Кислород. Молекула, изменившая мир

Эта история весьма характерна для клеток в культуре: им не нужно много энергии, поэтому им не нужно много митохондрий. На самом деле, это справедливо не только для клеток в культуре, но и вообще для всех клеток с невысокими энергетическими затратами. Удивительно, но к их числу относятся и активно делящиеся клетки, например стволовые или опухолевые: они расходуют значительно меньше энергии, чем клетки, выполняющие специализированную метаболическую функцию. К примеру, клетки мозга, которые составляют лишь 2% массы тела, расходуют 20% всего потребляемого организмом кислорода. Если мозг не снабжается кислородом всего несколько минут, человек теряет сознание. Нейроны не делятся, а вспомогательные глиальные клетки мозга делятся редко, так что весь кислород нужен мозгу для выполнения рутинной метаболической функции. Другие ткани с активным метаболизмом тоже потребляют много кислорода. В каждой клетке печени, почек или сердечной мышцы содержится около 2000 митохондрий, так что в этих клетках практически невозможно разглядеть цитоплазму. Напротив, стволовые клетки, функция которых заключается в пополнении клеточных популяций, например клеток кожи, имеют удивительно мало митохондрий. Аналогичным образом, клетки иммунной системы, такие как лимфоциты, которые после активации тоже начинают активно делиться, практически лишены митохондрий.

В целом существует строгая зависимость между степенью дифференцировки клетки (ее вовлеченностью в решение специфической метаболической задачи) и численностью ее митохондрий. Специализированные клетки имеют множество митохондрий и страдают от последствий — сильного окислительного стресса. Клетки, испытывающие стресс, получают преимущества от повышения устойчивости к стрессу. Вспомните, что защитный эффект ограничения калорийности питания в большей степени проявлялся в долгоживущих клетках тех тканей, которые подвергались наиболее сильному окислительному стрессу, как в мозге, сердце и скелетных мышцах. Именно это, а не теломераза на самом деле обеспечивает бессмертие клеточной популяции. Чтобы выжить, нужно избавиться от митохондрий, как от ненужного балласта. Это и делают опухолевые клетки. По мере размножения опухолевые клетки становятся менее дифференцированными и теряют митохондрии. Они прекрасно живут за счет анаэробного дыхания. Большинство опухолей — плотные тканевые образования с низкой потребностью в кислороде. Более того, для многих опухолей кислород токсичен: радиотерапия может оказаться в три или четыре раза более эффективной при оксигенации опухоли (ее насыщении кислородом). Как часто бывает, существуют подтверждающие правило исключения. Некоторые опухолевые клетки содержат множество митохондрий. В частности, некоторые железистые опухоли (онкоцитомы) и опухоли печени (гепатома Новикова) содержат клетки с огромным количеством митохондрий. Однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что эти митохондрии нефункциональны. Таким образом, если клетка содержит активную теломеразу и небольшое число малоактивных митохондрий, она может делиться бесконечно.

Существует еще один фактор, помогающий поддерживать существование быстро делящихся клеток, — их быстрый оборот. При делении клетки воспроизводится цитоплазма, митохондрии и ДНК. Это означает, что митохондрии быстрее реплицируются в быстро делящихся клетках, чем в неделящихся клетках, даже если последние набиты митохондриями. В популяции митохондрий обычно есть как целые, так и совсем изношенные. Неповрежденные митохондрии реплицируются быстрее. В результате при каждом удвоении клетки новый пул митохондрий образуется из наиболее хорошо сохранившихся митохондрий старого поколения, что и позволяет восполнить популяцию. Следовательно, можно предположить, что в быстро делящихся опухолевых клетках лишь небольшое число митохондрий находится в хорошем состоянии.

В неделящихся клетках, в которых скорость репликации митохондрий намного ниже, важным параметром становится скорость распада митохондрий. Обычно митохондрии в таких клетках заменяются раз в несколько недель. В неделящихся клетках частично поврежденные митохондрии могут распадаться медленнее, чем полноценные митохондрии, что приводит к преобладанию поврежденных митохондрий[77]. Это явление называют «выживанием самого медленного» (SOS, от survival of thе slowest); возможно, это одна из причин отмирания старых дифференцированных клеток.