Текст книги "Энергия, секс, самоубийство"

Автор книги: Ник Лейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 34 (всего у книги 34 страниц)

Поток электронов по дыхательным цепям можно регулировать, поэтому клетки погибают не каждый раз, когда поток электронов временно останавливается. Главный способ такой регуляции – это разобщение потока электронов и образования АТФ. Разобщение обычно происходит за счет повышения проницаемости мембраны для протонов, так что они проходят через мембрану не только через АТФазу (ферментный «мотор», отвечающий за производство АТФ). Таким образом, излишек протонов «сбрасывается», как вода из водохранилища, и затопления не происходит. Постоянная циркуляция протонов позволяет поддерживать постоянный ток электронов по дыхательным цепям независимо от «необходимости», а это предотвращает накопление электронов в дыхательных цепях и ограничивает утечку свободных радикалов. Но при рассеивании протонного градиента всегда образуется тепло, и эволюция направила его на полезное дело. В большинстве митохондрий около четверти протон-движущей силы рассеивается в виде тепла. Если митохондрий достаточно много, как, например, в тканях млекопитающих и птиц, производимого тепла достаточно для поддержания высокой температуры тела независимо от температуры окружающей среды. Происхождение эндотермности («настоящей» теплокровности) у птиц и млекопитающих, возможно, связано с рассеиванием протонного градиента. Это эволюционное новшество позволило теплокровным животным заселить умеренные и холодные районы Земли, а также вести активный ночной образ жизни, освободив наших предков от диктата обстоятельств.

Баланс между образованием тепла и производством АТФ до сих пор влияет на наше здоровье разнообразным и непредсказуемым образом. В тропиках разобщение дыхательной цепи ограничено, так как слишком высокая теплопродукция была бы вредна в жарком климате (возможна смерть от перегрева). Однако это означает, что возможности «сброса» излишних протонов ограничены и в состоянии покоя образуется больше свободных радикалов, особенно при условии богатой жирами диеты. Поэтому африканцы, питающиеся на западный манер, более подвержены сердечным заболеваниям и диабету – болезням, связанным с ущербом от свободных радикалов. Напротив, эскимосы, у которых эти заболевания встречаются редко, рассеивают протонный градиент с выделением дополнительного тепла. Соответственно, утечка свободных радикалов в состоянии покоя у них относительно низка, и они менее подвержены дегенеративным заболеваниям. С другой стороны, энергия, рассеивающаяся в виде тепла, невыгодна для сперматозоидов, которые должны двигаться за счет энергии немногочисленных митохондрий. Поэтому народы Арктики имеют более высокий риск мужского бесплодия.

В таких обстоятельствах свободные радикалы являются сигналом к переменам. Дыхательные цепи работают как термостат: если утечка свободных радикалов повышается, в действие вступает один из нескольких механизмов, снижающих их уровень, а затем он снова выключается. Так термостат то включает, то выключает нагреватель в зависимости от колебаний температуры. В случае дыхательных цепей свободные радикалы, скорее всего, распознаются одновременно с другими индикаторами общего «состояния здоровья» клетки, такими как уровни АТФ. Соответственно повышение уровня утечки свободных радикалов на фоне падения уровней АТФ в пределах одной митохондрии служит сигналом к производству новых субъединиц дыхательных цепей. Если же уровни АТФ высокие, свободные радикалы служат сигналом к увеличению уровня разобщения (у одноклеточных эукариот, возможно, сигналом к половому процессу), а устойчивое и непоправимое повышение утечки свободных радикалов на фоне падения уровня АТФ служит сигналом к клеточной смерти у многоклеточных особей. В каждом случае колебания уровня утечки свободных радикалов столь же существенны для работы обратной связи, как колебания температуры для работы термостата. Свободные радикалы крайне важны для жизни, и пытаться от них избавиться, например, за счет антиоксидантов – безумие. Этот простой факт вызвал к жизни еще два важнейших эволюционных новшества: происхождение двух полов и старение и смерть.

Свободные радикалы реактивны. Они вызывают повреждения и мутации, особенно расположенной поблизости митохондриальной ДНК. У низших эукариот, таких как дрожжи, митохондриальная ДНК мутирует примерно в сто тысяч раз быстрее, чем ядерные гены. Дрожжи могут это пережить, потому что не зависят от митохондрий для производства энергии. У высших эукариот, например у людей, уровень мутаций гораздо ниже, потому что мы-то от митохондрий зависим. Мутации митохондриальной ДНК могут быть причиной серьезных болезней и, как правило, элиминируются естественным отбором. Тем не менее скорость эволюции митохондриальных генов на больших отрезках времени (за тысячи или миллионы лет) все равно в 10–20 раз быстрее, чем скорость эволюции ядерных генов. Более того, колода ядерных генов тасуется и сдается заново в каждом поколении. Эти расхождения выливаются в серьезную нагрузку. Субъединицы дыхательной цепи кодируются и ядерными, и митохондриальными генами, и, чтобы нормально функционировать, они должны взаимодействовать с наноскопической точностью. Любые изменения генетической последовательности могут изменить структуру или функцию субъединиц и блокировать поток электронов. Единственный способ гарантировать эффективное производство энергии – это обеспечить сочетание одного набора митохондриальных генов с одним набором ядерных генов в клетке, а затем его протестировать. Если сочетание не работает, оно элиминируется, а если все хорошо, то клетка отбирается в качестве возможного прародителя следующего поколения. Но как можно организовать такое тестирование? Очень просто: клетка наследует митохондрии только от одного из двух родителей. Возникает специализация: один родитель передает митохондрии потомству, а другой – не передает. Вот почему сперматозоиды такие маленькие, а их митохондрии обычно погибают. Таким образом, существование двух полов и значительные биологические различия между ними связаны с передачей митохондрий из поколения в поколение.

Взрослые организмы сталкиваются со сходной проблемой. Она лежит в основе старения и связанных с ним болезней, которые так часто омрачают закат наших дней. В процессе использования митохондрии накапливают мутации, которые постепенно подрывают способность ткани к метаболизму (особенно это касается метаболически активных тканей). В конце концов клетки могут восполнить недостающую энергию только за счет производства дополнительных митохондрий. По мере того как новенькие митохондрии заканчиваются, клеткам проходится воспроизводить генетически поврежденные митохондрии. Клетки, которые наращивают число серьезно поврежденных митохондрий, сталкиваются с энергетическим кризисом и, как истинные самураи, совершают апоптоз. Поскольку поврежденные клетки элиминируются, митохондриальные мутации не накапливаются в стареющих тканях, но сама ткань постепенно усыхает, и оставшиеся здоровые клетки вынуждены справляться с дополнительной нагрузкой. Любой дополнительный стресс, например мутации в ядерных генах, курение, инфекции и т. д., могут подтолкнуть клетки к порогу, за которым их ждет апоптоз.

Митохондрии регулируют общий риск апоптоза, который повышается с возрастом. Генетический дефект, маловажный для молодой клетки, причиняет старой клетке значительный стресс просто потому, что она стоит ближе к порогу апоптоза. Тем не менее возраст измеряется не годами, а утечкой свободных радикалов. Виды с активной утечкой свободных радикалов, например крысы, живут несколько лет и за это короткое время успевают заработать себе старческие заболевания. Виды с низким уровнем утечки свободных радикалов, например птицы, живут в десять раз дольше. Они тоже подвержены дегенеративным заболеваниям, но чаще умирают от других причин (например, от «жесткой посадки») прежде, чем эти заболевания успеют проявиться. Важно, что птицы (и летучие мыши) живут дольше, не принося в жертву свой «ритм жизни». Они похожи на млекопитающих по уровню метаболизма, но живут в десять раз дольше. Одни и те же мутации в ядерных генах вызывают одни и те же старческие заболевания у разных видов, но скорость их развития варьирует на порядки величин и соответствует скорости утечки свободных радикалов. Из этого следует, что лучший способ излечить старческие заболевания, или, по крайней мере, отсрочить их – это ограничить утечку свободных радикалов из дыхательных цепей. Такой подход потенциально может излечить все старческие заболевания вместе. Попытки справиться с ними по отдельности пока не привели к существенному медицинскому прогрессу, и, скорее всего, это в принципе невозможно.

Подводя итог, власть митохондрий над миром вообще и нашей жизнью в частности огромна. Все перечисленные эволюционные новшества определяются несколькими правилами прохода электронов по дыхательным цепям. Удивительно, что мы все еще можем понять это после двух миллиардов лет тесной взаимной адаптации. Это возможно потому, что, несмотря на все изменения, митохондрии сохранили четкие следы своего происхождения. Именно они позволили нам в общих чертах проследить историю, изложенную в этой книге. Эта история более величественная и монументальна, чем казалось еще недавно. Речь идет не о необычном симбиозе или биологической «индустриальной революции», а о самой жизни. Более того, эта история рассказывает о жизни не только на Земле, но во Вселенной в целом, потому что затрагивает все системы, определяющие эволюцию сложных жизненных форм.

Испокон веков люди обращали взоры к звездам и размышляли, почему мы здесь и одни ли мы во Вселенной. Нам свойственно задумываться о том, почему существуют растения и животные, откуда мы пришли, кто были наши предки и что ждет нас впереди. Пусть ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и вообще всего не 42, как утверждал когда-то Дуглас Адамс[74]74
  В книге «Автостопом по галактике».


[Закрыть], но он не менее краток и загадочен – митохондрии. Они показывают нам, как возникла жизнь на нашей планете. Они объясняют, почему бактерии так долго царили на ней и почему эволюция, скорее всего, не поднялась выше уровня бактериальной слизи нигде во Вселенной. Они позволяют понять, как возникли первые сложные клетки и как земная жизнь взошла по лестнице восходящей сложности к вершинам славы. Они показывают нам, почему возникли теплокровные существа, стряхнувшие оковы окружающей среды; почему существуют мужчины и женщины, почему мы влюбляемся и заводим детей. Они говорят нам, почему наши дни в этом мире сочтены, почему мы стареем и умираем. Они могут подсказать нам лучший способ провести закатные годы жизни, избежав старости как обузы и проклятия. Может быть, митохондрии и не объясняют смысл жизни, но, по крайней мере, показывают, что она собой представляет. А разве можно понять смысл жизни, не зная, как она устроена?

Глоссарий

АДФ – аденозиндифосфат, предшественник АТФ.

Антиоксидант – любое соединение, защищающее от биологического окисления. Оно может делать это напрямую, принося себя в жертву и окисляясь вместо других молекул, или косвенно, катализируя разложение биологических окислителей.

Апоптоз – программируемая клеточная смерть, или самоубийство клеток. Сложный, многоступенчатый и тщательно контролируемый механизм удаления поврежденных или ненужных клеток многоклеточного организма.

Архезоя (Archezoa) – разнородная группа одноклеточных эукариот, лишенных митохондрий. Раньше считалось, что по крайней мере некоторые из них никогда не имели митохондрий, но теперь полагают, что все архезои когда-то существовали с митохондриями, а затем утратили их.

Археи (Archaea) – один из трех доменов жизни (наряду с эукариотами и бактериями). Под микроскопом археи внешне похожи на бактерии, но ряд молекулярных признаков сближает их с более сложными эукариотическими клетками.

АТФ – аденозинтрифосфат, универсальная энергетическая валюта жизни. АТФ образуется из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата. Энергия, высвобождающаяся при расщеплении АТФ, используется для совершения многих типов биохимической работы – от сокращения мышц до синтеза белков.

АТФаза (АТФ-синтаза) – ферментный «мотор» в митохондриях. За счет тока протонов через АТФазу из АДФ и фосфата образуется АТФ.

Белки – органические вещества, состоящие из цепочки аминокислот. Форма и функции белков исключительно разнообразны. По сути, они обеспечивают протекание всех свойственных жизни процессов. Белками являются ферменты, структурные волокна, факторы транскрипции, гистоны, гормоны, рецепторы и антитела.

Бесполое размножение – увеличение числа клеток или организмов, при котором возникает точная копия родительской клетки или организма.

Биологическая мембрана – тонкая структура, состоящая из липидов и белков. Все живые клетки ограничены мембраной снаружи, а эукариотические клетки в придачу содержат сложные мембранные структуры внутри.

Брожение (ферментация) – химическое расщепление сахаров (без чистого окисления или восстановления) с образованием спирта или других веществ. При брожении высвобождается энергия, которая может быть направлена на синтез АТФ.

Водородная гипотеза – теория, согласно которой эукариотическая клетка возникла в результате метаболического симбиоза двух сильно отличающихся прокариотических клеток.

Восстановление – приобретение электрона атомом или молекулой.

Восстановленное состояние – общая доля восстановленных молекул определенного рода. Например, при 70 %-ном восстановленном состоянии комплекса I 70 % этих комплексов имеют дыхательный электрон (то есть находятся в восстановленном состоянии), а остальные 30 % находятся в окисленном состоянии.

Гаметы – специализированные половые клетки, например сперматозоиды или яйцеклетки.

Ген – участок ДНК, задающий последовательность одного белка или РНК.

Генетический код – система «записи» генетической информации в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Определенные сочетания нуклеотидов – «букв» ДНК – соответствуют определенным аминокислотам или инструкциям, например: «начать считывание» или «прекратить считывание».

Геном – полная совокупность генов организма.

Гетероплазмия – состояние, при котором в клетке присутствуют митохондрии из двух разных источников, например отцовские и материнские митохондрии.

Гидрогеносома – органелла некоторых анаэробных эукариотических клеток. Гидрогеносомы производят энергию за счет сбраживания органических веществ с образованием водорода. Как стало недавно известно, гидрогеносомы и митохондрии имеют общее происхождение.

Гистоны – белки, участвующие в упаковке ДНК. Гистоны есть только у эукариот и некоторых архей, например метаногенов.

Горизонтальный перенос генов – перенос генов между одновременно существующими организмами, а не от родителей к потомству, как при вертикальном переносе генов.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, молекула, отвечающая за наследственность. ДНК имеет форму двойной спирали. Нуклеотиды одной цепи ДНК комплементарно связаны с нуклеотидами другой, и поэтому каждая цепь может служить матрицей для сборки точной копии исходной молекулы. Последовательность нуклеотидов ДНК кодирует последовательность аминокислот в белках.

Дыхание – окисление пищи с образованием энергии в форме АТФ.

Дыхательная цепь – последовательность белковых комплексов, включенных в бактериальные и митохондриальные мембраны. Каждый такой комплекс состоит из многих субъединиц. Электроны, источником которых является глюкоза, переходят от одного комплекса к другому, а в конце (в комплексе IV) взаимодействуют с кислородом. Энергия, высвобождающаяся в процессе прохода электронов по дыхательной цепи, используется для закачки протонов через мембрану.

Естественный отбор – основной механизм эволюции живых организмов, основанный на дифференциальной выживаемости и успехе размножения особей с наследственными различиями в биологической приспособленности.

Закачка протонов – физическое перемещение протонов через мембрану с образованием протонного градиента.

Клетка – самая маленькая биологическая единица, способная к независимому существованию за счет самовоспроизведения и обмена веществ.

Клеточная стенка – прочная, но проницаемая наружная оболочка клетки бактерий, архей и некоторых эукариот. Она позволяет поддерживать форму клетки и постоянство ее внутреннего состава в условиях меняющейся окружающей среды.

Контрольный участок – фрагмент некодирующей ДНК митохондриального генома. Контрольный участок связывает факторы, отвечающие за контроль экспрессии митохондриальных генов.

Липиды – группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Липиды являются одним из основных компонентов биологических мембран, а также присутствуют в цитоплазме клетки в виде запасных питательных веществ.

Материнское наследование – наследование митохондрий (или хлоропластов) только от одного из родителей, а именно от матери.

Митохондриальная ДНК – молекула ДНК, содержащаяся в митохондриях, обычно в числе от 5 до 10 копий. Как правило, она кольцевая. Митохондриальная ДНК имеет бактериальную природу.

«Митохондриальная Ева» – женщина, которая была последним общим предком всех людей. Поскольку митохондриальная ДНК наследуется только по материнской линии, все ныне живущие люди получили ее от «митохондриальной Евы».

Митохондриальная мутация – наследуемое изменение последовательности митохондриальной ДНК.

Митохондриальное заболевание – болезнь, вызванная мутациями или делециями в митохондриальной ДНК или в тех ядерных генах, которые кодируют белки, предназначенные для транспортировки в митохондрии.

Митохондриальный геном – совокупность генов митохондриальной ДНК. Митохондриальный геном человека состоит из 13 генов, кодирующих белок, и еще некоторого числа генов, кодирующих РНК.

Митохондрии – клеточные органеллы, отвечающие за производство АТФ и контроль апоптоза. Митохондрии произошли от эндосимбиотической α-протеобактерии (какой именно, пока непонятно).

Мутация – наследуемое изменение последовательности ДНК. Мутация может быть вредной, полезной или нейтральной. Естественный отбор благоприятствует одним мутациям и отбраковывает другие, таким образом совершенствуются функции белков.

Некодирующая (мусорная, избыточная) ДНК – последовательности ДНК, не кодирующие ни белки, ни РНК.

Окисление – потеря электронов атомом или молекулой.

Окислительно-восстановительная реакция – реакция, в процессе которой одна молекула окисляется за счет другой, которая, соответственно, восстанавливается.

Окислительно-восстановительная сигнализация – изменение активности фактора транскрипции в результате его окисления или восстановления, обычно свободными радикалами. Активный фактор транскрипции контролирует экспрессию генов и, соответственно, образование белков.

Ооцит (яйцеклетка) – женская половая клетка. Ооциты содержат вдвое меньше хромосом, чем соматические клетки организма.

Органеллы – органы клеток, выполняющие определенные задачи (органеллами являются, например, митохондрии и хлоропласты).

Показатель степени – надстрочный индекс при числе, обозначающий, сколько раз число нужно умножить само на себя. Показатель степени можно представить в виде наклонной прямой на графике с логарифмическим масштабом на обеих осях.

Половое размножение – размножение за счет слияния двух половых клеток (гамет). Каждая гамета содержит случайную выборку половины родительских генов, и эмбрион получает одинаковое число генов от каждого родителя.

Последовательность ДНК – порядок следования нуклеотидов ДНК. Определенные последовательности ДНК могут кодировать порядок следования аминокислот в белке или последовательность связывания факторов транскрипции. Некоторые участки ДНК не кодируют ничего.

Прокариоты – обширная группа одноклеточных организмов, лишенных ядра. К прокариотам относятся бактерии и археи.

Протон – ядро атома водорода, несущее один положительный заряд.

Протон-движущая сила – потенциальная энергия, запасенная в виде протонного градиента. Протон-движущая сила представляет собой сочетание электрической разности потенциалов и разницы pH (концентрации протонов) по разные стороны мембраны.

Протонный градиент – разница концентрации протонов по разные стороны мембраны.

Разобщающий агент (разобщитель) – любое химическое вещество, рассеивающее протонный градиент за счет переноса протонов через мембрану, тем самым разобщая дыхание и образование АТФ.

Разобщающий белок – белковый канал в мембране, обеспечивающий обратный ток протонов и рассеивание протонного градиента в виде тепла.

Разобщение – нарушение связи дыхания с производством АТФ. При разобщении протоны перестают течь через АТФазу с образованием АТФ. Вместо этого они проходят через поры в мембране, и протонный градиент рассеивается в виде тепла. Разобщение дыхательной цепи можно сравнить с ситуацией, когда слетела велосипедная цепь, – велосипедист жмет на педали, но никуда не движется.

Рекомбинация – физическое перераспределение генетического материала, при котором ген из одного источника заменяется эквивалентным геном из другого источника. Рекомбинация происходит при половом размножении и горизонтальном переносе генов, что позволяет исправить поврежденную хромосому за счет ее «сравнения» с исходной копией.

РНК – рибонуклеиновая кислота. Существует несколько форм РНК, в том числе: информационная РНК, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке и переносит ее из ядра в цитоплазму; рибосомальная РНК, входящая в состав рибосом («фабрик» белка в цитоплазме); и транспортная РНК, выполняющая адаптерные функции в процессе трансляции.

Свободный радикал – атом или молекула с одним непарным электроном. Это состояние нестабильно, поэтому такие атомы или молекулы легко вступают в химические реакции, то есть являются химически реактивными.

Симбиоз – взаимовыгодные отношения между организмами двух разных видов.

Темпы эволюции – скорость, с которой последовательность ДНК меняется за время существования многих поколений. Эта скорость зависит от частоты мутаций и действия естественного отбора, элиминирующего вредные мутации, поэтому темпы эволюции ниже, чем частота мутаций.

Уровень метаболизма – скорость потребления энергии клетками и целыми организмами. Уровень метаболизма оценивается по скорости окисления глюкозы или потребления кислорода.

Утечка протонов – переход закачанных протонов обратно через мембрану, которая почти, но не совсем непроницаема для протонов.

Утечка свободных радикалов – постоянное образование небольшого количества свободных радикалов в дыхательных цепях митохондрий, связанное с непосредственным взаимодействием переносчиков электронов с кислородом.

Фагоцитоз – поглощение клеткой пищевых частиц за счет изменения формы и образования псевдоподий. Фагоцитированные частицы перевариваются в пищеварительной вакуоли.

Фактор транскрипции – белок, связывающийся с ДНК и облегчающий прохождение основных этапов транскрипции – первого шага синтеза белков.

Фермент (энзим) – белковый катализатор, способный увеличивать скорость биохимических реакций на много порядков и обладающий при этом чрезвычайно узкой специфичностью.

Хемиосмос – генерирование протонного градиента через непроницаемую мембрану. Обратный ток протонов через специальные каналы (АТФазные комплексы) служит источником энергии для синтеза АТФ.

Хемиосмотическое сопряжение – сопряжение дыхания с синтезом АТФ за счет трансмембранного протонного градиента. Энергия, высвобождающаяся в процессе окисления, используется для закачивания протонов через мембрану, а поток протонов в обратном направлении через АТФазу дает энергию для синтеза АТФ.

Хлоропласт – фотосинтезирующая органелла клеток растений. Хлоропласты произошли от эндосимбиотических цианобактерий.

Хромосома – длинная молекула ДНК, часто «завернутая» в гистоны. Хромосома может быть кольцевой, как у бактерий и митохондрий, или линейной, как в ядре эукариотических клеток.

Цитозоль – «водянистая» часть цитоплазмы, то есть цитоплазма за вычетом органелл.

Цитоплазма – все, что ограничено мембраной клетки, кроме ядра.

Цитоскелет – сеть белковых волокон в клетке, обеспечивающая структурную поддержку. Цитоскелет динамичен, и благодаря ему многие клетки могут менять форму и двигаться.

Цитохром с – митохондриальный белок, переносящий электроны от комплекса III к комплексу IV дыхательной цепи. Выброс цитохрома из митохондрий является главный фактором инициации апоптоза.

Цитохромоксидаза – функциональное название комплекса IV дыхательной цепи. Этот фермент, состоящий из многих субъединиц, получает электроны от цитохрома с и использует их для восстановления кислорода до воды, что является заключительным шагом клеточного дыхания.

Частота мутаций – число мутаций, происходящих в ДНК за определенный период времени, обычно ограниченный периодом существования нескольких поколений. См. также Темпы эволюции.

Электрон – отрицательно заряженная элементарная частица, вращающаяся вокруг положительно заряженного ядра атома.

Эндосимбиоз – взаимовыгодные отношения, при которых одна клетка живет внутри другой.

Эндосимбионты – клетки, живущие внутри других клеток во взаимовыгодном союзе.

Эукариот – организм, состоящий из одной эукариотической клетки (одноклеточные эукариоты) или многих эукариотических клеток (многоклеточные эукариоты).

Эукариотическая клетка – клетка, имеющая «настоящее» ядро. Считается, что все эукариотические клетки имеют митохондрии или когда-то имели их.

Ядро – сферическая, ограниченная мембраной структура, представляющая собой «пункт управления» эукариотической клеткой. В ядре находятся хромосомы, состоящие из ДНК и белков.

NADH – никотинамидадениндинуклеотид. Эта молекула переносит электроны и протоны, источником которых служит глюкоза, к комплексу I дыхательной цепи.