Ли Ноу - Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость

Процесс потери и приобретения генов сохраняет общую генетическую базу бактерий в состоянии постоянного изменения, что является благоприятным для выживания, так как предупреждает потерю той или иной колонией всех «избыточных» генов в конкретный момент времени. Какая-то часть входящих в данное сообщество бактерий, как правило, сохраняет эти гены в полностью функциональном состоянии, и, если в них вновь возникает нужда, передает реабилитированный генетический материал остальным членам сообщества посредством механизма горизонтального переноса. Развитая способность бактерий делиться друг с другом генами объясняет такие явления, как очень быстрое распространение резистентности к антибиотикам в рамках больших бактериальных сообществ. Именно поэтому регулирующие организации требуют от компаний-изготовителей пищевых добавок с содержанием пробиотиков доказательств того, что соответствующие пробиотические штаммы не обладают сопротивляемостью к антибиотикам (в противном случае генетическая защита от лекарств может быть передана потенциально патогенным бактериям в кишечнике).

Процесс переноса хромосомных генов при конъюгации гораздо быстрее протекает при участии содержащихся в хромосоме крошечных колец — плазмид (я упоминал о них выше), однако бактерии могут передавать гены, являющиеся частью ее основных хромосом, просто это происходит медленнее. Любой ген, который не используется регулярно или в котором сейчас отсутствует потребность, будет отвергнут во имя более быстрой и эффективной репликации.

Будучи потомками бактерий, митохондрии потеряли бо́льшую часть своих генов. Но если бы они были всего лишь паразитами, живущими на всем готовом, то почему у них сохранились какие-то гены? Это хороший вопрос, особенно если учесть, что каждая клетка включает в себя от нескольких сотен до нескольких тысяч митохондрий, а каждая из митохондрий скрывает от пяти до десяти копий ДНК. Лэйн глубоко погружается в проблему. Содержащийся в клетке объем митохондриальной ДНК является серьезной проблемой при клеточном делении или при делении самих митохондрий ( митохондриальном биогенезисе ), так как все эти гены должны быть скопированы. Кроме того, каждая митохондрия должна поддерживать свой собственный аппарат генетической трансляции и синтезирующих белки рибосом. Для наследников бактерий (мы помним, что кредо первых микроорганизмов — максимальная экономия энергии) такой набор функций является, на первый взгляд, чрезмерным.

Помимо этого, наличие в одной клетке митохондрий с разными геномами потенциально влечет за собой катастрофические последствия (это происходит, если, например, митохондрии из отцовского сперматозоида умудряются выжить и сосуществуют с митохондриями из материнской яйцеклетки, что, как правило, приводит к прерыванию энергии). Этого можно было бы избежать, если бы все митохондриальные гены были переданы в ядро и удерживались там.

Другая проблема заключается в том, что открытый и беззащитный генетический материал митохондрий находится в непосредственной близости к ЭТЦ, в которой формируются и из которой исходят разрушительные свободные радикалы. Они могут повредить мДНК и вызвать мутации, потенциально способные привести к гибели митохондрии (что, в свою очередь, означает повышенную опасность возникновения разных заболеваний, включая рак, о чем мы поговорим позже).

Почему же все митохондриальные гены не переместились в ядро? Факт, что они до сих пор находятся в митохондриях (несмотря на два миллиарда лет эволюции и множество разумных причин, по которым им следовало бы туда перейти), говорит о том, что на это обязательно должна быть причина, причем она должна быть фантастически убедительной.

Суть в необходимости контроля процесса окислительного фосфорилирования. Его скорость в значительной степени обусловлена энергетическими потребностями клетки, зачастую меняющимися каждую минуту (в зависимости от того, бодрствуем мы или спим, занимаемся физическими упражнениями или сидим за столом, боремся с болезнью или пышем здоровьем и т. д.). Эти быстро изменяющиеся сценарии требуют от митохондрий адаптировать производство энергии к потребностям клетки, а каждая клетка требует к себе особого подхода (у клеток головного мозга, мышц, кишечника, печени и т. д. — разные уровни потребления энергии).

Для того чтобы эффективно реагировать на эти быстрые изменения, митохондриям приходится поддерживать определенный уровень постоянного контроля ситуации, а значит, сохранять в мДНК соответствующие гены. Реакции, которые происходят в рамках ЭТЦ во внутренней митохондриальной мембране, должны жестко регулироваться на уровне каждой митохондрии. Но это было бы невозможно, равно как и клетка не смогла бы быстро реагировать на резкие изменения во внешней среде, если бы весь процесс не контролировался бы дистанционно генами, расположенными в удалении от клеточного ядра.

Вроде бы пока наши рассуждения осмыслены, не так ли? Давайте теперь обсудим тему спроса и предложения перед тем, как я предложу вам глубже погрузиться в вопрос о том, почему митохондрии сохранили некоторые гены. Не забывайте, что целостный процесс выработки энергии от работы индивидуальных комплексов до производства АТФ АТФ-синтазой похож на последовательность переключения передач в автомобиле, при которой каждая предыдущая передача контролирует скорость движения при следующей. Если потребность клетки в энергии является сильной, то электроны быстро переносятся по ЭТЦ, протоны оперативно выкачиваются через мембрану, протонный градиент резко повышается (резервуар наполняется). Чем выше он, тем сильнее давление, приводящее к производству АТФ АТФ-синтазой.

Однако, если потребность в АТФ практически равна нулю, окислительное фосфорилирование все равно будет продолжаться до того, как в АТФ будут превращены все АДФ и все фосфаты. Так как клетка больше не использует АТФ (которая при сжигании обратно расщепляется на АДФ и фосфаты), АТФ-синтаза прекращает работу из-за дефицита сырья. Если это происходит, то протоны уже не могут пройти сквозь нее, и протонный резервуар наполняется чрезмерно высоко. Когда протонный градиент является слишком высоким, небольшое количество энергии, выделяемое при переносе электронов по ЭТЦ, оказывается недостаточным для выкачивания протонов из матрикса в межмембранное пространство. Недостаточная работа протонного насоса приводит сначала к замедлению, а потом и к остановке переноса электронов по ЭТЦ. Однако не беспокойтесь, механизм вновь начинает работать, когда потребность клетки в энергии повышается и клетка начинает использовать АТФ (в результате чего АТФ-синтаза получает больше АДФ и фосфатов). Все это указывает на важность физических упражнений, при которых клетка активно использует АТФ (мы еще поговорим об этом).