Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

Факты и соображения, изложенные выше, позволяют предполагать, что концентрация АФК в митохондриях должна с возрастом повышаться у стареющих организмов. Совсем недавно это было прямо подтверждено на дрозофиле М. Мерфи и сотрудниками [57], разработавшими элегантный метод измерения митохондриальных АФК in vivo с помощью проникающих катионов. Существенно, что на людях получены указания на увеличение с возрастом генерации АФК при обратном переносе электронов в мышечных митохондриях. Генерация H2O2 митохондриями скелетных мышц молодых людей (средний возраст 23,5 года) была почти втрое ниже, чем у пожилых (67,3 года), причем этот эффект блокировался ротеноном, ингибитором комплекса I [41]. Повышенная продукция АФК в митохондриях стареющих организмов происходит не только за счет дыхательной цепи. Так, количество моноаминоксидазы А, локализованной во внешней митохондриальной мембране, растет в сердце крыс в 7,5 раза за 24 месяца жизни. Этот фермент окисляет кислородом катехоламины, серотонин и некоторые другие амины с образованием Н 2О 2. Конечно, такой процесс лимитируется низкой концентрацией перечисленных субстратов окисления, но размах эффекта возраста так велик, что вряд ли оправданно сбрасывать его со счетов [219].

2) Антиоксидантная защита митохондрий значительно снижается при старении. Ключевую роль в этом эффекте играет падение уровня белка SIRT3 — фермента-деацетилазы, стимулирующего важнейшие антиоксидантные системы митохондрий — восстановление глютатиона и супероксиддисмутазу 2 [269,339,353,28].

и супероксиддисмутазы) и меньший уровень окисленности липидов. Максимальная продолжительность жизни белоногой мыши — более 8 лет против 3,5 лет лабораторной мыши [337,65,336,308]. Соотношение генерации АФК митохондриями и продолжительности жизни для белоногой мыши, как и для лабораторной, отлично ложится на прямую, коррелирующую эти параметры для других животных (рис. II.2.6.4).

3) Снижение уровня митохондриальных АФК замедляет старение.Такой эффект был достигнут тремя различными способами.

а) Каталаза, ключевой антиоксидантный фермент, расщепляющий Н 2О 2, был адресован в матрикс митохондрий, где он в норме отсутствует. Ген каталазы был лишен участка ДНК, кодирующего 11 аминокислотных остатка на N-конце белка. Эта часть белка — адрес, направляющий его в пероксисомы. Вместо пероксисомного адреса ген был дополнен участком ДНК, кодирующим полипептид из 25 аминокислот, который играет роль митохондриального адреса в ферменте орнитинтранскарбамилазе.

Модифицированный таким образом ген был введен в мышиный эмбрион. Оказалось, что мыши с такой мутацией живут дольше (данные группы П. Рабиновича [298]). В той же лаборатории было показано [179], что старение скелетных мышц резко замедляется присутствием каталазы внутри митохондрий. Исчезли такие нарастающие с возрастом эффекты, как повышение продукции перекиси водорода мышечными митохондриями, увеличение числа мутаций митохондриальной ДНК, рост карбонилирования белков (особенно белков митохондрий), снижение максимальной скорости митохондриального дыхания и сопряженного с ним синтеза АТФ.

Тормозилось уменьшение числа митохондрий в скелетных мышцах при старении животных [179]. Кроме того, ослаблялось неблагоприятное действие старения на миокард, снижались явления системного воспаления, уменьшалась частота возникновения опухолей негематопоэтического происхождения; при этом каталаза не влияла на развитие опухолей гематопоэтической системы и гломерулонефропатий [359,68]. На мышах с мутацией в корректорском центре митохондриальной ДНК-полимеразы («мутаторных мышах») адресная доставка каталазы в митохондрии сердца уменьшала число делеций митохондриальной ДНК, карбонилирование белков и количество активной формы фермента апоптоза — каспазы 3, повышенные у «мутаторных» мышей в отсутствие каталазы в органеллах [67]. Перечисленные эффекты были выражены гораздо слабее или вовсе отсутствовали, если каталаза была снабжена ядерным либо пероксисомным адресом [298].

б) Был нокаутирован ген белка p66shc, комплексующегося с митохондриальным цитохромом с и, по-видимому, разрешающего этому цитохрому переносить электрон прямо на О 2, образуя О 2-. Продолжительность жизни мышей выросла на 30 % (работы группы П. Дж. Пеличчи [224,361,236,104]) [21].

в) В нашей лаборатории был синтезирован низкомолекулярный антиоксидант, адресованный в митохондрии (SkQ1, см. гл. II.7). Это вещество продлевало жизнь грибов, растений, ракообразных, насекомых, рыб и млекопитающих, а также замедляло развитие большой группы старческих заболеваний и признаков.

4) Увеличение уровня митохондриальных АФК ускоряет старение.В рамках нашего проекта по борьбе со старением (гл. II.7) один из его участников, президент Королевской академии наук Швеции Б. Кэннон и её сотрудники провели опыты на «мутаторных» мышах. Как уже отмечалось выше, такие мыши умирают гораздо быстрее со всеми признаками прогерии — преждевременного старения. Эти эффекты резко ослаблялись добавкой митохондриального антиоксиданта SkQ 1 в питьевую воду.

5) Старение сопровождается накоплением ошибок в митохондриальной ДНК [179] и уменьшением количества митохондриального фосфолипида кардиолипина [260,254].У упомянутых в предыдущем абзаце прогерических мышей особенно много мутаций накапливается в митохондриальном гене цитохрома b [360], участвующем в генерации АФК митохондриями. В норме мутации митохондриальной ДНК возникают примерно на порядок быстрее, чем в ядерной, несмотря на наличие системы выбраковки поврежденных митохондрий (митоптоза), т. е. процесса, который должен способствовать очистке митохондриальной популяции клетки от органелл с поврежденной ДНК [323]. Одним из объяснений этому могло бы быть повреждение ДНК митохондрий за счет её окисления посредством АФК, образующихся во внутренней митохондриальной мембране, к которой эта ДНК прикреплена [323].

Другое «слабое место» митохондрий — кардиолипин. Этот необычный фосфолипид, содержащий не два, а четыре остатка жирных кислот, встречается только во внутренней мембране митохондрий, где он служит одним из наиболее массовых липидов. Большинство (а иногда и все четыре) жирных кислоты в молекуле кардиолипина — полиненасыщенные, т. е. с большим количеством двойных связей (во всех прочих фосфолипидах одна из двух жирных кислот обязательно насыщенная). Ненасыщенность жирных кислот придает кардиолипину необычайную чувствительность к АФК. С цитохромом b дыхательной цепи связан димер кардиолипина. Его восемь жирных кислот образуют что-то вроде колодца, стенки которого содержат 16 двойных связей, если жирные кислоты представлены линолевой кислотой (наиболее частый случай применительно к кардиолипину). Такая структура — идеальный «запал» для «поджига» внутренней мембраны митохондрии: АФК, атаковав подобную структуру, с высокой степенью вероятности запустят цепную реакцию перекисного окисления фосфолипидов в этой мембране. Источником таких АФК может быть цитохром b, активные центры которого находятся «в шаговой доступности» от димера кардиолипина [329]. Показано, что увеличение разности электрических потенциалов (Δψ) на митохондриальной мембране тормозит перенос электронов с гема цитохрома Ьь на гем Ьн, что в свою очередь ведет к невозможности окислить свободнорадикальную форму убихинона (семихинон CoQ -) цитохромом Ьь. В результате CoQ -. накапливается, а затем окисляется кислородом с образованием O2 -.. В тех же условиях O2 -. генерируется также при обратном переносе электронов с участием комплекса I.