Энергия, секс, самоубийство. Митохондрии и смысл жизни

Хемиосмотическая сила — фундаментальное свойство жизни. Возможно, она древнее, чем ДНК, РНК и белки. Первые хемиосмотические «клетки» могли образовываться из микроскопических пузырьков железо-серных минералов, которые сливались в зоне смешивания жидкостей, просачивающихся из земных глубин, с водой древнего океана. Такие минеральные «клетки» имели ряд общих черт с живыми клетками. Для их образования не нужно было никаких сложных эволюционных новшеств, а требовалась всего лишь окисляющая энергия солнца. Хемиосмотические «клетки» проводили электроны через поверхность, а поток электронов закачивал протоны через мембрану с образованием электрического заряда — силового поля клетки. И по сей день все формы жизни от бактерий до людей Производят энергию путем трансмембранной закачки протонов. Энергия образовавшегося градиента направляется на такие задачи, как движение, производство АТФ, теплопродукция и поглощение молекул. Отдельные исключения только подтверждают это правило.

В современных клетках электроны переносятся специализированными белками дыхательных цепей, которые используют поток электронов для закачки протонов через мембрану. Источником электронов служит пища. Проходя по дыхательным цепям, они взаимодействует с кислородом или другими молекулами, которые служат той же цели. Все организмы должны контролировать поток электронов по дыхательным цепям. Если поток слишком быстрый, энергия растрачивается без толку, а слишком медленный поток не позволяет удовлетворить энергетические запросы клетки. Дыхательные цепи ведут себя как трубы с мелкими трещинками: если вода течет свободно, все нормально, но любой засор, как в начале, так и где-то в середине, приводит к протечке. Утечка электронов из засорившихся дыхательных цепей приводит к образованию свободных радикалов. Есть лишь несколько возможных причин блокировки потока электронов и лишь несколько способов восстановить этот поток. Тем не менее баланс между производством энергии, с одной стороны, и образованием свободных радикалов — с другой (именно с этой проблемой я столкнулся при исследовании почки), определил ряд важнейших, хотя и не очевидных биологических законов.

Во-первых, причиной блокирования потока электронов может быть какой-то дефект, нарушающий физическую целостность дыхательных цепей. Они состоят из многих белковых субъединиц, образующих большие функциональные комплексы. В эукариотических клетках большую часть субъединиц кодируют ядерные гены, а гены в митохондриях кодируют лишь несколько субъединиц. Сохранение митохондриальных генов — это парадокс. Есть много веских причин перенести их в ядро, однако нет ни одного вида, у которого это процесс дошел бы до конца. Скорее всего, сохранение митохондриальных генов связано с селективным преимуществом, которое, по-видимому, имеет отношение к производству энергии. Так, например, недостаточное число комплексов во второй части дыхательных цепей блокировало бы поток электронов, приводя к обратному току электронов в первой части цепи и утечке свободных радикалов. В принципе митохондрии могут распознать утечку свободных радикалов и исправить проблему, просигналив генам скомпенсировать нехватку, то есть производить больше комплексов для второй части цепей.

Итог зависит от локализации генов. Если они находятся в ядре, клетка не может понять, каким митохондриям нужны новые комплексы, а каким не нужны. Ядерные гены причесывали бы все митохондрии под одну гребенку, и клетка потеряла бы контроль над производством энергии, а это очень плохо. Контролировать производство энергии во многих митохондриях одновременно можно, только если в каждой из них сохранился маленький контингент генов, кодирующих основные белковые субъединицы дыхательных цепей. Дополнительные субъединицы, кодируемые в ядре, размещаются вокруг основных митохондриальных субъединиц, которые служат им маяками и точками для сборки.

Такая организация системы имеет далеко идущие последствия. Бактерии закачивают протоны через внешнюю клеточную мембрану, и поэтому их размер ограничен геометрическими соображениями: производство энергии падает со снижением соотношения площади поверхности к объему. Напротив, процесс производства энергии у эукариот протекает во внутриклеточных структурах — митохондриях, что освобождает их от бактериальных ограничений. Это объясняет, почему бактерии остались морфологически простыми клетками, а эукариоты смогли в десятки тысяч раз увеличиться в размерах, накопить в тысячи раз больше ДНК и достичь истинной многоклеточной сложности. Но почему бактерии так и не смогли переместить процесс производства энергии внутрь клетки? Потому, что только эндосимбиоз — взаимное, устойчивое сотрудничество партнеров, один из которых живет внутри другого, — позволяет оставить на месте правильный контингент генов, а эндосимбиоз у бактерий встречается редко. Такое впечатление, что обстоятельства, давшие начало эукариотической клетке, сложились лишь однажды за всю историю жизни на Земле.