Помимо этого, наличие в одной клетке митохондрий с разными геномами потенциально влечет за собой катастрофические последствия (это происходит, если, например, митохондрии из отцовского сперматозоида умудряются выжить и сосуществуют с митохондриями из материнской яйцеклетки, что, как правило, приводит к прерыванию энергии). Этого можно было бы избежать, если бы все митохондриальные гены были переданы в ядро и удерживались там.
Другая проблема заключается в том, что открытый и беззащитный генетический материал митохондрий находится в непосредственной близости к ЭТЦ, в которой формируются и из которой исходят разрушительные свободные радикалы. Они могут повредить мДНК и вызвать мутации, потенциально способные привести к гибели митохондрии (что, в свою очередь, означает повышенную опасность возникновения разных заболеваний, включая рак, о чем мы поговорим позже).
Почему же все митохондриальные гены не переместились в ядро? Факт, что они до сих пор находятся в митохондриях (несмотря на два миллиарда лет эволюции и множество разумных причин, по которым им следовало бы туда перейти), говорит о том, что на это обязательно должна быть причина, причем она должна быть фантастически убедительной.
Суть в необходимости контроля процесса окислительного фосфорилирования. Его скорость в значительной степени обусловлена энергетическими потребностями клетки, зачастую меняющимися каждую минуту (в зависимости от того, бодрствуем мы или спим, занимаемся физическими упражнениями или сидим за столом, боремся с болезнью или пышем здоровьем и т. д.). Эти быстро изменяющиеся сценарии требуют от митохондрий адаптировать производство энергии к потребностям клетки, а каждая клетка требует к себе особого подхода (у клеток головного мозга, мышц, кишечника, печени и т. д. — разные уровни потребления энергии).
Для того чтобы эффективно реагировать на эти быстрые изменения, митохондриям приходится поддерживать определенный уровень постоянного контроля ситуации, а значит, сохранять в мДНК соответствующие гены. Реакции, которые происходят в рамках ЭТЦ во внутренней митохондриальной мембране, должны жестко регулироваться на уровне каждой митохондрии. Но это было бы невозможно, равно как и клетка не смогла бы быстро реагировать на резкие изменения во внешней среде, если бы весь процесс не контролировался бы дистанционно генами, расположенными в удалении от клеточного ядра.
Вроде бы пока наши рассуждения осмыслены, не так ли? Давайте теперь обсудим тему спроса и предложения перед тем, как я предложу вам глубже погрузиться в вопрос о том, почему митохондрии сохранили некоторые гены. Не забывайте, что целостный процесс выработки энергии от работы индивидуальных комплексов до производства АТФ АТФ-синтазой похож на последовательность переключения передач в автомобиле, при которой каждая предыдущая передача контролирует скорость движения при следующей. Если потребность клетки в энергии является сильной, то электроны быстро переносятся по ЭТЦ, протоны оперативно выкачиваются через мембрану, протонный градиент резко повышается (резервуар наполняется). Чем выше он, тем сильнее давление, приводящее к производству АТФ АТФ-синтазой.
Однако, если потребность в АТФ практически равна нулю, окислительное фосфорилирование все равно будет продолжаться до того, как в АТФ будут превращены все АДФ и все фосфаты. Так как клетка больше не использует АТФ (которая при сжигании обратно расщепляется на АДФ и фосфаты), АТФ-синтаза прекращает работу из-за дефицита сырья. Если это происходит, то протоны уже не могут пройти сквозь нее, и протонный резервуар наполняется чрезмерно высоко. Когда протонный градиент является слишком высоким, небольшое количество энергии, выделяемое при переносе электронов по ЭТЦ, оказывается недостаточным для выкачивания протонов из матрикса в межмембранное пространство. Недостаточная работа протонного насоса приводит сначала к замедлению, а потом и к остановке переноса электронов по ЭТЦ. Однако не беспокойтесь, механизм вновь начинает работать, когда потребность клетки в энергии повышается и клетка начинает использовать АТФ (в результате чего АТФ-синтаза получает больше АДФ и фосфатов). Все это указывает на важность физических упражнений, при которых клетка активно использует АТФ (мы еще поговорим об этом).
Клетка может испытывать дефицит в кислороде, например при остром нарушении мозгового кровообращения. В этом случае на завершающем этапе ЭТЦ отсутствует «приемник» электронов, и в результате они попадают, так сказать, в «пробку», после чего окислительное фосфорилирование останавливается. В каждой из такого рода ситуаций формирование «пробки» из электронов означает, что они могут ускользнуть и стать причиной появления свободных радикалов.
Рассмотрев тему «спроса и предложения», мы должны вновь обратиться к компонентам ЭТЦ. Каждый из них может быть либо восстановлен (приобрести один электрон или несколько электронов), либо окислен (потерять один или несколько электронов), но не может одновременно и восстанавливаться, и окисляться. В митохондриях эукариот процесс переноса электронов начинается с окисления НАДН и восстановления убихинона (кофермента Q) комплексом I. Далее комплекс II окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон Q. Комплекс III переносит электроны от восстановленного убихинона к цитохрому с. В конце ЭТЦ комплекс IV, как мы помним, катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород. ЭТЦ остановится, если соответствующий комплекс не передаст электрон следующему «звену». Точно так же процесс переноса электронов остановится, если, например, комплекс I не получит электрон от НАДН для его последующей передачи, и т. д.
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) сегодня все более активно изучаются с медицинской точки зрения. В каждой митохондрии находятся тысячи ЭТЦ (примерно десять тысяч на одну митохондрию!), а окислительное фосфорилирование может быть наиболее эффективным в том случае, когда соотношение между восстановленными и окисленными переносчиками электронов составляет примерно 50: 50.
Утрата этого баланса не только замедляет окислительное фосфорилирование и производство энергии, но также может привнести хаос в жизнедеятельность митохондрий. Эта опасность связана с тем, что переносчики электронов в ЭТЦ характеризуются реактивностью. Если поток электронов в ЭТЦ течет в нормальном режиме, то каждый опорный пункт в большинстве случаев успешно передает электроны другому такому пункту, который желает их чуть сильнее, чем предыдущий обладатель. Однако, так как переносчики электронов не могут одновременно восстанавливаться и окисляться, если следующий по цепи переносчик уже имеет лишний электрон и еще не успел от него освободиться, то в ЭТЦ возникает затор. Создание затора и выпадение электрона из общего движения подобно ситуации, когда один поезд еще не покинул станцию вовремя, и следующий за ним состав не может попасть туда. Наиболее вероятный вариант в таком случае — транспортная пробка. В результате возникает вероятность преждевременного перехода блокированного электрона на кислород. Когда кислород получает электрон от любого носителя, кроме комплекса IV (последний комплекс в ЭТЦ), то формируется известный нам токсичный свободный радикал — супероксид. Это необязательно ведет к отрицательным последствиям (как я покажу ниже), но сейчас давайте условимся, что супероксид, как правило, приносит вред всем видам биологических молекул. Продолжая аналогию с пробкой из поездов, представим, что приближающийся локомотив не получил сигнал о том, что другой состав застрял на станции, а машинист не успел ударить по тормозам. В этом случае поезда сталкиваются и их вагоны сходят с рельсов, причиняя окружающей среде всевозможный ущерб.
