Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость

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[7]. Затем пероксид водорода превращается в воду посредством глутатионпероксидазы (одного из основных ферментов-антиоксидантов) или пероксиредоксина III[8]. 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]. 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]. 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.