Мутации митохондрий: начало конца

Со временем мутации мтДНК накапливаются. Речь идет о безвозвратной потере нормальной последовательности ДНК, которая после этого кодирует дефектные белки, не выполняющие жизненно важные для клетки функции.

Если мутации затрагивают любой из белков в митохондриальной ЭТЦ, то скорость появления свободных радикалов возрастает и ситуация может быстро выйти из-под контроля. К сожалению, преимущество находится на стороне супероксидов, а они активно разрушают гены составляющих ЭТЦ белков. Это обусловлено тем, что мтДНК расположена рядом с участками особенно интенсивной генерации свободных радикалов. Кроме того, в отличие от ядерной ДНК, митохондриальная ДНК не защищена слоем гистонов; ее восстановительные механизмы очень несовершенны, и она не обладает «мусорной» ДНК (гены плотно упакованы рядом друг с другом, и поэтому любая мутация оказывает отрицательный эффект на всю микросистему). Разрушение входящих в мтДНК генов – лишь дело времени, а это неизбежно ведет к нарушению функционирования ЭТЦ и окислительного фосфорилирования.

Радикальный сигнал смерти

На первый взгляд кажется, что скорость утечки свободных радикалов из ЭТЦ соответствует скорости клеточного дыхания, но это не так. Конечно, потребность в энергии и ее потреблении, работа разобщающих белков и другие переменные, привязанные к скорости клеточного дыхания, оказывают влияние на скорость выделения свободных радикалов, но в конечном счете она зависит от доступности электронов (и кислорода).

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 (H₂O₂) под воздействием пероксиддисмутазы. Затем пероксид водорода превращается в воду посредством глутатионпероксидазы (одного из основных ферментов-антиоксидантов) или пероксиредоксина III. 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. 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. 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.

Живой или мертвый: митохондриальный контроль жизни и смерти

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). 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.

Атака свободных радикалов также высвобождает цитохром с (и другие молекулы), который соединяется с другими компонентами цитоплазмы, чтобы образовать апоптосомный комплекс. Апоптосомный комплекс активирует ферменты клеточной смерти – каспазы. Как мы помним, цитохром с отвечает за перенос электронов от комплекса III к комплексу IV. В нормальных условиях цитохром с прикреплен к внешней стороне внутренней митохондриальной мембраны. Но отсоединившись от мембраны, он начинает выполнять вышеупомянутые функции.

Вообще отсоединение цитохрома с от внутренней мембраны является ключевой стадией апоптоза, которая делает его необратимым. С научной точки зрения интерес вызывает тот факт, что даже микроинъекции цитохрома в здоровые клетки млекопитающих вызывают апоптоз, что представляет собой хороший пример народной мудрости: «Недоученный хуже неученого». В ЭТЦ существует два компонента, которые не являются комплексами: CoQ10 и цитохром с. CoQ10 (кофермент Q10) – очень полезный для здоровья лечебный продукт, и его, говоря языком медицины, восполняющее введение признано полезным во многих случаях. Но если мы поступим так же с цитохромом с (полагая, что он поможет переносу электронов от комплекса III к комплексу IV), то будем просто-напросто убивать себя (поэтому цитохром с никогда напрямую не вводится в здоровые клетки).

После активации каспаз они методично разрушают клетку (расщепляя находящиеся в ней белки), которая ужимается и затем распадается на фрагменты, хотя ее органеллы до поры до времени остаются в относительной неприкосновенности (происходит формирование мембранных пузырьков (апоп-тозных телец), впоследствии поглощаемых фагоцитами). После этого близлежащие клетки или макрофаги полностью поглощают клеточные остатки и используют их компоненты в целях своей жизнедеятельности. При правильном ходе событий апоптоз – это хорошо организованный многоплановый процесс клеточного саморазрушения. Каждые сутки в человеческом организме самоликвидируется порядка десяти миллиардов клеток.

Регуляция апоптоза – многоплановый процесс. Для того чтобы смертельный механизм был приведен в действие, необходимо пройти ряд этапов. Практически на каждом из них белкам-триггерам апоптоза противодействуют другие белки, выступающие в качестве предохранителей при ложной тревоге. Однако если каспазы активированы, то процесс уже не остановить. Несомненно, есть множество способов отправить клетке приказ умереть. Например, активированные иммунные клетки отправляют химические сигналы, чтобы инициировать апоптоз в злокачественных клетках, а также в клетках с ДНК, мутировавшей под воздействием ультрафиолетового излучения, внешних токсинов и загрязняющих агентов, вирусов и бактерий, физических стрессов и травм, воспалений и т. д. Все эти триггеры запускают каспазный каскад. Другими словами, все пути клеточного самоубийства в итоге сходятся в одной точке на стадии активации каспаз, которые приводятся в действие лавинообразным ростом числа свободных радикалов, вызванным деполяризацией внутренней митохондриальной мембраны и отсоединением от нее цитохрома с.

Результаты огромного количества исследований говорят о том, что апоптоз исполняет не только функции пресечения роста раковых клеток и контроля деления обычных клеток, но и является ключевым процессом во всей живой природе.

Во время развития человеческого эмбриона гибнет больше 80 % нейронов его головного мозга (такого рода массовое вымирание можно сравнить с запрограммированной клеточной гибелью ооцитов у человеческого эмбриона женского пола). Гибель этих нейронов позволяет мозгу создать оптимально работающие матрицы специфических функциональных связей между оставшимися нейронами. Если бы не процесс апоптоза, то в мозгу эмбриона могли бы установиться необычные связи между разными областями, которые в нормальной ситуации не взаимодействуют друг с другом напрямую. Случаи формирования такого рода нейронных связей, по мнению некоторых исследователей, объясняют тот факт, что люди с высокофункциональным аутизмом видят тот или иной цвет или испытывают определенные эмоции при восприятии конкретных цифр.

Лэйн в своей книге приводит в качестве примера формирование пальцев на наших руках. В процессе развития кисти эмбриона апоптоз удаляет клетки между будущими пальцами. Если бы этого не происходило, то наши руки напоминали бы лягушачьи лапки. Формирование тела идет по пути удаления лишнего, а не добавления недостающего.

В отличие от апоптоза, некроз клеток – это процесс, при котором клетки воспаляются, набухают и разрываются, а органеллы разрушаются. Некроз может начаться с открытием канала во внутренней мембране митохондрии. Этот канал называется митохондриальной порой (mPTP). Недавно исследователи открыли третий, промежуточный, вид гибели клетки – не-кроптоз, сочетающий в себе запрограммированность апоптоза и морфологические признаки некроза. В ходе некроптоза также задействована mPTP.

Изучение механизмов клеточной смерти само по себе сложное дело. К тому же результаты недавних исследований еще больше запутывают ученых, показывая, что некроз следует за апоптозом и наоборот, так что кажется, что эти независимые клеточные процессы происходят одновременно. Однако независимо от пути, ведущего к гибели клетки, митохондрии играют в нем центральную роль.