Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

12. Как возникают болезни

Какими бы умными и надежными ни были наши клетки, порой и в их действиях, как видно из предыдущей главы, случаются сбои. Клетки ведут относительно стабильную жизнь и адаптируются к небольшим естественным изменениям в окружающей их среде, однако они подвержены разного рода воздействиям. Причины многих болезней коренятся в том, что клетки повреждаются и начинают вести себя ненормально.

Мы уже рассматривали последствия воздействия на клетки инфекций в виде бактерий и вирусов и разбирали механизм возникновения рака. Сейчас же мы обратимся к другим заболеваниям, возникающим вследствие разнообразных ошибок и сбоев в деятельности клеток. Многие из таких сбоев происходят из-за генных мутаций. Они могут приводить к возникновению различных заболеваний, от фиброза до дистрофии мышц. Однако при этом обычная последовательность «мутации — болезнь» ясно прослеживается далеко не всегда.

Ошибки, совершенные лишь одним-двумя членами большого коллектива, способны оказать отрицательное влияние на его деятельность в целом. Так, функционирование человеческого организма может быть нарушено из-за сбоев в доставке крови по кровеносным сосудам. Ведь именно кровь доставляет в клетки питательные вещества и кислород, в которых они постоянно нуждаются. Даже кратковременное приостановление снабжения может иметь для клеток печальные последствия.

Уменьшение уровня кровоснабжения вызывает анемию, приводит к чувству усталости. Люди с ярко выраженной степенью анемии испытывают трудности с дыханием. Слабое кровоснабжение — вследствие нехватки кислорода — ведет к уменьшению выработки АТФ митохондриями. Если это происходит в сердечной мышце, то клетки не могут из-за этого правильно сокращаться, и это влияет на работу сердца. Тяжелая анемия увеличивает нагрузку на сердце, следствием чего становится сильное сердцебиение, а в отдельных, сложных случаях даже может произойти остановка сердца.

Нехватка АТФ также ведет к тому, что система вывода натрия из клетки через ее оболочку работает на пониженном уровне. При этом ионы натрия и молекулы воды продолжают поступать в клетку, и это заставляет ее разбухать, что вызывает дезорганизацию других функций клетки, и прежде всего синтез белков. Правда, эти изменения обратимы — при условии, что в клетку вскоре вновь начнет поступать кислород, а митохондриям и клеточной оболочке за время «голодания» не был нанесен слишком большой ущерб.

К резкому снижению уровня снабжения клеток кислородом ведут нарушения в работе красных кровяных телец, и особенно негативные изменения в молекулах гемоглобина. Уже упоминалось такое заболевание, как серповидная анемия, при которой красные кровяные тельца теряют гибкость и с трудом проходят сквозь мелкие капилляры. Причина этих изменений кроется в мутации гена, ответственного за синтез гемоглобина, что ведет к изменению строения и структуры одной аминокислоты в составе гемоглобиновой молекулы. Из-за этого вся молекула приобретает совсем иную структуру, которая деформирует красные кровяные тельца. Это — один из наиболее очевидных примеров того, как мутация может оказать сильнейшее воздействие на организм, поскольку в данном случае речь идет о непосредственном и прямом влиянии мутации, а не о сложной и длительной цепочке взаимодействия между мутациями и вызываемыми ими явлениями.

Проблемы, связанные с мутациями, могут возникнуть и в системе циркуляции крови — точно так же, как они возникают в системе насосов и труб в водопроводной системе. Если система циркуляции крови в организме, включающая сердце, которое перекачивает кровь, и многочисленные кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры, дает сбой, то это может привести к серьезному ущербу — от сердечных приступов до инсультов. Впрочем, в организме действуют специальные механизмы, направленные на восстановление поврежденных сосудов.

Свертывание крови — один таких механизмов. Он жизненно необходим, когда нужно остановить кровотечение из поврежденного сосуда, однако крайне важно, чтобы свертывание не происходило в нормальных обстоятельствах. Тогда может произойти закупорка кровеносного сосуда — и вслед за этим катастрофические последствия.

Свертывание крови в поврежденном сосуде происходит благодаря тромбоцитам, которые скапливаются в поврежденной области. Они выделяют химические вещества, которые вместе с ними самими образуют своего рода «пробку», закрывающую поврежденное место и тем самым останавливающую кровотечение. Тромбоциты — это небольшие фрагменты клеток дискообразной формы, вырабатываемые в костном мозге. Их единственная функция — предотвращать потерю крови. Оказавшись на месте повреждения, они меняют форму и превращаются из дисков в сферы, которые выбрасывают длинные тонкие нити.

Но те же самые спасительные тромбоциты в иной ситуации становятся причиной инсультов — если повреждается важный кровеносный сосуд, идущий в мозг. Сгусток, созданный ими на месте повреждения, превращается в тромб, вслед за чем следует повреждение нервных клеток. Тот же эффект вызывает тромб, образовавшийся в артерии и принесенный в мозг кровотоком. Впрочем, чаще всего тромбы образуются в венах, особенно в ножных венах тех людей, которые в течение долгого времени находятся в неподвижном состоянии.

Тромбы опасны еще и тем, что могут срываться с места и двигаться в потоке крови, достигая и блокируя новые участки системы кровообращения. Так, тромб, образовавшийся в вене, способен попасть в правое предсердие или в легкие. Тромб достаточно крупного размера, атаковавший крупную легочную артерию, может привести к резкому падению кровяного давления — и к немедленной смерти. Меньшие по размерам тромбы просто повредят легкие.

Внутренняя оболочка наших сосудов постепенно зарастает фиброзно-жировыми бляшками, что сужает их стенки и повышает вероятность развития атеросклероза. Такие бляшки в основном появляются в артериях. Считается, что они являются хронической воспалительной реакцией на повреждения внутренних стенок сосуда, но точно причина атеросклероза до сих пор не установлена.

Напряженно работающая сердечная мышца очень сильно зависит от хорошего кровоснабжения — ей необходимо постоянно получать кислород и питательные вещества. Сужение же кровеносных сосудов, идущих к сердцу, приводит к перебоям в ее работе и, как следствие, к смерти человека.

Остеопороз, заболевание костей, также может быть вызван уменьшением кровоснабжения, что приводит к активизации клеток остеокластов. В обычной ситуации функция остеокластов заключается в том, чтобы модифицировать кость по мере развития эмбриона и последующего роста человека. Но если ухудшается снабжение кости кислородом, остеокласты приступают к замене «плохо работающих» костных клеток, что делает кость более хрупкой и подверженной переломам.

Мутации генов являются основной причиной многих заболеваний, от дистрофии мышц до депрессии, поскольку приводят к изменениям или недопоставкам необходимых белков либо к присутствию белков в тех клетках, где они не нужны. К сожалению, в большинстве случаев при анализе заболеваний, вызванных генными факторами, очень сложно понять, как именно те гены, которые подверглись мутациям, вызвали в клетках изменения, которые привели к болезни. Существует вероятность почти в семьдесят процентов, что по крайней мере однажды в жизни у человека произойдет расстройство здоровья, вызванное воздействием дефективного гена, — речь идет в первую очередь о заболеваниях сердечно-сосудистой системы или раке. Около пятидесяти процентов самопроизвольных выкидышей происходят из-за генетических расстройств, а у одного процента новорожденных детей имеются генетические отклонения. Замена всего лишь одного нуклеинового основания на другое из общего числа в миллионы оснований, входящих в состав нашей ДНК, может привести к изменению формулы синтезируемого клеткой белка и, возможно, к появлению какой-то аномалии. Однако при том уровне знаний, каким мы сейчас располагаем, исследование последовательности ДНК какого-то конкретного человека не дает понимания того, какие генетически обусловленные заболевания могут ему грозить.

При 30 тысячах различных генов в человеческом организме синтезируется не менее 100 тысяч различных белков. В каждом из них может произойти сбой, влекущий за собой изменение функций этого белка. При наиболее распространенной форме изменения ДНК меняется всего лишь один нуклеотид из многих миллионов, содержащихся в различных секторах этого основного элемента хромосом. Можно сказать, что в ДНК каждого из нас имеются ошибки, которые, надо надеяться, не приведут к явным негативным последствиям в виде производства ненужных белков или дефицита белков, нам необходимых.

Причинно-следственная связь между аномалиями белков и конкретной болезнью может быть весьма сложной и запутанной; обычно она весьма трудна для понимания. Еще более серьезной проблемой является то, что в возникновении большинства заболеваний повинен не один, а сразу несколько генов, порой — очень большое число генов, и в этой связи почти невозможно отследить, как именно сочетание мутировавших генов приводит к заболеванию. Тем не менее последние исследования выявили 24 генетических фактора риска возникновения таких распространенных заболеваний, как диабет, биполярное расстройство, кишечное воспаление и артрит. Эти данные получены в результате обследования 17 тысяч людей.

Есть и другие примеры генетически обусловленных заболеваний, которые наглядно демонстрируют, как изменения в генах могут повлиять на нашу жизнь. Дистрофия мышц — это наследственное заболевание, связанное с заменой мышечных волокон жировыми клетками. Возникает оно, когда поврежденный ген перестает кодировать белок, который находится вблизи оболочки мышечных клеток; впрочем, пока не ясно, почему это приводит к столь тяжелым последствиям.

Пузырьковый фиброз — это заболевание, связанное с дисфункцией клеточных оболочек. Ее вызывает мутация гена, кодирующего белок, входящий в состав клеточной оболочки и контролирующий канал, через который соли натрия пропускаются в клетку и выходят из нее. Вредоносное воздействие гена, пережившего мутацию, особенно ощутимо в поджелудочной железе и в легких. Необходимый белок синтезируется, однако ген препятствует его движению, в результате чего белок так и не попадает в клеточные оболочки. Это ведет к нарушению функций поджелудочной железы и легких.

Мутация рецептора мужского гормона тестостерона делает клетки мужчины нечувствительными к тестостерону и приводит к тому, что мужчина с хромосомами XY приобретает внешние признаки женщины. При этом у такого мужчины все равно будут развиваться яички. Синдром Кляйнфельтера, являющийся причиной мужской импотенции, обусловлен тем, что у мужчины появляется лишняя хромосома X. Синдром Тернера — отсутствие у женщины внешних женских признаков — связан с наличием лишь одной хромосомы X вместо положенных двух.

Психические заболевания — не все, но многие — также могут быть вызваны генными сбоями. Это доказывается тем, что однояйцовые близнецы, имеющие одни и те же гены, с вероятностью по крайней мере 50 процентов страдают одинаковыми душевными недомоганиями. В случае же с биполярными депрессиями вероятность возрастает до 75 процентов. Шизофрения также имеет генетическую природу; считается, что в мире ею болен 1 процент населения. Но точно определить гены, которые являются непосредственными виновниками психических заболеваний, крайне трудно. Правда, ученым удалось идентифицировать один из многих генов, связанных с возникновением депрессии, — он блокирует поступление в организм серотонина, что, как полагают, и есть одна из причин депрессии. Однако до полного прояснения ситуации еще очень далеко.

Большинство генных мутаций влияют на организм из-за того, что белки, кодируемые генами-мутантами, утрачивают свои функции. Однако некоторые мутации воздействуют на организм и в силу того, что кодируемые белки приобретают новые — нежелательные — функции. В качестве примера можно привести болезнь Хантингтона — дегенеративное расстройство нервной системы, которое приводит к совершению неконтролируемых движений, утрате интеллектуальных способностей и эмоциональному возбуждению. При болезни Хантингтона белок, кодируемый мутировавшим геном, убивает нервные клетки в определенных частях мозга, следствием чего становится гибель нервов, которые регулируют движения. Болезнь Хантингтона обнаруживается во взрослом возрасте (в то время как остальные генетически обусловленные болезни обычно проявляются в детстве), и поэтому те, кто болен ею, часто успевают произвести на свет детей. Мутация гена, обуславливающая болезнь Хантингтона, передается как через мужские, так и через женские хромосомы, и поэтому существует очень большая вероятность, что ребенок обязательно унаследует заболевание от больного родителя.

С утратой нервных клеток головного мозга связана и болезнь Паркинсона, для которой характерны дрожание рук, ног, головы, замедленность движений. Ученые полагают, что и здесь имеется генная подоплека. Но причина болезни Паркинсона не в наследственности, а в исчезновении ряда определенных микроРНК. Кстати, на значительную роль микроРНК как для роста и развития организма, так и для развития ряда заболеваний указывает все больше данных. Возможно, что микроРНК, а точнее, нарушение их функций «виновато» в болезни Альцгеймера.

Лет тридцать назад существовали весьма оптимистические ожидания по поводу возможностей применения генной терапии для лечения ряда заболеваний. Одним из первых кандидатов был пузырьковый фиброз. Суть метода в введении «правильных» генов в клетки больного. Однако выяснилось, что ввести нормальный ген в те клетки, где он отсутствует, крайне сложно, а добиться того, чтобы он стал функционировать, — еще сложнее. Правда, в последнее время в области генной терапии достигнуто обнадеживающее достижение: ученые смогли ввести ген в клетки глазной сетчатки людей, страдающих от генетического сбоя, который приводил к слепоте. И это привело к улучшению их зрения!

После того как мы рассмотрели многие заболевания с точки зрения ненормального поведения клеток, необходимо упомянуть и о взглядах тех, кто исповедует совершенно иной подход к проблеме возникновения болезней. Речь об адептах альтернативной медицины, которые выдвигают самые разные теории, и эти теории, на мой взгляд, совершенно бессмысленны в свете того, что мы знаем о клетках.

Лично я с превеликим удовольствием вступил бы в Общество защиты научных терминов. Тяга к вступлению стала особенно сильной после того, как я попробовал технику шиацу, которая похожа на акупунктуру, но без иголок, что особенно приятно. А если серьезно, то идея о том, что постукивание и массирование отдельных частей тела способны обнаружить специфическую энергию, настолько иррациональна, что может привести в бешенство кого угодно. В результате сеанса шиацу я узнал, что у меня очень низкая почечная энергия.

Наука стремится использовать слова осмотрительно и так, чтобы каждому понятию давалось самое строгое определение. Люди же, не имеющие к науке отношения, используют термины совершенно произвольно — так они придают своим утверждениям мнимый вес. И с особенной очевидностью абсурдность ситуации проявляется при использовании понятия «энергия». Так, «аюрведическая медицина» утверждает, что в нашем теле существуют каналы, по которым переносится энергия. Центральным понятием акупунктуры являются каналы энергии «ци». Лечение при помощи кристаллов основано на передаче энергии. При этом нет никаких указаний на то, каким образом эта «энергия» вырабатывается и в чем ее природа.

Позитивные результаты, которые порой достигаются благодаря применению «альтернативной» медицины, следует, скорее всего, отнести на счет эффекта плацебо. И уж совершенно ясно, что все это не имеет никакого отношения к фундаментальному понятию энергии, используемому в науке. Энергия, как это было признано еще Галилеем, есть способность совершать работу. Поднятие груза при помощи блока требует приложения силы на расстоянии. Производное силы и расстояния есть работа, являющаяся эквивалентом энергии. Единицей измерения энергии является джоуль, который определяется как сила в один ньютон, прилагаемая на расстоянии один метр. Вся энергия ассоциируется с движением — поднятый вверх вес, например, обладает потенциальной энергией для того, чтобы опуститься вниз, и тогда его энергия конвертируется в кинетическую. В движении молекул присутствует химическая энергия, а в тепле — тепловая. Энергия никогда не теряется, она лишь переходит в иную форму энергии. Основным источником энергии в нашем мире является солнечная радиация, образующаяся в результате термоядерных реакций.

Клетки используют энергию для того, чтобы сохранять свою сложную структуру, чтобы расти, размножаться и двигаться, и теперь мы знаем, что эта энергия берется из АТФ. АТФ обеспечивают клетку энергией, когда один из трех входящих в состав этой молекулы фосфатов удаляется. Без АТФ не функционировали бы печень, почки и мозг — одним словом, все наши органы. Не имеется никаких доказательств наличия такой химической или биологической сущности, как энергия «ци» или «почечная энергия».

Подобное злоупотребление научным понятием дело не безобидное, ибо оно придает фальшивую достоверность объяснениям, которые предлагаются широкой публике с целью обосновать лженаучные методы. Я вовсе не утверждаю здесь, что все виды альтернативной медицины неспособны помочь больным или что их воздействие целиком и полностью объясняется эффектом плацебо, — я лишь говорю, что заявлять, будто в основе лечебного эффекта лежит какая-то «энергия», означает совершенно сбивать людей с толка.