Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

На схеме А изображен нормальный транспорт электронов по дыхательной цепи к кислороду (волнистая стрелка), при котором энергия потока электронов перекачивает протоны через мембрану, а за счет потока протонов через АТФ-синтазу (справа) синтезируется АТФ. Светло-серый цвет, которым изображены три дыхательных комплекса в мембране, указывает на то, что эти комплексы не перевосстановлены, так как электроны быстро передаются на кислород и не накапливаются. На схеме Б показаны эффекты замедления транспорта электронов из-за несовместимости митохондриального и ядерного геномов. Замедление потока электронов ведет к снижению потребления кислорода, ограничению транспорта протонов, падению мембранного потенциала (поскольку число перекачиваемых протонов уменьшается) и прекращению синтеза АТФ. Темный цвет дыхательных комплексов символизирует накопление электронов в дыхательной цепи. Перевосстановленность комплекса I повышает его реакционную способность: он начинает реагировать с кислородом с образованием свободных радикалов, например супероксидного анион-радикала (O₂^•-). Если ситуацию, представленную на схеме В, не исправить в течение нескольких минут, свободные радикалы начнут реагировать с мембранными липидами, в том числе кардиолипином, и это приведет к высвобождению цитохрома c (небольшой молекулы, которая на схемах А и Б непрочно связана с мембраной, а на схеме В от нее открепляется). Потеря цитохрома c полностью останавливает транспорт электронов на кислород, что еще в большей степени перевосстанавливает дыхательные комплексы (показано черным цветом), усиливает выработку свободных радикалов, приводит к исчезновению протонного градиента и прекращению синтеза АТФ. Вместе эти факторы запускают сигнальный каскад, приводящий к апоптозу.

Существует множество механизмов, которые эффективно предотвращают накопление супероксидных радикалов. Из задействованных в этом ферментов особенно важна супероксиддисмутаза. Количество таких ферментов в клетке должно быть очень точно сбалансировано. Если их будет слишком много, это может подавлять жизненно важные локальные сигналы, служащие подобием пожарной сигнализации. Свободные радикалы – нечто вроде дыма: если устранить дым, это не потушит пожар и не решит проблему. В этом случае проблема заключается в плохой согласованности работы двух геномов. Поток электронов в цепи прерывается, что приводит к образованию супероксидных радикалов – “пожарного извещателя”[93]. При достижении некоторой пороговой концентрации свободные радикалы начинают окислять близлежащие мембранные липиды. Особую роль играет окисление кардиолипина, приводящее к высвобождению цитохрома c – белка дыхательной цепи, который в норме непрочно связан с кардиолипином. Это совершенно останавливает поток электронов: чтобы добраться до кислорода, им нужно сначала перескочить на цитохром c. Если убрать цитохром c, электроны не смогут добраться до конца дыхательной цепи. А поскольку без потока электронов не может быть транспорта протонов, вскоре наступает коллапс мембранного потенциала. Итак, при рассогласовании ядерного и митохондриального геномов мы наблюдаем три процесса. Во-первых, происходит замедление потока электронов и, как следствие, падает скорость синтеза АТФ. Во-вторых, перевосстановленные железосерные кластеры реагируют с кислородом, что приводит к выбросу свободных радикалов и высвобождению цитохрома c за счет открепления его от мембраны. И, в-третьих, если нет ничего, что может предотвратить эти изменения, то исчезает мембранный потенциал (рис. 32).

Выше я описал комплекс необычных процессов, открытых в середине 90-х годов. Тогда они привели ученых в глубокое недоумение. Совокупность этих процессов представляет собой сигнал, запускающий процесс программируемой клеточной смерти (апоптоза). Апоптоз – не беспорядочный распад клетки, а тщательно спланированное самоубийство, танец смерти, балет “Умирающий лебедь” на внутриклеточном уровне. Когда клетка вступает в апоптоз, внутри нее высвобождается целая армия белковых палачей – каспаз, ферментов, которые разносят на куски ее ДНК, РНК и белки. Фрагменты клеточного содержимого упаковываются в маленькие мембранные пузырьки – блебы, которые пожираются окружающими клетками. За пару часов клетка исчезает без следа, как иногда случалось с людьми в Советском Союзе.