Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

Работа описанных выше сигнальных каскадов приводит к гибели бактерии в ответ на повреждения ДНК еще до того, как эти повреждения сами по себе вызовут разбалансировку систем жизнеобеспечения клетки и смерть. Иными словами, клетка следует уже упоминавшемуся в этой книге самурайскому закону «лучше умереть, чем ошибиться». Эволюционный смысл этого явления, вероятно, заключается в элиминации организмов с серьезными повреждениями генома. Тем самым осуществляется «контроль качества» на уровне популяции. Близкой аналогией является феномен апоптоза (см. Приложение 1), одной из важнейших функций которого в организме является уничтожение потенциально опасных клеток, в первую очередь — с высоким уровнем повреждений ДНК (способных превратиться в раковые) или пораженных вирусом.

Не исключено, что антивирусная функция клеточной запрограммированной гибели играла важную роль в процессе эволюции еще до появления многоклеточных организмов. У многих прокариот обнаружены механизмы самоуничтожения, активирующиеся в ответ на заражение бактериофагом. Так, у некоторых штаммов кишечной палочки в хромосоме присутствует ген Lit, продукт которого при взаимодействии с вирусным белком gol фага Т4 приобретает токсичные свойства, блокирует фактор элонгации Tu и приводит к гибели клетки [3]. Примечательно, что сам ген Lit также является вирусным, т. к. принадлежит профагу e14, геном которого способен встраиваться в хромосому бактерии. Таким образом, клетка кишечной палочки становится, по образному выражению Кима Льюиса, «полем битвы между двумя видами паразитной ДНК» [185]. Так или иначе, но обусловленный геном Lit феноптоз является благоприятным признаком, т. к. препятствует распространению вирусов в популяции бактерий.

Тот факт, что у современных прокариотических организмов существует целый спектр разнообразных, достаточно сложных «механизмов самоубийства» на разные случаи жизни, однозначно указывает, что эти механизмы были отобраны эволюцией и в долгосрочной перспективе представляют их носителям определенные преимущества.

В случае растущей популяции бактерий, геном которых идентичен, появление и закрепление альтруистических признаков не удивительно, т. к. с эволюционной точки зрения значение имеет лишь сохранение и увеличение общего числа геномов, а не судьба отдельных его копий. Этот принцип очевиден на уровне многоклеточных организмов: естественный отбор идет на уровне совокупности генетически идентичных клеток, и жертвование отдельными клетками ради этой совокупности оправданно.

Несмотря на интуитивную понятность и простоту этой концепции, прямые экспериментальные доказательства эволюционных преимуществ наличия систем самоуничтожения у прокариот были получены лишь в недавнее время. Ю и соавторы [352] создали в E. coli искусственную систему самоуничтожения, включавшуюся в ответ на добавку антибиотика 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК), а также внедрили в бактерию индуцируемый ген цитоплазматической формы фермента бета-лактамазы, расщепляющего это токсичное для бактерии соединение. 6-АПК находился снаружи клеток, а фермент синтезировался внутри и мог попасть наружу и нейтрализовать яд только в случае гибели и разрушения клеток. Таким образом, исследователи получили модель, в которой можно было независимо контролировать уровень запрограммированной клеточной гибели (варьируя концентрацию 6-АПК) и уровень «пользы для популяции» от гибели клетки (варьируя индукцию экспрессии бета-лактамазы).

Рис. II-2.1Схема искусственно созданного Ю и соавторами механизма альтруистической гибели клеток кишечной палочки в ответ на добавку 6-АПК (адаптировано из [352])

Дальнейшие эксперименты подтвердили, что при определенных концентрациях 6 АПК штаммы с искусственной программой смерти оказались более приспособленными и растут быстрее контрольных штаммов [352].

Наличие многочисленных примеров генетически запрограммированной клеточной смерти прокариот, сохранившихся в условиях жесткого естественного отбора, означает, что способность к феноптозу несет важные эволюционные преимущества. Для прокариот это способность контролировать численность популяции, сохранять ее «генетическую чистоту», элиминируя особей с поврежденным геномом, успешно сопротивляться разнообразным видам стресса, предотвращать распространение вирусов в популяции и др. Открытие у бактерий апоптозоподобного механизма клеточной гибели дает основания предполагать, что явление апоптоза многоклеточных также является эволюционным развитием древних программ самоуничтожения, проблемных для индивидуального организма, но благоприятных для эволюции вида.

Термин «дыхательная цепь» означает последовательность реакций, ответственных за перенос атомов водорода или электронов от субстратов дыхания к молекулярному кислороду. Различают два типа дыхательных цепей: сопряженные с трансформацией энергии и не сопряженные с ней. Биологическое значение дыхания первого типа прояснилось благодаря работам В.А. Энгельгардта, открывшего в начале 1930-х гг. дыхательное фосфорилирование. Что касается дыхания второго типа, то первые указания на его активную роль были получены почти на 30 лет позже. Концепция, предполагающая, что несопряженное дыхание может быть биологически полезным, была сформулирована одним из авторов этой книги (В.П.С.) в 1960 г.

В клетках эукариот дыхание, сопряженное с трансформацией энергии, локализовано во внутренней мембране митохондрий. У дышащих бактерий тот же процесс обнаруживается в цитоплазматической мембране, мезосомах или тилакоидах.

Основным источником энергии для жизни на Земле является энергия солнечного света. Такие автотрофные организмы, как цианобактерии и растения, используют энергию квантов света для осуществления двух одновременно протекающих процессов, а именно — для запасания энергии в виде трансмембранной разницы электрохимического протонного потенциала (с последующим ее преобразованием в АТФ) и для разложения воды и переноса полученных электронов на NADP+. В ходе последнего процесса также запасается значительное количество энергии, но уже в виде разности окислительновосстановительных потенциалов, так как редокс-потенциал пары NADP+/NADPH (E0'= -320 мВ) значительно более отрицателен по сравнению с парой О 2/Н 2О (E0'= +820 мВ). Образованные в ходе фотосинтеза АТФ и NADPH используются для превращения углекислого газа в углеводы и далее для синтеза белков, жиров, нуклеиновых кислот, т. е. всех компонентов, необходимых для построения клетки. Гетеротрофные организмы не способны напрямую использовать энергию света, и поэтому основным доступным для них источником является энергия, накопленная растениями прежде всего в виде углеводов. По существу они обращают реакции фотосинтеза. При этом сначала окисляются углеродные атомы углеводов, жирных кислот и аминокислот до СО 2(гликолиз и цикл Кребса и β-окисление жирных кислот), а полученные таким образом электроны используются для образования NADH. Далее NADH окисляется молекулярным кислородом с образованием воды. NADH-оксидазная реакция сопровождается выделением очень большого количества свободной энергии (порядка 1,1 электрон-вольта при переносе одного электрона с NADH на кислород), которая может быть запасена дыхательной цепью в виде трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов H+. Величина протон-движущей силы на биологических мембранах обычно составляет около 200 мВ, так как при больших величинах электрического потенциала возможен пробой липидного бислоя и утрата запасенной энергии. Показано, что запасание энергии NADH-оксидазной реакции осуществляется путем переноса электрона с NADH на кислород, сопряженного с транслокацией пяти протонов через мембрану. При этом NADH-оксидазная реакция разбита на несколько этапов (в митохондриях животных и человека таких этапов три). Сначала два электрона с NADH переносятся на убихинон NADH-^Q- редуктазой (комплексом I), затем полученный убихинол окисляется цитохромом с посредством CoQH2-цитoхpом с-редуктазы (комплекса Ьс1, или комплекса III) и в завершение восстановленный цитохром с окисляется молекулярным кислородом под действием цитохромоксидазы (комплекса IV). Активность всех этих трех ферментных комплексов сопряжена с генерацией протонного потенциала.