Гипотеза восстановительной горячей точки в старении

В прежних моделях порочного круга не требовалось изобретать никакого дополнительного механизма, чтобы объяснить, какой вклад дают мутации митохондриальной ДНК в старение, поскольку предполагалось накопление с возрастом все более дефектных митохондрий во множестве клеток.

По мере того, как в этих клетках все больше и больше митохондрий случайным образом подвергаются свободнорадикальной бомбардировке, сами клетки все больше и больше страдают от окислительных повреждений, все больше и больше испытывают дефицит аденозинтрифосфата и эффективность производства энергии с каждым новым дефектом падает.

Это было красивое разумное объяснение роли мутантных митохондрий в старении организма.

Но, как мы видели, оно явно неправильное. В большинстве клеток организма с возрастом не накапливаются мутантные митохондрии; это происходит самое большее в 1% из многих миллиардов составляющих организм клеток. Большинство клеток и тканей не страдают от падения производства или доступности аденозинтрифосфата (АТР), а образование свободных радикалов вовсе не возрастает, в большинстве накапливающихся мутантных митохондрий вообще не образуются свободные радикалы, поскольку отсутствует место их образования - цепь переноса электронов.

Рисунок 3. Схема SOS (выживания худших) накопления мутаций митохондриальной ДНК. (а) Предполагаемый нормальный кругооборот и обновление немутантных митохондрий; точками изображены повреждения мембран. (b) Клональная экспансия мутаций (обозначены буквой "Х"), обусловленная низким уровнем свободнорадикального повреждения мембран и малой скоростью разрушения лизосомами (L)

Трудно было понять, каким образом столь малое число клеток, содержащих мутантные митохондрии и не причиняющих никакого явного вреда окружающим клеткам, могут быть движущей силой старения организма. Под грузом фактического материала многие биогеронтологи решили похоронить эту теорию старения. Однако нельзя сбросить со счета косвенные указания на вклад мутаций митохондриальной ДНК в старение. Чтобы согласовать две группы данных, требовалось истинно новое решение загадки.

Любой усовершенствованный вариант теории старения на основе свободнорадикального поражения митохондрий должен включать два момента. Во-первых, поскольку клеток, захваченных негодными энергостанциями, мало, нужен какой-то механизм распространения вреда из клеток с мутантными митохондриями за их пределы. Во-вторых, нужно объяснить природу этого вреда, поскольку обычное предположение (свободные радикалы), по-видимому, исключалось тем фактом, что в мутантных митохондриях нормальное образование свободных радикалов перекрыто в самом их источнике.

Что в первую очередь нужно для выживания клеток, занятых мутантными митохондриями? Что им служит источником энергии? Мутантные митохондрии не только не способны осуществлять окислительное фосфорилирование, которое должно удовлетворять в основном потребность клетки в аденозинтрифосфате, но непонятно, как они вообще могут производить энергию в какой бы то ни было форме.
В верх по течению от перекрытой плотины
В нормальных клетках первый этап метаболизма глюкозы, поступившей с пищей, происходит в цитоплазме в процессе так называемого гликолиза, представляющего собой цепь химических реакций, в результате которых образуется АТР, пируват (продукт расщепления глюкозы) и некоторое количество электронов, которые могут привести в действие механизм окислительного фосфорилирования в митохондриях. Для переноса этих электронов в митохондрии служат специальные молекулы-переносчики, в частности никотинамидадениндинуклеотид (NAD+). Его восстановленная форма обозначается NADH.

Продукт гликолиза - пируват - тоже поступает внутрь митохондрий, где он далее расщепляется с образованием промежуточного продукта, называемого ацетилкоэнзимом А (сокращенно ацетилСоА). Этот последний затем используется как сырье в сложной последовательности химических реакций, называемой циклом трикарбоновых кислот (или циклом Кребса, или циклом лимонной кислоты), в результате которой получается намного больше электронов (также используемых для образования NADH), чем путем гликолиза.

Наконец, NADH, получивший электроны в результате всех этих процессов (гликолиза, образования ацетилСоА из пирувата и цикла трикарбоновых кислот), поступает в цепь переноса электронов, где электроны используются для создания "резервуара" протонов, приводящих в действие механизм генерации энергии, дающий почти все требуемое клетке ее количество.

Биохимия этих процессов хорошо изучена, ее и студенты должны знать. Все они предназначены для поставки электронов в митохондриальную цепь их переноса. Что же будет, если эта цепь не действует, как в клетках с мутантными митохондриями?

На каждом этапе от гликолиза до цикла трикарбоновых кислот включительно электроны "отгружаются" на никотинамидадениндинуклеотид для отправки в цепь переноса электронов. Количество этих молекул-переносчиков, доступных для восстановления до NADH, ограничено, но в норме это несущественно: их всегда достаточно, потому что, отдав свой электрон в митохондриальную цепь переноса электронов, NADH превращается обратно в NAD+.

Но, когда естественный "прием груза" (электронов) отсутствует, NADH, по-видимому, некуда девать. (Сходную картину можно себе представить, вообразив, что все нефтеперегонные заводы на Земле вдруг встали. Тогда добычу нефти придется повсеместно прекратить, иначе нефтеналивные суда некуда будет разгружать, и, раз нагруженные, они так и останутся со своей опасной ношей и будут копиться, громоздясь, как в кошмаре.) Поскольку на каждом этапе - для гликолиза, для образования ацетилСоА из пирувата, для цикла трикарбоновых кислот - нужен никотинамидадениндинуклеотид, отсутствие последнего должно, на первый взгляд, привести к остановке всего энергопроизводящего конвейера и у клетки вообще не останется механизмов генерации энергии в виде аденозинтрифосфата, даже в относительно небольших количествах, которые обеспечивались перечисленными этапами.

Ситуация в клетках с мутантными митохондриями может быть еще хуже. NAD+ требуется для различных клеточных функций, помимо производства энергии. В отсутствие нормального кругооборота никотинамидадениндинуклеотид/NADH осуществление этих функций будет истощать запас NAD+ и пополнять запас NADH, еще более расшатывая равновесие в клетке. По мнению некоторых исследователей, многие из осложнений диабета обусловлены избытком NADH и нехваткой никотинамидадениндинуклеотида, ведущих к нарушениям ряда процессов обмена веществ (хотя дисбаланс NAD+/NADH при диабете имеет иные причины, отличные от потери способности к окислительному фосфорилированию).

Но, несмотря на все это, клетки, содержащие мутантные митохондрии, выживают, что демонстрируется их накоплением с возрастом. Значит, они где-то берут АТР. Большинство специалистов полагали, что в клетках с мутантными митохондриями прекращается цикл трикарбоновых кислот, а энергию дает гликолиз. Так бывает в мышечных клетках в порядке временной меры при большой анаэробной нагрузке, т.е. когда клетка работает столь интенсивно, что истрачивается весь имеющийся кислород, так что невозможно продолжать окислительное фосфорилирование. Тогда гликолиз обеспечивает клетку небольшим, но достаточным количеством аденозинтрифосфата. По этой логике клетка будет справляться с небольшим избытком NADH благодаря превращению пирувата в молочную кислоту (в этом состоит биохимическая природа хорошо известной спортсменам жгучей боли в мышцах на излете резкого их напряжения, например, у штангиста на последнем подходе к снаряду).

Эта теория не согласуется с фактами. Начать с того, что не наблюдается ожидаемого всплеска уровня молочной кислоты. Еще непонятнее, что в клетках с мутантными митохондриями вместо падения активностей ферментов, участвующих в цикле трикарбоновых кислот, (чего можно было бы ожидать из-за отсутствия свободного никотинамидадениндинуклеотида) имеет место их гиперактивность. Как же поддерживается невозможный, казалось бы, процесс?
Урок мистера Никто
Прорыв к пониманию этого явления произошел, когда были созданы так называемые р0 (ро-ноль) клетки, у которых в митохондриях вообще нет ДНК. Функционально они подобны клеткам с мутантными митохондриями, в которых из-за делеций отсутствует способность к трансляции генетической информации с образованием функциональных белков. Нетранслируемая ДНК все равно, что отсутствует: невозможно пользоваться инструкцией, которую нельзя прочитать. Делеции в митохондриальной ДНК ставят митохондрии в такое же положение, как полное отсутствие ДНК.

Одним из первых свойств р0 клеток обнаружилась их малая продолжительность жизни: эти клетки очень быстро гибли, если только культуральная среда не содержала определенных компонентов, которых в норме нет в межклеточной жидкости организма. Парадоксально, некоторъе из этих веществ не обладали способностью проникать внутрь клеток. Отсюда следовало, что каков бы ни был механизм их действия, он осуществляется снаружи клетки. У меня будто свет забрезжил в голове; ведь я искал способ объяснить, каким образом клетки, занятые мутантными митохондриями, распространяют вред за свои пределы, влияя на весь организм. Что если эти вещества спасают 0-клетки потому, что снимают с них груз какой-то вредоносной субстанции?

А что если этой вредоносной субстанцией являются как раз... электроны?

Связаны ожидаемый избыток NADH в клетках, не способных осуществлять окислительное фосфорилирование, и зависимость р0-клеток от присутствия обезвреживающих веществ в окружающей среде. Клеткам с мутантными митохондриями нужно куда-то девать электроны, чтобы появился свободный NAD+, а обезвреживающие вещества все оказались акцепторами электронов и могли действовать даже снаружи клетки. И вот моя гипотеза: клетки с мутантными митохондриями избегают губительного накопления неиспользованных электронов, выделяя их наружу посредством примерно такого же механизма, какой обеспечивает выживание р0-клеток в культуре, и таким образом вредоносные агенты (электроны) распространяются по организму.
Предохранительный клапан
Чтобы превратить эту идею в новую формулировку теории старения на основе митохондриальных свободных радикалов, нужно четко ответить на три вопроса. Первый: каким образом образующиеся внутри клетки электроны передаются на акцепторы, находящиеся по другую сторону клеточной мембраны? Второй: раз акцепторы электронов, использовавшиеся в экспериментах с р0-клетками, не содержатся в жидкостях тела (или присутствуют там в неадекватных концентрациях), то что играет роль акцепторов электронов для клеток с мутантными митохондриями в организме? Третий: есть ли объяснение распространению вреда от клеток с мутантными митохондриями по всему организму, что, по-видимому, должно иметь место, если они играют значительную роль в старении?

На первый вопрос ответ, оказывается, уже имеется. Давно известно о существовании в клеточной мембране механизма экспорта электронов, который сейчас называют окислительно-восстановительной системой плазматической мембраны (PMRS - от англ. Plasma Membrane RedOx System). Его истинное назначение в организме было малопонятным, но основная функция установлена: он принимает электроны изнутри клетки от NADH и транспортирует их наружу, тем самым, осуществляя кругооборот NADH/никотинамидадениндинуклеотид. Этот механизм позволяет и нормальным клеткам лучше регулировать внутриклеточное равновесие между окислителями и восстановителями и поддерживать наличие NADH и NAD+, требующихся для жизненно важных биохимических реакций.

medbe.ru