Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость
Шрифт:
Рис. 1.6. Комплекс III принимает электроны восстановленного кофермента Q10 (QH2) в ходе многоступенчатого процесса под названием Q-цикл. Электроны перемещаются к цитохрому с (Cyt c), после чего четыре протона (H) выкачиваются в межмембранное пространство
Цианистый калий – широко известный яд (он использовался при массовом самоубийстве в Джонстауне, Гайана, а также часто выдается военным на случай неизбежного пленения), который убивает за счет остановки ЭТЦ. Цианид-ионы блокируют комплекс IV (цитохромоксидазу), связываясь с железом, входящим в состав данного фермента, чем препятствуют переносу электронов между цитохром
Рис. 1.7. Комплекс IV принимает электроны от цитохрома с (Cyt c), выкачивает четыре протона в межмембранное пространство и передает электроны конечному получателю, кислороду (О2), в целях синтеза безопасной субстанции – воды (H2O)
То, что я рассказал, относится к школьному и вузовскому курсам биологии. В дополнении к четырем комплексам есть еще и АТФ-синтаза (которую некоторые ученые относят к комплексу V). В целом ЭТЦ митохондрий состоит из пяти белковых комплексов, функция которых заключается в синтезе АТФ. Современные биологические исследования выявили несовершенство стандартной теории о свободно плавающих во внутренней мембране митохондрий дискретных ферментах. Научные данные свидетельствуют о том, что митохондриальные ферменты ЭТЦ собраны в более крупные супрамолекулярные структуры, называемые «цельными суперкомплексами». Наличие этих структур резко повышает качество переноса электронов, так как расстояние, которое электрон должен преодолеть между комплексами, сокращается до нескольких нанометров.
Чтобы еще больше запутать ситуацию, отметим, что в научном мире обсуждается не только существование суперкомплексов, но и их возможное разнообразие. Примером является суперкомплекс респирасома, в который входят комплексы I, III и IV. Есть суперкомплексы, в которые входят только комплексы I и III или комплексы III и IV. Такие сочетания комплексов обусловливают доступность пула CoQ10 и цитохрома с для этих суперкомплексов.
Есть доказательства того, что некоторые расстройства здоровья связаны с диссоциацией компонентов этих суперкомплексов. Я намеренно не буду указывать на конкретные заболевания, потому что вопрос еще недостаточно изучен, и упоминаю о данных исследованиях, чтобы показать: наши знания в этой области постоянно эволюционируют и расширяются.
АТФ-синтаза: соединение ЭТЦ и окислительного фосфорилирования
АТФ-синтаза (аденозинтрифосфатаза, или комплекс V) – важный фермент, являющийся финальной ступенью в длинной цепи событий, кульминацией которых становится синтез АТФ.
Именно этот фермент соединяет протонный градиент (возникающий в результате функционирования ЭТЦ и восстановления кислорода до воды) с фосфорилированием – процессом добавления фосфатов к аденозиндифосфату (АДФ), который превращается в аденозинтрифосфат (АТФ). Все это называется окислительным фосфорилированием.
АТФ-синтаза, будучи крупным ферментом, представляет собой мельчайшую из известных нам машин. В интернете можно найти несколько удачных анимированных иллюстраций ее работы, и я советую вам не пожалеть времени и посмотреть их. Фактически АТФ-синтаза – это роторный двигатель, состоящий из множества крошечных белковых деталей. АТФ-синтаза состоит из двух основных компонентов – главного вала, который пронизывает мембрану насквозь, и прикрепленной к нему вращающейся головки, которая в электронный микроскоп напоминает шляпку гриба. Давление протонов, скопившихся снаружи от мембраны, проталкивает их через вал и вращает головку; три протона, проходящие через вал, проворачивают головку примерно на 120 градусов, так что она совершает полный оборот за три щелчка. На головке находятся три участка связывания, и именно на них происходит сборка АТФ. С каждым поворотом головки образующееся напряжение создает или разрывает химические связи. Первый участок связывает АДФ; при следующем повороте головки к АДФ присоединяется фосфат и образуется АТФ; третий поворот высвобождает АТФ. У людей для каждого полного оборота головки нужны девять протонов, при этом образуются три молекулы АТФ.
Использование протонных насосов для хранения потенциальной энергии в форме электрохимического градиента, а затем укрощение
Рис. 1.8. Молекулярное изображение АТФ-синтазы, демонстрирующее ее направленность и сложность
Аналогично происходит и фотосинтез растений, хотя в этом случае солнечная энергия используется для выкачивания протонов через мембрану хлоропласта, который представляет собой результат растительной эволюции митохондрий. Бактерии, являясь прародительницами митохондрий, функционируют в этом же ключе. Они создают протонный градиент за счет разницы в концентрациях растворенного вещества по обе стороны мембраны и разницы зарядов и свободно удерживаются с помощью их клеточной стенки. Но, в отличие от людей и млекопитающих, в растительном мире конечным «приемником» электронов, движущихся по ЭТЦ, могут быть самые разные молекулы, а не только кислород. Как бы то ни было, извлекаемая с помощью ЭТЦ энергия используется для выкачивания протонов через мембрану. Этот механизм является столь универсальным, что может считаться отличительным признаком жизни на Земле.
Рис. 1.9. Иллюстрация механизма генерации энергии с помощью окислительного фосфорилирования посредством комплекса I (верхняя половина рисунка) и комплекса II (нижняя половина рисунка)
Митохондриальная ДНК: любопытный реликт древности
После поглощения бактерии, впоследствии ставшей митохондрией, бактерией-хозяином она некоторое время жила на правах паразита. Организм хозяина давал ей практически все, что нужно для выживания, и поэтому она обленилась. Ей не было нужды содержать громоздкую и бесполезную ДНК. В самом деле, зачем кодировать белки, если это с успехом делает хозяйская ДНК? Природа также задалась этим вопросом и со свойственной ей безжалостной эффективностью сделала так, что паразитическая бактерия начала терять лишние гены.
И все бы ничего, только при утрате наиболее важных генов клетка неизбежно умирает. Лэйн в своей книге приводит следующий пример: наши предки-приматы однажды (миллионы лет назад) лишились гена, синтезирующего витамин С. К счастью, их диета была богата фруктами с повышенным содержанием этого витамина. Поэтому потеря данного гена не вызвала катастрофических последствий: древние человекообразные выживали и даже процветали. Но откуда мы знаем, что они в свое время обладали геном витамина С, если его нет у современных людей? Большая часть его находится в мусорной ДНК, и этот рудимент идентичен функционирующему гену рецептора витамина С у других видов.
Утрата бесполезных генов – весьма распространенное явление. Бактерии могут потерять их в течение нескольких часов или дней. Как это помогает выживанию? Деление клеток, обеспечивающее репродукцию бактерий, требует очень большого количества энергии, тогда как бактерии в сравнении с эукариотами производят очень мало энергии. Чем меньше размер бактериальной ДНК, тем меньше энергии требуется для ее копирования для дочерних клеток. Эффективность сброса генетического балласта проявляется в малом количестве мусорного ДНК на главной хромосоме бактерий.
Вы можете возразить, что утрата генов – это неэффективный механизм, потому что сброшенные гены могут быть вновь востребованы. Тем не менее отказ от генов бактериями не является столь безрассудным, как это может показаться. Дело в том, что бактерии могут вновь приобрести нужные им (равно как и другие) гены в рамках процесса, называемого горизонтальным переносом генов. Бактерии способны подбирать ДНК в окружающей их среде (забирая генетический материал у мертвых клеток или других бактерий) с помощью бактериальной конъюгации, которая не сильно отличается от акта совокупления между людьми в плане передачи ДНК. (Ну ладно, возможно, различия здесь существенны, но главное здесь то, что бактерии могут приобретать новые гены и успешно пользуются этой способностью.) Феномен горизонтального переноса генов, позволяющего бактериям получать новый генетический материал, говорит о том, что введение в пищевую цепь генетически модифицированных растений и животных может привести к непредсказуемым последствиям и требует гораздо более углубленных исследований, нежели проведены до сих пор. Бактерии в наших кишечниках или в кишечниках наших домашних животных способны вобрать в себя модифицированные гены. Если это произойдет, то в царствах животных и растений может начаться необратимый хаос (а ведь существует бесконечное число иных возможностей утечки модифицированных генов в мир живой природы).