Биоэнергетика жизни и смерти

Новые работы ученых МГУ показывают, что митохондриальные антиоксиданты включают механизмы контроля над внутриклеточной причиной избыточной смертности и старения

«Шесть функций дыхания: не пора ли взять под контроль выработку активных форм кислорода и тем самым продлить жизнь?» - так на русский переводится название научной статьи, вышедшей в международном журнале International Journal of Molecular Science (Int. J. Mol. Sci. 2023, 24 (16), 12540) в августе 2023 года. В статье собраны и обобщены последние данные о том, какую роль играют опасные радикалы кислорода в иммунитете и его аномальном проявлении - цитокиновом шторме, в разных видах запрограммированной гибели клеток, старении и смерти целых организмов. В ней также показано, что специальные митохондриальные антиоксиданты способны преодолеть (как показано на лабораторных моделях) шоковую смертность и замедлить старение.

Искусственную остановку программ старения и смерти можно вызвать использованием митохондриальных антиоксидантов

Вообще, идея о том, что антиоксиданты могут быть полезны, приобрела в последние десятилетия широкую популярность и вышла из сферы научных дискуссий в область маркетинга. Эта концепция легла в основу множества косметических средств и БАДов, но часто за рекламой не стояло никаких серьезных исследований. Однако в данной статье рассказывается о хорошо изученной роли кислорода и его активных форм в организмах.

Первым автором статьи является академик Владимир Скулачев, признанный в мире ученый, специалист по современной биологии, один из основателей целой отрасли - биоэнергетики, науки о том, как в организмах на молекулярном уровне устроено производство энергии на основе кислородного дыхания. Владимир Скулачев ушел из жизни 5 февраля 2023 года в возрасте 87 лет, но до последнего дня активно и продуктивно работал. Эту статью начинал писать он сам, но заканчивали ее коллеги и последователи, принял участие в этой работе и ректор МГУ Виктор Садовничий. «Шесть функций дыхания» - во многом итог научной биографии Владимира Скулачева, в статье описывается все, что известно о клеточном дыхании. Именно этой областью академик занимался до открытия целого научного направления, посвященного борьбе с болезнями и старостью, которое в ближайшие десятилетия поможет увеличить продолжительность активной жизни людей и найти ответ на фундаментальные вопросы о жизни и смерти.

В начале было

Эта история началась примерно 2,4 млрд лет назад. Тогда на Земле произошла самая большая биогенная катастрофа в истории - в атмосфере планеты стал накапливаться кислород. Это сейчас люди и почти все живые существа не могут жить без кислорода, необходимого для дыхания, но в те времена для большинства бактерий и архей (а никого, кроме одноклеточных организмов, еще не было) этот газ был ядом. Дело в том, что кислород - химически активное вещество, в его присутствии все, в том числе все живое, рискует «сгореть», погибнуть в результате процессов окисления, если не защитится от его разрушительного воздействия.

Кислород в земной атмосфере появился благодаря цианобактериям (сине-зеленым водорослям), живущим в океане. Они и сейчас продолжают продуцировать от 20 до 40% всего производимого на Земле кислорода - для цианобактерий это побочный эффект другого процесса. Они первыми на планете научились «питаться солнцем» - использовать энергию света для того, чтобы создавать сложные органические вещества из углекислого газа. В результате такого процесса вода разлагается с выделением чистого кислорода. Часть микроорганизмов выжила в новом мире благодаря тому, что спряталась и не имела контакта с воздухом. Микроорганизмы в то время жили на поверхности воды многослойными пленками: сверху обитали те, кто мог соприкасаться с кислородом, внизу - те, кто его боялся. Некоторые бактерии научились жить в атмосфере, химически утилизируя вредный кислород. Непонятно, какая эволюционная мотивация у них была первичной - то ли убрать вредный кислород, то ли получить энергию. Скорее всего, сначала они защищались от окисления, а потом «поняли», что это отличный источник энергии.

Некоторые крупные микроорганизмы сами до этого «не додумались»: они жили в нижней части бактериальной пленки, иногда глотая тех, кто падал сверху. Но примерно 1,6-1,8 млрд лет назад оказалось, что выгоднее не съедать тех, кто умеет жить с кислородом, а поселить их внутри себя. Так произошел мощнейший эволюционный скачок: появились митохондрии - клеточные органеллы, присутствующие в клетках всех организмов, кроме самых простых и древних - бактерий и архей. Это самый важный и красивый пример того, что для эволюции сотрудничество (симбиоз) значит больше, чем конкуренция, выживание сильнейших. Русский биолог Константин Мережковский еще в 1905 году назвал теорию возникновения сложных форм жизни (эукариотических клеток) симбиогенезом. Сейчас эта концепция подтверждена генетическими данными. Оказалось, что у митохондрий сохранилась часть генома, который похож на геном бактерий. Анализ последовательностей выявил, что митохондрии имеют ближайших родственников среди α-протеобактерий, в частности среди представителей отряда Rickettsiales (кстати, некоторые микроорганизмы из этого рода, живущие самостоятельно, являются внутриклеточными паразитами). Важнейшие органеллы клеток растений - хлоропласты, потомки тех самых цианобактерий, появившиеся чуть позже митохондрий - от 1,5 до 1 млрд лет назад. Благодаря им растения используют энергию солнца и выделяют кислород. Интересно, что генетический анализ позволяет не только определить родственников митохондрий и других органелл среди бактерий, но и оценить время жизни их общего предка.

Шесть функций дыхания

Так появилась современная клетка, в которой в отличие от бактериальной есть много компартментов - отдельных «комнат», где идут разные биохимические процессы. Бывшая протеобактерия митохондрия отвечает за клеточное дыхание (для биохимика дыхание - физиологический процесс, происходящий не в легких, а в каждой клетке). Именно митохондриями и механизмами клеточного дыхания и занимался всю жизнь академик Скулачев. Более полувека - с 1960 года - он с коллегами изучал детали этого процесса, использования митохондрией кислорода для производства главного молекулярного переносчика энергии в организмах - аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ - это та биохимическая монета, которой оплачены все процессы в живых организмах. Человеческое тело производит (и тратит) 50 килограммов АТФ в сутки.

Две самые древние функции дыхания - это утилизация ядовитого кислорода и производство энергии. Третья функция - потребление и переработка питательных веществ в вид, удобный для окисления. Условно говоря, пища должна быть приведена к форме глюкозы или жирных кислот и биохимически сожжена - без этого невозможно ни убрать вредный кислород, ни получить энергию.

Четвертая функция, открытая Владимиром Скулачевым в 1969 году, - образование электрического потенциала на мембране митохондрий (если мы говорим об эукариотах) или внешней мембране бактерий. Заряд на мембране - очень важный инструмент в физиологии клетки, используемый для выполнения всех остальных функций митохондрий: электрический «мотор» активизирует самые разные молекулярные механизмы.

Пятая функция, которая есть у теплокровных животных, - выделение тепла. Примечательно, что научная карьера академика Скулачева началась именно с демонстрации того, как митохондрии согревают организм. Оказалось, что часть электрической энергии на их мембране расходуется вхолостую, АТФ не производится, зато клетка подогревается, то есть ее температура немного увеличивается.

Шестая функция, открытая позже других, - образование активных форм кислорода, свободных радикалов. Митохондрии умеют не только превращать опасный кислород в воду, но и делать из этого газа еще более опасный химический агент - супероксид-анион O2•−, который, в свою очередь, может трансформироваться в чрезвычайно опасный гидроксильный радикал OH•.

Но зачем митохондрия производит яд?

Загадка жизни и смерти

Производство опасных форм кислорода в митохондриях не ошибка и не нарушение. Парадокс в том, что здоровые митохондрии с хорошо заряженной мембраной генерируют наибольшее количество опасных форм кислорода, - это Владимир Скулачев с коллегами доказали еще в 1997 году.

«Однако, если полностью ограничить производство активных форм кислорода, клеткам становится хуже, а не лучше, - рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ Константин Лямзаев. - Живой организм - это всегда баланс». Дело в том, что уровень опасных форм кислорода регулирует множество самых разных процессов и среди прочего - гибель митохондрий, клеток или целых организмов.

Такой процесс посредством изменения уровня заряда на мембране митохондрий играет ключевую роль в старении, как показано в целой серии работ группы Скулачева в 2008-2020 годах. «Владимир Петрович впервые выдвинул теорию феноптоза - запрограммированной гибели организма в интересах популяции», - говорит Лямзаев.

Митохондриальные свободные радикалы убивают организм (точнее, добивают его, чтобы не мучился и снизил нагрузку на популяцию) в критических состояниях - после обширных травм, при особо тяжелых инфекциях. Этот процесс описывается в работе Скулачева и коллег, вышедшей в 2023 году. Судя по выводам академика, существенный процент смертности от коронавирусной инфекции объясняется именно таким механизмом: свободные радикалы кислорода запускали катастрофическую иммунную реакцию, уничтожавшую собственные клетки. То, что приносило пользу на протяжении миллиардов лет эволюции, в человеческой популяции становится ненужным и вредным: нет причин избавляться от своих членов при первом же стрессе.

Более того, и в живой природе есть механизмы, регулирующие запуск программ самоуничтожения. Для обычной клетки гибель - благо: она освобождает место для других клеток - свежих, без генетических поломок и риска злокачественного превращения. Но есть клетки, которые должны быть здоровыми на протяжении всей активной жизни. Такой механизм защиты был, в частности, обнаружен в человеческих яйцеклетках, которые формируются еще до рождения и сохраняют жизнеспособность в состоянии покоя десятки лет (в среднем до 50 лет у женщин) - до оплодотворения. Чтобы защитить клетку от повреждающего действия свободных радикалов, одна из ключевых молекулярных машин мембраны митохондрий, отвечающая в том числе за производство опасных форм кислорода, просто не собирается, не достраивается. Не срабатывает она и у молодых мышей в ситуации ишемического стресса.

Это означает, что смертельные механизмы можно включать и выключать. Эксперименты группы Скулачева показали, что антиоксидантный эффект специальных митохондриальных ферментов исчезает у старых мышей, возрастное снижение уровня похожих ферментов-киназ наблюдается и в мышцах человека, но не у удивительно долго живущих голых землекопов и летучих мышей.

Остановить программы старения и смерти способны митохондриальные антиоксиданты. Владимир Скулачев и его коллеги используют SkQ1. «В этой работе мы ссылаемся на нашу же статью в Scientific Reports, в которой мы использовали на мышиной модели четыре разных вида смертельного в обычной ситуации стресса, защищая животных с помощью антиоксиданта SkQ1, и во всех четырех случаях удалось либо предотвратить их гибель, либо радикально уменьшить смертность», - поясняет Константин Лямзаев. Таким образом, в шоках разной природы внешнее воздействие ослабляет организм, но добивает он себя сам.

В другой работе предварительное лечение SkQ1 остановило цитокиновый шторм - повышение уровня одного из наиболее важных цитокинов, интерлейкина IL-6, как у молодых, так и у старых мышей. Это значит, что в случаях избыточной иммунной реакции гибель организма можно предотвратить с помощью предварительного введения митохондриального антиоксиданта. Кстати, недавно группа китайских ученых независимо от российских коллег выявила способность SkQ1 защищать крыс от тяжелого геморрагического шока.

Но если спасение лабораторных мышей от шока, вызванного болезнями или травмами, с помощью митохондриального антиоксиданта - относительно недавний успех ученых, то эксперименты с замедлением старения ведутся уже много лет.

«Старение мы изучали довольно много и на разных моделях и с очевидностью показали, что среднюю продолжительность жизни и молодость можно продлить - по крайней мере, у мышей. При поддержке антиоксидантами они меньше болеют возрастными болезнями, более активны, - комментирует Константин Лямзаев - За доказательство роста максимальной продолжительности жизни мы не стали цепляться, удлинить молодость и активную часть жизни уже очень ценно. Антиоксиданты заметно снижают воспалительный фенотип клеток, сопровождающий процесс старения».

Конечно, между успешной реализацией идеи контролировать смерть от шоков и замедлять старение путем блокирования механизмов выработки опасных форм кислорода в митохондриях на лабораторных моделях и реальным производством лекарственных препаратов - долгий и сложный путь. Для клинических испытаний на людях требуется настолько снизить риски, что эффект может оказаться не столь впечатляющим, как на мышах. И тем не менее, из лекарственных препаратов на основе антиоксиданта SkQ1, которые успешно прошли клинические испытания и выведены на рынок, уже есть капли Визомитин от возрастных болезней глаз. Это редкое лекарство, сделанное в России на основе собственных оригинальных научных разработок. Но очевидно, что в случае глазных капель речь идет о наружном применении действующего вещества, причем в небольшой концентрации.

Почему же, несмотря на убедительные лабораторные данные, мы не слышим о препаратах против других возрастных болезней и препаратах для внутреннего употребления? «Чтобы вывести на рынок глазные капли, понадобились годы клинических испытаний и существенные деньги. В случае более сложных препаратов риски инвесторов возрастают кратно», - признается Константин Лямзаев.

Все это направление исследований, задача продления активной фазы жизни, снижения смертности от эпидемий и прочих шоков крайне важны и масштабны. И научные результаты Владимира Скулачева и соавторов в этой области столь впечатляющи, что организационные и прочие сложности здесь должны быть рано или поздно преодолены. Даже если окажется, что путь до новых коммерческих лекарственных средств еще очень далек, поиск ответов на загадки жизни и смерти точно стоит усилий.