том, что эволюция стремится избавиться от всего, что не является необходимым или не дает преимущества для выживания или размножения. Если в ходе эволюции организмы перестают нуждаться в каком-либо признаке, он перестает быть объектом отбора и в конечном счете исчезает. Вторая причина заключается в том, что новые гены и признаки должны развиваться совместно с уже существующими генами и признаками и адаптироваться к ним. Митохондрии появились в эукариотических клетках первыми. Изначально это была всего лишь одна бактерия и одна внешняя клетка. Со временем развилось ядро и другие органеллы. Как бы ни были важны эти другие органеллы, митохондрии были там первыми. Вероятно, они повлияли на развитие других частей клетки и стали незаменимыми. На самом деле без митохондрий попросту невозможна нормальная работа других элементов клетки.

Современные митохондрии

Митохондрии больше не способны воспроизводить себя вне эукариотической клетки. У человека эти органеллы перенесли бо́льшую часть своей ДНК в ядро клетки, где находится ДНК человека. Существует около 1500 митохондриальных генов, которые сейчас встроены в ДНК человека. Они отвечают за производство белков, которые необходимы для создания или обслуживания митохондрий, и эти белки являются общими для всех митохондрий в клетке. Тем не менее митохондрии не отказались от всей своей ДНК. Каждая из них по-прежнему несет в себе 37 генов. Отдельные органеллы могут использовать эту ДНК автономно – таким образом, они сохраняют некоторую степень независимости как друг от друга, так и от клетки, в которой находятся. Это крайне необычное явление в биологии, и его цели остаются предметом споров. Как бы то ни было, суть в следующем: митохондрии и человеческие клетки теперь на 100 % привязаны друг к другу. Они попросту не могут друг без друга выжить.

Митохондрии очень маленького размера. В среднем в каждой человеческой клетке их количество составляет от 300 до 400 (3). Таким образом, во всем человеческом организме насчитывается порядка 10 миллионов миллиардов митохондрий. Несмотря на свой крошечный размер, они составляют около 10 % веса нашего тела.

Одна клетка с высоким уровнем обмена веществ (например, в мозге), может содержать тысячи митохондрий, при этом они составляют более 40 % объема клетки.

Митохондрии постоянно при деле. Хотя небольшое количество АТФ может вырабатываться и без них в результате гликолиза, митохондрии производят львиную долю АТФ, особенно для клеток мозга. У взрослого человека они производят около 9 × 1020 молекул АТФ каждую секунду (4). Одна группа исследователей изучила клетки мозга с помощью специальных методов визуализации и обнаружила, что один нейрон в человеческом мозге использует около 4,7 миллиарда молекул АТФ каждую секунду (5). Это очень много АТФ!

Митохондрии двигаются. Это довольно недавнее открытие, основанное на новых методах изучения живых клеток (6). Когда рассматриваешь под микроскопом мертвую клетку, то в ней ничего не движется, так что легко понять, почему исследователи даже не догадывались о возможной подвижности митохондрий. Другие органеллы, как правило, неподвижны. Было крайне неожиданно обнаружить, что митохондрии перемещаются по живым клеткам. Ссылки на видео с движущимися митохондриями вы можете найти в статье PLOS Biology в примечаниях (7). В интернете полно и других видеозаписей. Внутри клетки существует сеть микротрубочек и нитей, которую часто называют цитоскелетом, – именно ее митохондрии и используют для своего движения. В перемещении митохондрий участвует множество механизмов, которые выходят за рамки данной книги, однако суть проста – некоторые органеллы способны перемещаться (8). Между тем не все митохондрии движутся – пока одни перемещаются, другие остаются на месте.

Зачем они двигаются? Зачастую они направляются в те места клетки, где что-то происходит и где требуется энергия. Энергия должна вырабатываться в нужном количестве, в нужном месте, в нужное время, и она проходит через невообразимо быстрый процесс переработки, в котором участвуют митохондрии. Митохондрии, которые не двигаются, остаются в местах, где постоянно что-то происходит, – либо рядом с фабриками, где производятся белки (рибосомы), либо в синапсах, где происходит много активности, что является очень важным фактом, имеющим отношение к работе мозга. Исследователи, рассматривающие клетки мозга под микроскопом, уже несколько десятилетий знают, как определить, где находятся синапсы, – они ищут митохондрии.

Митохондрии постоянно заняты переработкой. АТФ – это энергетическая валюта человеческих клеток. Когда она используется в качестве энергии, фосфатная группа удаляется, в результате чего она превращается в аденозиндифосфат, или АДФ. Этот АДФ уже не может дать много энергии, но, если к нему снова добавить фосфатную группу, он будет как новенький. Именно этим и занимаются митохондрии. Они берут АДФ и превращают его обратно в АТФ, присоединяя фосфатную группу, а затем передают его в цитоплазму клетки для использования. Они вырабатывают одну молекулу АТФ и одновременно перерабатывают одну молекулу АДФ. Если в какой-то части клетки идет активная деятельность, там непременно найдутся митохондрии. Они должны обеспечивать АТФ, но они также всасывают весь АДФ и перерабатывают его.

Митохондрии можно сравнить с крошечными пылесосами, которые рыщут по клетке, всасывая в себя АДФ и перерабатывая его в АТФ.

Помните, я говорил, что в одной клетке мозга каждую секунду используются миллиарды молекул АТФ? Так вот, если в нужном месте и в нужное время не окажется пары митохондрий (ну… может быть, и больше), которые будут доставлять АТФ и перерабатывать АДФ, вся работа может быстро встать.

Между тем движение митохондрий важно не только для того, чтобы обеспечивать необходимый уровень энергии. Оно также связано с взаимодействием митохондрий с другими органеллами и друг с другом. Эти взаимодействия играют важнейшую роль почти для всех функций клетки и даже для экспрессии генов.

Чтобы продемонстрировать роль митохондрий, мне нужно предварительно ознакомить вас с некоторыми важными принципами работы нейронов. Каждая клетка выполняет очень сложные функции, тем более когда речь идет о нейронах, однако всегда имеются определенные базовые механизмы, которые непосредственно регулируются митохондриями. Их понимание поможет мне связать обмен веществ и работу митохондрий с определенными функциями клеток мозга. В следующей главе я подробно объясню, как именно все симптомы психических заболеваний напрямую связаны с митохондриями и обменом веществ.

У нейронов есть так