Для здоровья:

Старение: развал клеточной энергетики

1402 0
Старение: развал клеточной энергетики
Клеточные органеллы, называемые митохондриями, играют большую роль в старении в связи с действием высоко реакционноспособных химических соединений - свободных радикалов.

В середине 1990-х годов, она еще не была четко определена: данные и их интерпретации были противоречивы, единого понимания фактического материала еще не существовало.

В этой ситуации была разработана ныне многими поддерживаемая теория старения, ставящая во главу угла митохондриальные эффекты свободных радикалов.

Есть семь основных категорий накапливающихся в течение жизни нарушений/повреждений, на которых и следует сосредоточиться, если ставить себе целью разобщить их причины (процессы жизнедеятельности) и последствия (в конечном счете связанные со старением патологические изменения), тем самым предотвращая эти последствия. Шесть из семи категорий посвящена одной из этих категорий.

SENS не включает в себя рассмотрение мутаций в клеточном ядре, если только они не вызывают рак, поскольку неканцерогенные мутации накапливаются слишком медленно, чтобы иметь значение в пределах нормальной продолжительности жизни. Многие геронтологи думают так о мутациях в митохондриях. Что касается остальных шести категорий SENS, то на их счет разногласий нет: каждая из них явно вызывает или ускоряет по меньшей мере одно из основных патологических изменений, связанных со старением.

Свободные радикалы: краткое введение

В наши дни о свободных радикалах почти каждый хотя бы слышал. Об их участии в старении так часто и с такой уверенностью говорят в прессе, особенно в материалах, пропагандирующих новейшие "антиоксидантные" пищевые добавки, что можно подумать, будто тема изучена и исчерпана. Однако, как мы увидим, роль свободных радикалов в процессе старения - и наилучшие подходы к обусловленным ими проблемам - гораздо сложнее и противоречивее, нежели можно судить по этим публикациям.

Свободными радикалами в биологии называют в основном содержащие кислород молекулы, в которых недостает одного электрона. Электроны - это отрицательно заряженные элементарные частицы, образующие вокруг ядра атома оболочку специфической для атомов данного элемента структуры, в которой каждый электрон занимает свою так называемую орбиталь (в некотором приближении ее можно считать определенным расстоянием от ядра). Молекула химически стабильна только тогда, когда на каждой орбитали имеется пара электронов; орбиталь с одним электроном нестабильна.

Поэтому, если молекула теряет один из парных электронов, она становится химически реакционноспособной до тех пор, пока не вернет себе недостающий электрон. Обычно свободный радикал обретает стабильность, отняв электрон у ближайшей доступной молекулы, имеющей все положенные электроны. Однако, лишившись электрона, эта прежде стабильная молекула в свою очередь становится нестабильной и стремится достичь равновесия с помощью чужого электрона. Получается цепная реакция.

Некоторые необычные вещества, называемые антиоксидантами, могут положить конец этой цепочке "краж", так как их молекулы относительно стабильны даже с неспаренным электроном. Такие вещества "тушат" свободнорадикальную цепную реакцию. Но, до тех пор, пока она не угаснет, свободные радикалы мечутся по организму, круша попавшиеся на пути биологически важные молекулы: структурные белки, образующие основу тканей; липиды мембран, разделяющих внутреннее пространство клетки на функционально специализированные отделы; ДНК, кодирующую ферменты и все прочие необходимые клетке белки и т. д. В биологических объектах структура определяет функцию, так что у поврежденных, химически деформированных молекул ухудшается или исчезает их способность выполнять свою роль в обмене веществ.

Хорошего в этом мало, но тут уж ничего не поделаешь. Свободные радикалы - неизбежный элемент жизнедеятельности организма.

Под влиянием научно-популярных публикаций в широкой прессе у вас могло создаться впечатление, что источником свободных радикалов являются преимущественно химикаты, загрязняющие окружающую среду, или токсические вещества из пищи, но на самом деле большая часть действующих в организме свободных радикалов образуется в его собственных клетках, в их "энергетических станциях" - митохондриях. Митохондрии - это одна из разновидностей клеточных органелл, т.е. ограниченных мембраной структурированных областей внутри клетки вне ядра. В каждой клетке содержится обычно от сотен до тысяч митохондрий.

Созданные человеком энергетические станции потребляют энергию в неудобной форме - в виде того или иного топлива (угля, природного газа, ядерной энергии, ветра) и превращают ее в удобную - электричество, которое вы используете, скажем, в миксере или компьютере. Аналогично, в митохондриях неудобная для использования энергия внутримолекулярных химических связей (глюкозы и других питательных веществ) превращается в более удобную форму - аденозинтрифосфат (АТР), являющийся универсальным энергоносителем для жизненно важных и всех прочих биохимических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность клеток и организма в целом.

В митохондриях энергия генерируется наподобие того, как это происходит, например, на гидроэлектростанции, где вода крутит турбины (см. Рисунок 1). На предварительном этапе в результате биохимических реакций (в ходе каждой из которых генерируется небольшое количество энергии), энергия, заключенная в компонентах пищи, в форме электронов переносится на молекулы-носители, которыми служат никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) и флавинадениндинуклеотид (FAD+). Эти электроны приводят в действие последовательность молекулярных "насосов", составляющих так называемую цепь переноса электронов, или электрон-транспортную цепь, и наполняющих "резервуары" для протонов, удерживаемые "плотиной" внутренней мембраны митохондрий.

Накопление протонов по одну сторону "плотины" создает электрохимическую силу, посылающую их "вниз", на другую сторону внутренней митохондриальной мембраны - так вода падает с плотины под действием силы тяжести. И точно так же, как на гидроэлектростанции за счет энергии падающей воды крутятся турбины, поток протонов приводит в действие содержащийся во внутренней мембране митохондрий комплекс V (F0\F1 ATP-синтазу), который играет роль турбины. "Вращение турбины" комплекса V сопряжено с фосфорилированием (присоединением фосфат-ионов) молекулы-носителя, которым здесь служит аденозиндифосфат (ADP), превращающийся соответственно в аденозинтрифосфат (АТР).

Однако, в отличие от гидроэлектростанции, превращение химической энергии, заключенной в компонентах пищи, в энергию, заключенную в молекулах АТР, происходит химическим путем. Как и при сгорании топлива (угля или дерева), при энергообразующем превращении ADP в аденозинтрифосфат потребляется кислород. Вот почему нам необходимо дышать, чтобы жить: кислород - конечный акцептор все тех электронов, которые берутся из питательных веществ и передаются по перекачивающей протоны цепи переноса электронов. Соответственно, весь цикл называется окислительным фосфорилированием. Если гидроэлектростанции (обычно) не загрязняют окружающую среду, то митохондрии кое в чем больше похожи на тепловые или атомные электростанции: в результате превращений энергии в митохондриях образуются токсичные отходы.

В процессе передачи электронов по цепочке протонных "насосов" от одного комплекса к другому какие-то электроны спорадически то тут, то там "уходят в аут". Такой потерянный электрон обычно подбирается молекулой кислорода, которая в результате оказывается с лишним, неспаренным электроном. Кислород служит конечным акцептором электронов, нормально прошедших по цепи переноса электронов, не потерянных; но при этом молекула кислорода получает не один электрон, а четыре и оказывается стабильной. А вот в результате присоединения одного электрона неопасная молекула кислорода становится особо важным свободным радикалом, называемым супероксидом. Образование АТР в митохондриях идет непрерывно и сопутствующее образование супероксида тоже непрерывное, подобно постоянной слабой утечке радиоактивных отходов в действующем ядерном реакторе.

star3.jpg
Рисунок 1. F0/F1-АТРсинтаза

Когда выяснилось, что митохондрии являются основным источником свободных радикалов в организме, стало понятно, что эти органеллы должны быть и их основной мишенью. Свободные радикалы столь бешено реакционноспособны, что просто не могут уйти далеко от места своего появления, и будут поражать первое, что попадется на пути, так что сами митохондрии оказываются в наибольшей опасности. В митохондриях есть множество объектов, потенциально чувствительных к воздействию свободных радикалов.

Образующиеся в митохондриях свободные радикалы находятся в непосредственной близости от тех самых мембран и белков, которые участвуют в образовании аденозинтрифосфата, и недалеко от митохондриальной ДНК. "Ну, и что из этого?" - спросите вы. Да то, что белки всех прочих, внемитохондриальных компонентов клетки закодированы в центральном хранилище генетической информации клетки - в ядре, а митохондрии имеют свою собственную ДНК, кодирующую 13 белков протонных насосов, производящих АТР в митохондриальной мембране. И если митохондриальная ДНК существенно повреждена, вся машинерия митохондрий пойдет вкривь и вкось.

К сожалению, не вызывает сомнений, что митохондриальная ДНК действительно страдает от множества повреждений, вызванных внутримитохондриальными причинами. В ней в сотни раз больше, чем в ядерной ДНК, следов окислительных ударов и во много раз больше истинных стойких мутаций, накапливающихся с возрастом.

Начиная с опубликованной в 1972 г. классической работы Денема Хармана 3 (который уже имел честь быть "отцом" свободнорадикальной теории старения) накопилось достаточно данных, позволивших ряду исследователей выдвинуть в различных вариантах "митохондриальную свободнорадикальную теорию старения. Давайте коротко рассмотрим экспериментальные данные.

Прежде всего, имелись факты из области сравнительной биологии. У медленно стареющих видов по сравнению с быстро стареющими при тех же размерах и температуре тела неизменно оказывается, что свободнорадикальные повреждения митохондрий накапливаются медленнее. У них образуется меньше свободных радикалов; митохондриальные мембраны менее чувствительны к свободнорадикальному повреждению; повреждений митохондриальной ДНК накапливается меньше. Ограничение калорийности рациона - единственное известное негенетическое вмешательство, замедляющее старение у млекопитающих,- улучшает все эти показатели: ослабляется образование свободных радикалов в митохондриях, повышается устойчивость мембран к свободнорадикальной атаке, уменьшается связанное с возрастом накопление мутаций митохондриальной ДНК, необратимых потерь или "опечаток" в генетических инструкциях.

Данные об ограничении калорийности рациона подводят к тому же выводу с противоположной стороны: этот подход действительно замедляет старение, но не влияет сообразно на уровни образующихся в организме антиоксидантных ферментов. Ферменты, изученные на предмет нейтрализации образования свободных радикалов в 1980-е годы, присутствовали в клетках вне митохондрий. Это опять-таки указывает на то, что свободнорадикальный ущерб вне митохондрий не является непосредственной важной причиной старения, так как процесс старения может быть фактически замедлен (путем ограничения калорийности рациона) без того единственного воздействия, которое бы самым непосредственным образом воспрепятствовало этому ущербу.


Заглянем на минуточку вперед, в 2005 г. В том году появилось наиболее прямое свидетельство на сей счет. В этих экспериментах мышам вводили гены, обусловливающие усиленный синтез антиоксидантного фермента (каталазы), специфически нацеленного на различные мишени в организме. Когда каталаза защищала ядерную ДНК (содержащую генетическую информацию, определяющую строение и метаболическую активность всей клетки за исключением того, что определяют митохондриальные гены), положительного эффекта не наблюдалось или он был лишь незначительным.

Также не было эффекта и от защиты органелл, называемых пероксисомами, которые участвуют в образовании перекиси водорода (именно это вещество обезвреживает каталаза) и, соответственно, уже нагружены этим ферментом. А когда каталазу нацеливали на митохондрии, значительно ослабевало возникновение делеций в митохондриальной ДНК, а максимальная продолжительность жизни мышей увеличивалась примерно на 20%. То был первый несомненный случай генетического вмешательства, влияющего на этот ключевой параметр старения у млекопитающих.

Результаты  исследований об окислительном повреждении митохондрий на мышах лишь дали бы повод появиться огоньку в глазах их авторов. Но даже тогда представлялось неопровержимым, что свободнорадикальное повреждение митохондрий является основной движущей силой старения. Вопрос в том, как одно с другим связано.

Этот вопрос может показаться глупым - ведь свободные радикалы явно токсичны. Но было очень непросто дать непротиворечивое детализированное объяснение механизма связи между свободнорадикальным ущербом и старением. Сторонники их ключевой роли в процессе старения первым аргументом выдвигают тот несомненный факт, что образующиеся в митохондриях свободные радикалы повреждают мембраны и белки, необходимые для производства аденозинтрифосфата, а также вызывают мутации митохондриальной ДНК, кодирующей некоторые из этих белков. Но нужно еще объяснить, как саморазрушение митохондрий приводит к прогрессирующему системному упадку организма, в котором и состоит его старение. До недавнего времени все предложения на этот счет ограничивались постулированием некоего митохондриального порочного круга из самоускоряющегося образования свободных радикалов и расшатывания биоэнергетических механизмов.

В этих спекулятивных гипотезах митохондрия представала подобием гидроэлектростанции, в которой турбины изъедены ржавчиной, изношены или сломаны из-за постоянно действующих факторов. Вследствие свободнорадикального повреждения митохондриальных мембран, белков и ДНК по всему организму все хуже и хуже происходит перенос электронов и протонов в цепи синтеза АТР, что ведет к неэффективному извлечению энергии и усилению образования свободных радикалов по мере того, как больше и больше электронов ускользает от все более и более изувеченных, все хуже и хуже работающих электрон-транспортных комплексов.

Так раскручивается порочный круг: все больше и больше отбившихся от основного потока электронов портят все больше и больше компонентов митохондрий, вызывая их дальнейшую порчу, производство энергии становится все менее и менее эффективным и все более "грязным". И т.д. и т.п., по нисходящей спирали, ведущей, в конце концов, к нехватке энергии и накоплению "мусора" в клетке.

В том или ином варианте вышеописанный ход событий повторяется во всех научно-популярных публикациях о роли митохондрий в старении, да и в научных статьях тоже. Однако вот уже лет двадцать мы располагаем убедительными данными о том, что все не так.

star4.jpg
Рисунок 2. Теория порочного круга накопления мутаций митохондриальной ДНК. Ее ключевой принцип отмечен звездочкой: типичные мутации в митохондриях повышают скорость высвобождения свободных радикалов

Теория порочного круга порчи митохондрий рисует происходящее соблазнительно правдоподобно, но она не согласуется с имеющимися данными. Немало ученых даже и посейчас не замечают вопиющей несообразности теории с фактами, лишь немногие специалисты по митохондриям и биогеронтологи говорили об этих несоответствиях начиная с середины 1990-х годов. Предсказания теории порочного круга столь сильно отличались от наблюдаемого в экспериментах, что ряд исследователей сочли за благо вообще лишить свободные радикалы роли в старении, забыв, что эта роль может осуществляться не посредством механизма порочного круга.

Первый недочет по меньшей мере, некоторых вариантов теории порочного круга был подмечен гораздо раньше - после того, как Харман выдвинул первоначальный вариант теории митохондриальных свободных радикалов. И сделал это не кто иной, как Алекс Камфорт (тот самый, который написал известную книгу "Радости секса"; он был поистине универсален - неординарный пропагандист анархизма, поэт и выдающийся биогеронтолог).

В 1974 г. Камфорт подметил что, хотя под влиянием постоянной атаки свободных радикалов каждая митохондрия может временно претерпевать нарастающее нарушение структуры и функций белков и мембран, составляющих механизм синтеза аденозинтрифосфата, нельзя основывать теорию старения на постулате, что это нарушение усугубляется с возрастом, поскольку клетка постоянно заменяет и обновляет сами эти органеллы.

Периодически старые митохондрии отмечаются для разрушения, которое осуществляется другими органеллами, лизосомами (это клеточные "печи для сжигания мусора"). Чтобы компенсировать потерю "энергостанций", клетка подает оставшимся митохондриям сигнал размножаться. В каждой митохондрии удваивается ДНК, после чего строится новое "тело", включая новые, неповрежденные белки и мембраны насосных комплексов электрон-транспортной цепи. Независимо от возраста всего организма любая митохондрия в любой клетке содержит мембраны и белки в среднем не старше нескольких недель. И у очень юного, и у очень пожилого человека соотношение самых старых и самых новых митохондриальных компонентов примерно одинаково. Просто невозможно, чтобы старение было движимо прогрессирующей дегенерацией компонентов, если они постоянно обновляются.

Однако это возражение не составляло проблемы для более популярных вариантов теории порочного круга, предполагающих, что старение развивается из-за повреждений митохондриальной ДНК. В то время как митохондриальные мембраны и белки периодически обновляются, митохондриальная ДНК во всех митохондриях унаследована от "родительской" энергопроизводящей органеллы, которая точно так же, как организм в целом передает своему потомству случившиеся в ее ДНК мутации, генетические ошибки в "родительских" митохондриях появляются у митохондрий новой генерации. Если митохондрии, ДНК которых повреждена, предпочтительно разрушаются лизосомами, то результатом будет, по сути, их обновление - повреждение будет ликвидироваться с такой же скоростью, с какой оно распространяется; как полагал Камфорт, именно это и происходит. Но если предпочтения при отборе митохондрий для разрушения нет, то повреждения митохондриальной ДНК будут накапливаться.

Теория порочного круга митохондриальной ДНК получила поверхностное подтверждение в исследованиях 1990-х годов, в которых было показано, что в стареющем организме действительно накапливаются клетки с мутантными митохондриями. Но эти же исследования пробили в ней новую, еще более сокрушительную брешь.

Для начала обнаружилось, что все мутантные митохондрии, имеющиеся в клетке в данный момент, несут одну и ту же мутацию, а это прямо противоположно предсказанию теории порочного круга. Если каждая отдельно взятая митохондрия разрушается в индивидуальном порядке вследствие самоускоряющегося цикла свободнорадикальных атак ДНК, то в каждой митохондрии будет свой случайный набор мутаций. Точно так же, если вдруг два библиотекаря начнут палить из автоматов по книжным полкам, то пули повредят разные книги, даже если стрельба идет в одном и том же помещении; скажем, один вогнал пулю в корешок "Пробуждения Финнегана", а другой - в середину обложки "Дневника Бриджит Джонс" как раз над буквой "и" и т.д. случайным образом, пока у них не кончатся патроны.

И действительно, где бы ни обнаруживались клетки с дефектными митохондриями, все мутанты содержали одну и ту же мутацию ДНК. Как если бы те библиотекари каждый день, стреляя лишь однократно, попадали только и точно в экземпляры "Над пропастью во ржи". Глупо ожидать, что случайные мутации, постоянно происходящие в каждой митохондрии, могут привести к тому, что во всех поврежденных митохондриях окажутся одинаковые ошибки в ДНК; случайным мутационным процессом невозможно объяснить ситуацию, когда в клетке все митохондрии содержат одни и те же нарушения или когда в клетке присутствуют только неповрежденные митохондрии.

Более того, присутствие мутантных митохондрий оказалось феноменом типа "все или ничего": уж если в клетке имеются поврежденные митохондрии, то все "энергостанции" оказываются мутантными, да еще все мутантные митохондрии в данной клетке содержат одну и ту же мутацию, в то время как в других клетках содержатся только юные, неповрежденные органеллы.

Но и это еще не все. Есть и более странные факты. В пределах одной клетки все митохондрии несут одну и ту же мутацию, тогда как в разных клетках мутации разные. Как если бы в одном городе все библиотекари нашпиговали свинцом все экземпляры "Войны и мир", а их коллеги в другом городе одновременно столь же целенаправленно изуродовали "Любовника леди Чаттерлей". Это тот случай, когда даже самый скептически настроенный противник концепции преступного сговора вынужден будет признать, что картина преступления не объясняется случайным актом насилия.

Природа этих мутаций также оказывается несоответствующей теории порочного круга о ведущей роли митохондрий в старении. Предполагалось, что повреждения ДНК, кодирующей митохондриальные белки, отразятся преимущественно в незначительных дефектах в генах этих белков. При этом будут получаться белки, структура которых достаточно близка к адекватной, так что они более или менее способны осуществлять свою функцию, но функционировать могут плохо, из-за чего больше электронов будет доставаться свободным радикалам и меньше будет производиться АТР. На деле же мутации, накапливающиеся в митохондриях, представляют собой, как ни странно, делеции - выпадения относительно крупных кусков ДНК -и из-за таких мутаций полностью прекращается образование всех белков, кодируемых митохондриальной ДНК.

Теория порочного круга предполагала, что по мере накопления дефектов митохондриальной ДНК в митохондриях будет образовываться все меньше и меньше аденозинтрифосфата и все больше и больше свободных радикалов. А на самом деле оказалось, что в мутантных митохондриях практически не появляется свободных радикалов; изменения в каждой митохондрии следует относить на счет единственного катастрофического события, а не расценивать как "гибель от тысячи ран".

Ди Грей Обри
Похожие статьи
показать еще