В начало...

Альтернативные функции клеточного дыхания. В. П. СКУЛАЧЕВ. Продолжение

ДЫХАНИЕ КАК МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Мы рассмотрели энергетические функции дыхания: накопление энергии в форме протонного потенциала и АТФ и ее рассеяние в виде тепла. На этом примере, разобранном достаточно подробно, мы убедились в альтернативности энергозапасающей и тепловыделяющей функций дыхания, которое образует либо АТФ, либо тепло. Теперь нам предстоит уже в более краткой форме познакомиться в двумя другими функциями дыхания, играющими роль в превращении веществ, а не энергии.
Метаболические процессы, жизненно необходимые для клетки, протекают с поглощением кислорода. При этом их итогом оказывается образование тех или иных полезных соединений. Одним из примеров такого рода может быть синтез стероидных гормонов в коре надпочечника. Исходным субстратом синтеза служит холестерин. Задача состоит в том, чтобы окислить в определенных местах эту молекулу и ввести в нее дополнительные атомы кислорода. Проблема решается с использованием сложной цепи реакций, часть из которых происходит в митохондриях, а часть - в эндоплазматической сети. Собственно реакции введения кислорода в холестериновый остов катализируются специальными ферментами оксигеназами, так называемыми цитохромами Р450. Чтобы связать кислород, цитохром Р450 должен быть восстановлен. Оксигенация холестерина сопровождается окислением цитохрома Р450. Регенерация восстановленного цитохрома Р450 происходит за счет окисления восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата особой дыхательной цепью, составленной из иных переносчиков, чем основная, сопряженная дыхательная цепь, также присутствующая в митохондриях коры надпочечников. Перенос электронов по цепи, завершающейся цитохромом Р450, не сопряжен с запасанием энергии (по-видимому, чтобы не отягощать такую важную функцию, как синтез гормона, превходящими обстоятельствами - наличием свободного АДФ).
Проблема доступности АДФ может быть особенно существенной, когда речь идет о крупномасштабных превращениях веществ, например образовании углеводов из жиров. Это событие требует потребления большого количества кислорода, поскольку углевод - более окисленное вещество, чем жир. Неудивительно, что совершению названного процесса сопутствует разобщение дыхания и фосфорилирования, что выводит дыхание из зависимости от процессов потребления АТФ.

ДЫХАНИЕ КАК МЕХАНИЗМ УБОРКИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
Удалению из организма токсических соединений обычно предшествует их окисление кислородом с образованием продуктов, которые лучше растворимы в воде и потому могут быть быстрее выведены из организма через почки. Наиболее известный пример - детоксикация ксенобиотиков в печени цитохромом Р450. Этот процесс во многом подобен описанному в предыдущем разделе синтезу стероидных гормонов из холестерина. Здесь также происходит внедрение атома кислорода в органическое вещество (в данном случае чужеродное, откуда и название - ксенобиотик) под действием восстановленных цитохромов Р450, близких по структуре и механизму действия к цитохрому Р450 из коры надпочечников. При этом цитохром окисляется, чтобы затем быть восстановленным особой дыхательной цепью, локализованной в эндоплазматической сети. Цепь эта не сопряжена с генерацией протонного потенциала. Оксигенированный продукт затем подвергается либо дальнейшему окислению с участием того же цитохрома Р450 или его аналога, либо удалению из клетки.
В печени существует большое семейство родственных цитохромов Р450, специализированных на оксигенации самых разнообразных органических веществ, что позволяет обезвредить широкий круг ксенобиотиков.
Помимо ксенобиотиков дыхание участвует также в уборке молочной кислоты, конечного продукта бескислородного (анаэробного) метаболизма. При тяжелой и продолжительной физической работе в мышцах кончается кислород и единственным механизмом энергообеспечения становится анаэробный распад углеводов (гликолиз), завершающийся образованием молочной кислоты. Закисление ткани из-за накопления кислоты грозит денатурацией белков. Поэтому возникает проблема скорейшего удаления молочной кислоты после того, как работа уже выполнена.
Наши опыты показали, что при подкислении среды окисление молочной кислоты мышечными митохондриями направляется в обход первых пунктов энергетического сопряжения (NADН-KoQ-редуктазы и KoQO₂-цитохром с-редуктазы, см. реакция (2)), что резко снижает количество АТФ, образованного при переносе электронов с NADН на кислород. Тем самым уборка молочной кислоты оказывается в меньшей зависимости от процессов потребления АТФ. Это должно быть особенно существенно в покоящейся мышце, где энергозатраты резко снижены по сравнению с состоянием физической работы. У дрожжей описан специальный фермент - цитохром b2 , переносящий электроны с молочной кислоты на цитохром с. Он локализован в межмембранном пространстве митохондрий и также шунтирует первые два пункта энергетического сопряжения.
Парадоксально, но одним из токсических продуктов, с которым сталкивается аэробная клетка, является сам кислород [5]. Вот почему клетка стремится поддерживать его концентрацию на минимальном уровне. Одним из механизмов, обеспечивающих эту функцию, оказывается опять-таки дыхание. Потребление кислорода дыхательными ферментами снижает количество кислорода в митохондриях и клетке в целом, тем самым предотвращая нежелательное действие кислорода как неспецифического окислителя многих клеточных компонентов. По логике, изложенной выше, можно было бы предположить, что также и эта особая функция дыхания должна обеспечиваться разобщенной или исходно не сопряженной дыхательной цепью. Исследования в целом подтвердили это предположение.
Например, бактерия, называющаяся "азотобактер", содержит нитрогеназу - фермент, восстанавливающий молекулярный азот в аммиак. Нитрогеназа очень чувствительна к повреждающему действию кислорода. Чтобы снизить концентрацию кислорода внутри клетки, азотобактер использует специальную дыхательную цепь, состоящую из особой несопряженной NADН-KoQ-редуктазы и KoQO₂-оксидазы (цитохрома bd). Эффективность этой оксидазы вдвое ниже, чем цитохрома о, аналога цитохрома aa3 , также присутствующего в мембране азотобактера наряду с сопряженными NADН-KoQ-редуктазой и KoQO₂-цитохром с-редуктазой. Как показали наши опыты, фосфорилирующая эффективность цепи, заканчивающейся цитохромом bd, впятеро ниже, чем другой цепи, завершающейся цитохромом о. При этом сродство к кислороду цитохрома bd существенно хуже, чем цитохрома о, поэтому при снижении уровня кислорода до безопасно малых его концентраций путь через цитохром bd просто выключается. Путь через цитохром bd получил название дыхательной защиты.
Нечто подобное существует также в митохондриях растений. Проблема защиты от кислорода у растений стоит особенно остро, так как они не только потребляют кислород, но также и образуют это вещество. Вопрос прежде всего в том, как предохранить от окисления молекулы ДНК митохондрий и хлоропластов, то есть органелл, где кислород может превращаться в супероксид и далее в перекись водорода и гидроксильный радикал, сильнейший природный окислитель [5]. Остается неясным, как справляются с защитой своей ДНК хлоропласты. Известно лишь, что они содержат большие количества одного из антиоксидантов - аскорбиновой кислоты. Что же касается митохондрий, то здесь, по-видимому, важную роль играет особая дыхательная цепь, состоящая из несопряженных NADН-KoQ-редуктазы и KoQ-оксидазы. В отличие от цепи дыхательной защиты у азотобактера эта цепь вовсе не запасает энергии. Ее работа приводит к поглощению кислорода безопасным способом, не связанным с риском образовать супероксид. В то же время, образование АТФ обеспечивается обычной (сопряженной) дыхательной цепью, локализованной в тех же митохондриях, а также фотосинтезом в хлоропластах и гликолизом в цитозоле растительной клетки.
Проблема дыхательной защиты животных клеток предположительно включает несопряженные пути в начале цепи (наподобие тех, что участвуют в уборке молочной кислоты) и особые механизмы разобщения основной цепи, а также выбраковку образующих супероксид митохондрий и клеток (апоптоз) (подробнее см. [5]). Изучая эту весьма сложную, глубоко эшелонированную защитную систему, невольно задаешься вопросом, почему все-таки ей не удается полностью предохранить наши клетки от повреждающего действия кислорода. В недавней работе японского биохимика Т. Озавы было показано, что у 97-летней старухи около 90% ДНК сердечных митохондрий безнадежно испорчены из-за ее окисления. Следует ли видеть в этом факте несовершенство живой системы или, как это ни парадоксально, здесь может быть свой биологический смысл?

ДЫХАНИЕ КАК МЕХАНИЗМ, УСКОРЯЮЩИЙ ЭВОЛЮЦИЮ
Окисление ДНК активными формами кислорода представляет собой важнейший инструмент природного мутагенеза. Поддерживая частоту мутаций на определенном уровне, клетка могла бы обеспечить некий гарантированный уровень изменчивости, необходимой для эволюционного прогресса. Заманчиво предположить, что существует специальный механизм генерации супероксида, призванный обеспечивать оптимальный уровень мутагенеза. Альтернатива состоит в том, что окислительный мутагенез обусловлен тем супероксидом, который возникает при спонтанных химических реакциях окисления семихинонов и других одноэлектронных восстановителей кислорода. Однако в этом случае нам пришлось бы принять, что в таких важнейших вопросах, как стабильность и изменчивость генетического аппарата, клетка полагается на спонтанные процессы. Это противоречило бы принципу, что живые системы избегают самопроизвольных химических реакций, стремясь поставить их под контроль регулируемых катализаторов-ферментов.
Если верна возможность, что существует специальный ферментативный механизм дестабилизации генома, то, вероятно, выключение этого механизма могло бы стабилизировать жизнедеятельность организма, а стало быть, замедлить его старение и продлить жизнь. При этом, конечно же, снизились бы эволюционные потенции вида, но данное обстоятельство вряд ли актуально применительно к человеку. Homo sapiens давно уже не устраивает темп биологической эволюции. Если надо взлететь, мы строим самолет, а не ждем, пока у нас отрастут крылья. Когда нам не хватает расчетных способностей мозга, мы изобретаем компьютер, вместо того чтобы ждать, пока проэволюционирует наш мозг и все станут феноменами, умножающими в уме шестизначные числа.

ЛИТЕРАТУРА
1. Скулачев В.П. Соотношение окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 156 с.
2. Скулачев В.П. Аккумуляция энергии в клетке. М.: Наука, 1969. 439 с.
3. Никольс Д.Дж. Биоэнергетика: Введение в хемиосмотическую теорию. М.: Мир, 1985. 190 с.
4. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989. 564 с.
5. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 3. С. 4-16.
6. Скулачев В.П. Законы биоэнергетики // Там же. 1997. N 1. С. 9-14.
7. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Там же. N 5. С. 11-19.
* * *
Владимир Петрович Скулачев, действительный член Российской академии наук, президент Российского биохимического общества, директор Института физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ. Лауреат Государственной премии СССР, премии им. А.Н. Баха Президиума АН СССР. Основатель отечественной школы энергетики биологических мембран. Автор фундаментальных работ по энергетике клетки, более 300 статей в российских и международных журналах, шести монографий и одного учебника.