Глава 6. Неремонтируемое: что химия отказывается чинить

К части II. Термодинамическая рамка. Маркеры на полях: (Ф) факт · (М) модель · (Г) гипотеза · (БП) белое пятно

6.1. Почему чинится не всё

Глава 5 сняла ложный запрет: второе начало не препятствует бесконечному поддержанию открытой системы. Значит, если что-то не чинится, причина не в термодинамике вообще, а в чём-то более частном.

Причин может быть две.

Не выгодно. Организм мог бы чинить, но ресурсы выгоднее потратить на размножение. Это одноразовая сома Кирквуда, и она разбирается в главе 16. Здесь речь не о ней.

Не может. Есть повреждения, для которых починка не существует как операция — не потому, что не нашлось фермента, а потому, что нечего сравнивать и не с чем сверять.

Эта глава — про второй случай. Он важен для книги по двум причинам. Во-первых, он даёт первое конкретное наполнение того, что в части III станет правилом образца, — и приходит оно не из биологии, а из химии. Во-вторых, именно этот класс повреждений оказался, как выяснится в главе 21, самой заброшенной областью всей геронтологии.

6.2. Опознание и исправление — две разные задачи

Начнём с различения, без которого дальнейшее рассыпается. Оно чисто техническое и обычно проговаривается неявно.

Чтобы починить, нужно сделать два дела:

Опознать ошибку — понять, что данный элемент неправилен. Исправить — поставить на его место правильный.

Это разные задачи, и они требуют разной информации.

Посмотрите, как их решает репарация ДНК. Урацил в ДНК распознаётся ферментом сам по себе: урацилу там не место, и это видно по химии, без всякой сверки со второй цепью (Ф). Фермент вырезает его. А вот что поставить взамен — из химии не следует: тут нужна комплементарная цепь, и полимераза достраивает участок по ней (Ф).

Опознание бывает беспредметным. Исправление — никогда.

Опознать можно по внутренним признакам: испорченная молекула часто химически отличима от исправной. Восстановить исходное состояние без образца нельзя, потому что «исходное» — не свойство молекулы, а факт о прошлом.

Это различение объясняет всё содержание главы. Дальше мы увидим, что для многих повреждений опознание в принципе возможно — а исправление доступно ровно одним способом: выбросить молекулу и синтезировать новую по гену. То есть через оборот. И там, где оборота нет, нет и починки.

6.3. Рацемизация: время, записанное в белке

Аминокислоты, из которых собраны белки, существуют в двух зеркальных формах. Жизнь пользуется исключительно L‑формой. Но зеркальные формы имеют почти одинаковую энергию, и переход между ними идёт самопроизвольно — медленно, безостановочно, при любой температуре (Ф).

Быстрее всех рацемизуется аспартат. В белках, которые обновляются, это неважно: молекула не доживает до заметного накопления. В белках, которые не обновляются, D‑форма копится ровно пропорционально прожитому времени.

Где это происходит. Кристаллины хрусталика — синтезируются до рождения и не заменяются никогда (Ф). Эластин аорты — время полуобмена порядка человеческой жизни (Ф). Коллаген хряща. Дентин зуба.

Насколько регулярно. Настолько, что по содержанию D‑аспартата в дентине определяют возраст человека с точностью в несколько лет — это рутинный судебный метод (Ф). Тем же приёмом устанавливают возраст гренландского кита, и родственным — гренландской акулы (гл. 18).

Задержимся на этом. Возраст долгожителя измеряют по накопившемуся в нём непоправимому. Метод работает именно потому, что починки нет: будь она, часы сбивались бы.

Почему не чинится. Проведём разбор по §6.2.

Опознание. D‑аспартат химически отличим от L‑аспартата — по крайней мере, в принципе фермент мог бы его различать.

Исправление. А вот здесь тупик. Ничто в молекуле не помечает, что она была L. Клетка не хранит записи о том, какими были остатки. Единственный способ вернуть исходное — разобрать белок и собрать заново по гену. То есть оборот, которого в этих тканях нет.

Важная поправка, которую следует привести против собственного довода. Полностью беспомощной клетка не является. Существует фермент, чинящий родственное повреждение — изоаспартат, возникающий при деамидировании и изомеризации: он возвращает остаток в правильную форму (Ф). Мыши без этого фермента живут недолго и погибают от судорог (Ф).

То есть эволюция сумела решить одну частную задачу этого класса — и решение потребовало отдельного специализированного фермента для одного конкретного химического события. Общего решения нет и, по-видимому, быть не может: каждое повреждение потребовало бы своего фермента, а число возможных повреждений велико.

6.4. Гликирование: сахар как клей

Второй член класса и самый практически значимый.

Глюкоза — молекула реакционноспособная. Она неферментативно присоединяется к аминогруппам белков, и дальше цепочка превращений идёт сама собой: сначала обратимые продукты, затем перестройки, затем конечные продукты гликирования, часть которых сшивает две белковые цепи ковалентной связью (Ф). Химикам эта последовательность известна как реакция Майяра — та самая, что даёт корочку на жареном мясе.

Главная сшивка человека — глюкозепан; её содержание в коллагене растёт многократно с возрастом и ещё сильнее при диабете (Ф).

Что от этого происходит. Сшитый коллаген теряет податливость. Отсюда жёсткость артерий, твердеющий хрусталик, снижение эластичности тканей (Ф). Это не метафорическое «затвердевание с возрастом», а буквальное: соединительная ткань склеивается сама с собой.

Почему не чинится. И снова разбор по §6.2 с той же поправкой против себя.

Ранние, обратимые стадии клетка чинит: есть фермент, снимающий ранние аддукты (Ф). Конечные сшивки — не чинит.

Оговорка о силе связи. Накопление глюкозепана с возрастом измерено, и превосходство его над прочими конечными продуктами гликирования на два-три порядка тоже ★. А вот связь «сшивка → жёсткость» установлена как соответствие, а не как механизм: обзорная литература прямо отмечает, что о механизмах влияния глюкозепана на жёсткость и растворимость свидетельств нет ★. Картирование сшивок в кортикальной кости человека показало, кроме того, различия по участкам и лишь слабую связь с прочностью ★.

Для довода главы этого достаточно: он требует, чтобы конечные сшивки не разбирались, а не чтобы они объясняли всю возрастную жёсткость. Но приписывать им наблюдаемую жёсткость целиком нельзя (М).

Складывается закономерность, общая с §6.3:

Ремонт существует для ранних обратимых форм и отсутствует для конечных необратимых (Г).

Закономерность не случайна, и объяснение ей даёт следующий параграф.

Практическая сторона: попытки создать препараты, расщепляющие сшивки, идут третье десятилетие. Первое поколение клинически провалилось; ферментативные подходы остаются доклиническими (Ф). Об этом — глава 21.

6.5. Амилоид: дно

Третий член класса и самый общий из всех.

Утверждение. Амилоидное состояние — упорядоченная укладка полипептидных цепей в кросс‑β структуру — доступно практически любому белку и является для полипептидной цепи глубоким энергетическим минимумом. Нативная укладка белка — не дно, а метастабильная яма выше по склону (Ф).

Вдумаемся, что это значит. Ваши белки свёрнуты не в самое устойчивое состояние из возможных. Они удерживаются в рабочей конформации, тогда как термодинамика тянет их в другую — нефункциональную, нерастворимую и очень стабильную.

Следовательно, агрегация — не поломка. Это дно, к которому всё скатывается, если ждать достаточно долго. Болезнь не в том, что белки агрегируют; удивительно, что они этого обычно не делают.

Как клетка держится. Шаперонами, деградацией, изоляцией агрегатов, контролем концентраций — целой сетью, обозначаемой словом протеостаз. Все эти механизмы кинетические: они не меняют того, где находится дно, они замедляют сползание. И все они стоят энергии и мощностей, а с возрастом ослабевают (Ф).

Здесь объясняется закономерность §6.4. Ранние стадии обратимы, потому что они мелкие ямы — из них можно вытолкнуть умеренным усилием. Конечные формы — глубокие ямы: расщепление глюкозепана или разборка амилоидной фибриллы требует энергии и химии, которых у клетки нет. Не то чтобы фермент не изобрелся; изобретаться пришлось бы против крутого склона.

Это, по-видимому, самая точная физическая формулировка всей проблемы старения:

Жизнь удерживает метастабильное состояние против более глубокого аттрактора и способна делать это только кинетически — то есть тратя.

Оговорка, снижающая силу слова «дно». Метафора глубокой ямы верна термодинамически и обманчива кинетически. На мышиной модели транстиретинового амилоидоза подавление печёночного синтеза предшественника не только останавливало отложение, но способствовало рассасыванию уже накопленного, и степень рассасывания зависела от глубины подавления ★. Значит, у организма средства для разбора отложений какие-то есть; чего у него нет — так это способности угнаться за производством. Отложение в таком прочтении есть не застывший осадок, а равновесие между поступлением и медленной уборкой, смещённое в сторону поступления.

Насколько это переносится с наследственного ATTR на прочих членов класса — неизвестно, и для сшивок коллагена, где предшественником служит сама глюкоза, ход неприменим по построению (БП). Но формулировку «разобрать нечем» следует заменить на более осторожную: разобрать нечем достаточно быстро. Практическое следствие разобрано в §21.6.

Подслой, зависящий от обмена, и подслой, не зависящий ни от чего

Здесь требуется различение, которого не было в первом изложении и которое подсказано неожиданным источником — реставрационной наукой.

Мёртвый коллаген тоже стареет. Пергамент и выделанная кожа изучены подробно, и картина там противоположная: длительное естественное старение коллаген дестабилизирует, вызывает частичную утрату дубления, разворачивание молекул и в пределе желатинизацию. Прямо сказано, что старение снижает сшивание, разрыхляя матрицу ★.

Живая ткань с возрастом стягивается. Мёртвая — распускается.

Оговорка, добавленная при поздней проверке по литературе. Первая половина этого контраста оспорена, и оспорена работой той же области. На хвостовом сухожилии мыши суммарный уровень сшивания коллагена с возрастом снижался, тогда как гликирование лизина резко росло; авторы прямо предлагают пересмотреть консенсус о росте сшивания с возрастом. Если это подтвердится широко, то «живая стягивается» верно лишь для той доли сшивок, что имеет неферментативное происхождение, а суммарная картина ближе к мёртвому коллагену, чем предполагалось. Различение двух подслоёв от этого не страдает — оно проводится по источнику реагента, а не по знаку эффекта, — но контраст с пергаментом как довод ослабевает: он держится на утверждении, которое само оспаривается.

Объяснение простое, и оно требует правки. В живой ткани непрерывно присутствует глюкоза, и реакция Майяра идёт постоянно. В сухом артефакте сахара нет, и там правят гидролиз с окислением — они режут, а не сшивают.

Значит, внутри неремонтируемого есть два подслоя (М):

Зависящий от обмена. Гликирование и сшивки. Идут потому, что вас кормят. Это химия не времени как такового, а продолжающегося метаболизма. Прекратится обмен — прекратится и накопление.

Не зависящий ни от чего. Рацемизация. Идёт в живом теле и в сухом пергаменте одинаково, при любых условиях, пока держится температура. Чистое время.

Амилоид и липофусцин занимают промежуточное положение: субстрат поставляется обменом, а сама укладка идёт самопроизвольно.

Приоритет. Различение это не ново, и путь к нему, как выяснилось при проверке, был проторён раньше и с другой стороны. Литература по рацемизации выросла из аминокислотной геохронологии — датирования осадков, костей и эмали, — то есть из той же реставрационно-археометрической традиции, через которую сюда пришли и мы. Связь показаний рацемизации с возрастом белка через оборот ткани установлена там прямо: белки с высоким оборотом обмениваются раньше, чем накопится заметное количество D-аспартата ★. Категория метаболически инертных белков известна с 1961 года ★. С другой стороны, неферментативные сшивки в литературе описываются как образуемые реактивными молекулами, омывающими ткань, — то есть поставляемыми обменом ★. Обе половины различения заняты; пометка понижена с (Г) до (М) соответственно.

Практическое следствие. Первый подслой в принципе управляем — на него влияют уровень глюкозы, скорость обмена, температура. Второй неуправляем ничем. Прежняя формулировка их смешивала и потому была излишне пессимистична в одной половине и излишне оптимистична в другой.

6.6. Сводка класса

Последняя строка приведена ради контраста: там, где эталон есть — а у митохондриальной ДНК есть множество копий и механизм выбраковки органелл, — ситуация принципиально лучше (Ф). Это подтверждает общее правило от противного.

6.7. Единственная защита — оборот. И чем за неё платят

Соберём.

Все члены класса — самопроизвольные реакции, идущие под гору, для которых нет фермента, идущего в гору. Опознать повреждение иногда можно; исправить — нельзя (§6.2). Значит, остаётся один универсальный приём:

Выбросить молекулу до того, как повреждение накопится, и синтезировать новую по гену.

Оборот. Ген — это эталон, к которому всегда можно обратиться; он один и хранится надёжно (гл. 9). Пока ткань обновляется, неремонтируемое не успевает накопиться, потому что носители не доживают.

И различение, без которого «оборот» читается неверно. Оборот — не разновидность ремонта, а операция другой природы.

Починка есть устранение расхождения с образцом: требует, чтобы образец был доступен, и работает с той самой молекулой, которую чинит.

Производство по чертежу: старая молекула выбрасывается целиком, новая строится по гену. С прежней ничего не делают — её просто нет.

Отсюда следствие, важное для всей книги: обновление тканей не есть борьба с каким-либо естественным направлением. Оно идёт даром и круглосуточно — порядка трёхсот восьмидесяти миллиардов клеток в сутки (§15.1), — потому что чертёж есть, и производство по нему ничем не затруднено.

Тело не чинит — оно строит заново там, где есть чертёж, и не может ничего там, где чертежа нет (Г).

Значит, различение проходит не по линии «разрушать легче, чем собирать» — такая формулировка неверна и опровергается самим фактом ежедневного обновления, — а по линии «есть чертёж или нет».

Отсюда прямое следствие: неремонтируемое накапливается ровно там, где оборота нет. Сверьтесь с таблицей главы 1 — совпадение полное. Кристаллины, эластин, дентин, постмитотические нейроны.

Теперь — вопрос, который эта глава обязана задать, и он выводит её за рамки химии.

Почему эти ткани не обновляются?

Для хрусталика ответ оптический: прозрачность требует плотной упаковки белка без органелл, а значит без синтеза (Ф). Для эластина — механический: волокно укладывается в развитии и должно держать структуру.

А для нейронов ответ иной, и он и есть суть дела.

Нейрон коры не обновляется, потому что в нём записана память. Заменить нейрон — значит стереть то, что он хранит; заменить популяцию нейронов — значит стереть личность. И это не абстракция: в нейронах обнаружены белки, живущие столько же, сколько само животное, — компоненты ядерных пор и гистоны, которые никогда не заменяются (Ф). В вашей голове есть молекулы вашего возраста.

Мозг не обновляется потому, что обновление уничтожило бы содержимое. И потому он платит необратимой химией (Г).

Это правило образца в его самом физическом изводе, сформулированное за шесть глав до того, как книга дойдёт до его формулировки. Обмен между сохранением информации и ремонтопригодностью присутствует уже здесь — на уровне аминокислот, без всякой теории информации.

И встречный вопрос, на который отвечает глава 15. Сказанное объясняет, почему стареет то, что не обновляется. Остаётся половина тела, которая обновляется исправно, — и она тоже стареет. Разбор этого случая требует понятий о судьбах клетки, которых здесь ещё нет: он в §15.12.

6.8. Что отсюда следует для вмешательств

Три вывода, забегающих в часть V.

Первый: этот слой не поддаётся тем средствам, которые сейчас работают. Репрограммирование (гл. 13) переписывает эпигенетический рельеф. Оно не расщепляет глюкозепан, не возвращает D‑аспартат в L‑форму и не разбирает амилоидную фибриллу (Ф). Омоложенная по часам клетка остаётся со своими сшивками.

Второй: значит, слоёв как минимум два, и они независимы. Это довод в БП‑3 — против представления о едином корне старения (гл. 17).

Третий: этот слой требует химии, которой в организме нет. Не отладки существующего механизма, а изобретения нового — фермента или реагента, расщепляющего конкретную стабильную связь без вреда для окружающего. Задача органической химии и белковой инженерии, а не молекулярной биологии. Долгое отсутствие движения (гл. 21) объясняется, однако, не невниманием специалистов, а тем, что главную мишень нельзя было изучать: полный синтез глюкозепана достигнут только в 2015 году ★.

6.9. Статус главы

Что установлено фактически. Рацемизация аспартата в необновляемых белках и её судебное применение (Ф). Глюкозепан как основная сшивка человеческого коллагена (Ф); связь сшивок с жёсткостью тканей — как соответствие, а не установленный механизм (М), оговорка §6.4. Амилоидное состояние как общедоступный глубокий минимум (Ф). Существование частных ремонтных ферментов для изоаспартата и для ранних продуктов гликирования (Ф). Наличие в нейронах белков, живущих столько же, сколько организм (Ф).

Что предложено книгой. Различение опознания и исправления как двух задач, требующих разной информации (Г). Закономерность «ремонт для обратимых форм, отсутствие ремонта для конечных» с термодинамическим объяснением через глубину ямы (Г). Тезис §6.7: неремонтируемое копится там, где нет оборота, а оборота нет там, где хранится незаменимое (Г).

Чем глава сильна. Она даёт правилу образца воплощение, не зависящее от теории информации: обмен между хранением и ремонтопригодностью виден на уровне химии аминокислот. Если формализация главы 14 не удастся — а она не удастся, — этот химический извод останется.

Чем слаба. Главный вопрос — какую долю старения даёт этот слой — не решён и здесь не решается (БП). Возможно, необратимая химия есть основная причина, и тогда весь энтузиазм вокруг репрограммирования направлен не туда. Возможно, она даёт малую долю, и тогда глава описывает второстепенное явление с большой обстоятельностью. Данных, разделяющих эти возможности, нет; это часть БП‑3 и, вероятно, самая практически важная её часть.

Отдельная оговорка о рамке. Глава показывает, что ряд повреждений не чинится имеющимися средствами и что для некоторых из них починка требовала бы преодоления крутого термодинамического склона. Из этого не следует, что починка невозможна для внешнего вмешательства с собственным источником энергии и произвольной химией. Термодинамика запрещает бесплатное, а не всякое.

Связки

• Назад к гл. 1: таблица необновляемых тканей получает здесь объяснение; совпадение «не обновляется = хранит неповторимое» перестаёт быть загадкой.
• Назад к гл. 5: второе начало не запрещает поддержания; запрет, если он есть, лежит в отсутствии конкретных механизмов, а не в общем законе.
• Вперёд к гл. 9: различение опознания и исправления (§6.2) там показано на репарации ДНК как образцовом случае, где решены обе задачи.
• Вперёд к гл. 12: тезис §6.7 обобщается: не только химия, но и информация копится там, где нет оборота, и по той же причине.
• Вперёд к гл. 17: независимость этого слоя от эпигенетического — главный довод против единого корня старения.
• Вперёд к гл. 18: возраст гренландских кита и акулы измеряют по накопившемуся в них непоправимому.
• Вперёд к гл. 21: застой этого слоя и его настоящая причина — недоступность мишени для изучения до недавнего времени.
• Открытые пятна: БП‑3 (доля этого слоя в общей картине старения — самое практически важное неизвестное книги); БП‑8 (рацемизация есть чистый износ, и это единственное место, где дихотомия «программа или износ» имеет ясный ответ).