Почему так случилось? Сила, которая удерживает гены в митохондриях (гл. 5), – это необходимость локальной регуляции процессов дыхания. Вспомните: электрический потенциал на тонкой внутренней митохондриальной мембране равен 150–200 милливольтам и порождает напряженность электрического поля в 30 миллионов вольт на метр – как у удара молнии. Гены нужны, чтобы контролировать этот колоссальный потенциал в соответствии с изменениями потока электронов, доступности кислорода, количества АДФ и АТФ, числом дыхательных белков и т. д. Если ген, необходимый для контроля дыхания, переместится в ядро, а его белковый продукт не успеет вовремя добраться до митохондрии, чтобы предотвратить катастрофу, на этом “эксперимент природы” закончится. Животные (и растения), не переместившие этот ген в ядро, выживут. Те, которые переместили ген, который перемещать не следовало, – умрут, унеся в могилу неправильно расположенные гены.
Отбор слеп и безжалостен. Гены постоянно переносятся из митохондрий в ядро. Если новое расположение генов окажется удачным, гены останутся на новом месте. Если же нет, то, скорее всего, придется расстаться с жизнью. В итоге почти все митохондриальные гены были либо утрачены, либо переместились в ядро, а в митохондриях осталась лишь горстка наиболее важных генов. Слепой отбор – вот благодаря чему были построены наши мозаичные дыхательные цепи. И это действительно работает. Сомневаюсь, что инженер спроектировал бы все так, но, боюсь, это единственный вариант устройства сложной клетки, который мог получиться в результате естественного отбора, учитывая необходимость эндосимбиоза прокариот. Это нелепое решение было неизбежным. В этой главе мы рассмотрим последствия мозаичности митохондрий: насколько сильно эта необходимость сказалась на свойствах сложных клеток? Я докажу, что отбором на двойственность митохондрий могут объясняться самые загадочные общие признаки эукариот. Этот отбор повлиял на наше здоровье, приспособленность, плодовитость, продолжительность жизни и на историю нашего вида.
О происхождении видов
Как и на что действует естественный отбор? (То, что он вообще действует, мы знаем точно.) Анализ последовательностей множества генов служит неопровержимым доказательством того, что долгое время шел отбор на коадаптацию митохондриальных и ядерных генов: изменения генов этих двух групп связаны. Мы можем сравнить скорость изменений митохондриальных и ядерных генов, скажем, на промежутке в несколько миллионов лет, который отделяет шимпанзе от общего предка людей или горилл. Мы сразу увидим, что гены, непосредственно взаимодействующие друг с другом (например кодирующие белки дыхательной цепи), изменяются примерно с равной скоростью, а остальные ядерные гены изменяются (то есть эволюционируют), как правило, значительно медленнее. Понятно, что изменение митохондриального гена, как правило, приводит к компенсирующему изменению во взаимодействующем с ним ядерном гене, и наоборот. Итак, налицо некая форма отбора. Вопрос в том, какие процессы участвуют в достижении коадаптации.
Ответ кроется в биофизике самой дыхательной цепи. Представим, что произойдет, если ядерные и митохондриальные геномы не будут соответствовать друг другу. Электроны поступают в дыхательную цепь, но плохо коадаптированные геномы кодируют плохо подогнанные друг к другу белки. Некоторые электростатические взаимодействия между аминокислотами (водородные связи) разрушаются, и в результате один или два окислительно-восстановительных центра могут оказаться друг от друга дальше на ангстрем, чем в норме. В итоге скорость потока электронов по дыхательной цепи к кислороду падает, они начинают скапливаться на нескольких первых окислительно-восстановительных центрах, поскольку двигаться дальше нельзя: все следующие окислительно-восстановительные центры уже заняты. Дыхательная цепь оказывается перевосстановленной. В сущности, это означает, что ее окислительно-восстановительные центры переполняются электронами (рис. 32). Первые окислительно-восстановительные центры представляют собой железосерные кластеры. Ион железа в них переходит из окисленной формы Fe3+ в восстановленную Fe2+, которая может непосредственно реагировать с кислородом с образованием отрицательно заряженного супероксидного анион-радикала O2•–. Точка в записи его формулы обозначает неспаренный электрон – отличительный признак свободного радикала. Ведет он себя в клетке не менее разрушительно, чем лис в курятнике.
Рис. 32. Роль митохондрий в механизме клеточной смерти.
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).
