«Дышите – не дышите»

Голые землекопы выдерживают без кислорода восемнадцать минут.

Голых землекопов трудно назвать обаятельными существами, но у специалистов они пользуются огромной популярностью. Во-первых, эти грызуны живут очень долго: голый землекоп может прожить 28–31 год, что в десять раз дольше, чем живет обычная крыса. Во-вторых, они не болеют злокачественными опухолями. В-третьих, они нечувствительны к некоторым видам боли.

Есть у землекопов еще одно необычное свойство – они легко переносят нехватку кислорода. Причем «нехватка» – еще слабо сказано: в статье в Science говорится, что они могут выдерживать без кислорода целых восемнадцать минут. Обычная мышь, которая по размерам примерно такая же, как и землекоп, погибает без кислорода очень быстро, всего за одну минуту. Землекопы же теряют сознание, их сердечный ритм замедляется с 200 ударов в минуту до 50, но потом, когда кислород снова появляется, они приходят в себя, причем после этого у них нет никаких непоправимых физиологических изменений.

Гэри Льюин (Gary Lewin) из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка, давно изучающий землекопов, и его коллеги из Иллинойсского университета в Чикаго и ряда других научных центров выяснили, что обходиться минимумом кислорода землекопы могут благодаря своеобразному биохимическому фокусу.

Как известно, кислород нужен для получения энергии. Основным источником энергии служит глюкоза; если ее мало, печень сделает ее из аминокислот или из глицерина (который, в свою очередь, можно получить из жиров-триглицеридов). Когда клетка расщепляет молекулу глюкозы, чтобы извлечь содержащуюся в ее химических связях энергию, то глюкоза сначала проходит через длинную цепочку биохимических реакций, называемую гликолизом. На этом этапе глюкоза расщепляется до остатка пировиноградной кислоты, или пирувата. Если кислород есть, то пируват отправляется в цикл Кребса, где с помощью кислорода и огромного количества ферментов окисляется до углекислого газа.

Если же кислорода нет, то пировиноградная кислота, образовавшаяся в результате гликолиза, превращается в молочную кислоту, или лактат. Молочная кислота подавляет реакции гликолиза, так что в бескислородных условиях клетка быстро погибает – ее биохимическая фабрика по производству энергии останавливается. Некоторые микробы, приспособившиеся жить в анаэробных, то есть бескислородных, условиях, нашли здесь разные обходные пути, но обычная, «среднестатистическая» животная клетка без кислорода не выживет – ее задушат продукты гликолиза.

Фокус же голых землекопов состоит в следующем. Исследователи обратили внимание на то, что в крови у грызунов, которые перенесли нехватку кислорода, резко повышен уровень двух углеводов: фруктозы и сахарозы (чья молекула состоит из глюкозы и фруктозы). С другой стороны, в отличие от прочих млекопитающих, у голых землекопов оказалось необычайно много транспортного белка GLUT5, который занимается как раз тем, что переносит фруктозу в клетки. Фруктоза может войти в реакции гликолиза, но перед этим с ней нужно проделать определенные манипуляции с помощью специального фермента, которого у землекопов тоже оказалось довольно много.

Гликолитическое расщепление углеводов – это длинная цепочка реакций, и молочная кислота подавляет начальные ее стадии. Но фруктоза входит в цепочку гликолиза не в начале, а на более поздних стадиях – ферменты этих поздних стадий вполне могут работать, не обращая внимания на молочную кислоту. Иными словами, голые землекопы просто меняют энергетический ресурс на тот, которым можно пользоваться в бескислородных условиях. В целом гликолиз сам по себе дает не слишком много энергии, и без остальных этапов энергетического окисления животные обойтись не в состоянии, однако пережить критические условия на одном только гликолизе вполне можно.

Разумеется, в природе землекопы вряд ли сталкиваются с полным отсутствием кислорода. Однако живут они большими подземными колониями в несколько десятков и даже сотен особей, и на поверхность почти не выходят. На глубине двух метров, где грызуны обычно строят свои туннели и гнезда, кислорода не так уж много, особенно, если учесть, сколько особей приходится на одно гнездо. Так что биохимическая уловка с фруктозой оказывается для землекопов очень кстати. (На всякий случай уточним, что у любых животных фруктоза может поступать в гликолитические реакции, однако только землекопы «додумались» до того, чтобы спасаться от кислородного голодания, накачивая гликолиз фруктозой.)

На Земле есть и другие виды, которым приходится сталкиваться с недостатком кислорода, но в таких случаях речь идет либо о том, чтобы делать кислородные запасы, либо как-то временно обезвредить молочную кислоту – до той поры, когда кислорода снова станет много, и лактат можно будет спокойно утилизировать. Землекопы с их переходом на другой сахар в этом смысле оказались уникальны.

Возможно, в перспективе их «ноу-хау» можно будет использовать в медицине; например, переход на фруктозный гликолиз мог бы поддержать жизнеспособность клеток мозга или сердца во время инфаркта – вопрос только в том, как активировать соответствующие процессы в тканях человека.