Митохондрии и производство АТФ
Рисунок 2. Митохондрия под электронным микроскопом.
Строение мембран очень важно для процесса дыхания. Внешняя мембрана митохондрий — гладкая, а внутренняя — многократно складчатая. Эти складки (или кристы) позволяют увеличить рабочую площадь мембраны, что необходимо для размещения там всего комплекса белков, осуществляющих дыхание. Вначале окисляются углеродные атомы углеводов, жирных кислот и аминокислот до СО2 (гликолиз, цикл Кребса и β-окисление жирных кислот), а полученные таким образом электроны используются для образования НАДФ. Далее НАДФ окисляется молекулярным кислородом с образованием воды. НАДФ-оксидазная реакция сопровождается выделением очень большого количества свободной энергии (около 1,1 эВ при переносе одного электрона с НАДФ на кислород), которая может запасаться дыхательной цепью в виде трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов H+ (протонов).
Видео 1. Как работает митохондрия
Рисунок 3. Схема дыхательной цепи митохондрий.
Видео 2. Работа АТФ-синтазы в мембране митохондрии
Всё вышесказанное имеет самое непосредственное отношение к старению. Дело в том, что в процессе дыхания ферменты работают не совсем «чисто», и в результате образуются побочные продукты — активные формы кислорода (АФК). Пока человек молод и здоров, образующиеся в митохондриях АФК не представляют для него ощутимой угрозы, так как легко нейтрализуются организмом. Но когда человек стареет, ведет нездоровый образ жизни или имеет генетическую предрасположенность к определенным болезням, его защитные системы дают сбой, рушась одна за другой.
Дмитрий Зоров,
доктор биологических наук, МГУ им. Ломоносова
«Коммерсантъ Наука» №5, июль 2017
Внутреннюю организацию клетки животных и растений можно сравнить с коммуной, где все равны и каждый выполняет одну, очень специфическую роль, создавая сбалансированный ансамбль. И вот только одна структура, митохондрия, может похвастаться множественностью внутриклеточных функций, которые определяют ее уникальность и обособленность, граничащие с некоторой самодостаточностью.
Эту структуру открыли в середине XIX века, и в течение 150 лет почти все считали, что ее единственная функция — быть энергетической машиной клетки. Грубо говоря, организм получает питательные вещества, которые после определенной деградации доходят до митохондрии и дальше происходит окислительная деградация питательных веществ, сопряженная с запасанием энергии в виде богатой энергией фосфорной связи в молекуле АТФ. Организм повсеместно использует энергию АТФ, расходуя ее на проведение нервного сигнала, мышечное сокращение, образование тепла, синтез нужных клеточных компонентов, уничтожение ненужных веществ и пр. В сутки в организме человека генерируется АТФ, весом равная весу самого человека, и в основном это заслуга митохондрий. До сих пор идут споры, существуют ли эукариотические (имеющие ядра) клетки без митохондрий. Пока четко доказанных подтверждений тому нет, считается, что ядерных клеток без митохондрий не существует.
Постулат доминирующей в клетке энергетической функции митохондрии как-то оставлял в тени уже давно высказанную и всеми поддерживаемую теорию бактериального происхождения митохондрий. В простой трактовке она выглядит так: около 600 млн лет назад в клетку т. н. гетеротрофов внедряется бактерия, которая умеет утилизировать кислород. Есть точка зрения, что появление внутри клетки нового типа бактерий было вызвано постоянным увеличением в атмосфере Земли кислорода, начавшим поступать из мирового океана в атмосферу около 2,4 млрд лет назад. Высокая окислительная способность кислорода представляла опасность для внутриклеточных органических и неорганических элементов, и появляются бактерии, уничтожающие кислород в присутствии ионов водорода с образованием воды. Таким образом внутри клетки содержание кислорода уменьшается, а с ним и уменьшается вероятность нежелательного окисления клеточных компонентов, что, наверно, полезно для клетки.
Однако попадание в ядерную клетку бактерий давало им и ряд преимуществ, в частности, оно дало им эволюционную нишу с ограниченным объемом и окруженную мембраной. Можно было обеспечить больший запас различных веществ, которые можно «складировать» не внутри ограниченного собственного объема, а снаружи, но в пределах своей «собственности», где они не будут разворованы другими организмами. Это соображение подтверждается в условиях, когда клетка вдруг перестает получать кислород и питательные вещества (например, при прекращении кровотока в участок ткани, что происходит при инфарктах и инсультах). Митохондрия в этих условиях уже не может быть энергетической машиной клетки (производить АТФ без кислорода трудно) и превращается в паразита — она начинает поглощать АТФ для того, чтобы обеспечить генерацию разницы мембранных потенциалов на своей мембране и поддержать свои собственные процессы. Для чего это нужно митохондрии — пока не понятно, но полуавтономный статус митохондрии в клетке тут проявляется особенно заметно — подобное поведение в кризисных условиях выглядит довольно эгоистичным. Не для того ли она производит АТФ в количествах, превышающих нужды клетки, чтобы обеспечить себе «подушку безопасности» в условиях кризиса?
Попадание бактерий во внутриклеточную нишу обеспечивало и защиту от внешних врагов (а основные враги для бактерии — вирусы, то есть фаги). При этом было позволено выпускать сигнальные защитные вещества в ограниченный внутриклеточный объем; когда же бактерии существовали в «океане», выпуск таких сигнальных веществ был нерациональным — они немедленно разбавлялись в нем. Жизнь внутриклеточных бактерий в этой нише дала определенные преимущества: бактерии производят энергию и организуют в своей мембране белок, который выбрасывает в цитоплазму клетки синтезированный АТФ, чем клетка и пользуется. В итоге вроде бы наступает баланс: клетка дает митохондрии питательные субстраты, митохондрия дает клетке энергию,— что укрепляет теорию симбиотического взаимоотношения бактерий (они уже становятся митохондриями) с остальными частями клетки. Основными аргументами, подкрепляющими бактериальное происхождение митохондрий, является большое сходство химического состава бактерий и митохондрий и сходство элементов биоэнергетики. Одним из родоначальников эндосимбиотической теории происхождения митохондрий можно считать русского ботаника Константина Мережковского, который в конце XIX — начале ХХ века предположил, что хлоропласты (структуры растительных клеток, отвечающие за фотосинтез) имеют бактериальное происхождение. Позже аналогичное предположение было сделано и для митохондрий.
Приведенные выше рассуждения — это явный конфликт эволюционной стратегии и человеческой логики, пытающейся оценить ситуацию с позиции субъекта, внутри которого живут существа, способные из друзей превратиться во врагов. Этот конфликт не мешает исследователям понимать, что митохондрия, хоть она и «помнит», что была бактерией, активно участвует в функционировании клетки; важная роль митохондрий объясняет необходимость предоставления им привилегий. В определенных условиях они превращаются в источник наследуемых или приобретенных заболеваний — в частности, тех, которыми занимается митохондриальная медицина. Таких заболеваний — очень тяжелых и почти не поддающихся лечению — больше сотни. Да и помимо них есть великое множество болезней, предположительно обусловленных неправильным функционированием митохондрий. Существуют теории митохондриального происхождения рака, болезни Паркинсона, Альцгеймера и других — с весьма достойным научным подтверждением.
Сегодня выяснилось, что большинство болезней сопровождается сбоем в работе внутриклеточной машины проверки качества митохондрий, своеобразного ОТК, отбраковывающего плохие митохондрии и отправляющего их на внутриклеточное переваривание (митофагию). Сбой возникает, например, при старении организма, и ОТК пропускает неправильные митохондрии. В результате в клетке начинают сосуществовать хорошие и плохие митохондрии. Когда же доля плохих превышает некоторый порог, наступает т. н. «фенотипическое проявление» болезни, которая до сих пор носила невидимый, латентный характер.
Можно сделать два вывода. Во-первых, без митохондрий ядерные клетки существовать не могут. Во-вторых, чтобы защитить клетку от поражения (чем бы оно ни было вызвано: химией, физикой или просто временем), надо «договориться» с митохондриями, то есть обеспечить им «достойное» существование. Это означает не только постоянную подпитку их активности за счет доставки питательных субстратов и кислорода, но и предоставление им своеобразной медицинской страховки, которая при необходимости обеспечит восстановление их структуры и функций и/или правильную утилизацию поврежденных митохондрий. Отсутствие утилизации поврежденных митохондриальных структур может привести к «заражению» здоровых структур, что непременно повлечет за собой заболевание.
Сейчас трансплантация органов стала вполне рутинной процедурой, хотя все еще сложной и дорогостоящей. Развивается и клеточная терапия, то есть пересадка стволовых клеток. А вот о возможности пересадки здоровых митохондрий говорить только начинают. Проблем много, но ключевая роль митохондрий в жизнедеятельности клетки стоит того, чтобы их решить. Часто достаточно вылечить митохондрии — и вылечится клетка. Недавно для лечения последствий инсульта головного мозга оказалось достаточным обеспечить должное функционирование митохондрий почек. То есть налицо «разговоры» (по-английски это звучит более научно — cross-talk) между органами, и почка со своими митохондриями помогает восстановлению головного мозга.
На каком языке «общаются» органы, еще предстоит выяснить, — пока предполагают химический язык общения. Хорошая и здоровая почка со своими здоровыми митохондриями вырабатывает и посылает в кровь эритропоэтин (тот самый, приемом которого увлекались спортсмены и который не только стимулирует выработку эритроцитов, но и мобилизует общий метаболизм, что повышает выносливость). Эритропоэтин обладает сильными нейрозащитными свойствами. Стоит повредить почку, скажем, неумеренным приемом антибиотиков (антибиотики убивают и митохондрии, потому что они — бывшие бактерии), и последствия инсульта головного мозга становятся более драматическими. Так на базе фундаментальных открытий начинает просматриваться стратегия лечения болезней.
Возьмем, к примеру, сепсис — бактериальную инфекцию, одну из ведущих причин человеческой смертности. Сейчас уже можно — правда, пока шепотом — говорить и о «митохондриальном сепсисе», когда в кровь попадают компоненты митохондрий. Это не менее опасно, чем бактериальный сепсис, так как приводит к гиперактивации иммунного ответа (так называемый синдром системного воспаления, SIRS) и возможной гибели организма.
Как уже было упомянуто, естественными врагами бактерий являются вирусы. Это также верно и для митохондрий. Недавно открытая бактериальная система защиты от вирусов CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), имеющая все признаки элементарно организованной иммунной системы, заставила задуматься: нет ли иммунной системы у митохондрий? У бактерий эта иммунная система устроена следующим образом: в бактериальном геноме (структурно очень похожем на митохондриальный) располагаются своего рода библиотеки, или антивирусные базы данных — куски генов тех вирусов, с которыми эта бактерия когда-либо встречалась. При считывании информации с этих участков синтезируются так называемые малые РНК. Эти РНК связываются с внедрившимися в бактерию вирусными нуклеиновыми кислотами, а затем такой комплекс расщепляется внутрибактериальными ферментами с нейтрализацией вируса. В чистом виде подобных структур в митохондриальном геноме обнаружено не было, кроме одного-единственного случая, описанного еще на заре исследования CRISPR-системы. Однако мы обнаружили отдельные случаи включения вирусных последовательностей в митохондриальный геном (вирусов гепатита B и гриппа), хотя и довольно редкие для того, чтобы говорить о системе. С другой стороны, наибольшее количество различных структур в геноме мы обнаружили в митохондриях растений, чей геном в разы больше митохондриального генома животных. Это особенно любопытно, учитывая, что растения в целом гораздо больше полагаются на противовирусную защиту на основе интерферирующих РНК, чем животные, поскольку не обладают особыми иммунными клетками, свободно перемещающимися по организму в кровотоке. Кроме того, не стоит забывать, что митохондрии делегируют значительную часть функций клетке, включая передачу части своего генетического материала в клеточное ядро, оставляя себе только «контрольный пакет акций», обеспечивающий их контроль над ключевыми функциями. Вполне возможно, что подобные клеточные библиотеки также были переданы в ядро — явление передачи малых РНК из цитоплазмы внутрь митохондрий известно. А значит, среди них могут быть и иммунные РНК. С другой стороны, возможно, что митохондрии полностью передали функции защиты клетке, довольствуясь возможностью убить клетку, которая их плохо защищает.
Приняв тезис «митохондрии помнят, что они были бактериями», мы можем поменять многое в стратегии базового научного мышления и практической медицинской деятельности, так или иначе связанных с митохондриями. А учитывая количество функций, выполняемых митохондриями в клетке, это большая часть всех биомедицинских задач: от рака до нейродегенеративных заболеваний.
Энергетический обмен
Любой живой организм находится в постоянной связи с окружающей средой, непрерывно обмениваясь с ней веществом. В этом процессе можно выделить три этапа:
- поступление веществ;
- метаболизм;
- выделение конечных продуктов.
Внутриклеточный метаболизм, в свою очередь, включает в себя два типа реакций: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм — это процесс расщепления и окисления органических молекул, приводящий к образованию тепла и энергетических молекул, АТФ. Именно за счет постоянного производства—расщепления последних съеденные нами калории направляются «по адресу»: гидролиз двух высокоэнергетических (макроэргических) связей в молекулах АТФ обеспечивает энергией всевозможные синтетические и транспортные процессы в клетках.
На первом этапе катаболизма под воздействием пищеварительных ферментов сложные органические соединения (белки, полисахариды, жиры) распадаются на более простые — аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и глицерин, — которые клетка использует для реакций анаболизма (пластического обмена) и получения энергии. Аминокислоты идут на синтез белков. Жирные кислоты выполняют энергетическую функцию, входят в состав клеточных мембран и служат субстратом для синтеза эйкозаноидов
Рисунок 1. Реакции гликолиза. На 10 этапах гликолиза (пяти подготовительных и пяти этапах синтеза АТФ) из шестиуглеродной молекулы глюкозы образуются две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Полученная от расщепления глюкозы энергия запасается в «энергетической валюте» клетки — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ.
Если же кислород в клетке есть, ПВК будет расщепляться на углекислый газ и воду и тоже высвобождать заключенную в углеводной молекуле энергию. Этот процесс называется аэробным клеточным дыханием и проходит в специальных органеллах — митохондриях. Окисление в митохондриях дает гораздо больше энергии, чем гликолиз.
Эффект Варбурга
Рисунок 5. Энергообеспечение нормальной и раковой клеток. Синим квадратом обозначена поступающая в клетку глюкоза.
Таким образом, изменения в метаболизме глюкозы и появление дефектных белков и внутриклеточных агрегатов могут говорить о начале развития патологии. Своевременное выявление подобных внутриклеточных процессов может сыграть решающую роль в предупреждении и терапии самых распространенных нейродегенеративных и онкологических заболеваний. А для того чтобы это было возможным, необходимо изучать фундаментальные аспекты патологий, связанные с работой митохондрий и энергетическим обменом. Сегодня уже разработаны системы, позволяющие заглянуть «вглубь» этих заболеваний и даже провести диагностику на самой ранней стадии их развития. Подробнее об этих системах, принципах их действия и исследованиях с их использованием расскажут следующие статьи спецпроекта.
Жирные кислоты, церамиды и повреждения нейронов
Как выяснилось, избыток жирных кислот и дисфункция митохондрий напрямую связаны с возникновением возрастных нейродегенеративных патологий. Надо сказать, что клетки нервной системы — самые уязвимые для возрастного окислительного стресса и снижения синтеза АТФ. Такая исключительная чувствительность нейронов к дефициту энергии и повышению генерации АФК объясняется несколькими причинами.
Во-первых, нервная ткань в силу своей физиологии нуждается в наибольшем потреблении кислорода. Вследствие этого в митохондриях нейронов происходит интенсивный окислительный метаболизм, который и становится основной причиной повышенной генерации АФК.
Нейродегенеративные патологии и дисфункция митохондрий
Сегодня важнейшими и самыми распространенными нейродегенеративными патологиями считают болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, а также боковой амиотрофический склероз. Их возникновение связывают со структурными изменениями различных белков, приводящими к образованию внутриклеточных агрегатов. К таким белкам относятся:
- предшественник β-амилоида, пресенилины 1 и 2 (болезнь Альцгеймера);
- τ-белок, α-синуклеин, паркин (болезнь Паркинсона);
- хантингтин (болезнь Хантингтона);
- убиквитин и др.
Рисунок 4. Образование амилоидной бляшки у генно-инженерных мышей (показано длинной стрелкой). На 6-й день уже видна дистрофия нейрона (короткая стрелка). Синим цветом обозначены отложения амилоида, зеленым — нейроны. Длина масштабной линейки — 20 мкм; снимки сделаны с помощью мультифотонного микроскопа.
Таким образом, белки, участвующие в развитии нейродегенеративных патологий, могут способствовать митохондриальной дисфункции посредством целого ряда механизмов. В свою очередь, уже возникшая дисфункция может усугублять патологические процессы, стимулируя появление дефектных белков и замыкая тем самым порочный круг развития болезни.
Как можно помочь своим митохондриям
Некоторые изменения в образе жизни, и прием полезных веществ также могут увеличить число митохондрий в клетке.
ИЗМЕНЕНИЯ В РАБОТЕ МИТОХОНДРИЙ ПРИ ЗАБОЛЕВАНИИ ПОЧЕК (www.ncbi.nlm.nih.gov)
