Клеточное чувство кислорода
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Уильяму Кэлину-младшему (США), Питеру Рэтклиффу (Великобритания) и Греггу Семензе (США) за открытие механизмов, посредством которых клетки адаптируются к изменениям концентрации кислорода
Нынешняя Нобелевская премия по физиологии и медицине кажется на редкость понятной: её дали исследователям, которые описали, как клетки реагируют на недостаток кислорода. Нам ли не знать, что такое нехватка кислорода: достаточно пробежать на скорость сотню метров, чтобы почувствовать это каждой клеточкой тела. Но, как обычно в природе бывает, давно знакомое и всем привычное оказывается довольно сложным, стоит только присмотреться к нему повнимательнее.
Кислород нужен человеку и животным для того, чтобы получать энергию. Энергия необходима клеткам, чтобы синтезировать белки, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы, чтобы строить внутриклеточные органеллы, чтобы размножаться и жить. Энергию мы получаем из пищи — из углеводов, жиров, белков. Клетки расщепляют их до более простых соединений, и в конце концов питательные вещества оказываются в митохондриях — клеточных органеллах, где окисляются кислородом. Эти окислительные реакции называются клеточным дыханием. (Немецкий биохимик Отто Варбург, который изучал ферменты клеточного дыхания, получил за свои исследования Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1931 году.) Энергия, высвобождаемая при окислении, запасается в химических связях макроэргических молекул, в первую очередь в связях аденозинтрифосфата (АТФ). Макроэргические химические связи легко разорвать, направив высвободившуюся энергию на нужный процесс. То есть кислород нужен для того, чтобы обеспечить клетки энергией в доступной форме. Конечно, есть и другие биохимические процессы, которые не могли бы идти без кислорода, но энергетические реакции в митохондриях среди них самые главные — по крайней мере в клетках животных. И раз кислород настолько важен, должны быть механизмы, которые позволяли бы следить за его концентрацией и помогали бы организму как-то приспосабливаться, если кислорода вдруг начинает не хватать.
Дефицит кислорода обычно ассоциируется с экстремальными условиями, например с подъёмом высоко в горы. Но на самом деле содержание кислорода меняется постоянно в разных тканях в зависимости от того, как работают их клетки. Если клетка усердно трудится, то и кислорода она будет потреблять много. Самый простой пример — тяжёлая физическая работа, ведь при мышечных усилиях тоже тратится энергия. При физических нагрузках требуется, с одной стороны, быстро отрегулировать метаболизм, чтобы не дать клетке умереть от недостатка энергии (то есть нужно «прикрутить» энергоёмкие процессы), а с другой стороны, по возможности усилить приток кислорода. И мы все хорошо знаем, каким способом тело усиливает приток кислорода к тканям: учащённым дыханием. За исследования этого механизма, кстати, тоже дали Нобелевскую премию: в 1938 году, бельгийскому физиологу Корнею Хеймансу. Он вместе с коллегами показал, как недостаток кислорода в крови действует на рецепторы в сонных артериях и как сигнал от рецепторов, названных каротидными тельцами, идёт по нервам в мозг, а мозг уже стимулирует дыхание.
Но одним учащением дыхания не обойтись. Чтобы донести кислород из лёгких в ткани, требуются гемоглобин и эритроциты. О том, что уровень эритроцитов в крови зависит от некоего гормона, физиологи говорили ещё в начале XX века. Гормон получил название «эритропоэтин». Удалось выяснить, что он синтезируется специальными клетками почек (позднее установили, что это происходит также в печени и мозге) и стимулирует формирование эритроцитов в костном мозге. К середине 80-х годов XX века удалось экспериментально показать, что гипоксия стимулирует ген эритропоэтина в клетках почек.