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

Мы знаем, что основной причиной разрушения митохондрий являются свободные радикалы, генерируемые самими митохондриями. Результаты недавних исследований говорят о том, что бо́льшая их часть производится комплексами I и III. Комплекс I производит свободные радикалы, если на его электроны нет спроса, а комплекс III делает это, когда АТФ не используется клеткой с достаточно быстрой скоростью.

В ходе нормального окислительного фосфорилирования 0,4–4,0 % используемого в митохондриях кислорода превращается в супероксиды. Клетка защищается, и супероксиды превращаются в пероксид водорода (H 2O 2) под воздействием пероксиддисмутазы [7] Пероксиддисмутаза — фермент, катализирующий диспропорционирование (дисмутацию) радикалов О 2- и препятствующий превращению супероксидного анион-радикала в гидроксильный радикал, обладающий высокой токсичностью. . Затем пероксид водорода превращается в воду посредством глутатионпероксидазы (одного из основных ферментов-антиоксидантов) или пероксиредоксина III [8] Пероксиредоксины — широко распространенное семейство антиоксидантных ферментов. . Однако если эти ферменты не могут достаточно быстро расщепить свободные радикалы и «низвести» их до уровня воды (или когда синтез супероксидов приобретает лавинообразный характер), митохондрии начинают мутировать, а мутации — накапливаться.

Результаты лабораторных исследований показывают, что свободные радикалы разрушают железосерные кластеры, находящиеся в аконитатгидратазе — ферменте, катализирующем в цикле трикарбоновых кислот вторую реакцию. В результате происходит высвобождение железа, которое вступает в реакцию с пероксидом водорода, вследствие чего образуются гидроксильные радикалы [9] Гидроксильный радикал — высокореакционный и короткоживущий радикал OH, образованный соединением атомов кислорода и водорода. . В митохондрии на основе NO-синтазы производится оксид азота, который также проникает в нее из цитоплазмы клетки. Оксид азота вступает в реакцию с кислородом, что приводит к образованию еще одного свободного радикала под названием пероксинитрит [10] Пероксинитрит — продукт реакции супероксид-иона и оксида азота. Он способен взаимодействовать с большинством классов органических соединений. . Совместно два вышеперечисленных свободных радикала (так же, как и все аналогичные им частицы) могут нанести серьезный ущерб митохондрии и другим компонентам клетки.

Как бы то ни было, все это зависит от доступности клеточного топлива и кислорода. Представим себе человека из бедной голодающей страны. Этот человек испытывает недостаток в пище, и, соответственно, в ЭТЦ его митохондрий практически прерывается поток электронов. Поэтому, несмотря на изобилие кислорода, в его организме формируется очень мало супероксидов (им нужны электроны).

Теперь представим себе тренировку качественно питающегося элитного атлета. Клетки его мышц наполнены топливом, но испытывают сильную потребность в энергии. Поток электронов мощно и ровно течет по ЭТЦ, практически не покидая ее пределов (АТФ постоянно идут «в дело»), а значит, сводя почти к нулю количество свободных радикалов.

Но что происходит с человеком, который регулярно поглощает много пищи и ведет сидячий образ жизни? Митохондрии его организма получают большое количество питательных веществ, но синтезируемая ими АТФ не используется клеткой. В этом случае обмен веществ замедляется при высокой концентрации АТФ, а в ЭТЦ образуются заторы из электронов. В результате избыток кислорода сочетается с множеством высоко реактивных электронов, что приводит к быстрому формированию супероксидов. Лавина свободных радикалов сметает антиоксидантную защиту и окисляет липиды митохондриальных мембран. В результате цитохром с (который в норме передает электроны от комплекса III к комплексу IV) отделяется от внутренней мембраны и попадает в межмембранное пространство. После этого перенос электронов по ЭТЦ останавливается полностью. Находящиеся выше затора комплексы ЭТЦ заполняются блокированными электронами, которые продолжают выпадать из цепи и формировать все новые свободные радикалы. В какой-то момент этот процесс достигает некоего порога, отверстия во внешней мембране митохондрии открываются — и начинается первая фаза клеточного самоубийства.

После выработки энергии наиболее важной функцией митохондрий является регуляция процесса умирания. Когда клетки нашего организма изнашиваются или им наносится невосполнимый ущерб, они совершают клеточный суицид, или апоптоз. Неполадки в регулирующих апоптоз механизмах влекут за собой серьезные последствия, одним из которых является возникновение злокачественной опухоли. Поэтому апоптоз представляет собой критически важный фактор целостности и правильной организации многоклеточного организма. Он контролируется митохондриями.

С генетической точки зрения многоклеточные организмы состоят из идентичных клеток, выполняющих конкретные задачи во имя организма, включая и задачу самоликвидации. Такая ситуация уникальна в живой природе — ведь живые существа характеризуются врожденным желанием выжить любой ценой. Тогда возникает вопрос, как и когда клетки многоклеточного организма начали в большинстве случаев послушно подчиняться распоряжению центра совершить суицид ради благополучия целого организма? Вероятнее всего, этот процесс продолжался сотни миллионов лет, а в качестве проводников такого альтруистического поведения выступили митохондрии, без которых многоклеточные организмы были бы буквально нашпигованы опухолями и погибали бы от рака в самом начале своего развития.

Чтобы жить в сообществе и пользоваться всеми его благами, люди должны согласиться на служение общему благу и на ущемление части своих прав. Злокачественные опухоли периодически возникают тогда, когда приговоренные к смерти клетки-эгоисты выходят из-под контроля и отказываются умирать. После этого они начинают лихорадочно делиться, не обращая внимания на последствия своих действий для всего клеточного сообщества. В итоге они убивают весь организм и, по зловещей иронии судьбы, погибают сами, исполняя вынесенный им изначально приговор.

Чтобы предотвратить возникновение опухолей-убийц, жизнь в ходе своей эволюции наделила митохондрии властью управлять процессом цивилизованной смерти клеток. Они делают это, считывая сигналы из разных источников. Если целостная картина, возникающая на основе обработки множества сигналов, показывает, что клетка больше не способна к нормальному функционированию или не подчиняется парадигме общего блага, то митохондрии запускают программу ее самоуничтожения. Процесс начинается с активации определенных мембранных рецепторов и каскада реакций, вовлекающих в работу другие органеллы, которые называются эндоплазматической сетью ( эндоплазматическим ретикулумом [11] Эндоплазматический ретикулум — клеточная органелла эукариот, которая представляет собой систему однослойных мембран, образующих одну непрерывную поверхность. Играет центральную роль в биосинтезе макромолекул. ). Центральным событием при многих формах регулируемой самоликвидации клеток является активация индуцирующих апоптоз каналов митохондрий (MAC) в результате конкретного стимулирующего воздействия. Открытие этих каналов делает внешнюю мембрану митохондрий чрезвычайно водопроницаемой, в результате чего она теряет электрический заряд и протонный градиент. Это приводит к лавинообразному росту числа свободных радикалов, которые окисляют липиды внутренней мембраны. Если же окисляется фосфолипид, то он может образовать соединение с комплексом IV, который в результате выпадает из своей позиции во внутренней мембране, что приводит к прекращению работы ЭТЦ.