Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни - Ник Лэйн

Могут ли митохондрии манипулировать клеткой, в которой находятся? Это серьезный вопрос. Мы знаем, что современные митохондрии могут, ведь они вызывают апоптоз. Но могли они манипулировать эукариотической клеткой на заре ее существования? Нейл Блэкстоун предположил, что они делали это очень хитрым способом, который объясняет и неудержимую тягу к слиянию, и происхождение апоптоза.

В части 3 мы уже обсуждали утечку свободных радикалов из дыхательной цепи. Как ни парадоксально, скорость утечки не соответствует скорости дыхания, как можно было бы ожидать, а зависит от наличия электронов (источником которых, по большому счету, является пища) и кислорода. Поскольку эти факторы постоянно колеблются, колеблется и число свободных радикалов. Внезапные вспышки образования свободных радикалов могут влиять на поведение клетки.

Если клетка быстро растет и делится, электроны быстро текут по дыхательной цепи, значит, ей нужно много пищи. Тогда утечка свободных радикалов относительно невелика. Дело в том, что они, как правило, переходят по линии наименьшего сопротивления от одного акцептора электронов к следующему и так до кислорода. Блэкстоун сравнивает такую дыхательную цепь с изолированным проводом. Предположим, быстрый рост и обильная пища означают, что утечка свободных радикалов невелика.

Что происходит при голодании? Теперь «топлива» меньше, и электронов в дыхательной цепи почти нет. Кислорода может быть много, но свободные радикалы не образуются, так как нет свободных электронов. Если сравнивать дыхательные цепи с электрическими проводами, то голод означает нарушение электропитания: если питания в сети нет, вас не ударит током. Утечка свободных радикалов невелика, потому что потока электронов нет вообще.

Но подумайте, что произойдет при повреждении клетки. Топлива у нее достаточно, но делиться она больше не может. Митохондрии в ловушке. Нет деления, нет и спроса на АТФ, и его запасы в клетке остаются большими. Скорость потока электронов по цепи зависит от скорости потребления АТФ. Если она высокая, то электроны текут быстро, словно их засасывает пылесос; но если потребления нет, то дыхательная цепь забивается свободными электронами, которым некуда деваться. Теперь достаточно и кислорода, и свободных электронов. Скорость утечки свободных радикалов значительно выше. Дыхательная цепь ведет себя как провод с поврежденной изоляцией, а такой провод опасен. Поврежденные клетки, которые не растут и не делятся, несмотря на обилие пищи, получают от своих митохондрий удар током — внезапный выброс свободных радикалов[62].

Любой выброс свободных радикалов приводит к окислению липидов митохондриальных мембран и высвобождению цитохрома с в межмембранное пространство. Это, в свою очередь, полностью блокирует поток электронов по цепи, так как цитохром с является ее неотъемлемой частью. Удалить из цепи цитохром с — все равно что перерезать провод под напряжением. Первая часть цепи задыхается от избытка электронов, и в ней продолжается утечка свободных радикалов; так, оставшаяся под напряжением часть перерезанного провода может ударить током. Но в результате остановки потока электронов мембранный потенциал постепенно рассеивается (так как утечка протонов больше не компенсируется их закачкой). По мере нарастания стресса поры в наружной митохондриальной мембране открываются, и апоптотические белки, включая цитохром с, выходят в цитозоль. Иными словами, эти обстоятельства стимулируют первые этапы апоптоза.

Какой из этого можно сделать вывод? Интересы митохондрии и клеток, в которых они находятся, в большинстве случаев совпадают. Если и те и другие размножаются, все хорошо. Клетка находится в восстановленном (то есть не окисленном) состоянии, но утечка свободных радикалов минимальна. Напротив, если ресурсов мало, никто из участников не может размножаться, и клетка старается повысить устойчивость, чтобы дожить до лучших времен. Она теперь находится в окисленном состоянии, и утечка свободных радикалов снова минимальна. А вот когда клетка-хозяин повреждена и не может делиться, несмотря на обилие пищи, митохондрии сигнализируют о своем недовольстве выбросом свободных радикалов. Принципиально важно, говорит Блэкстоун, что свободные радикалы атакуют ДНК в ядре клетки (а выброс цитохрома с в цитозоль способствует образованию свободных радикалов). У дрожжей и других примитивных эукариот повреждение ДНК служит сигналом к половой рекомбинации. Что еще удивительнее, у примитивной многоклеточной водоросли Volvox carteri (под микроскопом она выглядит как светящийся зеленый шар необычайной красоты) двукратное повышение уровня образования свободных радикалов активирует половые гены, приводя к образованию новых половых клеток (гамет). Важно, что этот эффект можно вызвать, блокировав дыхательную цепь. Итак, теорию Блэкстоуна можно подкрепить конкретными примерами. Суть в том, что первые этапы апоптоза в одиночных клетках когда-то могли стимулировать не смерть, а половой процесс.

Эта точка зрения полностью совместима с водородной гипотезой, так как предполагает, что участники эукариотического симбиоза мирно уживались, но не забывали о собственных интересах. Митохондрии могли манипулировать клеткой, вызывая половой процесс, но не прибегали к бессмысленному убийству. Более того, такое мягкое манипулирование, при котором интересы обоих участников, как правило, совпадают, объясняет, почему машина смерти сохранялась в одиночных клетках сотни миллионов лет. Половой процесс выгоден как поврежденной клетке, так и митохондрии, и естественный отбор не уничтожает его.

Остается один вопрос: как половой процесс превратился в смерть? Мы знаем, что митохондрии принесли с собой большую часть машины смерти, и, по крайней мере, сегодня они используют ее для убийства клеток путем апоптоза. Если изначальной функцией машины смерти был половой процесс, что же привело к столь радикальному изменению ее функции? Когда стремление к сексу стало наказуемо смертью и почему?

Секс и смерть тесно сплелись. В некотором смысле они служат одной цели. Подумайте, почему дрожжи и Volvox рекомбинируют гены при повреждении ДНК. При рекомбинации поврежденная копия гена, возможно, будет заменена неповрежденной, или, по крайней мере, будет смягчен ущерб от повреждения. Сходным образом, свободные радикалы способствуют горизонтальному переносу генов у бактерий. И в этом случае происходит замена или маскировка поврежденных генов. А как насчет программируемой клеточной смерти? У многоклеточных организмов апоптоз тоже служит способом устранения повреждений. Вместо того чтобы тратить ресурсы на починку поломанной клетки, ее просто выбрасывают и заменяют на новую — дешево и сердито. Может быть, это был первый шаг к нашей современной культуре «одноразовых вещей»? Итак, половой процесс помогает удалять поврежденные гены, а апоптоз — поврежденные клетки. С точки зрения «высшего» организма половой процесс чинит поврежденные клетки, а апоптоз — поврежденные тела.