Текст книги "Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость"

Экстремальный сигнал: плюс свободных радикалов

Что ж, теперь, после того как мы прошли по обходным дорогам научных рассуждений, у нас есть возможность сделать важный шаг к ответу на вопрос: зачем митохондриям вообще какие-либо гены? Давайте представим гипотетическую клетку, в которой находится тысяча митохондрий, каждая из которых включает в себя по десять тысяч ЭТЦ. Предположим, одна из этих митохондрий лишена достаточного количества комплексов IV – последних передатчиков электронов в электротранспортной цепи. Это значит, что в митохондрии процесс окислительного фосфорилирования останавливается, а в ЭТЦ возникает затор электронов. В результате электроны сбиваются с пути и формируют супероксиды, а сама митохондрия подвергается опасности необратимого разрушения. Логичным выходом из такого положения был бы синтез недостающих комплексов IV. Но как митохондрия сигнализирует о том, что ей требуется больше комплексов IV? В качестве такого сигнала выступают сами свободные радикалы. Несмотря на всю их вредоносность, именно они способны контролировать деятельность чувствительных к окислительно-восстановительным реакциям факторов транскрипции, которые активируются в ответ на окисление свободными радикалами. В свою очередь, эти факторы транскрипции вносят коррективы в генную активность, направленную на производство новых комплексов IV.

Некоторые из читателей могут спросить: откуда клетка знает, что активность свободных радикалов – это сигнал, указывающий на дефицит комплексов IV? В конце концов, низкая потребность в энергии или недостаток кислорода тоже могут стать причиной появления свободных радикалов! А ведь в обоих случаях синтез дополнительных комплексов IV не позволит исправить ситуацию. Дело в том, что клетка рассматривает сообщение от свободных радикалов в контексте общего положения вещей, так же как мы, люди, воспринимаем любое высказывание в ходе беседы, сопоставляя его с другими единицами информации. В нашем случае базовой единицей контекста является уровень концентрации АТФ в клетке. Недостаток комплексов IV в митохондриях приводит к падению уровня АТФ (работа ЕТЦ прекращается вместе с остановкой переноса электронов). Отсюда следует, что резкое увеличение количества свободных радикалов побуждает транскрипционные факторы активировать гены, синтезирующие комплексы IV, в том случае, если оно сочетается с падением уровня АТФ. И наоборот, если клетка фиксирует высокий уровень АТФ, сопровождаемый взрывным увеличением числа свободных радикалов, значит, требуется понижение протонного градиента (и, возможно, более активного синтеза разобщающих белков, о которых мы поговорим далее).

Представим на мгновение, что все гены находятся в ядре. После сигнала о «наступлении» свободных радикалов ядро посылает приказ об ускорении производства комплексов IV. Затем оно метит новорожденные белки с помощью других белков для того, чтобы они могли найти путь обратно в митохондрию. Однако все, чем могут помочь метки, – направить комплексы IV к митохондриям без знания о том, какие именно из потенциальных пунктов назначения нуждаются в них. Это похоже на ситуацию, при которой вы посылаете письмо другу в другой город без указания адреса. Вряд ли такое письмо дойдет до вашего друга. Кроме того, учитывая тот факт, что митохондрии находятся в состоянии постоянной турбулентности (они могут разрушаться, делиться на две или соединяться в одну), система не была бы особенно эффективной, даже если бы ядро передавало новым комплексам IV точный адрес их митохондрий: на момент прибытия к цели этот адрес вполне может исчезнуть!

Итак, в нашей гипотетической ситуации новые комплексы IV равномерно распределились бы среди всей тысячи находящихся в клетке митохондрий. В результате действительно нуждающаяся в них митохондрия, которая и посылала изначальный запрос, не получает нужного количества комплекса IV, а остальные получают ненужные им белки (и, соответственно, отправляют в ядро сообщение о прекращении синтеза комплексом IV). Мораль этого мысленного эксперимента такова: если митохондрии не контролируют собственную судьбу, то вся клетка неизбежно будет испытывать трудности с производством энергии.

Теперь рассмотрим другой сценарий, при котором гены, синтезирующие комплекс IV, находятся в митохондрии (как это и происходит в реальности). В этом случае сигнал о взрывном увеличении числа свободных радикалов и необходимости синтеза комплексов IV поступает прямо в митохондриальную ДНК, которая находится в непосредственной близости от источника сигнала (ответ приходит очень быстро). Собственные гены митохондрии инструктируют ее же рибосомы синтезировать больше комплексов IV, которые немедленно инкорпорируются в ЭТЦ, устраняя заторы в цепи переноса электронов и восстанавливая нормальный процесс окислительного фосфорилирования. Соответственно, если (когда) идет сигнал об остановке синтеза комплексов IV, он не выходит за пределы митохондрии, а реакция на него мгновенна.

Такие быстрые и локализованные процессы протекают в каждой из тысячи митохондрий нашей клетки: часть из них нуждается в новых комплексах I, часть – в новых комплексах III, а части нужно понизить протонный градиент. Поэтому, как бы дорого клетке ни обходилось содержание десятков тысяч копий митохондриальной ДНК, альтернатива окажется гораздо более затратной и, более того, опасной.

Давайте еще раз углубимся в дебри фундаментальной науки. Комплексы ЭТЦ состоят из большого количества отдельных белковых субъединиц, и не все эти субъединицы кодируются мтДНК. Из 46 субъединиц комплекса I, 4 субъединиц комплекса II, 11 субъединиц комплекса III и 13 субъединиц комплекса IV (всего 74 белковых субъединицы) только 13 синтезируются митохондриальной ДНК. Остальные все-таки кодируются ядерной ДНК. Отсюда следует, что комплексы ЭТЦ представляют собой микс белков, кодируемых двумя геномами.

Этот факт вновь заставляет нас задать вопрос: как митохондрии, сохранившие контроль только за частью генов, необходимых для производства комплексов ЭТЦ, контролируют свою судьбу? Данные современных научных исследований говорят о том, что комплексы ЭТЦ собирают себя вокруг некоторого количества критически важных белковых субъединиц. Эти субъединицы укореняются во внутренней мембране митохондрии и начинают работать в качестве магнита, притягивающего к себе остальные субъединицы в соответствии с определенной структурой. К счастью, митохондриальная ДНК кодирует именно базовые субъединицы, и, стало быть, митохондрии могут регулировать количество создаваемых комплексов ЭТЦ.

В силу того что клетка обладает множеством митохондрий (как мы помним, в некоторых клетках их сотни, а в других – тысячи), общее количество укореняемых во внутренней мембране базовых субъединиц остается приблизительно одним и тем же. Зеркально стабильной является и работа ядерной ДНК, а также общая скорость транскрипции, что позволяет каждой конкретной митохондрии контролировать скорость окислительного фосфорилирования в своих ЭТЦ, тогда как яДНК контролирует скорость производства энергии в клетке как целостной системе.

Однако мы не можем игнорировать тот факт, что все белковые субъединицы комплекса II (напоминаю, что их всего четыре) кодируются ядерной ДНК. Тем не менее это обстоятельство не отменяет приведенных выше фактов, потому что как комплекс I, так и комплекс II передают электроны комплексу III. Митохондрия может контролировать скорость окислительного фосфорилирования в своих ЭТЦ, управляя только синтезом комплексов I, III и IV. Комплекс II – единственный из всех переносчиков электронов, не выполняющий функцию протонного насоса. Из этого мы можем заключить, что в какой-то момент на длящемся миллиарды лет пути эволюции гены всех четырех субъединиц комплекса II были переданы в клеточное ядро, чтобы хотя бы немного облегчить генетическое бремя митохондрии и повысить ее энергетическую эффективность.

Мутации митохондрий: начало конца

Со временем мутации мтДНК накапливаются. Речь идет о безвозвратной потере нормальной последовательности ДНК, которая после этого кодирует дефектные белки, не выполняющие жизненно важные для клетки функции.

Если мутации затрагивают любой из белков в митохондриальной ЭТЦ, то скорость появления свободных радикалов возрастает и ситуация может быстро выйти из-под контроля. К сожалению, преимущество находится на стороне супероксидов, а они активно разрушают гены составляющих ЭТЦ белков. Это обусловлено тем, что мтДНК расположена рядом с участками особенно интенсивной генерации свободных радикалов. Кроме того, в отличие от ядерной ДНК, митохондриальная ДНК не защищена слоем гистонов; ее восстановительные механизмы очень несовершенны, и она не обладает «мусорной» ДНК (гены плотно упакованы рядом друг с другом, и поэтому любая мутация оказывает отрицательный эффект на всю микросистему). Разрушение входящих в мтДНК генов – лишь дело времени, а это неизбежно ведет к нарушению функционирования ЭТЦ и окислительного фосфорилирования.

Радикальный сигнал смерти

На первый взгляд кажется, что скорость утечки свободных радикалов из ЭТЦ соответствует скорости клеточного дыхания, но это не так. Конечно, потребность в энергии и ее потреблении, работа разобщающих белков и другие переменные, привязанные к скорости клеточного дыхания, оказывают влияние на скорость выделения свободных радикалов, но в конечном счете она зависит от доступности электронов (и кислорода).

Мы знаем, что основной причиной разрушения митохондрий являются свободные радикалы, генерируемые самими митохондриями. Результаты недавних исследований говорят о том, что бо́льшая их часть производится комплексами I и III. Комплекс I производит свободные радикалы, если на его электроны нет спроса, а комплекс III делает это, когда АТФ не используется клеткой с достаточно быстрой скоростью.

В ходе нормального окислительного фосфорилирования 0,4–4,0 % используемого в митохондриях кислорода превращается в супероксиды. Клетка защищается, и супероксиды превращаются в пероксид водорода (H₂O₂) под воздействием пероксиддисмутазы[7]7
  Пероксиддисмутаза – фермент, катализирующий диспропорционирование (дисмутацию) радикалов О_2– и препятствующий превращению супероксидного анион-радикала в гидроксильный радикал, обладающий высокой токсичностью.


[Закрыть]. Затем пероксид водорода превращается в воду посредством глутатионпероксидазы (одного из основных ферментов-антиоксидантов) или пероксиредоксина III[8]8
  Пероксиредоксины – широко распространенное семейство антиоксидантных ферментов.


[Закрыть]. Однако если эти ферменты не могут достаточно быстро расщепить свободные радикалы и «низвести» их до уровня воды (или когда синтез супероксидов приобретает лавинообразный характер), митохондрии начинают мутировать, а мутации – накапливаться.

Результаты лабораторных исследований показывают, что свободные радикалы разрушают железосерные кластеры, находящиеся в аконитатгидратазе – ферменте, катализирующем в цикле трикарбоновых кислот вторую реакцию. В результате происходит высвобождение железа, которое вступает в реакцию с пероксидом водорода, вследствие чего образуются гидроксильные радикалы[9]9
  Гидроксильный радикал – высокореакционный и короткоживущий радикал OH, образованный соединением атомов кислорода и водорода.


[Закрыть]. В митохондрии на основе NO-синтазы производится оксид азота, который также проникает в нее из цитоплазмы клетки. Оксид азота вступает в реакцию с кислородом, что приводит к образованию еще одного свободного радикала под названием пероксинитрит[10]10
  Пероксинитрит – продукт реакции супероксид-иона и оксида азота. Он способен взаимодействовать с большинством классов органических соединений.


[Закрыть]. Совместно два вышеперечисленных свободных радикала (так же, как и все аналогичные им частицы) могут нанести серьезный ущерб митохондрии и другим компонентам клетки.

Как бы то ни было, все это зависит от доступности клеточного топлива и кислорода. Представим себе человека из бедной голодающей страны. Этот человек испытывает недостаток в пище, и, соответственно, в ЭТЦ его митохондрий практически прерывается поток электронов. Поэтому, несмотря на изобилие кислорода, в его организме формируется очень мало супероксидов (им нужны электроны).

Теперь представим себе тренировку качественно питающегося элитного атлета. Клетки его мышц наполнены топливом, но испытывают сильную потребность в энергии. Поток электронов мощно и ровно течет по ЭТЦ, практически не покидая ее пределов (АТФ постоянно идут «в дело»), а значит, сводя почти к нулю количество свободных радикалов.

Но что происходит с человеком, который регулярно поглощает много пищи и ведет сидячий образ жизни? Митохондрии его организма получают большое количество питательных веществ, но синтезируемая ими АТФ не используется клеткой. В этом случае обмен веществ замедляется при высокой концентрации АТФ, а в ЭТЦ образуются заторы из электронов. В результате избыток кислорода сочетается с множеством высоко реактивных электронов, что приводит к быстрому формированию супероксидов. Лавина свободных радикалов сметает антиоксидантную защиту и окисляет липиды митохондриальных мембран. В результате цитохром с (который в норме передает электроны от комплекса III к комплексу IV) отделяется от внутренней мембраны и попадает в межмембранное пространство. После этого перенос электронов по ЭТЦ останавливается полностью. Находящиеся выше затора комплексы ЭТЦ заполняются блокированными электронами, которые продолжают выпадать из цепи и формировать все новые свободные радикалы. В какой-то момент этот процесс достигает некоего порога, отверстия во внешней мембране митохондрии открываются – и начинается первая фаза клеточного самоубийства.

Живой или мертвый: митохондриальный контроль жизни и смерти

После выработки энергии наиболее важной функцией митохондрий является регуляция процесса умирания. Когда клетки нашего организма изнашиваются или им наносится невосполнимый ущерб, они совершают клеточный суицид, или апоптоз. Неполадки в регулирующих апоптоз механизмах влекут за собой серьезные последствия, одним из которых является возникновение злокачественной опухоли. Поэтому апоптоз представляет собой критически важный фактор целостности и правильной организации многоклеточного организма. Он контролируется митохондриями.

С генетической точки зрения многоклеточные организмы состоят из идентичных клеток, выполняющих конкретные задачи во имя организма, включая и задачу самоликвидации. Такая ситуация уникальна в живой природе – ведь живые существа характеризуются врожденным желанием выжить любой ценой. Тогда возникает вопрос, как и когда клетки многоклеточного организма начали в большинстве случаев послушно подчиняться распоряжению центра совершить суицид ради благополучия целого организма? Вероятнее всего, этот процесс продолжался сотни миллионов лет, а в качестве проводников такого альтруистического поведения выступили митохондрии, без которых многоклеточные организмы были бы буквально нашпигованы опухолями и погибали бы от рака в самом начале своего развития.

Чтобы жить в сообществе и пользоваться всеми его благами, люди должны согласиться на служение общему благу и на ущемление части своих прав. Злокачественные опухоли периодически возникают тогда, когда приговоренные к смерти клетки-эгоисты выходят из-под контроля и отказываются умирать. После этого они начинают лихорадочно делиться, не обращая внимания на последствия своих действий для всего клеточного сообщества. В итоге они убивают весь организм и, по зловещей иронии судьбы, погибают сами, исполняя вынесенный им изначально приговор.

Чтобы предотвратить возникновение опухолей-убийц, жизнь в ходе своей эволюции наделила митохондрии властью управлять процессом цивилизованной смерти клеток. Они делают это, считывая сигналы из разных источников. Если целостная картина, возникающая на основе обработки множества сигналов, показывает, что клетка больше не способна к нормальному функционированию или не подчиняется парадигме общего блага, то митохондрии запускают программу ее самоуничтожения. Процесс начинается с активации определенных мембранных рецепторов и каскада реакций, вовлекающих в работу другие органеллы, которые называются эндоплазматической сетью (эндоплазматическим ретикулумом[11]11
  Эндоплазматический ретикулум – клеточная органелла эукариот, которая представляет собой систему однослойных мембран, образующих одну непрерывную поверхность. Играет центральную роль в биосинтезе макромолекул.


[Закрыть]). Центральным событием при многих формах регулируемой самоликвидации клеток является активация индуцирующих апоптоз каналов митохондрий (MAC) в результате конкретного стимулирующего воздействия. Открытие этих каналов делает внешнюю мембрану митохондрий чрезвычайно водопроницаемой, в результате чего она теряет электрический заряд и протонный градиент. Это приводит к лавинообразному росту числа свободных радикалов, которые окисляют липиды внутренней мембраны. Если же окисляется фосфолипид, то он может образовать соединение с комплексом IV, который в результате выпадает из своей позиции во внутренней мембране, что приводит к прекращению работы ЭТЦ.

Атака свободных радикалов также высвобождает цитохром с (и другие молекулы), который соединяется с другими компонентами цитоплазмы, чтобы образовать апоптосомный комплекс[12]12
  Апоптосомный комплекс – мультипротеиновый комплекс, состоящий из цитохрома c, Apaf-1, прокаспазы 9 и АТФ.


[Закрыть]. Апоптосомный комплекс активирует ферменты клеточной смерти – каспазы. Как мы помним, цитохром с отвечает за перенос электронов от комплекса III к комплексу IV. В нормальных условиях цитохром с прикреплен к внешней стороне внутренней митохондриальной мембраны. Но отсоединившись от мембраны, он начинает выполнять вышеупомянутые функции.

Вообще отсоединение цитохрома с от внутренней мембраны является ключевой стадией апоптоза, которая делает его необратимым. С научной точки зрения интерес вызывает тот факт, что даже микроинъекции цитохрома в здоровые клетки млекопитающих вызывают апоптоз, что представляет собой хороший пример народной мудрости: «Недоученный хуже неученого». В ЭТЦ существует два компонента, которые не являются комплексами: CoQ10 и цитохром с. CoQ10 (кофермент Q10) – очень полезный для здоровья лечебный продукт, и его, говоря языком медицины, восполняющее введение признано полезным во многих случаях. Но если мы поступим так же с цитохромом с (полагая, что он поможет переносу электронов от комплекса III к комплексу IV), то будем просто-напросто убивать себя (поэтому цитохром с никогда напрямую не вводится в здоровые клетки).

После активации каспаз они методично разрушают клетку (расщепляя находящиеся в ней белки), которая ужимается и затем распадается на фрагменты, хотя ее органеллы до поры до времени остаются в относительной неприкосновенности (происходит формирование мембранных пузырьков (апоп-тозных телец), впоследствии поглощаемых фагоцитами). После этого близлежащие клетки или макрофаги полностью поглощают клеточные остатки и используют их компоненты в целях своей жизнедеятельности. При правильном ходе событий апоптоз – это хорошо организованный многоплановый процесс клеточного саморазрушения. Каждые сутки в человеческом организме самоликвидируется порядка десяти миллиардов клеток.

Регуляция апоптоза – многоплановый процесс. Для того чтобы смертельный механизм был приведен в действие, необходимо пройти ряд этапов. Практически на каждом из них белкам-триггерам апоптоза противодействуют другие белки, выступающие в качестве предохранителей при ложной тревоге. Однако если каспазы активированы, то процесс уже не остановить. Несомненно, есть множество способов отправить клетке приказ умереть. Например, активированные иммунные клетки отправляют химические сигналы, чтобы инициировать апоптоз в злокачественных клетках, а также в клетках с ДНК, мутировавшей под воздействием ультрафиолетового излучения, внешних токсинов и загрязняющих агентов, вирусов и бактерий, физических стрессов и травм, воспалений и т. д. Все эти триггеры запускают каспазный каскад. Другими словами, все пути клеточного самоубийства в итоге сходятся в одной точке на стадии активации каспаз, которые приводятся в действие лавинообразным ростом числа свободных радикалов, вызванным деполяризацией внутренней митохондриальной мембраны и отсоединением от нее цитохрома с.

Результаты огромного количества исследований говорят о том, что апоптоз исполняет не только функции пресечения роста раковых клеток и контроля деления обычных клеток, но и является ключевым процессом во всей живой природе.

Во время развития человеческого эмбриона гибнет больше 80 % нейронов его головного мозга (такого рода массовое вымирание можно сравнить с запрограммированной клеточной гибелью ооцитов у человеческого эмбриона женского пола). Гибель этих нейронов позволяет мозгу создать оптимально работающие матрицы специфических функциональных связей между оставшимися нейронами. Если бы не процесс апоптоза, то в мозгу эмбриона могли бы установиться необычные связи между разными областями, которые в нормальной ситуации не взаимодействуют друг с другом напрямую. Случаи формирования такого рода нейронных связей, по мнению некоторых исследователей, объясняют тот факт, что люди с высокофункциональным аутизмом видят тот или иной цвет или испытывают определенные эмоции при восприятии конкретных цифр[13]13
  Следует отметить, что автор во многом описывает феномен синестезии, при котором раздражение в одной сенсорной или когнитивной системе ведет к автоматическому, непроизвольному отклику в другой сенсорной системе.


[Закрыть].

Лэйн в своей книге приводит в качестве примера формирование пальцев на наших руках. В процессе развития кисти эмбриона апоптоз удаляет клетки между будущими пальцами. Если бы этого не происходило, то наши руки напоминали бы лягушачьи лапки. Формирование тела идет по пути удаления лишнего, а не добавления недостающего.

В отличие от апоптоза, некроз клеток – это процесс, при котором клетки воспаляются, набухают и разрываются, а органеллы разрушаются. Некроз может начаться с открытием канала во внутренней мембране митохондрии. Этот канал называется митохондриальной порой (mPTP). Недавно исследователи открыли третий, промежуточный, вид гибели клетки – не-кроптоз, сочетающий в себе запрограммированность апоптоза и морфологические признаки некроза. В ходе некроптоза также задействована mPTP.

Изучение механизмов клеточной смерти само по себе сложное дело. К тому же результаты недавних исследований еще больше запутывают ученых, показывая, что некроз следует за апоптозом и наоборот, так что кажется, что эти независимые клеточные процессы происходят одновременно. Однако независимо от пути, ведущего к гибели клетки, митохондрии играют в нем центральную роль.