Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

Иной путь защиты от кислорода избрала кишечная палочка. Как было показано в нашей лаборатории Е.О. Будрене, эти бактерии в ответ на появление в среде Н 2О 2собираются в кластеры, каждый из которых состоит из тысяч отдельных клеток. Сигналом к движению бактерий навстречу друг другу служит градиент аттрактанта — аспарагиновой кислоты, которую они начинают выделять в среду при добавлении перекиси водорода. В результате на чашке с полужидким агаром образуется множество скоплений (кластеров) бактериальных клеток, каждый из которых состоит из большого количества отдельных бактерий. Кластеры могут образовывать правильные структуры различной формы, по-видимому, отражающие неравномерное распределение аспартата в агаре. Можно полагать, что внешние слои бактерий в кластере поглощают кислород, тем самым понижая его концентрацию в глубинных слоях кластера. В результате бактерии во внешних слоях жертвуют собой, прикрывая тех, кто оказался внутри кластера. В известном смысле аналогичная стратегия применяется в очень крупных мышечных клетках. Здесь митохондрии скапливаются непосредственно под внешней клеточной мембраной (сарколеммой). От этих скоплений вглубь клетки уходят длинные митохондриальные тяжи, связывающие субсарколемальные митохондрии с межфибриллярными, локализованными внутри мышечного волокна, т. е. между пучками актомиозиновых нитей. Предполагается, что кислород, поступающий в мышечную клетку, потребляется субсарколемальными митохондриями, дыхательная цепь которых образует протонный потенциал, который передается межфибриллярным митохондриям для синтеза АТФ.

Мягкое разобщение служит, по-видимому, одним из механизмов, снижающих продукцию АФК комплексами I и III. Как было показано в нашей лаборатории А. А. Старковым и соавторами, генерация перекиси водорода изолированными митохондриями сердца, окисляющими сукцинат, очень сильно зависит от величины разности электрических потенциалов (Δψ) на митохондриальной мембране. В тех же опытах было установлено, что ингибитор комплекса I ротенон тормозит образование Н 2О 2на 80 %, ингибитор комплекса III миксотиазол — на 15 %, а разобщитель-протонофор — на 95 %. Эти результаты позволили заключить, что 80 % Н 2О 2образуется путем энергозависимого обратного переноса электронов комплексом I от сукцината (редокс-потенциал пары фумарат / сукцинат +0,03 В) к О 2(редокс-потенциал пары О 2/ O 2· --0,3 В). Еще 15 % от общего количества перекиси водорода возникает в Q-цикле при реакции семихинонной формы убихинона (CoQ· -) с О 2в условиях дыхательного контроля, когда высокая Δψ блокирует перенос электронов от гема Ьь к гему Ьн и тем самым предотвращает окисление CoQ· -посредством гема Ьь. Как тот, так и другой механизмы выключались, если несколько снижалась разобщителем, ингибитором сукцинатдегидрогеназы малонатом или включением процесса окислительного фосфорилирования добавкой АДФ. Есть основания полагать, что такого рода снижение Δψ in vivo может быть вызвано небольшим («мягким») разобщением дыхания и фосфорилирования жирными кислотами. Такое разобщение может опосредоваться АТР/АДФ- антипортером, аспартат/глутамат-антипортером а также некоторыми другими митохондриальными переносчиками анионов, транспортирующими не только анионы своих специфических субстратов (нуклеотидов, аминокислот и т. д.), но также и анионы жирных кислот.

Инактивация аконитазы супероксидом может быть следующей линией обороны митохондрий от АФК. Показано, что супероксид вызывает окисление одного из четырех ионов негемового железа, имеющихся в аконитазе — ферменте, катализирующем одну из первых реакций цикла Кребса. Такое окисление ведет к потере этого иона и обратимо инактивирует фермент. Неактивная аконитаза реактивируется, связывая ион Fe 2+. Выключение аконитазы супероксидом блокирует цикл Кребса в самом его начале. Поскольку именно цикл Кребса служит главным поставщиком электронов при дыхании, его блокада опустошает дыхательную цепь. Все ее электронные переносчики переходят в окисленную форму и уже не могут восстанавливать О 2ни до Н 2О, ни до O2·־. В итоге тормозится генерация O2‘־, первичного предшественника митохондриальных АФК. Торможение аконитазы имеет еще одно следствие: в клетке накапливается цитрат — субстрат этого фермента. Цитрат — трехзарядный анион, образующий комплексы с Fe 2+ и Fe 3+. Комплекс цитратЗ — Fe 2+ способен к самоокислению посредством О 2, превращаясь в еще более прочный комплекс цитратЗ — Fe 3+. Поэтому в аэробных условиях накопление цитрата должно способствовать уменьшению концентрации ионов Fe 2+, которые служат наилучшим донором электронов для восстановления иона пероксида (О 2 2-), завершающегося образованием радикала ОН· — наиболее опасной формы АФК (см. выше, рис. П4.1־). Таким образом, выключив аконитазу, митохондрия достигает, во־первых, уменьшения образования O2 ־и, стало быть, всех АФК, служащих производными супероксида, и, во-вторых, торможения генерации ОН·.

Одним из признаков старения, играющим важную роль в падении работоспособности многих органов, является снижение клеточности, т. е. уменьшение с возрастом количества функционально активных, «профильных» клеток органа. Основной гипотезой, объясняющей этот феномен, является ограниченность пролиферативного потенциала дифференцированных клеток, или «предел Хейфлика», названый так в честь Леонарда Хейфлика, элегантно и однозначно показавшего в 1961 г на человеческих фибробластах, что число делений клеток в культурах ограниченно и не превышает (для фибробластов) примерно 50 [126] (см. список литературы к приложению 5).

Природа «предела Хейфлика» оставалась загадкой до 1971 года, когда А.М. Оловников выдвинул теорию маргинотомии, согласно которой причиной остановки клеточного деления и старения в целом является следствием недорепликации последовательностей ДНК на концевых участках линейных хромосом [244]. Еще в конце 1930х годов Б. МкКлинток [220] и Г. Мёллером [[230] было отмечено, что эти концевые участки, названные теломерами (от греческого τέλος — «конец» и μέρος — «часть»), играют важную роль в стабилизации хромосом. Дальнейшие исследования подтвердили, что длина теломер является важнейшим параметром, влияющим на жизнь и смерть клетки.

В отличие от эубактерий и архей, хранящих генетическую информацию в виде кольцевых молекул ДНК, эукариотические организмы в процессе эволюции «предпочли» линейные хромосомы. Это породило сразу две серьезные проблемы: проблему защиты концов ДНК, которые в клетке воспринимаются как двуцепочечные разрывы, подлежащие репарации, и вышеупомянутую проблему укорочения ДНК в процессе репликации, возникающей из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого начала и нуждающейся в праймере для инициации процесса синтеза. Для решения этих проблем эволюция изобрела теломеры — расположенные на концах хромосом многочисленные тандемные повторы короткой высококонсервативной последовательности нуклеотидов (TTAGGG у человека и других позвоночных), а также комплекс связанных с ними белков. При рождении длина теломерных повторов у человека составляет 10–15 тысяч пар оснований; у лабораторных мышей и крыс теломеры заметно длиннее — 20-150 тысяч пар оснований [251].