«Тайные пути» биомолекул

Мы идем по длинному коридору Тихоокеанского института биоорганической химии ДВО РАН. «Что такое биотехнологии?» – спрашиваю Александра Алексеевича АРТЮКОВА, кандидата химических наук, заведующего лабораторией биотехнологии. 

– Сам термин "биотехнологии" можно понимать как ограничивающий круг технологий теми, в которых используются биологическое сырье, либо теми, которые наблюдаются в биологических объектах. 

– Было бы очень интересно разобраться, как в человеческом организме обеспечивается выработка энергии для поддержания биохимических процессов. Как на клеточном, молекулярном уровне происходит заболевание или, напротив, излечение? Расскажите об этом, по возможности, просто, понятно для неспециалиста. Но сначала о том, почему нельзя расправиться с дефицитом нужных веществ, просто плотно пообедав…

– Питание людей за последние 150-200 лет претерпело значительные изменения. Увеличилось употребление рафинированных продуктов, лишенных многих витаминов, пищевых волокон и других крайне необходимых пищевых компонентов. Изменился состав и соотношение употребляемых в пищу компонентов, участвующих в обеспечении организма пластическими и регуляторными соединениями. Сейчас мы потребляем очень мало молочнокислых бактерий. В сравнении с современным, раньше пищевой рацион содержал небольшое количество белков, в два раза больше различных минеральных солей, в четыре-десять раз – пищевых волокон, в десять раз – природных антиоксидантов. 

Питание большинства наших соотечественников не соответствует физиологическим потребностям человека, вследствие чего возрастает общая заболеваемость, снижается работоспособность, сокращается продолжительность жизни. К примеру, в организме человека есть восемь незаменимых аминокислот, которые человек может получить только с пищей. Если в обычной пище их не достаточно, то альтернативы биологически активным добавкам (БАД) включающим в себя нужные вещества, просто нет.

Сбалансировать питание по основным компонентам: белкам, жирам и углеводам сравнительно просто. Сложнее выправить недостаток микронутриентов (витамины, макро- и микроэлементы), которые необходимы для протекания многочисленных биохимических реакций в организме. Микронутриенты являются физиологически активными соединениями, которые способны взаимодействовать с другими веществами, а также друг с другом. Эти взаимодействия могут привести как к повышению, так и к снижению эффекта от приема витаминно-минеральных комплексов направленного на ликвидацию в организме человека дефицита веществ, не устранимого с помощью повседневного питания. Понимая сущность биохимических процессов, происходящих в организме, показатели в норме и в патологии, можно целенаправленно влиять на состояние организма с помощью БАД. Распространенный метод «научного тыка», предполагающий попробовать все, что есть в аптеке, не годится.

Альбом: Биологи, биотехнологи

– Если я правильно понял, то пищу для человека нельзя рассматривать аналогично топливу для паровоза?

– Если хотите рассматривать пищу как источник энергии, то уместнее сравнение с топливом для ракетного двигателя – не все, что горит можно помещать в его камеру сгорания. В организме человека энергия, необходимая для функционирования биохимических процессов, получается в результате ферментативного превращения жирных кислот в митохондриях клеток, а также за счет превращения молекул глюкозы и, как ни парадоксально, соединений, называемых кетоновые тела. Только из этих энергетических субстратов митохондрии при работе дыхательной цепи производят аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Подавляющая часть АТФ вырабатывается в результате «сжигания» свободных жирных кислот, поставляемых в кровь из триглицеридов адипоцитов (жировая ткань). В случае недостатка кислорода (ишемия или гипоксия), к примеру, из-за закупорки сосудов, получаются недоокисленные жиры, действующие как токсины, поэтому организму приходится включать резервный процесс, основанный на ферментативных превращениях глюкозы, поскольку он требует вдвое меньшее количество кислорода. В организме есть метаболические корректоры, которые в случае недостатка кислорода, во избежание инфаркта или инсульта, переключают процесс на получение АТФ не только из свободных жирных кислот, но и из глюкозы или кетоновых тел.

– Известно, что организм человека состоит из множества клеток, которые живут по определенным законам и участвуют в различных процессах. Снаружи и внутри клетки протекают разнообразные биохимические реакции. Как будто перед нами сложнейшее производство. Можно ли научиться управлять им?

– Эти процессы, безусловно, регулируются. То есть, можно сказать, что они определенным образом запрограммированы. Где хранятся эти программы в основном ясно, а вот кем они заложены… Будем считать – эволюцией.

Каждую клетку можно рассматривать как отдельное специализированное производство. Ядро клетки, содержащее всю необходимую клетке информацию, – подобно центру управления. За энергетическое обеспечение клеток отвечают митохондрии, в которых сгорает практически весь потребляемый клеткой кислород. Биосинтез белков в клетках осуществляется в рибосомах. Об остальных органеллах говорить не буду за исключением пероксисом. Пероксисома – обязательная органелла клетки, содержащая большое количество ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. Среди ее функций: окисление жирных кислот, разрушение токсичных веществ, утилизация избытка перекиси водорода каталазы, синтез соединений с участием пероксида водорода, синтез плазмологенов – основного липидного материала, ремонтирующего поврежденные плазматические мембраны (сохраняющие целостность клетки) и так далее. Наряду с митохондриями, пероксисомы гепатоцитов (клеток печени) являются производителями значительных количеств ацетил-коэнзима А – главного строительного материала любой клетки. Следует отметить, что кетоновые тела образуются гепатоцитами печени за счет конденсации  двух молекул ацетил-коэнзима А, то есть пероксисомы синтезируют энергетические субстраты организма человека. 

Вещества, которые способны вызвать адаптивное приспособление клетки на различные стрессорные воздействия – это адаптогены. Ответ клетки проявляется, прежде всего, в увеличении количества пероксисом. Подобно каретам скорой помощи, они появляются там, где требуется их присутствие, будь то повреждение мембраны свободными или кислородными радикалами или обезвреживание ядовитых веществ, попадающих в кровоток. Например, при употреблении человеком спиртных напитков, содержащийся в них этанол утилизируется пероксисомами печени, количество которых может достигать 25% объема цитозоля гепатоцита. Так, наркомовские 100 грамм водки во время Великой Отечественной войны спасли миллионы людей от губительного воздействия окислительного повседневного стресса и адаптивно геронтологически закалили организмы для долгой последующей жизни. 

Альбом: Биологи, биотехнологи

– А чем нам вызвать эту скорую помощь для лечения клеток?

– Например, с помощью активаторов (агонистов) выработки пероксисом. Можно сказать, что они способны вызвать включение санитарных функций. Таких, например, как окисление лишнего холестерина, устранение повреждений плазматических мембран, которые могут приводить к гибели клетки. Перед клетками с поврежденными мембранами обязательно встают следующие задачи выживания: восстановление целостности мембран изнутри (плазмологены пероксисом замещают поврежденные фосфолипиды мембран); если ремонт невозможен, то – запустить апоптоз (программируемая саморазборка клетки); некроз – необратимая гибель клетки с непредсказуемыми для организма последствиями (зона воспаления).

Биологически активные добавки, содержащие природные агонисты рецепторов, адаптогенно влияющих на количество пероксисом в клетках, способны избирательно подготавливать организм к воздействию любых неблагоприятных для человека воздействий в его повседневной жизнедеятельности. 

– Получается подобие борьбы за живучесть на подводной лодке?

– В некотором смысле, да. «Рембригада» выявит повреждение клеточной мембраны и устранит разрушения.

С помощью биологически активных веществ мы пытаемся включать регуляторы нужных процессов и при необходимости доставлять в клетку нужный материал. Например, давая человеку перрорально эхинохром А (пигмент морских ежей) в составе БАД, мы резко уменьшаем уровень содержания в крови кортизола – гормона стресса, блокируем воспалительный процесс в организме. Воспаление в организме, например, может свидетельствовать о мутациях, предшествующих развитию онкологических заболеваний. Эхинохром А приводит к образованию в клетке эндогенного пероксида водорода, стимулирующего рецепторы клетки, вызывающие рост числа пероксисом. Клетка начинает готовиться к «тяжелым временам» окислительного стресса. Перекись, ко всему прочему, вызывает расширение сосудов. Эхинохром А влияет на электронный транспорт и на количество АТФ, образующейся в клетках, особенно в условиях ишемии и гипоксии. Он – метаболический корректор многих биохимических процессов, изменения которых связаны с заболеваниями метаболического синдрома. Вот так работает этот отличный препарат. Закономерности, выявленные при исследовании биологически активных веществ, могут быть полезны при создании новых лекарственных средств и методик лечения. Важно разобраться в механизме управления биохимическими процессами в клетке. Современная аналитическая аппаратура, методы анализа позволяют узнать много новой информации, совершенно недоступной еще десяток лет тому назад. В итоге появляются препараты с просто замечательными свойствами. Таков, например, противоопухолевый антибиотик рапамицин.

Альбом: Биологи, биотехнологи

– И чем он так хорош?

– Название рапамицин происходит от туземного названия острова Пасхи – «Рапа-Нуи». Он является продуктом бактерий из почвы этого острова. Первоначально рапамицин заинтересовал врачей благодаря своим противогрибковым свойствам, затем было обнаружено, что лекарство значительно подавляет работу иммунной системы. Это важно для снижения отторжения тканей при операциях по пересадке органов, но может сделать организм человека более восприимчивым к инфекционным заболеваниям. В ходе исследований выявились его антипролиферативные качества, рапамицин прошел клинические испытания в качестве противоракового препарата. 

Рапамицин воздействует на два важных белка MTORC1, отвечающего за многие процессы метаболизма клеток и их отклика на внешние воздействия и MTORC2. Благодаря влиянию на первый из них достигается эффект продления жизни, а из-за воздействия на второй возникает диабет. Как видоизменить препарат, сохранив его эффективность и убрав побочные эффекты в виде развития нарушения толерантности к глюкозе? Сейчас ученые создают различные модификации рапамицина, работающие только в отношении протеина MTORC1. Если им удастся достичь успеха, то будет получено идеальное лекарство для лечения кардиологических и онкологических заболеваний, увеличивающее продолжительность жизни.

– Остров Пасхи и проживающие на нем бактерии – это, согласитесь, экзотика. А что интересного в биотехнологии происходит у нас?

– Развитие биотехнологии на Дальнем Востоке было ориентировано на создание лекарственных препаратов не только из лекарственных растений, но и из океанического сырья. Так, учеными ТИБОХ ДВО РАН были созданы новые препараты, качественно отличные от произведенных из сырья наземного происхождения: полигидроксонафтохиноны морских ежей и ферментные препараты из отходов переработки крабов. 

Коллагеназа КК – мощный ферментный препарат, способный гидролизовать белки различной природы, в том числе коллаген. Его применяют при лечении заболеваний гнойно-некротической этиологии: обморожениях, ожогах. Скальпель хирурга может нанести повреждения здоровым тканям, окружающим раневую поверхность, а ферменты вычищают рану исключительно от некротических образований.

– Такие эффективные ферменты?

– Да, краб не просто санитар, перерабатывающий любую органику, падающую на дно, он располагает набором ферментов, высокоэффективных даже при температуре 2-6 градусов. Сравните с человеком, которому для аналогичных целей приходится поддерживать температуру тела около 37 градусов. Примерно две трети белков, из которых мы состоим, имеют коллагеновую природу и составляют как бы «каркас», определяющий строение человеческого тела. Коллаген – универсальный белок, организм его не отторгает. В организме человека идет постоянный биосинтез коллагена, поскольку «старый» необходимо заменять. Сохранение функциональности человеческого «каркаса» очень важно, поэтому коллаген состоит только из заменяемых аминокислот, которые синтезируются организмом. 

Десятки миллионов человек страдают остеоартрозом, заболеванием опорно-двигательного аппарата, который вызывается нарушением биосинтеза коллагена. 

– Разве возможно поправить ошибки биосинтеза?

– Не во всех случаях, но можно попытаться с помощью БАД, содержащих гидролизат коллагена. Гидролизаты коллагена стимулируют синтез нового коллагена в организме. Ешьте больше холодца. Для образования коллагена необходим также глюкозамин. Клетки хряща (хондроциты) синтезируют его из глюкозы и из аминокислоты – глютамина. 

С возрастом в процессе синтеза коллагена накапливаются ошибки. Вот если бы их удалось избежать, то, например, морщины на коже, которых так не любят женщины, перестали беспокоить наших дам. Важно отметить, что коллаген не может синтезироваться без участия аскорбиновой кислоты. С возрастом ее содержание, как и других антиоксидантов, падает. 

– Получается, что аскорбинку полезно пить для предотвращения появления морщин? 

– Не только с этой целью. Около десятка очень важных процессов в организме не могут идти без ее участия. К примеру, синтез норадреналина, из которого получается адреналин. Сокращение вашего сердца зависит от адреналина, передача нервного импульса – тоже. 

– А зачем отправляться в море за источниками сырья, разве их мало на суше?

– Морские животные не болеют, например, коровьим бешенством и меньше страдают от загрязнения окружающей среды. Не забывайте, мы есть то, что мы едим! Коллаген, например, можно получать из отходов от переработки марикультуры, даже из животных, которых люди не едят, например, из морских звезд. Кстати, из морских звезд можно получать противоопухолевые, противовоспалительные препараты каротиноидной природы: астаксантин, лютеин, зеоксантин. 

– А зачем нашему организму нужны каротиноиды?

– Многие возрастные заболевания, например, катаракта, связаны с нехваткой каротиноидов. Но вернемся опять к коллагену. Все знают, что опорой человека является его скелет. Понятно, ведь он состоит из набора крупных костей. Интересно, что костная ткань на 40% состоит из коллагена. Подобно арматуре в железобетонном изделии, коллаген, структура которого подобна трехмерной сетке, пронизывает кость и обеспечивает ей прочность и устойчивость к деформациям. Коллаген не просто сохраняет красоту нашего тела, без него человек буквально шага не смог бы сделать! 

В синтезе коллагена помимо аскорбиновой кислоты важную роль играют витамины группы К. Эхинохром А, который выделяют из морских ежей, также может быть по структурным особенностям отнесен к этой группе веществ и может содействовать синтезу «правильного» коллагена. Часто у больных, страдающих от болезней суставов, в организме не хватает аскорбиновой кислоты, глюкозамина, аминокислот, входящих в состав коллагена. 

– Поэтому нужно поесть холодца или хрящики погрызть?

– Не всегда удается обойтись простыми решениями. Помимо недостатка «строительного материала», могут быть нарушения таких «технологических процессов», как снижение активности ферментов. Некоторые из таких нарушений заложены при рождении человека и могут быть выявлены при генетическом анализе. Сегодня персональная медицина стала возможной на генетическом уровне, поскольку геном любого конкретного человека может быть расшифрован и сделан прогноз развития его организма и предрасположенности к заболеваниям. В США, на основании персональных данных, уже прогнозируют будущие заболевания некоторыми видами рака, и находятся люди, которые заранее делают операцию. В будущем каждый состоятельный гражданин получит генетическую карту наподобие банковской. Это приведет к крупным социальным изменениям в обществе.

– А пример перспективного направления исследований у нас вы можете привести?

– Пожалуйста. Согласитесь, убить руками мамонта или догнать с той же целью бизона в древнее время было непросто, поэтому в пищевом рационе человека животного белка много не бывало. Преобладала растительная пища. Мыть корешки, как морковку, которую нам предлагают сегодня, не было принято, поэтому в организм постоянно попадали патогенные бактерии, паразиты и прочие вредные объекты. В процессе эволюции в организме человека выработалась система защиты от вредных веществ. Включают ее и сигнализируют клеткам о возможных грядущих испытаниях – флаваноиды (витамины группы Р) и витамины группы К, которые представляют собой первую цепь химической защиты от патогенов. Препараты из них становятся сейчас популярными, так как появились сообщения, что применение, например, лютеолина значительно снижает риск возникновения онкологического заболевания. Нужное количество лютеолина содержится в 2 кг. зеленого перца. Лютеолин, который также обладает мощным противовирусным действием, можно получать из морской травы зостеры. Но природа не очень беспокоится об облегчении задач для биохимиков. Оказалось, что в зостере содержится также розмариновая кислота, антиоксидант, являющийся мощным иммуносупрессором, то есть веществом, подавляющим иммунитет. Как и в случае комплекта слабительного со снотворным, два этих хороших препарата в одном флаконе давать не следует. 

Стало понятно, почему наш зостерин – пектин из зостеры, оказался лучше других пектинов. Его просто плохо очистили от лютеина. Проведя биохимическое разделение лютеина и розмариновой кислоты, мы получим вещества, управляющие процессами в клетке в нужном нам направлении. Но об этом мы поговорим в следующий раз.

Беседовал Александр КУЛИКОВ