Mądre mitochondria. Jak opóźnić procesy starzenia i żyć zdrowiej - ebook

Recenzje książki
Mądre mitochondria

„Laikom mitochondria mogą się wydawać niezbyt ciekawym tematem, ale ta książka i zawarte w niej opisy przykują uwagę nawet tych czytelników, którzy nie mają wykształcenia biologicznego. Zagłębiając się w kwestie bezpłodności i procesów starzenia, doktor Lee Know udowadnia, że mitochondria w kluczowy sposób decydują o naszym zdrowiu”.

– STEPHANIE SENEFF, PHD

starsza specjalistka ds. badań,
MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory

„W roku 1991, kiedy sama zmagałam się z problemami zdrowotnymi, mitochondria stały się centralnym punktem mojej walki o zdrowie. W ciągu ostatnich 25 lat coraz więcej naukowców i lekarzy określających się mianem »mitochondryków« zaczyna interesować się tymi miniaturowymi elektrowniami. Doktor Lee Know w fascynujący sposób rzuca nowe światło na te zapomniane niegdyś organelle i wyjaśnia, w jaki sposób należy zadbać o ten najważniejszy układ przemiany materii”.

– DOKTOR NASHA WINTERS

współautorka książki The Metabolic Approach to Cancer

„Mądre mitochondria to prezentacja potencjału mitochondriów oraz ich oddziaływania na nasze zdrowie. To dzięki nim możemy leczyć choroby przewlekłe i wydłużać życie. Nie ma przesady w stwierdzeniu, że treść tej książki na nowo ukształtuje przyszłość medycyny”.

– ARI WHITTEN

autor wielu bestsellerów i twórca „The Energy Blueprint”

„W książce Mądre mitochondria doktor Lee Know odkrywa tajemnice nieustannie rozwijającej się nauki o mitochondriach. W przejrzysty i konkretny sposób opisuje budowę i funkcje tych struktur oraz podaje wiele argumentów dowodzących ich wpływu na nasz ogólny stan zdrowia. Nie uciekając się do spekulacji ani nie wyprzedzając faktów, doktor Know wyjaśnia zalety strategii żywieniowych przydatnych do znaczącej poprawy kondycji naszych mitochondriów, co może przyczynić się do zdrowego przebiegu procesu starzenia się”.

– MIRIAM KALAMIAN

autorka książki Dieta ketogeniczna w walce z rakiemAni autor, ani wydawca nie udzielają profesjonalnych porad indywidualnym czytelnikom. Informacje zawarte w tej książce mają jedynie charakter edukacyjny i nie powinny być traktowane jako porady medyczne. Ich zadaniem nie jest służenie celom diagnostycznym ani zastępowanie opieki świadczonej przez profesjonalistów. Przed wykorzystaniem informacji i pomysłów zamieszczonych w książce oraz przed zastosowaniem opisanych tu produktów zalecamy osobom cierpiącym na jakiekolwiek choroby skonsultowanie się z odpowiednim specjalistą. Autor i wydawca nie odpowiadają za jakiekolwiek szkody rzekomo wynikające z zastosowania się do informacji lub sugestii zawartych w tej książce. Dopełniono wszelkich starań, aby zawarte tu informacje były w najwyższym stopniu zgodne ze stanem faktycznym, ale autor i wydawca nie biorą odpowiedzialności za ewen­tualne nieścisłości.ROZDZIAŁ 1

Moc

Początki i ewolucja mitochondriów
w organizmie człowieka

Bez midichlorianów nie byłoby życia ani świadomości Mocy. Przemawiają do nas, przekazując nam wolę Mocy. Kiedy wyciszysz umysł, usłyszysz ich głos.

– Gwiezdne wojny: Część I – Mroczne widmo,
Qui-Gon Jinn do Anakina Skywalkera

Dawno, dawno temu w odległej galaktyce istniały inteligentne mikroskopijne formy życia zwane midichlorianami, które żyły w symbiozie w komórkach wszystkich istot. Przy ich odpowiednim nagromadzeniu gospodarz potrafił wyczuwać wszechobecne pole energii zwane Mocą. Liczba midichlorianów była związana z potencjałem Mocy; normalni ludzie posiadali ich około 2500 w każdej komórce, ale Jedi mieli ich znacznie więcej. Największą liczbą midichlorianów (ponad 20 000 w każdej komórce) dysponował rycerz Jedi Anakin Skywalker.

Obecne we wszystkich żywych organizmach midichloriany wyglądały tak samo na każdej planecie, na której istniało życie. Właściwie to dzięki nim życie w ogóle mogło się rozwijać. W odpowiednim stężeniu midichloriany umożliwiały swoim gospodarzom wyczuwanie Mocy, a ta więź stawała się silniejsza, gdy istota wyciszała się i wsłuchiwała w „głos” midichlorianów przekazujący wolę Mocy.

Wiele osób czytających moją książkę pomyśli sobie: „Co takiego? Czy on zupełnie zwariował?”. O czym ja tu w ogóle piszę? Fani science-fiction oraz pokolenie (a raczej pokolenia), które dorastały w czasach Gwiezdnych wojen wiedzą, że midichloriany to wymysł George’a Lucasa… ale czy na pewno?

Idea midichlorianów pojawiła się w głowie Lucasa już w 1977 roku. Przekazywał on wówczas jednemu ze swoich pracowników szczegóły dotyczące filmów, tłumacząc rozmaite koncepcje związane ze stworzonym przez niego uniwersum. Wśród wskazówek znalazła się definicja midichlorianów (Lucas uznał wówczas, że nie ma czasu ani możliwości wprowadzenia do sagi tego pomysłu i zdecydował się na to dopiero w 1999 roku podczas kręcenia filmu Gwiezdne wojny: Część I – Mroczne widmo). Reżyser uznał, że należy wytłumaczyć, dlaczego niektóre osoby były wrażliwe na Moc, a inne nie. Była to kwestia, której w oryginalnej trylogii nie poświęcono uwagi.

W filmie Gwiezdne wojny: Część I – Mroczne widmo midichloriany to motyw pojawiający się kilkakrotnie i podkreślający związek symbiotyczny. Fascynuje mnie fakt, że midichloriany były luźno wzorowane na mitochondriach, organellach zapewniających energię komórkom w naszym realnym świecie. Podobnie jak midichloriany, mitochondria prawdopodobnie były kiedyś odrębnymi organizmami zamieszkującymi komórki, a z czasem stały się ich nieodłącznym elementem. Nawet dziś w pewnym sensie funkcjonują one w sposób od nas niezależny i mają własne DNA.

Większość czytelników może pamiętać mitochondria z lekcji biologii w liceum. Określano je wówczas jako komórkowe „elektrownie” – mikroskopijne generatory żyjące w komórkach i będące praktycznie wyłącznym źródłem energii niezbędnej do ich funkcjonowania. W komórce, w zależności od jej rodzaju, mogą się znajdować setki lub tysiące mitochondriów. Wykorzystują one tlen, którym oddychamy, do spalania spożywanego przez nas pokarmu i zamieniania go na energię.

Niektórzy czytelnicy być może słyszeli o „mitochondrialnej Ewie”. Mitochondria dziedziczymy po matce, jeżeli więc prześledzimy nasz rodowód genetyczny od dziecka do matki, babki po stronie matki i tak dalej, to dotrzemy właśnie do „mitochondrialnej Ewy”, czyli matki wszystkich matek. (Rzekomo mieszkała w Afryce około 170 000 lat temu. Nie oznacza to jednak, że była ona pierwszym człowiekiem, lecz że jest przodkiem wszystkich żyjących obecnie ludzi).

Potrafimy w ten sposób prześledzić naszą linię genetyczną, ponieważ wszystkie mitochondria mają własne DNA („geny”), które zwykle przekazywane jest potomstwu tylko w komórce jajowej, a nie w nasieniu ojca. Oznacza to, że mitochondrialne DNA (mtDNA) są niczym genetyczne nazwisko. W przeciwieństwie do typowych zachodnich nazwisk dziedziczonych po ojcu (i ulegających zmianie w wyniku różnych wydarzeń, na przykład zawarcia małżeństwa) mtDNA jest jednak w miarę stałe i niezmienne, dzięki czemu możemy prześledzić je wzdłuż kobiecej linii genetycznej. W ten sposób zwykle da się też ustalać pokrewieństwo lub jego brak.

Analiza mitochondrialnego DNA znajduje też zastosowanie w medycynie sądowej (podczas ustalania tożsamości żywych i zmarłych osób). Dzieje się tak między innymi dlatego, że w każdej komórce znajduje się dużo materiału genetycznego. W jądrze występują tylko dwie kopie DNA (jest to tak zwane jądrowe DNA, w skrócie nDNA – ośrodek sterowania każdej komórki), każde mitochondrium zawiera 5–8 kopii swoich genów. W każdej komórce mieści się tylko jedno jądro, ale jest tam kilkaset, a nawet kilka tysięcy mitochondriów, co oznacza, że w każdej komórce można znaleźć kilka tysięcy kopii tego samego mtDNA.

W medycynie funkcjonuje natomiast pojęcie mitochondrialnej teorii starzenia się organizmu. Koncepcję tę omówię bardziej szczegółowo później (w podrozdziale „Mitochondrialna teoria starzenia się”, s. 68), ale teraz nadmienię tylko, iż teoria ta głosi, że starzenie się – oraz wiele towarzyszących mu chorób – wywołane jest przez powolną degenerację mitochondriów. Podczas normalnego procesu oddychania komórkowego – zjawiska, w trakcie którego mitochondria spalają zjadany przez nas pokarm za pomocą tlenu, którym oddychamy – powstają reaktywne cząsteczki zwane wolnymi rodnikami. Uszkadzają one organizm, w tym DNA w mitochondriach i jądrze komórkowym.

Wolne rodniki atakują DNA w naszych komórkach tysiące razy dziennie. Większość powstałych w ten sposób uszkodzeń zostaje usunięta poprzez mechanizmy regeneracyjne, ale czasami zniszczenia są nieodwracalne i doprowadzają do permanentnych mutacji DNA. Atak wolnych rodników trwa nieustannie, więc mutacje kumulują się przez całe życie organizmu. Po przekroczeniu pewnego progu komórki obumierają, a im więcej komórek przestaje działać, tym większej degeneracji ulegają tworzone przez nie tkanki. Ten powolny proces odpowiada za wiele chorób degeneracyjnych towarzyszących starzeniu się, a nawet za sam proces starzenia się.

Istnieją też – zapewne znane wielu czytelnikom – dziedziczne i nabyte choroby dotykające mitochondriów i wpływające na tkanki aktywne metabolicznie, takie jak mięśnie, serce czy mózg. Choroby te objawiają się szeregiem symptomów zależnych od tego, które tkanki zostały najmocniej poszkodowane.

W 2015 roku Wielka Brytania opowiedziała się za legalizacją kontrowersyjnej terapii bezpłodności. Jest to metoda określana mianem transferu jądra komórkowego, polegająca na donacji mitochondrialnej. Z komórki jajowej (zwanej oocytem) zdrowej i płodnej dawczyni usuwa się jądro (zostawiając przy tym wszelkie pozostałe elementy, w tym zdrowe mitochondria), a jądro z zygoty (zapłodnionej komórki jajowej) kobiety bezpłodnej przenosi się do komórki jajowej kobiety zdrowej. Obawy natury etycznej i praktycznej sprawiły, że metoda ta jest zakazana w większości krajów, ale Wielka Brytania postawiła na swoim i zezwala na to, aby rodziły się dzieci z trojgiem rodziców genetycznych (nDNA z matki i ojca, a mtDNA od dawczyni, czyli trzeciego rodzica). Pod koniec 2016 roku Wielka Brytania udzieliła pierwszej licencji, a pierwsze dziecko legalnie poczęte za pomocą tej metody urodzi się w 2017 roku (legalnie, ponieważ w 2015 roku zastosowano tę samą metodę w Meksyku, gdzie nie obowiązują żadne ograniczenia w tym zakresie, a dziecko z materiałem genetycznym od trójki rodziców urodziło się tam w 2016 roku).

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat nie zwracano dostatecznej uwagi na rolę, jaką mitochondria odgrywają w apoptozie, czyli zaprogramowanej śmierci komórek. To proces, w którym pojedyncze komórki ulegają samounicestwieniu z korzyścią dla reszty organizmu.

Uprzednio sądzono, że apoptozą sterują geny znajdujące się w jądrze komórkowym. W połowie lat 90. naukowcy dokonali przełomowego odkrycia, że procesem tym zarządzają mitochondria. Miało ono olbrzymi wpływ na medycynę, a szczególnie na badania nad rakiem. Komórki nieustannie się starzeją i są atakowane przez wolne rodniki, wskutek czego ich DNA ulega mutacji. Gdy z powodu tych zmian komórka zaczyna ulegać niekontrolowanej replikacji, prowadzi to do powstawania nowotworów. Obecnie uważa się, że choroba nowotworowa powstaje wtedy, kiedy komórki nie popełniają w odpowiednim momencie samobójstwa.

Są jednak dalsze konsekwencje. Bez zaprogramowanej śmierci komórek skomplikowane organizmy wielokomórkowe nigdy nie potrafiłyby ewoluować w sposób kontrolowany i zorganizowany, a nasz świat wyglądałby wówczas zupełnie inaczej. Zdaję sobie sprawę, że to dość zawiłe i zapewniam, że wszystko nabierze sensu po lekturze podrozdziału zatytułowanego „Ewolucja komórki eukariotycznej”, s. 21.

Komórki organizmów wielokomórkowych (zwane komórkami eukariotycznymi) są znacznie większe niż jednokomórkowe bakterie. Oznacza to, że nie ma szans, aby potrzeby energetyczne komórki eukariotycznej mogły być zaspokojone bez udziału mitochondriów, o czym wkrótce się dowiesz.

Nie zamierzam tu wdawać się w szczegóły ewolucji dwóch płci (męskiej i żeńskiej), ale mitochondria pozwalają nawet wyjaśnić genezę takiego stanu rzeczy. Stosunek płciowy partnerów przeciwnej płci to źródło bardzo przyjemnych doznań, ale nie jest on szczególnie skuteczną metodą prokreacji. W przypadku ludzi potrzeba dwojga rodziców, aby stworzyć jedno dziecko (naturalnie od tej reguły są wyjątki). Do rozmnażania agamicznego potrzebna jest tylko matka – ojciec w tym przypadku jest nie tylko bezużyteczny, ale wręcz stanowi marnotrawstwo zasobów (zupełnie przypadkiem redakcji tego fragmentu dokonywałem w Dzień Ojca). Co więcej, istnienie dwóch płci oznacza, że możemy rozmnażać się poprzez stosunek jedynie z połową populacji, co jest mało wydajne z matematycznego punktu widzenia. Logicznie rzecz biorąc, lepiej by było, gdybyśmy mogli rozmnażać się z każdym, na przykład gdyby istniała tylko jedna płeć lub gdyby było ich nieskończenie wiele.

Istnieje jednak powód, dla którego mamy tylko dwie płcie. Najlepszym wytłumaczeniem tego zjawiska są obecnie mitochondria. Jedna płeć jest wyspecjalizowana w przekazywaniu mitochondriów potomstwu (komórki jajowe samicy), zaś druga dba o to, aby jej mitochondria nie były przekazywane dalej (nasienie ojca). Szerzej rozwinę ten temat podczas omawiania płodności, bezpłodności i poczęcia, w rozdziale 2, w podrozdziale „Bezpłodność i mitochondria”, s. 154.

Kilka słów o cytologii

Muszę uprzedzić, że od tego miejsca zagłębimy się w mniej przystępną tematykę, szczególnie dla osób bez wykształcenia biologicznego. Aby dokładnie przekazać czytelnikom, jak ważną rolę odgrywają mitochondria i jak istotne są wyniki badań, które tu przytaczam, muszę omówić kilka podstawowych procesów biologicznych i upewnić się, że każdy czytający tę książkę będzie miał przynajmniej podstawowe pojęcie o biologii komórek. W związku z tym uważam, że warto poświęcić kilka stron na suche fakty. Jeżeli się pogubisz, nie przejmuj się, po prostu postaraj się zrozumieć szerszy obraz sytuacji. Mimo to zamieszczam tu wiele szczegółów, aby osoby mające styczność z tą dziedziną nauki wiedziały, z jak skomplikowanymi procesami mamy do czynienia. Zaczynajmy…

Komórka to najprostsza forma życia zdolna do niezależnej egzystencji i w związku z tym jest uznawana za podstawową strukturę biologiczną. Organizmy jednokomórkowe, takie jak bakterie, to najprostsze komórki. Są one bardzo małe, ich średnica rzadko przekracza kilka tysięcznych części milimetra. Miewają różne kształty, ale najczęściej są kuliste lub podłużne. Przed czynnikami zewnętrznymi chroni je bardzo cienka i delikatna, ale stosunkowo nieprzenikalna błona komórkowa. Bakterie wykorzystują ją do generowania energii. Ta sama błona stała się ostatecznie zewnętrzną błoną mitochondriów – być może najważniejszą błoną w ludzkim organizmie.

Wewnątrz bakterii znajduje się cytoplazma – żelowata masa zawierająca niezliczone ilości cząsteczek. Niektóre z „większych” cząsteczek są ledwo dostrzegalne za pomocą potężnych mikroskopów, nawet po powiększeniu ich milion razy. Wśród tych cząsteczek znajduje się długa spiralna struktura DNA – słynna podwójna helisa opisana po raz pierwszy ponad pół wieku temu przez Watsona i Cricka. Niewiele więcej da się dostrzec pod mikroskopem. Analiza biochemiczna wykazuje jednak, że bakteria, najprostsza forma życia, jest w istocie tworem tak skomplikowanym, że wciąż niewiele wiemy na temat jej niedostrzegalnej organizacji.

Człowiek natomiast składa się z wielu różnego rodzaju komórek¹. Choć uznano je za najprostsze formy życia, są często setki tysięcy razy większe niż bakteria, dzięki czemu możemy je dokładniej zbadać. Istnieją w nich wspaniałe struktury stworzone ze skomplikowanych błon (zwane organellami) i zawierające różnego rodzaju białka. Organelle są dla komórki tym, czym narządy dla organizmu – są to odrębne jednostki odpowiedzialne za określone zadania. Wewnątrz cytoplazmy znajdują się też wszelkiego rodzaju małe i duże pęcherzyki oraz gęsta sieć włóknistych struktur zwana cytoszkieletem, która pozwala utrzymać odpowiednią budowę komórki. Jest tam również jądro, czyli to, co większość z nas uznaje za centrum sterowania komórką. Wszystkie te elementy składają się na komórki, które z kolei tworzą cały znany nam świat i które określamy mianem komórek eukariotycznych. Wszystkie rośliny, zwierzęta, glony – właściwie wszystko, co żyje i co możemy dostrzec gołym okiem – składa się z komórek eukariotycznych zawierających własne jądra.

W jądrze znajduje się DNA. Choć DNA w komórce eukariotycznej ma taką samą strukturę podwójnej helisy jak bakterie, jego układ jest zupełnie inny. W bakteriach DNA występuje w postaci długich, skręconych pętli zwanych kolistym DNA. Nie daj się jednak zmylić tej nazwie, ponieważ to DNA wcale nie ma kolistego kształtu (przypomina bardziej splątaną bez ładu kulę). Nazwa sugeruje, że łańcuch ten nie ma początku ani końca, tak jak koło. W każdej bakterii często występuje wiele kopii tego kolistego DNA, ale wszystkie one stanowią kopię tych samych genów. W komórkach eukariotycznych zazwyczaj istnieje wiele różnych chromosomów mających postać liniową, a nie kolistą. W tym przypadku również nie oznacza to, że DNA ma postać linii prostej, ale raczej dwa odrębne i wyraźnie widoczne „końce”. W przeciwieństwie do kolistego DNA każdy chromosom zawiera inne geny. Człowiek ma 23 chromosomy, ale ponieważ każdy z nas ma także ich kopie, daje to 46 chromosomów. W trakcie podziału komórek chromosomy łączą się środkowymi punktami, przybierając znany z lekcji biologii kształt litery X.

Chromosomy to nie tylko DNA. Pokryte są one także wyspecjalizowanymi typami białka – między innymi histonami, które chronią DNA przez uszkodzeniami i bronią dostępu intruzom. Obecność histonów to cecha odróżniająca chromosomy eukariotyczne od chromosomów bakterii, w przypadku których DNA nie jest chronione i określane jest mianem „nagiego”.

Obie części podwójnej helisy służą sobie nawzajem za wzorzec. Kiedy podczas podziału komórek ulegają rozerwaniu, każdy fragment stanowi źródło informacji niezbędnych do odbudowania podwójnej helisy i ponownego uzyskania dwóch identycznych egzemplarzy. Informacje zakodowane w DNA zorganizowane są w postaci genów, które stanowią instrukcje dotyczące struktury cząsteczkowej białek. Podobnie jak wszystkie słowa w danym języku stanowią kombinacje liter w danym alfabecie, tak samo geny stanowią ciąg zaledwie czterech cząsteczkowych „liter”, przy czym kolejność określa strukturę białka.

Genom (mogący mieć długość ponad miliarda znaków) to kompletny zbiór genów w danym organizmie. Każdy gen (zwykle zawierający tysiące „liter”) to zasadniczo symbol jednego rodzaju białka. Każdy typ białka to ciąg podjednostek zwanych aminokwasami, i to dokładna kolejność poszczególnych aminokwasów ustala właściwości danego białka.

Mutacje pojawiają się wtedy, gdy kolejność znaków ulega zmianie. Może to spowodować zmianę aminokwasu lub struktury białka. Na szczęście natura zadbała o nadmiar informacji genetycznych. Niektóre kombinacje liter oznaczają te same aminokwasy, więc mutacje nie zawsze skutkują zmianami w strukturze czy przeznaczeniu białka.

To bardzo ważne, ponieważ białka stanowią filar całego życia. Mają one praktycznie niezliczone formy oraz zastosowania i wszelkie znane nam istoty żywe istnieją tylko dzięki nim. Zrozumienie funkcji poszczególnych białek pozwala nam zaklasyfikować je do określonych kategorii, takich jak enzymy, hormony, przeciwciała czy neuroprzekaźniki.

Cały proces tworzenia białek kontrolowany jest przez inne białka, a najważniejszymi z nich są tak zwane czynniki transkrypcyjne. DNA zawiera geny, ale jest ono w zasadzie nieaktywne, i to właśnie czynniki transkrypcyjne regulują ich ekspresję. Robią to, wydając komórce polecenie skupienia się na konkretnej nieaktywnej sekcji DNA i zbudowania na jej podstawie aktywnego białka. Zamiast jednak posługiwać się bezpośrednio DNA, komórka wykorzystuje do tego celu jego kopie, zwane RNA. Istnieją przy tym różne typy RNA, a każdy z nich ma inną funkcję. Pierwszy typ to informacyjne RNA (mRNA). Jego ciąg to dokładna kopia odpowiadającej mu sekwencji genów w DNA. Jak wskazuje nazwa, przekazuje ono informacje, przenikając przez pory w błonie jądrowej do cytoplazmy. Wówczas odnajduje jedną z tysięcy struktur tworzących białko, zwanych rybosomami. Ich zadaniem jest zamienianie informacji zakodowanych w mRNA w ciąg aminokwasów tworzących konkretne białko.

Mam nadzieję, że się nie zgubiłeś. Staram się wytłumaczyć to jak najprościej, ale musisz wiedzieć, że setki naukowców poświęcają całe życie na badanie detali dotyczących pojedynczych elementów tego niezwykle skomplikowanego zagadnienia. Niemniej ten uproszczony obraz sytuacji powinien ci pozwolić zrozumieć, jak istotne są mitochondria i w jaki sposób funkcjonują. Czas więc na ciąg dalszy…

Ewolucja komórki eukariotycznej

Choć słowo eukariotyczny wywodzi się od greckich słów oznaczających „prawdziwe jądro”, to tak naprawdę komórki eukariotyczne zawierają nie tylko jądro, ale także między innymi mitochondria. Pierwotnie były to niezależne rodzaje bakterii, które na pewnym etapie przeniknęły do komórek innych bakterii, ale zamiast ulec przetrawieniu, jak w typowych warunkach, stały się symbiontem – partnerem w relacji, na której korzystają obie strony. Można pokusić się o stwierdzenie, że mitochondria były pierwszymi probiotykami – mikroorganizmami, które przynosiły korzyści swoim gospodarzom.

Według teorii pewnego dnia, mniej więcej dwa miliardy lat temu, jedna bakteria wchłonęła inną. Na początku oba organizmy funkcjonowały zupełnie niezależnie i każdy z nich zawierał zbiór genów umożliwiający niezależne funkcjonowanie komórki. Ostatecznie jednak, po wchłonięciu jednej bakterii przez drugą, obie formy życia zaczęły sprawdzać skuteczność niezliczonych procesów biochemicznych i układów genetycznych.

Proces pełen prób i błędów toczył się przez 1,2 miliarda lat, ale w końcu wchłonięta bakteria wyspecjalizowała się w produkcji energii (stała się mitochondrium), a reszta tej prymitywnej nowej komórki eukariotycznej udoskonaliła się w zakresie struktury i funkcji. Wydaje się, że pozyskanie mitochondriów stało się punktem zwrotnym w historii istot żywych. Jeżeli tak jest w istocie, to organelle te są odpowiedzialne za różnorodność form życia na Ziemi. Gdyby nie one, życie wciąż tkwiłoby na etapie jednokomórkowych bakterii.

Po drugie, jak wspomniałem wcześniej, komórki eukariotyczne mają jądro. Ma ono zwykle postać kulistej podwójnej błony, wewnątrz której znajduje się DNA otoczone ochronnym białkiem. Bakterie natomiast nie mają jądra, a ich DNA ma postać prymitywną i pozbawioną struktur ochronnych.

Trzecia różnica polega na rozmiarze genomu (łącznej liczby genów). Bakterie mają zwykle o wiele mniej DNA niż komórki eukariotyczne. Co więcej, komórki eukariotyczne zawierają o wiele więcej niekodującego DNA (części DNA niezawierających instrukcji genetycznych) niż bakterie. Wcześniej uznawaliśmy niekodujące DNA za „śmieciowe” DNA, czyli elementy pozbawione jakiegokolwiek sensu. Najnowsze badania dowodzą jednak, że w DNA znajdują się nie tylko instrukcje tworzenia białek, a te olbrzymie ilości niekodującego DNA (a przynajmniej jego fragmenty) mają w rzeczywistości wiele zastosowań. Niezależnie od tego, znaczne ilości dodatkowego DNA w komórkach eukariotycznych wymagają większych ilości energii (niż potrzeba bakteriom) niezbędnej do precyzyjnego kopiowania wszelkich danych.

Ostatnią znaczącą różnicą jest organizacja DNA. Jak wspomniałem wcześniej, DNA bakterii ma postać pojedynczego kulistego chromosomu. Jest ono przyczepione do ściany komórki, ale w praktyce przemieszcza się wewnątrz niej swobodnie. DNA bakterii nie jest otoczone ochronną warstwą białka, więc kiedy zachodzi potrzeba powielania tego pierwszego, jest łatwo dostępne. Geny bakterii są też zwykle zorganizowane w grupy pełniące określone zadania. Poza tym bakterie mają dodatkowe DNA w postaci niewielkich pierścieni zwanych plazmidami. Replikują się one niezależnie od chromosomów i mogą stosunkowo szybko być przekazywane innym bakteriom. Geny eukariotyczne natomiast nie są uporządkowane w żaden wyraźny sposób i treść jest zwykle podzielona na sekcje przerywane fragmentami niekodującego DNA. Aby zbudować określone białko, należy odczytać długą część łańcucha DNA, a następnie podzielić go na sekcje i połączyć odpowiednie fragmenty w celu stworzenia zrozumiałego ciągu znaków będących kodem danego białka. Co więcej, już samo pozyskanie genów jest procesem dość skomplikowanym, ponieważ chromosomy są dokładnie otoczone białkami zwanymi histonami. Chronią one łańcuch DNA przed uszkodzeniami, ale blokują też dostęp do genów. Gdy geny muszą ulec replikacji w celu podziału komórek lub stworzenia kopii potrzebnych do budowy białka, struktura histonów musi ulec zmianie, aby zapewnić dostęp do DNA. To zadanie kolejnego typu białek, wspomnianych już wcześniej czynników transkrypcyjnych.

Krótko mówiąc, najważniejsze jest, abyś zapamiętał, że bakterie ewoluowały tak, aby być brutalnie skutecznymi, natomiast komórki eukariotyczne to gigantyczne i niezwykle skomplikowane struktury, co przejawia się zwiększonym zapotrzebowaniem na energię.

Dużych nakładów energii wymaga również wiele innych procesów zachodzących w komórce eukariotycznej. Jednym z przykładów może być wewnętrzny cytoszkielet komórki eukariotycznej i to, jak różni się on od ściany komórkowej bakterii lub komórki prokariotycznej. Obie te struktury pełnią podobną funkcję (utrzymują odpowiedni kształt komórki), ale działają w zupełnie inny sposób. Przypomina to różnicę pomiędzy szkieletem człowieka a zewnętrzną skorupą (egzoszkieletem) owada lub skorupiaka.

Ściany bakterii mogą mieć różną strukturę i skład, ale zasadniczo mają postać sztywnej zewnętrznej ramy utrzymującej odpowiedni kształt bakterii i zapobiegającej pękaniu lub zapadaniu się ścian w przypadku nagłej zmiany środowiska. Natomiast komórki eukariotyczne zwykle mają elastyczne zewnętrzne błony, którym spójność strukturalną nadaje wewnętrzny cytoszkielet. Jest on wysoce dynamiczną strukturą – wciąż zmienia postać, co samo w sobie wymaga wydajnego źródła energii. Komórki eukariotyczne mają sporą przewagę, ponieważ mogą zmieniać kształt i często korzystają z tej możliwości. Klasycznym przykładem są tu makrofagi (rodzaj białych krwinek), które pochłaniają obce ciała, bakterie lub resztki obumarłych komórek.

W praktyce każdy aspekt życia komórki eukariotycznej – zmiana kształtu, rozwój, tworzenie jądra, gromadzenie DNA oraz wielokomórkowość – wymaga dużych ilości energii i jest uzależniony od mitochondriów. Bez nich organizmy wyższego rzędu raczej nie mogłyby istnieć, ponieważ ich komórki potrafiłyby pozyskiwać energię tylko z procesu oddychania anaerobowego (produkcji energii bez udziału tlenu). Jest to proces o wiele mniej wydajny niż oddychanie aerobowe, które zachodzi właśnie w mitochondriach. Organelle te wytwarzają 15 razy tyle energii (w postaci adenozynotrifosforanu uznawanego za walutę energetyczną komórek), niż byłoby to możliwe bez tlenu. Organizmy o złożonej strukturze, takie jak ludzie, do przetrwania potrzebują dużych ilości energii.

Mitochondria: źródło mocy

Mitochondria wyewoluowały i stały się elektrownią dla naszego organizmu. Organelle te funkcjonują niczym normalny układ trawienny, który pobiera substancje odżywcze, rozkłada je na czynniki pierwsze i tworzy z nich energię potrzebną komórkom. Proces ten znany jest jako oddychanie komórkowe i większość związanych z nim reakcji chemicznych zachodzi właśnie w mitochondriach.

Mitochondria to bardzo małe organelle, ale ich kształt jest idealnie dostosowany do wykonywanej przez nie pracy. Jak już wspomniałem, każda komórka zawiera od kilkuset do kilku tysięcy mitochondriów. Ich ilość zależy od przeznaczenia danej komórki. Najwięcej mitochondriów znajduje się w komórkach występujących w mięśniu sercowym i mięśniach szkieletowych (wymagających dużych nakładów energii), większości organów (m.in. trzustce odpowiedzialnej za biosyntezę insuliny i wątroby, zajmującej się detoksykacją) oraz mózgu (komórki nerwowe wymagają gigantycznych ilości energii).

WĄTEK DUCHOWY?

Fakt, że w ciągu miliardów lat komórka eukariotyczna powstała tylko raz i to zupełnie przez przypadek, skłania do zastanowienia się nad ewentualną rolą jakiejś siły wyższej. Nauka i duchowość (a być może nawet niektóre religie) mogą współistnieć, co potwierdzają autorzy wielu książek i prac o charakterze naukowym i filozoficznym. Niemniej należy zaznaczyć, że – biorąc pod uwagę teorię ewolucji zbieżnej – gdybyśmy wcisnęli przycisk „reset” i rozpoczęli wszystko od nowa, przy odpowiedniej ilości czasu (mierzonego w miliardach lat) wiele procesów dokonałoby się dokładnie w taki sam sposób, jak do tej pory. Można to wyjaśnić istnieniem tych samych wąskich gardeł i problemów, natomiast selekcja naturalna oferuje skończoną liczbę optymalnych rozwiązań. W związku z tym istnieje duże prawdopodobieństwo, że nasze środowisko wyglądałoby bardzo podobnie. To z kolei rodzi pytanie, czy zgodnie z założeniami teorii ewolucji zbieżnej z punktu widzenia biochemii życie na innych planetach byłoby podobne do naszego.

Są to pytania na zupełnie inną książkę, ale pozostaje faktem, że aminokwasy (związki chemiczne, z których zbudowane są wszystkie istoty żywe) znaleziono w meteorytach starszych niż nasz układ słoneczny, a PQQ (substancję odżywczą, o której piszę więcej w rozdziale 3, w podrozdziale „Pirolochinolinochinon ”, s. 187) odkryto w pyle kosmicznym. Pozwala to przypuszczać, że życie na Ziemi pochodzi z kosmosu. Tak więc w istocie jesteśmy dziećmi gwiazd.

Rozumiem, że niektórym ludziom trudno to zaakceptować – z pewnego egocentrycznego punktu widzenia ludzie wydają się wyjątkowymi istotami; nasze świadome doświadczenia odróżniają nas od mechanicznego świata fizyki i chemii, a być może nawet od istot niższego rzędu. Faktem pozostaje, że fundamentalnych podobieństw między wszystkimi istotami żywymi jest o wiele więcej niż różnic. Piszę to, mając na uwadze kontrowersje towarzyszące teorii ewolucji za pomocą selekcji naturalnej i wątpliwości odczuwane przez osoby religijne. Wolałbym uniknąć poruszania tego tematu, ale trudno dyskutować na temat ewolucji bez zwrócenia uwagi na fakt, że niektóre środowiska religijne podają ją w wątpliwość. Niemniej w świetle przytłaczających dowodów zgromadzonych na przestrzeni wieków kwestionowanie teorii ewolucji jest na straconej pozycji. Co więcej, przyjmowanie takiego stanowiska sprawia, że zamykamy się na niezwykłą historię, jaką może opowiedzieć nam ewolucja.

Oczywiście wciąż istnieje wiele niewiadomych i spora część podstaw naukowych ma charakter wyłącznie spekulatywny, ale nie ma w tym nic złego i nie należy tego krytykować. Odkrycia naukowe zawsze mają charakter tymczasowy i w żadnym razie nie zbliżamy się do poznania wszystkich faktów dotyczących naszego świata. Gdy jednak obserwacje wydają się przeczyć teorii, niezależnie od tego, jak bardzo jest ona ceniona, stara czy popularna, teoria ta zostanie odrzucona i rozpoczną się poszukiwania nowej, bardziej precyzyjnie opisującej naturę rzeczywistości. Właśnie w ten sposób znaleźliśmy się na obecnym etapie wiedzy o mitochondriach: proponowano wiele teorii, wszystkie były kwestionowane i testowane, i albo zyskiwały wiarygodność, albo je odrzucano. Tak właśnie wygląda nauka: to nieustannie zmieniająca się baza wiedzy.

Ewolucja powinna dotyczyć także religii, które również muszą się rozwijać i wplatać w nauczanie zagadnienia związane z ewolucją. Jak zasugerowałem wcześniej, można na przykład założyć, że ewolucją sterowała jakaś siła wyższa. Zatwardziali naukowcy także powinni zdać sobie sprawę, że chociaż wydaje nam się, że dużo już wiemy, w istocie nie wiemy jeszcze prawie nic. Wszystko, co pojęliśmy na temat poznanego wszechświata i otaczającej nas rzeczywistości – od podstaw chemii po niewyobrażalnie skomplikowaną fizykę kwantową – stanowi zapewne około 4% ogółu wiedzy (przynajmniej zdaniem Neila deGrasse’a Tysona). To powinno uczyć nas pokory. Nie wiemy i nie rozumiemy 96% wszechświata i tego, co dzieje się wokół nas. Nasze przekonanie o własnej nieomylności stawia nas na równi z ludźmi, którzy byli przekonani, że Ziemia jest płaska.

Czy treści, które zawarłem w swojej książce, to ostatnie słowo w tej dziedzinie? Najprawdopodobniej nie. Prawie wszystko, co kiedyś wydawało nam się prawdą, okazało się zupełnie błędne lub co najmniej nieprecyzyjne, ale przy obecnym stanie wiedzy na temat mitochondriów z niecierpliwością czekam na więcej dowodów, które albo pozwolą wzmocnić naszą bazę wiedzy, albo skierują nas w zupełnie (albo tylko trochę) innym kierunku.

Dowolna forma życia, która nie potrafi samodzielnie generować energii, jest w rzeczywistości martwa. Bez energii nie ma życia. Oddychanie dostarcza tlenu do krwi, skąd trafia on do wszystkich bilionów komórek w naszym organizmie. Komórki dostarczają tlen do mitochondriów, gdzie wykorzystywany jest do zamiany glukozy, kwasów tłuszczowych, a czasem także aminokwasów, na energię w procesie oddychania komórkowego, zwanego też oddychaniem aerobowym (produkcja energii z udziałem tlenu). Trudno w to uwierzyć, ale jesteśmy być może największym producentem energii we wszechświecie. W swojej książce Power, Sex, Suicide Nick Lane zamieścił ciekawą kalkulację, z której wynika, że w przeliczeniu na jeden gram produkujemy tysiąc razy więcej energii niż Słońce.

W tym miejscu po raz kolejny nawiążę do popkultury, tym razem nie do Gwiezdnych wojen, lecz do filmu Matrix. W filmie tym maszyny zaspokajają zapotrzebowanie na energię, zbierając energię produkowaną na „bezkresnych polach, na których ludzie się nie rodzą, lecz są uprawiani²”. Analiza Lane’a pokazuje, że to logiczny scenariusz. Zaznacza on także, że niektóre bakterie produkujące energię, na przykład z rodzaju Azotobacter, mają 50 milionów razy większą wydajność niż Słońce. Rodzi się więc pytanie, dlaczego nikt nie wpadł na pomysł wykorzystywania tych organizmów jako czystego i organicznego źródła energii. Czy tylko ja mam pomysły na takie wielomilionowe inwestycje?

Podstawy działania mitochondriów

Na większości ilustracji mitochondria przedstawiane są jako pałeczkowate organelle, choć mogą przyjmować wiele kształtów. Są one bardzo elastyczne i mogą dzielić się na pół niczym bakterie lub łączyć się, tworząc skomplikowane struktury. Badania wykazały, że nie są one nieruchome, lecz nieustannie przemieszczają się tam, gdzie są potrzebne. Ich ruchy wydają się związane z siecią mikrotubuli (są niczym kości komórki, „cytoszkielet”, który nadaje komórce kształt) i najprawdopodobniej są transportowane przez białka motoryczne.

Komórki aktywne metabolicznie, tak jak te obecne w sercu, mięśniach i mózgu, zawierają tysiące mitochondriów. Komórka jajowa (oocyt) ma aż 100 tysięcy mitochondriów, natomiast plemnik – zaledwie poniżej 100. Krwinki czerwone i komórki skóry mają ich bardzo mało, a czasem wcale. Mitochondria stanowią do 10% wagi człowieka. Szacuje się, że w naszym organizmie jest ich około 10 milionów miliardów. Powiedzenie „w ilości siła” pasuje tu doskonale.

Ilustracja 1.1. Struktura pojedynczego mitochondrium o dwóch błonach; błona wewnętrzna jest wielokrotnie złożona, co znacznie zwiększa jej powierzchnię

Mitochondria były niegdyś bakteriami, a ich wygląd wciąż przypomina budowę tych organizmów. Jednak w przeciwieństwie do bakterii mitochondria są oddzielone od reszty komórki gładką i nieprzerwaną błoną zewnętrzną (zamiast ściany komórkowej). Błona wewnętrzna przypomina błonę bakterii, ale jest pofałdowana w tzw. grzebienie (zob. il. 1.1).

Grzebienie wielokrotnie zwiększają powierzchnię wewnętrznej błony. Ponieważ jest ona głównym miejscem produkcji energii, grzebieniowa struktura pozwala zmaksymalizować przestrzeń, na której odbywa się ten proces. Na tej błonie energia produkowana jest poprzez transport elektronów wzdłuż łańcucha cząsteczek. Ten łańcuch oddechowy, zwany łańcuchem transportu elektronów (ETC³), oraz rozmaite enzymy odpowiedzialne za syntezę energii znajdują się wewnątrz i na powierzchni wewnętrznej błony.

Wewnątrz błony, czyli w macierzy (po łacinie matrix, jak wspomniany wcześniej film), znajdują się enzymy cyklu kwasów trikarboksylowych (TCA), zwanego też cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego. Cząsteczki produkowane przez cykl TCA (NADH i FADH₂) trafiają do ETC; obydwa enzymy znajdują się blisko siebie, aby wszystko odbywało się płynnie i bez opóźnień.

Podstawy oddychania komórkowego i fosforylacji oksydacyjnej

Każde dziecko wie, że aby żyć, musimy oddychać i jeść, ale właściwe pytanie brzmi: „Dlaczego tak jest?”. Dlaczego (albo w jaki sposób) zapewnianie naszemu organizmowi tlenu i paliwa daje nam życiodajną energię? Oddychanie komórkowe to najważniejsza rola mitochondriów. Enzymy cyklu TCA oraz ETC łączą z tlenem (O₂) cząsteczki powstające w wyniku rozkładu pożywienia, co skutkuje produkcją energii. Mitochondria to jedyne miejsce w komórce, gdzie tlen może łączyć się z cząsteczkami pochodzącymi z pożywienia w celu zapewnienia komórce energii.

Na ogół takie wyjaśnienie powinno wystarczyć, lecz aby zrozumieć implikacje związane ze stanem naszego organizmu i powstawaniem chorób, należy wnikliwiej wgłębić się w to zagadnienie. W końcu to właśnie dlatego sięgnąłeś po tę książkę. Zacznijmy od początkowych etapów metabolizmu glukozy, zwanego glikolizą, która zachodzi w cytozolu. To w tym miejscu w wyniku serii reakcji glukoza zamieniania jest na związek chemiczny o nazwie pirogronian. Zostaje on następnie przetransportowany do macierzy mitochondrialnej, gdzie w wyniku kolejnych reakcji zamieniany jest na acetylo-CoA. Wtedy zaczyna się prawdziwa magia, ponieważ acetylo-CoA to początek cyklu TCA, w którym następuje końcowa optymalizacja ekstrakcji energii z pożywienia, a co za tym idzie – produkcja dwutlenku węgla (CO₂, który wydychamy) oraz dwóch rodzajów cząsteczek energetycznych: NADH i FADH₂. Rozkład kwasów tłuszczowych również skutkuje produkcją acetylo-CoA, który także przechodzi przez cykl TCA.

Ilustracja 1.2. Proces produkcji energii w mitochondriach przypomina zasady działania elektrowni wodnej. Gdy woda (protony) wypełnia zbiornik (przestrzeń międzybłonowa), przy którym zbudowano zaporę (błona wewnętrzna), powstaje ciśnienie. Dzięki niemu woda wpływa do kanału w tamie i napędza turbiny, produkując energię hydroelektryczną

Kolejna faza to fosforylacja oksydacyjna, która zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondrium. Naładowane energią elektrony z NADH i FADH₂ przemieszczają się za pomocą różnego rodzaju nośników w ETC i ostatecznie reagują z tlenem, dając wodę. Wraz z każdym kolejnym etapem ETC energia uwalniana z reakcji zachodzących w trakcie transportu wykorzystana jest do przemieszczenia protonów (atomów wodoru) z macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Dzięki temu powstaje wysokie stężenie protonów między błonami i niskie stężenie w macierzy. Różnica stężeń (zwana gradientem) to zmagazynowana potencjalna energia. Protony stłoczone w przestrzeni międzybłonowej chcą płynąć „z nurtem rzeki”, czyli do macierzy, a robią to za pomocą specjalnych kanałów, co z kolei prowadzi do powstawania adenozynotrifosforanu (ATP), uniwersalnej cząsteczki energetycznej wykorzystywanej przez komórki. Możesz to sobie wyobrazić jako proces pompowania wody (protonów) do zbiornika (przestrzeni międzybłonowej) przy tamie (błonie wewnętrznej). Gdy woda wypływa kanałem w zaporze, wykorzystywana jest do napędzania turbin produkujących energię hydroelektryczną (zob. il. 1.2).

To bardzo wydajny proces wykorzystujący zawartą w pożywieniu energię do produkcji ATP. Aby przeżyć (czyli móc oddychać i jeść), nasz organizm musi po prostu dostarczyć mitochondriom substancji potrzebnych do produkcji energii. Z pewnego (dość przygnębiającego i redukcjonistycznego) punktu widzenia żyjemy tylko po to, aby utrzymywać przy życiu nasze mitochondria.

Dalsza część rozdziału dostępna w pełnej wersji

¹ Nie mam tu na myśli bilionów bakterii żyjących wewnątrz i na powierzchni ludzkiego ciała ani tak zwanej mikrobioty, która według najnowszych badań nie tylko w istotny sposób wpływa na nasze zdrowie, ale w praktyce stanowi nieodłączną część naszego organizmu (przypis autora).

² Przekład Anny Wichlińskiej-Kacprzak (wszystkie przypisy od tego miejsca pochodzą od tłumacza).

³ Ang. electron transport chain.