Важлива не кількість, а якість
Ще одне відкриття, здавалося, не залишило жодної шпарини, будь то порочне коло чи ні, для участі мутацій мітохондріальної ДНК в старінні: реально лише далеко не всі клітини взагалі містять мутантні мітохондрії.
Так, у літніх людей невелика частка клітин - близько 1% - зайняті мітохондріями зі своїм дефектом ДНК в кожній; але 99% клітин в цьому відношенні не страждають.
Хіба може 1% мати значення?
Багато біогеронтологі визнали, що ці дані покінчили з будь-якими теоріями, які стверджують важливість пошкодження мітохондрій в старінні. Якщо в майже кожній клітині організму зберігається такий же рівень виробництва аденозинтрифосфату (АТР). як в молодості, і збиток від вільних радикалів не більш, ніж був у розквіті сил, то навряд чи можливо, щоб незначна частка клітин, та ще з низьким рівнем енергозабезпечення, в мітохондріях яких, однак, утворюється не більше вільних радикалів, ніж в сусідніх клітинах (фактично взагалі не утворюється), надавала істотний негативний вплив на функціонування своєї тканини або організму в цілому. З цієї точки зору теорія старіння на основі мітохондріальних вільних радикалів наказала довго жити.
виживання гірших
За теорією порочного кола в кожній мітохондрії на протязі її існування повільно накопичуються невеликі випадкові зміни. Той факт, що в клітинах, що містять мутантні мітохондрії, всі ці органели несуть одну і ту ж мутацію і мутантні мітохондрії повністю витісняють всі нормальні, доводив невірність цього положення.
Єдиною розумною альтернативою представлялася "клональная експансія": в одній мітохондрії відбувається негативна зміна, і її нащадки мало по малу займають всю клітку. Згадаймо, що мітохондрії розмножуються поділом на дві частини на зразок амеб: в "батьківської" органелле копіюється ДНК, так що утворюються дві ідентичні копії вихідного матеріалу і відповідно два ідентичних нащадка, кожен з яких несе точну копію і всякої мутації, що була в "батьківської" органелле . Тому уявлялося безсумнівним, що "клон" однакових мутантних мітохондрій в клітині є продуктом однієї мітохондрії, в якій сталася ця мутація і яка передала її своєму потомству, витісняючи всі інші мітохондрії і посів всі їх місця.
Однак парадоксальна сама думка про те, що мітохондрії з мутантної ДНК якимось чином завойовують домінуюче становище в клітці. Адже ці органели так чи інакше дефектні, в їх ДНК через вільнорадикальної атаки або через помилку реплікації не вистачає одного або більших ділянок. Хоча зрідка мутації виявляються корисними - інакше не йшла б еволюція - вкрай малоймовірно, щоб така подія траплялося знову і знову, і щоб в результаті випадкових мутацій в далеко не поруч знаходяться клітинах певна мітохондрія отримувала дарвиновское приспособительное перевага над іншими мітохондріями. І таки відомо, що спостерігаються в мітохондріях мутації шкідливі: вони повністю позбавляють органеллу здатності здійснювати окисне фосфорилювання і тим самим - забезпечення аденозинтрифосфатом.
Ідея "клональной експансії" також погано узгоджується з тим фактом, що багато різні мутації можуть викликати витіснення якимись певними мітохондріями всіх інших. У той час як в межах однієї і тієї ж клітини все мутантні мітохондрії містять одну і ту ж специфічну мутацію, в іншій подібній клітці можуть бути мітохондрії, що містять зовсім іншу мутацію.
Виходило, що є не одна специфічна мутація, що дає мутантної мітохондрії виборче право, а безліч мутацій, що виникли незалежно в одиничних мітохондріях в далеко знаходяться один від одного клітинах, несуть ту ж конкурентоспроможність.
Всі ці різні мутації мали щось спільне. Вони викликають не помірні зміни, пошкоджуючи якийсь один білок, - всі вони належать до типу мутацій, результатом яких є припинення синтезу всіх 13 білків, що кодуються мітохондріальної ДНК. Ось це загальна властивість і могло бути ключем до відповіді на питання, чому мутантом мітохондрій вдається домінувати.
Чим же такі мітохондрії відрізняються від звичайних, нормальних? Вони, ясна річ, не виробляють багато АТР, даючи клітці тільки невелика кількість енергії за рахунок початкових етапів вилучення хімічної енергії з поживних речовин; ця кількість становить лише частина того, що дає функціонуюча система окисного фосфорилювання. Такий стан, зрозуміло, погано для клітини, але мало вплине на саму митохондрию, яка в нормі віддає практично весь продукується нею аденозинтрифосфат. При скороченні віддачі енергії мутантна мітохондрія має виборче право, було ясно, що - всупереч першому враженню - скорочення віддачі енергії на ділі не є прямим недоліком в порівнянні з іншими мітохондріями даної клітини, який міг би перешкодити домінування.
Інша відмінність мітохондрії, нездатною до окислювального фосфорилювання, від інших мітохондрій в межах клітини видавалося більш схожим на перевагу: в такий мітохондрії більше не утворюються вільні радикали. Нагадаю, що вільні радикали виникають при витоку електронів в регульованих каналах, по яких йде потік протонів в "резервуари", рушійний "турбіни" у внутрішній мембрані мітохондрій. Якщо сама система протонних насосів відсутня, то і витоку ніякої немає - і немає вільних радикалів.
Відсутність необхідності справлятися з постійним вільнорадикальним руйнуванням представляється корисним для мітохондрії, але неясно, як саме воно веде до конкурентної переваги в порівнянні з оточуючими нормальними органеллами. Правда, припиняється бомбардування ДНК, але вона до цього моменту вже пошкоджена (делецией).
Ясно також, що внутрішня мембрана мітохондрії більш не відчуває атак вільних радикалів, але знову ж таки це, мабуть, не має значення для старіння, так як в мітохондріях мембрани в будь-якому випадку постійно рвуться і замінюються, будь то під час реплікації або під кінець їх короткої індивідуального життя, коли мітохондрія з дефектними мембранами відправляється в клітинну "піч для спалювання сміття".
реутилізацію відходів
Що змушує мітохондрії відправлятися в клітинну систему утилізації відходів? Щоб точно відповісти на це питання, потрібно ще багато роботи. Проте, вже тоді, коли Алекс Камфорт критикував теорію старіння, що базується на освіті вільних радикалів в мітохондріях, існувала думка, що існує якийсь виборчий процес, специфічно що відзначає старі, пошкоджені органели для руйнування. Але цю точку зору не можна приймати на віру без доказів. Довгий час вважалося, що деякі компоненти клітини знаходяться в кругообігу постійного процесу випадкової реутилізацію: лізосоми (точніше, особливий різновид попередників лізосом, звана аутофагосомамі, або аутофаговакуолямі), циркулюючи по клітці, поглинають різні клітинні компоненти, хапаючи що попадеться, просто набираючи випадковим чином певне кількість матеріалу, так що рано чи пізно будь-яка структура клітини включається в кругообіг і оновлюється.
Але тепер більш поширене інша думка: лізосоми поглинають білки і інші клітинні компоненти цілеспрямовано. Почасти це просто спосіб використання мізерних ресурсів. Уявімо собі, що для складання старих зруйнованих транспортних засобів з доріг (для зменшення забруднення повітря; скорочення виділення в атмосферу газів, що посилюють парниковий ефект; благоустрою територій; зниження цін на метали завдяки їх реутилізацію), влада розсилає по країні спеціальних агентів, які, не цілеспрямовано оглядаючи небагаті райони, випадковим чином відбирають машини для відправки на смітник. Така діяльність дала б деякі результати, але було б даремно знищено багато цілком працездатних автомобілів (навіть якщо не торкатися питання про право приватної власності).
Але в деяких випадках є більш вагомі підстави вважати, що "на смітник" відправляються не випадково попалися, а певні органели. Деякі клітинні компоненти, перевищивши термін свого корисного функціонування, стають явно токсичними для клітини, якщо їх швидко не ліквідувати. Подібно зачарованою мітлі в "Фантазії", яка наповнює бочку водою до тих пір, поки та не переллється, так що вода затопить приміщення, багато білків і органели приносять користь лише якесь обмежений час; коли ж їх роль вичерпана, їх потрібно прибрати, що в клітці означає руйнування для подальшої реутилізацію.
Наприклад, для мобілізації сил імунного захисту на боротьбу з проник в організм патогенних агентом потрібне утворення "провоспалительного" ферменту, але, якщо дати цьому ферменту діяти, сприяючи запального процесу, і після ліквідації загрози, то розвинеться руйнівний хронічне запалення, що виявляється по типу аутоімунних захворювань зразок ревматоїдного артриту або системного червоного вовчака.
Є вагомі причини, в силу яких клітці потрібно руйнувати мітохондрії з мембранами, пошкодженими вільними радикалами. Згадаймо, що внутрішня мітохондріальна мембрана відіграє роль греблі перед резервуаром протонів, рушійних енергогенераторную "турбіну" комплексу V. "Дірки" в цій мембрані означають виснажує резервуар витік - холостий вихід протонів, без генерації АТР. Факти, які свідчать на користь цієї думки, а саме витоку через пошкоджених мембранних молекул, були виявлені ще в 1970-ті роки.
"Відбуваються" мітохондрії завдавали б серйозної шкоди обмежених ресурсів, адже ланцюг перенесення електронів продовжувала б працювати, витрачаючи видобуту з їжі енергію на безплідні спроби заповнити протонний резервуар. Походять з поживних речовин електрони продовжували б надходити в ланцюг, що використовує їх на перекачку через мембрану протонів, які тут же "витікали" б назад, не створюючи електрохімічного градієнта, необхідного для трансформації енергії в потрібну клітці форму, без генерації аденозинтрифосфату. Запаси енергії в клітині виснажувалися б, поживні речовини витрачалися б на виробництво не АТР, а тепла, тобто даремно.
Більш того, через пошкодження внутрішньої мітохондріальної мембрани багато дрібніших білки внутрімітохондріального простору зможуть вийти з мітохондрії в цитоплазму. Якщо при цьому вони збережуть активність, то, опинившись в недозволеному їм місці, можуть виявитися токсичними для клітини.
Для клітини прямий сенс мати на місці якийсь механізм, що забезпечує відправку мітохондрій в лізосоми для руйнування, коли мітохондріальні мембрани ушкоджуються в результаті їх власної діяльності. Це пророцтво, мабуть, збувається: недавно виявлені (у дріжджів) специфічні напрямні білки, які мітять мітохондрії для лізосом. Поки що невідомо, яким чином в клітці вирішується, які з мітохондрій потрібно позначити, але показано, що утворення "дірок" в мітохондріальної мембрани викликає якийсь сигнал, що збільшує швидкість відправку мітохондрій "на смітник".
Можна тільки вітати ліквідацію в клітці дефектних і потенційно токсичних компонентів, і природа, як завжди, виробила відмінний спосіб, що забезпечує це. Але ось що було очевидно: за іронією долі, великі делеції мітохондріальної ДНК дозволять несучої їх органелле вислизнути від того самого механізму, який повинен забезпечувати внесення мітохондрії в "чорний список" на знищення.
Коли в мітохондрії трапляється мутація того типу, що накопичуються з віком, в ній тут же припиняється окисне фосфорилювання, а з ним - утворення небезпечних вільних радикалів. Але знижене утворення вільних радикалів, в свою чергу, веде до зменшення завданої вільними радикалами шкоди. Не забудьте, що, згідно з переважаючою теорії порочного кола мутації мітохондріальної ДНК множаться, так як через них мітохондрія виробляє більше вільних радикалів, ніж немутантний органели. Ось тут прихильники цієї теорії і робили помилку.
Що ховається за чистими мембранами
Мутантні мітохондрії отримують перевагу над нормальними. Навіть в абсолютно нормально функціонуючої мітохондрії постійно з деякою мало варіює невеликою швидкістю утворюються вільні радикали, що викликають пошкодження мембран. Через кілька тижнів це пошкодження досягає рівня, при якому мітохондрії відправляються "на смітник", і тоді в клітці виникає сигнал до нового циклу розмноження мітохондрій, щоб замінити вийшли з ладу "енергостанції".
Але цей процес відсіває тільки мітохондрії з пошкодженими мембранами; в них ДНК ще здатна забезпечити транспорт електронів, що веде до свободнорадикальному пошкодження їх мембран. Мітохондрії з інтактними (не порушеними) мембранами, але пошкодженої ДНК не матимуть зовнішніх ознак своїх внутрішніх дефектів і вислизнуть від Ангела Смерті.
Після того, як певна кількість ушкоджених мітохондрій відправиться на знищення лизосомами, в клітці виникне сигнал до реплікації мітохондрій. Деякі з решти мітохондрій або всі вони стануть відтворювати себе. А оскільки органели з великими делеціями ДНК майже завжди уникають сумної долі мають зовні виражені пошкодження, вони отримують можливість розмножуватися, тоді як багато мітохондрії з пошкодженими мембранами, але генетично інтактні (!) Виключаються з обороту перш, ніж встигають відтворити себе. Таким чином, мутантні мітохондрії отримують виборче право над немутантний: всякий раз, коли відбувається реплікація мітохондрій, все більше і більше таких органел залишаються поза відбраковування, а генетично нормальні органели вибраковуються і знищуються як "сміття".
Так діє еволюція живих істот. Серед тварин ті особини, які повільніше бігають або менш успішно шукають їжу, або гірше бачать, легше стають здобиччю хижака, більш схильні до впливу навколишнього середовища або хвороб, через що не встигають результативно розмножитися і передати свої гени наступним поколінням. Тим часом інші, краще пристосовані особини отримують більше шансів залишити потомство, яке буде нести в своїх генах то, що забезпечило перевагу, і тим самим воно закріплюється в низці поколінь. Поступово гени, що зумовлюють краще пристосування до небезпечних факторів зовнішнього середовища, стають домінуючими в популяції.
У клітці виживання мітохондрій загрожує руйнування лизосомами - свого роду хижаками, внаслідок чого виживають лише мітохондрії, придатні для безпечного виробництва потрібної клітці енергії. Шлях, яким еволюціонують (так, еволюціонують!) Мітохондрії, - це спосіб маскування, що приховує їх від "очі хижака". Абсолютно нефункціональні мітохондрії завдяки відсутності пошкоджень в мембранах виглядають нормальними для механізму клітинного нагляду. Ці органели, як фарисеї, чисті зовні, але чорні всередині.
Ця концепція "замаскованих мутантів" вперше дає послідовне пояснення переважання в клітинах дефектних мітохондрій. SOS (від англ. Survival of the Slowest - виживання найбільш повільних, або, ширше, гірших) - постулюється приспособительное перевага бездіяльних ( "повільних", або гірших) мітохондрій в дарвінівської боротьбі за існування у внутрішньоклітинних "джунглях".
Тепер, пояснивши, яким чином в невеликому числі клітин "приходять до влади" дефектні мітохондрії, доведеться відповісти на можливо, ще більш важливе питання: яким чином ці клітини, що становлять лише невелику частку всіх клітин організму, рухають старіння всього організму?