисляется и переходит в биологически неактивную форму (Fe3+), в которой существует до тех поp, пока опять не получит электрон от витамина С.

Таким образом, роль витамина С состоит в регенерации биологически активной формы железа путем передачи электрона окисленной форме. Гидроксилирующий фермент действует как карусель, используя железо для присоединения кислорода к аминокислотным остаткам в белке. Снабжая железо электронами, витамин С обеспечивает безостановочное движение карусели.

Триумвират в составе железа (или меди), витамина С и кислорода является важнейшим элементом практически любого физиологического механизма с участием витамина C. Как минимум восемь ферментов используют витамин C в качестве кофактора, и все эти ферменты содержат железо или медь. Все они присоединяют кислород к аминокислотам с помощью железа или меди, и все используют витамин С для регенерации железа или меди в активной форме. По сути та же самая реакция обеспечивает всасывание железа в кишечнике. В этом случае витамин C передает электрон окисленному железу, переводя его в растворимую форму, которая может всасываться.

Почему витамин С так активно используется в качестве донора электронов? По двум причинам. Во-первых, витамин C очень хорошо растворяется в воде, поэтому он может концентрироваться в замкнутом пространстве, ограниченном мембранами (состоящими из непроницаемых для витамина липидов). Например, синтез норадреналина из дофамина происходит в окруженных мембранами везикулах в клетках коры надпочечников. Концентрация витамина С в везикулах может в 100 раз превышать его концентрацию в плазме крови. По мере расходования витамина С ферментом дофамин-монооксигеназой электроны проходят через мембрану (с помощью железосодержащего белка цитохрома b_6s), чтобы регенерировать витамин С в везикулах. Таким образом, на протяжении дней или недель клетки используют запасенный витамин С и не зависят от колебаний его концентрации в плазме, вызванных изменениями рациона питания.

Вторая причина широкого использования витамина в качестве донора электронов заключается в том, что продукт реакции сравнительно стабилен и неактивен. Когда витамин С отдает электрон, он превращается в радикал аскорбиновой кислоты. По сравнению с другими радикалами он не очень активен. Его структура стабилизируется за счет делокализации электрона — того самого эффекта резонанса, изучением которого в конце 1920-х гг. занимался Лайнус Полинг. Это означает, что путем передачи электрона витамин С может блокировать цепные свободнорадикальные реакции, поскольку радикал аскорбиновой кислоты не участвует в цепных реакциях.

Несмотря на низкую реакционную способность, радикал аскорбиновой кислоты обычно отдает и второй электрон, превращаясь в дегидроаскорбат. Эта молекула неустойчива, и ее необходимо быстро «связать», иначе она подвергается спонтанному и необратимому распаду и выводится из организма. Именно по этой причине человеку требуется постоянно пополнять запасы витамина С, хотя, в принципе, организм умеет ограничивать потери витамина путем рецикла дегидроаскорбата. Есть несколько ферментов, которые связывают дегидроаскорбат и регенерируют витамин С. Обычно эти ферменты отбирают два электрона у маленького пептида глутатиона и переносят их на дегидроаскорбат. Поскольку в этом процессе происходит перенос пары электронов, регенерация витамина С не сопровождается образованием свободных радикалов.

Таким образом, «подбрасывание монетки» в случае витамина С сводится к передаче одного электрона (или двух с превращением в дегидроаскорбат). Регенерация из дегидроаскорбата происходит за счет приема пары электронов от глутатиона. Этот цикл объясняет функцию витамина не только в качестве кофактора, но и в качестве антиоксиданта. Но хотя витамин С предпочитает отдавать электроны железу или меди, другие молекулы, желающие пpиобрести один электрон, тоже могут забрать его у витамина С. К числу таких молекул относятся многочисленные свoбодные радикалы (кoторые по определению содержат один распаренный электрон; см. главу 6).

Когда в реакцию вступает свободный радикал, он обычно отнимает электрон у другого реагирующего вещества и превращает его в радикал. Тот, в свою очередь, отнимает электрон у соседней молекулы. Цепная реакция продолжается до тех пор, пока два свободных радикала не прореагируют между собой, нейтрализуя друг друга, или пока не образуется малоактивный свободный радикал. Витамин С «гасит» цепную реакцию, поскольку его свободный радикал — радикал аскорбиновой кислоты — обладает низкой активностью. Поэтому в присутствии витамина С цепная реакция затухает. Аналогичным образом ведет себя жирорастворимый витамин Е (альфа-токоферол). Он содержится не в растворе, а в мембранах и действует совместно с витамином С на границе мембран и цитозоля (водного содержимого цитоплазмы, окружающего внутриклеточные органеллы). В реакции витамина Е со свободными радикалами тоже образуются стабилизированные за счет резонанса неактивные радикалы. Радикалы токоферола вновь превращаются в витамин Е, забирая электроны у витамина С.

Как я упомянул в начале главы, эти простые повторяющиеся реакции таят в себе большую опасность — это темная сторона действия витамина С. Мы уже обратили внимание на связь между витамином С, железом и кислородом. Когда витамин С реагирует с железом и кислородом, он выступает в роли донора электронов, но не в роли антиоксиданта. Напротив. Регенерируя активную форму железа внутри фермента, витамин C стимулирует присоединение кислорода, другими словами, помогает окислять субстрат. Таким образом, важнейшая физиологическая функция витамина С заключается в его проoксидантном, а не в антиоксидантном действии.

Когда железо находится в активном центре фермента, это сравнительно безопасно — железо там удерживается, как лошадь в шорах, которая делает только то, что ей велят. Совсем другое дело, когда железо находится в растворе. Растворенное железо может реагировать неконтролируемым образом. Мы говорили об этом в главе 6, помните реакцию Фентона? Железо реагирует с пероксидом водорода с образованием чрезвычайно активных гидроксильных радикалов и неактивного окисленного железа. Гидроксильные радикалы немедленно взаимодействуют с соседними молекулами, инициируя цепные реакции. Эти опасные реакции начинаются только в присутствии свободного железа и заканчиваются при его исчерпании. Мы видели, что опасность супероксидных радикалов заключается в их способности регенерировать активное железо, возобновляя тем самым реакцию Фентона. Делают они это путем передачи электронов. И витамин С может отдавать электроны и регенерировать активное железо. Таким образом, витамин С может не только выступать в роли антиоксиданта, но и усиливать свободнорадикальные процессы. Теоретически он может быть как антиоксидантом, так и прооксидантом.

К сожалению, эта возможность не только теоретическая. Стандартный тест на антиоксидантную активность основан на потенциально опасной активности витамина С. Тест начинают со стимуляции свободнорадикальной реакции в препарате клеточных мембран, а затем измеряют способность антиоксидантов останавливать этот процесс. Для запуска цепной реакции используют смесь железа и витамина С: железо — для катализа, витамин — для регенерации активного железа. Если бы такая реакция происходила в организме, это была бы катастрофа.

Возникают два вопроса. Выступает ли витамин С в роли прооксиданта в организме, нанося ему ущерб? И если нет, то почему: что ему мешает? Эти вопросы вызывают в научной среде массу споров, и точных ответов мы не знаем до сих пор. Тем не менее потенциальная опасность витамина С позволяет оценить работу антиоксидантной «сети» в клетке и задуматься о том, что идеи Полинга и Камерона относительно противораковой активности витамина С, возможно, имели под собой какое-то основание.

Должен заметить, что у нас нет почти никаких подтверждений прооксидантной активности витамина С в человеческом организме. Однако некоторые наблюдения свидетельствуют, что организм знает об этой опасности. В частности, концентрация витамина в плазме крови очень строго контролируется. Даже при приеме «мегадоз» витамина его концентрация в плазме практически не изменяется. Контроль осуществляется на уровне всасывания и на уровне выведения. При приеме высоких доз витамина его всасывание в кишечнике ослабевает. Дело в том, что высокие дозы витамина оказывают слабительное действие и вызывают диарею[60]. Некоторые сторонники лечения витамином С даже призывают повышать дозу до предела «толерантности кишечника», то есть употреблять столько, сколько необходимо, чтобы спровоцировать диарею — признак достижения максимального всасывания. Такой подход не работает. При приеме 1 г витамина в сутки из кишечника всасывается менее 50%, причем бóльшая часть затем выводится с мочой. Легкорастворимый витамин С фильтруется почками и лишь отчасти подвергается обратному всасыванию, за исключением случаев острой недостаточности. Витамин начинает выделяться с мочой при приеме дозы от 60 до 100 мг в сутки. При приеме 500 мг практически все выводится этим путем. Кровь и другие жидкости организма насыщаются витамином при суточном потреблении 400 мг. Вне зависимости от того, сколько дополнительного витамина С вы примете, eгo содержание в организме не увеличится.

Эта информация важна сама по себе, но, кроме того, подчеркивает необходимость строгой регуляции уровня витамина С в организме. Пока никто не доказал, что витамин C может быть токсичен, но также никто не доказал, что он работает в организме в качестве антиоксиданта. Мы знаем, что он может быть антиоксидантом и, возможно, выступает в этой роли, но твердой уверенности у наc нет. Вот что писал в 1999 г. директор Института Лайнуса Полинга профессор Балц Фрей:

«Существующих доказательств недостаточно, чтобы заключить, что прием витаминов и антиоксидантов в качестве пищевых добавок действительно ослабляет окислительные повреждения в организме человека».

А что можно сказать о темной стороне «монетки» — о потенциальной опасности для организма? Если потенциальная токсичность витамина С связана с его взаимодействием с железом, значит, наибольший риск возникает при заболеваниях, сопровождающихся какими-либо нарушениями метаболизма железа.

Одно из таких состояний — перегруженность организма железом. Удивительно, но организм не имеет специфических механизмов для выведения избытка железа (за исключением менструальных кровотечений или отшелушивания клеток выстилки кишечника). Поэтому всасывание железа строго контролируется. Наследственное генетическое заболевание гемохроматоз связано с нарушением регуляции всасывания железа в кишечнике. В организм попадает слишком много железа, и со временем (к 40 годам или позднее, в зависимости от рациона питания) накопленное железо начинает представлять опасность. Свободное железо появляется в крови, что может привести к ужасным последствиям. Без лечения у таких людей нарушается функция печени (цирроз или рак), снижается масса тела, наблюдается избыточная пигментация кожи, воспаление суставов, диабет и сердечная недостаточность. Это одно из самых распространенных генетических заболеваний: ему подвержено около 0,5% европейцев и североамериканцев[61].

Теоретически в подобных ситуациях витамин С способен проявлять себя двояко. Во-первых, он может усиливать всасывание железа в кишечнике. У нас нет данных, свидетельствующих о накоплении железа в организме здоровых людей, принимающих «мегадозы» витамина C, но мы ничего не знаем о том, как прием больших доз витамина скажется на состоянии больных гемохроматозом. Во-вторых, витамин С может превращать избыток железа в активную форму, катализирующую свободнорадикальные реакции. Опять-таки, мы не знаем, может ли это сдвинуть баланс антиоксидантного/прооксидантного действия витамина у таких больных. Бóльшая часть наблюдений указывает на то, что не может, однако в некоторых случаях был замечен негативный эффект. Например, один несчастный молодой австралиец целый год принимал высокие дозы витамина С, пока не попал в больницу с острой сердечной недостаточностью. Через восемь дней он умер, как выяснилось, от гемохроматоза. Врачи пришли к выводу, что течение заболевания могло быть ускорено избытком витамина С.

Но давайте рассмотрим ситуацию в другом ракурсе. «Темная сторона» действия витамина С может оказаться полезной для противораковой терапии. Из лабораторных экспериментов известно, что витамин С убивает опухолевые клетки в пробирке, и его противоопухолевая активность зависит от наличия кислорода и железа. Кроме того, витамин уничтожает возбудителя малярии на определенной стадии развития, сопровождающейся активным накоплением железа из гемоглобина. Может ли это объяснять данные Полинга и Камерона? Вполне вероятно. Ядро крупной опухоли часто состоит из мертвых или умирающих клеток, постепенно высвобождающих железо. Кроме того, в опухолевых клетках может нарушаться регуляция метаболизма железа. Радиотерапия и химиотерапия тоже способствуют временному повышению содержания железа в крови, возможно, отчасти за счет железа из опухолевых клеток. Поэтому вполне вероятно, что в опухолевых тканях сосредоточено больше свободного железа, чем в нормальных тканях. Следовательно, в присутствии кислорода и витамина С клетки опухоли испытывают сильный окислительный стресс, способный их погубить.

Но если это так, почему результаты Камерона не удается воспроизвести? В статье, опубликованной в 2001 г. в Canadian Меdical Association Jоиrnаl и посвященной пересмотру противоракового действия витамина С, Марк Левайн и Себастьян Падайатти из Национального института здоровья утверждали, что действие витамина зависит от способа его введения. Полинг и Камерон вводили витамин С внутривенно, тогда как в клинике Майо при попытках воспроизвести их результаты пациентам давали витамин в таблетках. При пероральном приеме из-за низкой скорости всасывания и высокой скорости выведения концентрация витамина в крови практически не изменяется. При внутривенном введении фактор всасывания вообще не играет роли, и почки не сразу выводят витамин из крови. Таким образом, на короткое время концентрация витамина С в крови может в 50 раз превышать нормальный уровень, и именно в этом может состоять принципиальная разница. Поэтому Падайатти и Левайн настаивали на проведении новых контролируемых испытаний.

В одном исследовании было показано, что витамин С помогает убить опухолевые клетки за счет усиления действия свободных радикалов. Данный метод был назван фотодинамической терапией (я упоминал о нем в главе 6). Лекарственный препарат активируется под действием света, а затем отдает химическую энергию кислороду, в результате чего образуется синглетный кислород и различные свободные радикалы, атакующие опухоль. Исследователи из Университета Айовы и из Китая показали, что сочетание высоких доз витамина С и фотодинамической терапии повышает эффективность лечения. Если клинический эффект окажется значимым (пока рано об этом говорить[62]), репутация Полинга будет восстановлена.

На примере витамина С я попытался раскрыть суть действия антиоксидантов. Что же мы узнали? Первый вывод заключается в том, что витамин С выполняет одну и ту же молекулярную функцию, определенную его химической структурой. Это не химический супергерой, способный принять любое обличье и спасти нас от дьявола. Функция всех антиоксидантов ограничена их химической структурой, но это не мешает им оказывать разнообразное влияние. Второй вывод состоит в том, что простое повторяющееся действие может иметь множество физиологических проявлений. Мы видели, что витамин С служит кофактором как минимум для восьми ферментов, влияющих на самые разные функции организма — от синтеза коллагена и метаболизма жиров до реакций на стресс (синтез норадреналина) или восприятия боли (активация вещества P). Возможно, среди всех этих проявлений активности витамина С его антиоксидантные свойства изучены хуже всего. То же самое можно сказать и о многих других «антиоксидантах».

Самым ярким подтверждением антиоксидантной функции витамина С является его быстрое поглощение нейтрофилами, которые он защищает от ими же созданной волны антибактериальной атаки. Важно отметить, что нейтрофилы накапливают витамин С только при бактериальной инфекции. Такая быстрая реакция может быть связана с бессмысленностью энергетических затрат на поглощение витамина С, когда в нем нет нужды, или с его потенциальной опасностью. Это подводит нас к третьему важному выводу относительно функции витамина С: конкретное действие антиоксиданта зависит от его окружения. Играет ли витамин C роль антиоксиданта, прооксиданта или какую-то промежуточную роль, зависит от его взаимодействия с другими молекулами. Мы видели, что витамин С напрямую взаимодействует с некоторыми свободными радикалами, но также с железом, медью, витамином Е и глутатионом. Чтобы витамин C выполнял функцию антиоксиданта, каждое из этих веществ должно оказаться в правильное время в правильном месте, для чего нужнa целая сеть вспомогательных молекул. В общем и целом все эти факторы можно считать антиоксидантными. Где провести границу? Чтобы осознать, как сложно дать определение антиоксиданта, давайте завершим эту главу рассказом о поведении активированных нейтрофилов.

Концентрация витамина С в нейтрофилах может в 100 раз превышать его концентрацию в плазме крови, однако нейтрофилы поглощают не сам витамин, а только его окисленную форму — дегидроаскорбат. В мембранах нейтрофилов есть белковый насос, узнающий дегидроаскорбат и проталкивающий его в клетки. Внутри клетки дегидроаскорбат превращается в витамин С и только тогда может использоваться. Это преобразование осуществляет фермент глутаредоксин, который забирает электроны у глутатиона и регенерирует витамин С. Для непрерывной работы системы требуется постоянная регенерация глутатиона. Эту функцию выполняет фермент глутатионредуктаза с помощью электронов, которые в противном случае были бы использованы для превращения кислорода в воду в процессе клеточного дыхания. Ставка в этой игре — выживание. Физиологический баланс в нейтрофилах смещается от нормального дыхания к критическому сценарию, необходимому для регенерации глутатиона и витамина C. Другими словами, активированные нейтрофилы перестают дышать и начинают защищаться в надежде на то, что проживут достаточно долго, чтобы уничтожить бактерии[63].

Стaвки очень высоки, и непонятно, почему все завязано на витамин С? Водорастворимый витамин С накапливается в цитозоле клеток. Граница, которую не могут пересечь бактерии, проходит не внутри клеток, а по клеточной мембране, состоящей из непроницаемых для витамина С липидов. Поглощенные нейтрофилами бактерии изолированы внутри фагоцитарных вакуолей, образованных складками внешней клеточной мембраны. Нейтрофилы выделяют токсины в вакуоли (а также в окружающее пространство) и, чтобы не погибнуть от собственных токсинов, должны поддерживать целостность внешних и внутренних мембран. Если мембраны повреждаются в битве с бактериями и прорываются, нейтрофилы погибают, как люди, с которых сдирают кожу. Витамин С нужен для того, чтобы укрепить и в буквальном смысле оживить линию защиты.

Главный защитник клеточной мембраны — жирорастворимый витамин Е. Он передает электроны непосредственно свободным радикалам, которые могут нарушить целостность мембраны, и тем самым их нейтрализует, а сам угасает, превращаясь в радикал альфа-токоферола. Витамин С вдыхает жизнь в этот почти инертный радикал, воскрешая его в виде витамина Е. В этой реакции ферменты не участвуют, и ее скорость зависит от соотношения количества витаминов С и Е. Чем больше витамина С, тем быстрее происходит регенерация витамина Е и, следовательно, накопление витамина С в нейтрофилах. В то же время высокая концентрация витамина С опасна, особенно в присутствии супероксидного радикала, способного высвобождать железо из белков (см. главу 6). Витамин С может перейти на сторону врага и начать действовать в качестве прооксиданта. Чтобы такого не произошло, необходимо изолировать провокаторов — железо и медь. А для этого нужны молекулярные датчики, которые реагируют на присутствие минимального количества свободного железа или меди в клетке и позволяют изолировать их, связав с белками (соответственно с ферритином и церулоплазмином). Если емкости имеющихся комплексов недостаточно, нужно создавать новые, для чего требуется транскрипция и трансляция многих генов. В целом за 2 часа в активированных нейтрофилах человека экспрессируются около 350 генов, включая гены ферритина и церулоплазмина.

Каждое звено в этой цепи необходимо для нормальной работы всей системы. Тот факт, что нейтрофилы защищают себя, накапливая витамин С, а бактерии этого не делают, объясняется тем, что бактерии либо не могут детектировать дегидроаскорбат, либо не умеют его поглощать. Вся цепь событий в нейтрофилах запускается в присутствии дегидроаскорбата. Чем больше этого вещества, тем быстрее работает насос. Вообще говоря, активация нейтрофилов может происходить даже без участия бактерий, лишь при наличии в среде небольшого количества дегидроаскорбата. Напротив, бактерии не оживляются даже в море дегидроаскорбата. У них есть все, что нужно для синтеза витамина С, витамина Е и глутатиона, а также для связывания железа и меди, но они не чувствуют присутствия дегидроаскорбата. И это может стоить им жизни. В таком случае все затраты нейтрофилов оправданы.

Самым удивительным в этом сценарии является перестройка метаболизма нейтрофилов при появлении дегидроаскорбата, которая вносит вклад в общую антиоксидантную реакцию. Мы не можем определить антиоксидант как молекулу с конкретным типом действия. Обнаружение дегидроаскорбата — антиоксидантная реакция. Связывание железа — антиоксидантная реакция. Регенерация глутатиона — тоже. Даже снижение скорости метаболизма (сдерживание дыхания) — тоже антиоксидантная реакция. Невозможно провести черту между факторами, которые принято называть антиоксидантами (такими, как витамин С), и физиологическими адаптациями, обычно не воспринимаемыми в качестве проявлений антиоксидантных свойств (как замедление клеточного дыхания). Чтобы проанализировать работу этой сложной сети взаимодействий, нам придется отвлечься от витамина С и посмотреть, как организм в целом реагирует на окислительный стресс.

Глава десятая. Машина по производству антиоксидантов. Сто и один способ жить в окружении кислорода

Правительства занимаются определениями таких понятий, как «безработный», «грамотность» или «отмена налога». Оппозиционно настроенные ораторы и редакторы газет обсуждают точность этих определений. Слова летают взад и вперед — громкие, но пустые. Считается, что ученые стоят выше этого. Научные термины не допускают оппозиции: они четко определены и поддаются анализу, правда, часто их невозможно произнести. Ученые пытаются сформулировать определения с помощью математических символов и счастливы только тогда, когда термин хорошо вписывается в уравнение. Но даже в такой безупречной науке, как математика, желаемая точность не всегда достижима. Проклятый «фактор неопределенности» символизирует нежелание природы поддаваться классификации.

В биологии проблема определений стоит гораздо острее, чем в математике. Биологи крайне редко используют слово «доказательство» — оно требует слишком высокой точности. Вpачи не любят слово «исцеление». Кто знает? Гораздо удобнее сказать «ремиссия», поскольку это мало что означает: «сейчас болезнь отступила, насколько я понимаю, но, вернется ли она, сказать не могу». Природа ловко обходит придуманные нами определения. Как дать определение жизни? Наверное, важно подчеркнуть способность к воспроизведению и наличие метаболизма. А вирус — живой или нет? У него нет собственного метаболизма, так что он не попадает под стандартное определение. А если вы сумеете найти определение жизни, под которое вирус попадает, куда отнести прионы, которые представляют собой просто белки? Как дать определение старению? Неуклонное ослабление жизненных функций, ведущее к смерти? Описание это или определение? Если мы не можем дать определение жизни, как описать смерть? Если прион неживой, значит, он мертвый? Следовательно, его нельзя убить?

Я не собираюсь окунаться в море семантики. Конечно, всегда находятся решения, хотя простыми они бывают редко. Сейчас я хочу дать широкое определение «антиоксиданта». В главе 9 мы обсуждали, насколько это сложно. Все дело в точности определения: насколько точно мы можем определить столь скользкое понятие?

Первое определение понятия «антиоксидант» пришло из химии. Как и подобает науке, оперирующей символами, понятие антиоксиданта в химии имело строгий и однозначный смысл. Антиоксидант — это донор электронов, который предотвращает окисление вещества (или потерю им электронов). Слово это появилось в 1940-х гг. в пищевой промышленности. Жиросодержащие продукты, такие как сливочное масло, на воздухе становятся прогорклыми. Говоря техническим языком, они «переокисляются». Переокисление — это цепная реакция под действием свободных радикалов кислорода, таких как гидроксильный радикал, которые атакуют липиды в погоне за электронами. Они могут утащить электрон и сбежать или увязнуть в липиде, как игрок в регби, который завладел мячом, но не может выйти из схватки. Но в любом случае липид теряет электрон. Он становится свободным радикалом и сам атакует соседей, пытаясь отобрать у них электрон. Такая цепная реакция в липидах масла распространяется, как пожар. Антиоксидант останавливает процесс, «удаляя» свободные радикалы. Он отдает электрон и останавливает развитие цепной реакции. Поэтому в пищевые продукты традиционно добавляют такие антиоксиданты, как бутилгидроксианизол.

Приведенное выше точное определение годится для химии или пищевой промышленности, но не для биологии. В присутствии железа донор электронов может быть как антиоксидантом, так и прооксидантом. Все зависит от контекста. Поэтому в данной главе я предлагаю проанализировать контекст и не учитывать детали — оставить редукционистский подход и посмотреть, как работает синтез. Это позволит понять, как целые организмы — одноклеточные или многоклеточные — противостоят окислению. Мы будем проводить анализ не только на уровне химических реакций, но и на уровне морфологии и поведения.

Защититься от окислительного стресса можно пятью способами: спрятаться в укрытие, применить антиоксидантные ферменты, устранить свободные радикалы, осуществить репарацию и запустить индуцируемые стрессом peaкции. Некоторые организмы, особенно те, что прячутся от кислорода, пользуются лишь одним или двумя механизмами, тогда как другие, включая нас с вами, вынуждены применять все средства защиты. Мы — настоящие машины по производству антиоксидантов. Чтобы увидеть, как работает эта защита, мы обсудим принцип действия каждого механизма. Это далеко не исчерпывающий анализ — я выделю только некоторые аспекты влияния этих механизмов на наше с вами физическое и физиологическое устройство.

Самый простой способ защититься от токсичного кислорода — спрятаться от него. Малюсеньким бактериям укрыться легко. Некоторые строго анаэробные бактерии, которые погибают в присутствии даже следовых количеств кислорода, прячутся внутри других клеток. Пример крайней нетерпимости — метаногенные бактерии, которые живут в желудке крупного рогатого скота и овец. Как матрешки, они скрываются внутри симбиотических микробов, которые расщепляют целлюлозу из травы, а те, в свою очередь, прячутся в желудке животных.

Кишечник различных животных — от поедающих древесину термитов до слонов — весьма комфортабельное место, предоставляющее укрытие многим анаэробным микробам. У нас в кишечнике живут большие колонии так называемых комменсальных (симбиотических) бактерий, которые обычно безвредны или даже полезны, но иногда могут оказаться столь же зловредными, как издаваемый ими запах. Считается, что метаболическая емкость всей популяции кишечных бактерий равна метаболической емкости печени. Непереваренные органические вещества и бактерии впитывают кислород, так что в толстой кишке создаются почти аноксические условия с концентрацией кислорода ниже 0,1% атмосферного уровня. В таких условиях анаэробные бактерии, такие как Bacteroides, в сотни раз превосходят по численности своих аэробных родственников.

Конечно, гораздо шире распространены свободноживущие анаэробные бактерии, которые защищаются от кислорода, создавая вокруг себя буферную зону. Хороший пример — сульфатредуцирующие бактерии, которые в качестве побочного продукта метаболизма выделяют сероводород (см. главы 3 и 4). Сероводород взаимодействует с кислородом с образованием сульфата, что одновременно пополняет запасы сырьевого материала для сульфатредуцирующих бактерий и устраняет растворенный кислород. Так бактериям удается избежать контакта с внешним миром и поддерживать вокруг себя постоянные условия. Эволюция сульфатредуцирующих бактерий началась, возможно, еще 2,7 млрд лет назад, и на протяжении более 2 млрд лет они занимали доминирующее положение в глубинах океана. Их и теперь можно обнаружить в водах Черного моря и вообще в любой застойной и зловонной тине, в том числе в нашем кишечнике. Их способность обустраивать мир по своему вкусу сравнима, пожалуй, только со способностью цианобактерий, которые на протяжении 3,5 млрд лет использовали солнечный свет, наполняя воздух кислородом. Эти две группы бактерий противоположны, как библейские силы света и тьмы. Сульфатредуцирующие бактерии прячутся от света и воздуха в темноте и зловонии подземного мира. Однако их ядовитые выбросы помогают поддерживать экологическое разнообразие. Как противопоставление света и тьмы в рамках многих религий определяет мир, где мы с вами соответствуем земному уровню морали, так и противоположные полюса живого мира создают целый спектр условий, в которых расселяются все бесчисленные формы жизни.

Многие одноклеточные организмы не защищаются от кислорода, но быстро перемещаются из тех мест, где его концентрация особенно высока, в экологические ниши, созданные сульфатредуцирующими и подобными им бактериями. В главе 3 мы обсуждали, что свободноживущие ресничные организмы активно уплывают от кислорода. Вообще говоря, это довольно сложная реакция. Для ее реализации клетки должны иметь датчики, определяющие концентрацию кислорода в окружающей среде. Собранная информация сопрягается с движением ресничек. Датчики представляют собой белки, напоминающие по структуре гемоглобин. Гемовые белки прекрасно подходят для этой цели, поскольку их физические свойства изменяются в присутствии кислорода (гемоглобин меняет цвет от алого до темно-красного). Представители всех трех доменов жизни используют гемовые белки в качестве датчиков кислорода, так что, вероятно, и последний универсальный общий предок (LUCA, см. главу 8) использовал их для той же цели.

В описанной ситуации гемовые белки выступают в роли антиоксидантов: они удерживают концентрацию кислорода в приемлемых пределах. Даже если клетки не движутся, как в клубеньках бобовых растений (см. главу 8), гемовые белки выполняют антиоксидантную функцию, связывая избыток кислорода и высвобождая его очень медленно, чтобы поддерживать вокруг себя постоянно низкую концентрацию.

Некоторые микробы защищаются от кислорода, физически экранируя себя от этой напасти. Самым простым экраном может служить слой мертвых клеток — как мертвое тело погибшего товарища может защитить солдата от пули. Именно так защищаются анаэробные клетки, обитающие в строматолитах (cм. главу 3), состоящих из множества слоев мертвых клеток. Они живут так на протяжении 3,5 млрд лет.

Более сложный способ защиты состоит в секреции слизи. Все свободноживущие аэробные микроорганизмы окружают себя капсулой слизи; для них это так же нормально, как для краба — жить в панцире. Слизь имеет ряд преимуществ перед известковой оболочкой. Джеймс Лавлок не смог преодолеть этот уровень защиты бактерий, когда в начале 1950-х гг. пытался стерилизовать больничное оборудование с помощью жестких ультрафиолетовых лучей. Ему удалось уничтожить бактерии, не имеющие слизистой оболочки, но даже при очень высокой интенсивности ультрафиолетового излучения, в сотни раз превышающей нормальный атмосферный уровень, эта обработка не оказала никакого влияния на бактерии, защищенные слизью. В главе 6 мы говорили о том, что излучение повреждает клетки путем образования свободных радикалов из воды. Слизь защищает клетки от свободных радикалов и отчасти позволяет объяснить удивительную способность клеток выживать в космическом пространстве и в других средах с высоким уровнем излучения. Выжить в космосе с помощью субстанции, которую мы обычно рассматриваем не иначе, как симптом простуды! Изображение отвратительных пришельцев из фильмов ужасов, возможно, имеет под собой гораздо более явный биологический фундамент, чем предполагали их создатели. Наверное, вы не очень сильно удивитесь, когда узнаете, что слизь ограничивает распространение свободных радикалов гораздо более изобретательным способом, чем просто за счет повышения вязкости.

Бактериальная слизь — это смесь длинноцепочечных полимеров, отчасти аналогичных пластмассам, имеющих одно общее свойство: все они несут на себе отрицательный заряд. Поэтому слизь прочно связывает положительно заряженные ионы, такие как железо и магний, вытягивая их из их окружения. Это сродство настолько велико, что некоторые бактерии применяются в промышленном масштабе для извлечения тяжелых металлов из сточных вод.

Какое преимущество дает бактерии металлический жакет? Ответ может показаться неожиданным. В главе 6 мы говорили о том, что пероксид водорода и супероксидный радикал не очень активны и до вступления в реакцию могут диффундировать на некоторое расстояние. Они представляют опасность только в присутствии ионов металлов, могущих катализировать образование чрезвычайно реакционноспособных гидроксильных радикалов. Учитывая способность металлов катализировать опасные свободнорадикальные peaкции, наличие металлического жакета может показаться недостатком, а не достоинством, поскольку связано с постоянной опасностью. Однако, накапливая железо вокруг себя, бактерии удерживают свободные радикалы на определенном расстоянии, не позволяя им войти внутрь клетки. Слизь приносится в жертву, а железо превращается в биологически неактивную ржавчину. Эффект такой же, как от взрыва бомбы на безопасном расстоянии. Кроме того, такой контролируемый взрыв уничтожает захватчиков, таких как бактериофаги (вирусы бактерий), и даже клетки иммунной системы, которые пытаются поглотить бактерии. Таким образом, существует прямая корреляция между толщиной слизистой оболочки и инфицирующей способностью некоторых бактерий.

По мере накопления ионов металлов слизистая оболочка утолщается. В конечном итоге бактерии погибают под тяжестью своего инкрустированного жакета. Иногда в полосатых железных горах обнаруживают микроскопические пустоты, которые, возможно, образованы телами бесчисленного множества инкрустированных железом бактерий. Сами бактерии растворились, остались только их металлические оболочки — свидетельства массовых захоронений.

Не только микробы используют такие «примитивные» методы защиты. Эквивалентный механизм работает в организме каждого из нас. Мы тоже прячемся под слоем мертвых клеток, который называем кожей. Как ресничные, мы используем гемовые белки в качестве датчиков, чтобы поддерживать внутреннее содержание кислорода на постоянном уровне. Как сульфатредуцирующие бактерии, мы применяем серу для создания кислородного буфера (мы поговорим об этом позднее). Мы секретируем слизь для защиты носовых ходов, дыхательных путей и легких от кислорода и бактериальных инфекций. Как клетки анаэробных бактерий скрываются от кислорода в кишечнике, так и наши с вами клетки «прячутся» внутри организма, где концентрация кислорода намного ниже, чем в опасном окружающем мире.

В этом смысле мы вполне можем считать гигантизм (см. главу 5) проявлением антиоксидантной защиты. Увеличение размера тела позволяет компенсировать повышение концентрации кислорода в воздухе, особенно в организме животных с ограниченной диффузией кислорода, как у гигантской стрекозы. Увеличение размера тела приводит к снижению концентрации кислорода в конечных пользователях — митохондриях. Как мы обсуждали в главе 8, оптимальная концентрация кислорода для митохондрий не намного выше предельно высокой концентрации для сульфатредуцирующих бактерий. Если уровень кислорода во внешней среде растет, увеличение размера позволяет сдерживать этот рост внутри организма и поддерживать там концентрацию кислорода на прежнем уровне.

Сами митохондрии тоже участвуют в сохранении этого равновесия. Когда-то они были свободноживущими бактериями, нашедшими пристанище и защиту внутри более крупных клеток. Однако соглашение было двусторонним: интернализованные бактерии получили защиту, но за счет активного дыхания снизили концентрацию кислорода в хозяйской клетке. Теперь эта связь намного сложнее, но митохондрии по-прежнему уменьшают содержание кислорода в клетке. Если митохондрии работают плохо, а кровь продолжает поставлять кислород с прежней скоростью, клетки подвергаются окислению. По мере старения организма митохондрии работают все хуже и клетки окисляются все сильнее. Такое окисление часто связывают с утечкой свободных радикалов из дефектных митохондрий, но оно может быть результатом повышения концентрации кислорода в остальных отделах клетки из-за ослабления потребления кислорода митохондриями.

Дышащие кислородом организмы не могут от него прятаться. Им требуется постоянный приток кислорода, который является их главным или единственным источником энергии. Поэтому прятаться не только невозможно, но и опасно. Необходимо найти другое решение для предотвращения или ограничения опасного воздействия свободных радикалов с помощью антиоксидантных ферментов или его устранения (второй и третий способы защиты от свободных радикалов из нашего списка). Сначала я расскажу о ферментах.

Два самых важных антиоксидантных фермента — супероксиддисмутаза и каталаза. Почти все без исключения организмы, проводящие какое-то время на воздухе, имеют гены этих двух ферментов. Наличие данных ферментов практически во всех аэробных клетках подчеркивает парадокс цианобактерий. Эти бактерии были первыми фотосинтезирующими организмами, расщепляющими воду и производящими кислород. Если они эволюционировали в лишенном кислорода мире, они должны были подвергаться опасному воздействию токсичного продукта собственного метаболизма. Ошибочность этого стандартного довода мы обсуждали в главе 7. Мы видели, что, скорее всего, цианобактерии уже были защищены от кислорода супероксиддисмутазой и каталазой. Эти и другие ферменты возникли как реакция на образование активных промежуточных соединений кислорода под действием ультрафиолетового излучения в самом начале развития жизни на Земле. Мы с вами обсудили наблюдения, подтверждающие наличие таких ферментов в клетках последнего универсального общего предка.

Супероксиддисмутаза (СОД) занимает особое место в биохимии свободных радикалов. В начале 1950-х гг., когда ученые впервые выдвинули гипотезу о влиянии свободных радикалов на старение и развитие заболеваний, доказать эту гипотезу было очень сложно. Свободные радикалы очень недолговечны. На протяжении многих лет об их существовании судили только по причиненному ими вреду, что является доказательством столь же ненадежным и противоречивым, как использование гигантских отпечатков на снегу для доказательства существования снежного человека. И вот в 1968 г. Джo Маккорд и Ирвин Фридович из Университета Дьюка в Северной Каролине показали, что сине-зеленый белок гемокупреин, долгое время считавшийся инертным отложением меди, обладает каталитической активностью. Он превращает супероксидные радикалы (О₂-+) в пероксид водорода (Н₂О₂) и кислород. Несмотря на активные поиски, ученые не смогли найти никакого другого субстрата этого фермента. Скорость превращения супероксидного радикала под действием фермента совершенно невероятна. Эти радикалы неустойчивы и за несколько секунд взаимодействуют между собой с образованием пероксида водорода, но гемокупреин ускоряет эту естественную реакцию в миллиард раз. Это не могло быть случайностью[64]. Маккорд и Фридович переименовали фермент, назвав его супероксиддисмутазой (COД) в знаменитой статье, опубликованной в 1969 г. в Journal of Вiolоgiсаl Chemistry; по мнению многих ученых, это одно из важнейших открытий в биологии ХХ в., заслуживающее присуждения Нобелевской премии.

Это открытие изменило направление исследований. Если столь активный фермент, как СОД, эволюционировал специально для устранения супероксидных радикалов, значит, супероксидные радикалы играют важную роль в биологических системах. Внимательно поглядев вокруг, мы увидим, что свободные радикалы — нормальный элемент биологических систем и жизнь создала удивительно эффективные механизмы, чтобы с этими радикалами справляться. Ненужные приспособления со временем подвергаются мутациям, а этот механизм сохранился, следовательно, он был необходим с самого начала. Что произойдет, если COД по какой-то причине станет работать менее эффективно и допускать присутствие в клетках свободных радикалов? Старение? Смерть? Вариантов множество, и все они чрезвычайно неприятные.

Вскоре после открытия первого фермента были обнаружены и другие формы СОД. Вторую форму фермента выделили из бактерии Escherichia coli в 1970 г. опять-таки Маккордом и Фридовичем. На этот раз это был розовый марганецсодержащий фермент, но с такой же способностью устранять супероксидные радикалы. Удивительно, что многие эукариотические клетки имеют обе формы СОД. Спустя 30 лет, когда я пишу эту книгу, уже очевидно, что многие эукариоты синтезируют несколько типов СОД: обычно одна форма содержится в митохондриях, другая в цитозоле, а третья, секретируемая форма, выводится из клетки. Структура ферментов может в какой-то степени различаться, но в каталитическом центре всегда содержатся ионы металла: медь (и цинк в качестве структурного компонента), марганец, железо или никель.

Важную роль этих ферментов можно проиллюстрировать на примере так называемых «нокаутных» мышей, у которых отсутствует часть гена одной формы СОД. В 1996 г. Рассел Либовиц и его коллеги из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне сообщили, что мыши с врожденным дефектом митохондриальной формы СОД умирают через три недели после рождения. Такие мыши отличаются очень маленьким размером, выраженными признаками анемии, а также нарушением функции моторных нейронов, что приводит к слабости, быстрой утомляемости и, как выразился Либовиц, к «циркулирующему поведению»: мыши совершали круговые движения, поворачиваясь за собственным хвостом. При вскрытии выяснилось, что у них также имели место патологии сердечно-сосудистой системы и жировые отложения в печени. Митохондрии мышей, проживших более одной недели, были совершенно разрушены, особенно в тканях с высокой скоростью метаболизма, таких как сердечная мышца и головной мозг. «Нокаутные» мыши с другой мутацией того же гена не доживали и до пяти дней. У людей незначительные дефекты митохондриальной формы СОД связывают, среди прочего, с раком яичников и инсулинозависимым диабетом. Потеря цитозольной формы фермента не так страшна, хотя позднее тоже вызывает проблемы, такие как бесплодие, неврологические нарушения и рак.

Трудно подобрать более убедительные доказательства важнейшей роли СОД, однако изучение фермента еще раз показало необходимость согласованного действия разных антиоксидантов. СОД не ликвидирует токсичное вещество, а лишь позволяет в какой-то степени отсрочить решение проблемы. Продуктом реакции с участием СОД является пероксид водорода, который тоже опасен. Возникает вопрос, так ли это хорошо, если пероксид водорода накапливается в концентрации в миллиарды раз выше нормы. Известны ситуации, когда избыток СОД может представлять опасность. Например, у людей с синдромом Дауна имеется лишняя копия 21-й хромосомы. Мы не знаем точно, почему наличие дополнительной копии хромосомы приводит к таким серьезным последствиям, но знаем, что на этой хромосоме находится ген СОД, так что люди с синдромом Дауна синтезируют слишком много СОД. Синдром характеризуется окислительным стрессом, приводящим к неврологическим нарушениям. Возможно, люди с синдромом Дауна испытывают окислительный стресс именно по той причине, что у них слишком много этого фермента.

Однако в нормальных физиологических условиях весь образовавшийся пероксид водорода быстро удаляется каталазой, которая превращает его в кислород и воду. В главе 7 мы говорили о том, что существуют и другие ферменты, которые безопасным образом, без выделения кислорода, могут удалить пероксид водорода и органические пероксиды с помощью таких доноров электронов, как глутатион и витамин С. Список ферментов, способных расщеплять пероксиды, постоянно пополняется. Например, в 1988 г. Суе-Гоо Ре и его коллеги из Национального института сердца, легких и крови в США открыли новое семейство антиоксидантных ферментов, которые теперь называют пероксиредоксинами. В активном центре этих ферментов нет иона металла, зато есть два соседних атома серы, которые принимают электроны от маленького серосодержащего белка тиоредоксина. К середине 1990-х гг. похожие пероксиредоксины были выделены из представителей всех доменов жизни, так что и эти ферменты, по-видимому, уже были у LUCA. К настоящему времени известно не менее 200 генов родственных пероксиредоксинов и определена последовательность пяти человеческих генов.

Я упомянул о пероксиредоксинах еще и по той причине, что они позволяют найти ответ на давнишнюю загадку, касающуюся паразитов человека, таких как самый страшный возбудитель малярии Plasmodium falciparum и паразитический червь Fasciola hepatica. Когда эти паразиты попадают в организм человека, они подвергаются атаке кислородными радикалами, высвобождаемыми нейтрофилами и другими иммунными клетками. Эта атака настолько сильна, что может вызвать очень сильную воспалительную реакцию и жар, способные убить не только паразита, но и хозяина. Большинство паразитов защищаются с помощью антиоксидантных ферментов, таких как СОД, но, как ни странно, лишь у немногих есть каталаза для удаления пероксида водорода. В 1980-х гг. это казалось противоречием: действие СОД в отсутствии каталазы должно убивать паразитов, усиливая реакцию иммунной системы. Но этого не происходит. Паразиты одерживают верх. По-видимому, они имеют какой-то другой фермент, расщепляющий пероксид водорода. Поиски этого «недостающего звена» в конечном итоге привели к открытию пероксиредоксинов, которые с тех пор обнаружены у всех паразитов, не имеющих каталазы.

Понимание функции пероксиредоксинов помогает найти новые способы борьбы с паразитарными инфекциями. Например, одна из возможностей заключается в использовании в качестве вакцины фрагментов белков паразитов, которые отличаются от человеческих аналогов, что позволит иммунной системе атаковать один из ключевых бастионов антиоксидантной защиты паразитов.

Если перед клетками стоит задача обезвредить свободные радикалы, пока они не причинили непоправимого вреда, сочетание СОД и какого-либо фермента для удаления пероксида водорода является практически обязательным. Поскольку существует множество ферментов, способных расщеплять пероксид водорода, недостаточность каталазы переносится легче, чем недостаточность СОД. Более того, как мы видели, пероксид водорода опасен только в присутствии железа или меди, которые могут катализировать образование гидроксильных радикалов. В норме эти металлы удерживаются белками — ферритином и церулоплазмином. Микробиолог и эволюционист Томас Билински из Университета Люблина (Польша) считает, что удаление ионов металлов, возможно, является самым лучшим способом предотвращения образования гидроксильных радикалов. Но даже несмотря на все меры предосторожности, некоторое количество гидроксильных радикалов все же образуется. В главе 6 я отмечал, что скорость выведения окисленных фрагментов ДНК с мочой позволяет предположить, что ДНК ежедневно подвергается многочисленным «атакам» свободных радикалов. Даже с учетом экспериментальной ошибки следует признать, что ферментативная защита не является совершенной. Этот вывод подтверждается нашей зависимостью от таких пищевых антиоксидантов, как витамины Е и С. Технически их можно отнести к антиоксидантам, прерывающим цепные реакции, поскольку они гасят свободнорадикальные цепные реакции, уже начатые гидроксильными радикалами. Это третий механизм защиты из нашего списка.

Большинство антиоксидантов, прерывающих цепные реакции, действуют по тому же принципу, что и витамин С, — путем передачи электронов. Многие наиболее известные антиоксиданты, включая каротиноиды, флавоноиды, фенолы и танины, человек получает в составе растительной пищи. Сложно оценить участие каждой группы в поддержании антиоксидантного равновесия в организме, однако именно с этими веществами обычно связывают пользу овощей и фруктов. Но не все антиоксиданты данной группы мы получаем с пищей. Мочевая кислота, билирубин (пигмент желчи и продукт распада гема) и липоевая кислота являются продуктами нашего собственного метаболизма. Это не менее мощные антиоксиданты, чем витамины С и Е. Некоторые состояния, которые мы обычно рассматриваем в качестве патологических, например желтуха новорожденных, могут объясняться физиологической адаптацией. В частности, билирубин, накапливающийся в коже при желтухе, защищает младенца от окислительного стресса. Ребенок выходит из замкнутого и безопасного пространства матки в богатый кислородом внешний мир, но у него еще нет защиты, которую предоставляют пищевые антиоксиданты, поэтому ему нужен билирубин. Уродливый цвет синяка тоже связан с выделением билирубина, защищающего поврежденную ткань от окислительного стресса, поскольку антиоксиданты из крови могут не справиться с этой задачей.