Воспалительный процесс, кишечник и могучие митохондрии
Обсуждение темы воспалительного процесса будет неполным, если не коснуться таких клеточных структур, как митохондрии, и их функций. Эти крошечные органеллы присутствуют во всех клетках, кроме эритроцитов (красных кровяных телец). Они генерируют химическую энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ). У них имеется собственная ДНК, и, согласно современным теориям, они произошли от бактерий. Изначально это были свободно живущие бактерии, которые в конце концов «поселились» в клетках человеческого организма и начали приносить ему пользу, генерируя энергию. Как и ДНК бактерий, ДНК митохондрий организована в форме круга, что отличается от структуры генетического материала, находящегося в ядре клетки.
Сегодня известно, что функции этих внутриклеточных органелл гораздо шире, чем просто производство энергии. Митохондрии в значительной степени контролируют ДНК ядра. Учитывая бактериальное происхождение и уникальную ДНК митохондрий, их следует рассматривать в качестве части микрофлоры организма человека. Здоровье митохондрий определяет здоровье организма. Сегодня мы знаем, например, что они играют ключевую роль в прогрессирующих заболеваниях, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона и даже рак.
Впервые митохондрии были обнаружены ученым Рихардом Альтманом, он называл их биобластами. Термин «митохондрии» предложен немецким врачом Карлом Бенда в 1897 году. Эти внутриклеточные структуры имеют вид крошечных нитеобразных гранул. Отсюда и их название: от греческого mitos, означающего «нить», и chondrin, означающего «зерно». (Кстати, в то время как ядро клетки содержит две копии ДНК, количество копий ДНК в митохондриях может варьировать от пяти до десяти.)
Однако полностью объяснить роль митохондрий в качестве энергетических станций клеток удалось только в 1949 году двум американским ученым — Юджину Кеннеди и Альберту Ленинджеру. По сути, эти клеточные структуры способны использовать углеводное топливо и преобразовывать его в энергию, поддерживающую большинство клеточных функций. Энергия, производимая в ходе этой реакции, называется окислительным метаболизмом, поскольку в результате происходит сгорание кислорода.
Однако митохондриальное дыхание отличается от процесса горения тем, что во втором случае происходит выделение энергии в результате неконтролируемой реакции, а в первом случае энергия запасается в форме уникальной молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Наполненная энергией молекула АТФ впоследствии может быть доставлена в любую область клетки и при необходимости способна освобождать энергию в присутствии особых ферментов. Отдельные клетки мозга, скелетных мышц, сердца, почек и печени могут содержать тысячи митохондрий каждая, так что в некоторых клетках до 40 % клеточного материала может состоять из митохондрий. Согласно профессору Энцо Низоли из Миланского университета, у каждого человека имеется более 10 миллионов миллиардов митохондрий, составляющих полные 10 % массы его тела{92}.
Здесь важно понять основной факт: использование кислорода в процессе производства энергии обеспечивает высокий уровень эффективности. В то время как клетки способны использовать другие химические механизмы производства АТФ в отсутствие кислорода, эффективность этого процесса — анаэробного метаболизма — составляет всего лишь 1/18 от степени эффективности окислительного метаболизма. При этом у использования кислорода есть своя цена.
Важный побочный продукт работы, производимой митохондриями, — выделение так называемых активных форм кислорода, более известных как «свободные радикалы». (В строго научном смысле термин «свободные радикалы» относится не только к активным формам кислорода, но также к похожей активной семье радикалов — реактивным формам азота. Для упрощения в этой книге термин «свободные радикалы» относится к активным формам кислорода, как уже закрепилось в качестве нормы в научно-популярных публикациях.)
Сегодня термин «свободные радикалы» знаком практически каждому, поскольку он активно упоминается в непрофессиональной литературе — от женских журналов до рекламы антивозрастных средств по уходу за кожей. Хотя нередко их представляют в неблаговидном свете из-за отрицательного эффекта, который они оказывают на организм, в целом ряде случаев свободные радикалы играют позитивную роль в физиологии человека. Они принимают участие в регулировании апоптоза — процесса «запрограммированной» гибели клеток. На первый взгляд может показаться странным, что гибель клеток считается благоприятным событием, но на самом деле апоптоз — критически важная и необходимая клеточная функция. Введение термина «апоптоз» в медицинский лексикон приписывается Гиппократу. Изначально этот термин употреблялся в значении «сбрасывание листьев». Но только после публикации в 1972 году в British Journal of Cancer статьи Аластейра Кюрри он активно вошел в употребление в научном сообществе, и с тех пор ученые начали использовать его для описания процесса, в результате которого клетки целенаправленно уничтожают сами себя.
Без апоптоза, например, у человека не было бы отдельных пальцев, так как именно в результате этого процесса пальцы человека формируются в ходе эмбрионального развития на основе зачатка конечности, который изначально напоминает по форме варежку. Процесс апоптоза критически важен, поскольку позволяет организму самостоятельно избавляться от спонтанно появляющихся многочисленных раковых клеток. Ежедневно десять миллиардов клеток отмирают, уступая место новым, здоровым. Свободные радикалы, созданные митохондриями во время производства энергии, играют в этом процессе ключевую роль.
Как и у многого другого в жизни, у процесса апоптоза есть своя темная сторона. В то время как во многих ситуациях активация разрушающих генов клетки — положительный момент, при нарушении митохондриальных функций клеточному «самоубийству» могут подвергнуться нормальные, здоровые клетки. Фактически это базовый механизм, ведущий к разрушению нейронов при нейродегенеративных состояниях, таких как болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз, болезни Паркинсона и Луи Герига. Тем не менее апоптоз клеток головного мозга не ограничивается только этими процессами болезней. Он происходит в организме каждого из нас на протяжении всей жизни и отвечает за общее снижение когнитивных функций мозга по мере старения.
Вплоть до недавнего времени ученые придерживались концепции, что все клеточные функции, в том числе апоптоз, подчиняются клеточному ядру. Однако, как отметил в своей увлекательной книге Power, Sex, and Suicide[14] британский биохимик Ник Лейн, «сегодня произошла смена акцентов, граничащая с революцией и практически опровергающая предыдущую концепцию. Ранее считалось, что операционным центром клетки является ядро, контролирующее судьбу клетки. Разумеется, во многих отношениях так оно и есть, но только не тогда, когда речь заходит об апоптозе. Примечательно, что клетки, в которых отсутствует ядро, по-прежнему способны к апоптозу. Открытием, изменившим предыдущие представления, стало то, что судьбой клетки распоряжаются митохондрии: они определяют, должна ли клетка жить или умереть»{93}.
Таким образом, митохондрии — нечто гораздо большее, чем простые органеллы, превращающие топливо в энергию. Они держат дамоклов меч. Стоит ли удивляться, что они легко подвергаются разрушению в результате воспалительного процесса, особенно того вида, который возникает из-за дисбаланса в сообществе кишечных бактерий. В конце концов, учитывая сложные схемы взаимодействия между элементами микрофлоры кишечника и иммунной системой, можно сказать, что кишечник — источник воспалительного процесса. Поэтому воспалительные процессы, которые регулируются кишечными бактериями, и приводят к тому, что воспалительные молекулы передвигаются с током крови и, попадая в клетки и ткани, оказывают разрушающее воздействие на митохондрии.
Более того, побочные продукты жизнедеятельности сообщества кишечных бактерий, находящегося в дисбалансе, также способны наносить прямой вред митохондриям и, в свою очередь, еще усиливать воспалительный процесс. В настоящее время активно ведутся научные работы, исследующие взаимосвязь между микрофлорой организма и митохондриальными заболеваниями, особенно имеющими наследственный характер. К митохондриальным заболеваниям относится группа неврологических, мышечных и метаболических расстройств, вызываемых митохондриальной дисфункцией. Такие разные заболевания, как диабет, аутизм и болезнь Альцгеймера, связаны с нарушением функций митохондрий. В главе 5 мы рассмотрим, как митохондриальная дисфункция у детей, страдающих аутизмом, объясняет это состояние, а также расскажем о роли, которую кишечные бактерии, возможно, играют в развитии заболеваний мозга.
Теперь, осознавая значимость митохондрий, нельзя не оценить тот факт, что в нашем организме постоянно растут новые митохондрии. И что, возможно, еще более важно: человек сам может внести в свой образ жизни изменения, которые будут способствовать процессу митохондриального биогенеза, и таким образом усилить важную часть микрофлоры организма. К числу факторов, стимулирующих этот процесс, относятся рацион питания, обеспечивающий получение энергии и калорий преимущественно из жиров, а не из углеводов (это центральная тема моей предыдущей книги «Еда и мозг»), а кроме того, сокращение потребления калорий и выполнение аэробных упражнений. Далее в этой книге я подробно остановлюсь на том, что можно сделать для усиления функций митохондрий и затем всей микрофлоры организма.
Митохондриальная ДНК обладает еще одним свойством, которое, на мой взгляд, имеет чрезвычайно большое значение. Все митохондриальные ДНК передаются исключительно по женской линии. В ходе репродуктивного процесса, когда ДНК ядра сперматозоида соединяется с ДНК ядра яйцеклетки, мужские митохондрии из этого процесса исключены. Задумайтесь над этим. Митохондрии — источник энергии, обеспечивающей нашу жизнедеятельность, — воплощение чисто женского генетического кода. Этот факт заставил ученых задуматься о поиске «митохондриальной Евы» — первой женщины, от которой все человечество получило хотя бы часть митохондриальной ДНК. Считается, что «митохондриальная Ева» жила примерно 170 тысяч лет назад в Восточной Африке в тот период, когда Homo sapiens начал развиваться как вид, отдельный от других человекоподобных обезьян. Если принять во внимание тот факт, что бактерии были первоначальными обитателями нашей планеты, неудивительно, что к тому моменту, когда появились человеческие существа, многоклеточные организмы уже давно научились устанавливать симбиотические отношения со многими бактериями, отдельные из которых в конце концов поселились в клетках человека, образовав «третье измерение» нашего генетического отпечатка.
