Клеточные трагедии, часть 2
Жизнь в условиях стресса
Полина Лосева, «Чердак»
Внутренняя жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей, опасностей и, как и всякая жизнь, рано или поздно заканчивается. Полина Лосева разбирается в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами.
На этот раз речь пойдет о стрессе и о том, как клетки с ним справляются (а нам есть чему у них поучиться).
«Клеточные трагедии» – это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. А открывал его текст о смертях и самоубийствах, которые происходят и на клеточном уровне жизни.
Стресс – неотъемлемая черта нашей повседневной жизни. Если прислушаться к разговорам окружающих, то он обнаруживается повсюду: друзья жалуются друг другу на тяжелую жизнь и вечный стресс, врачи спрашивают, когда и какой стресс переживал больной, работодатели ищут стрессоустойчивых сотрудников. Клеткам тоже не удается избежать действия стрессовых факторов, однако в некоторых случаях это даже идет им на пользу.
Восстание рабов
Самое известное из стрессовых состояний клетки – окислительный стресс – связано с необходимостью получать энергию. В общем виде процесс добычи энергии можно представить так: берем большую органическую молекулу, расщепляем на молекулы поменьше и еще поменьше, пока не удастся собрать достаточно атомов водорода. Затем концентрируем их внутри митохондрии и там разделяем каждый атом на протон и электрон. Протоны разгоняем, и за счет энергии их движения получаем АТФ – главную энергетическую валюту клетки. Все бы хорошо, но проблема в оставшихся электронах. Чтобы разгонять новые протоны, нужно куда-то деть старые электроны. А для этого нужно активное вещество, готовое их принять, в нашем случае – кислород.
Эта система отработана многими поколениями живых организмов, есть только одна проблема. Кислород – не просто активное вещество, а очень активное вещество. Можно представить себе клетку как рабовладельческое государство. Необходимую для поддержания своего существования энергию оно добывает в шахте (митохондрии). Но в ходе добычи ценного ресурса возникают мешки с мусором (электроны), которые нужно выносить, чтобы работа не останавливалась. Для этого используют рабов (молекулы кислорода), каждому из которых вручают по два мешка. Рабы, по понятным причинам, злые и агрессивные, поэтому если вовремя их не нагрузить мешками, то они начинают драться и атаковать окружающих.
Иллюстрация OpenStax College, Wikimedia commons
Время от времени на кислород в митохондриях не попадает достаточное количество электронов, и он начинает их отбирать у других молекул, то есть окислять их. Молекулы, содержащие агрессивный атом кислорода, называют активными формами кислорода, или свободными радикалами. Самые известные из них – супероксид (молекула кислорода с одним неспаренным электроном) и перекись водорода (которая легко распадается на два радикала OH с неспаренными электронами). Разгневанные рабы (активные формы кислорода) атакуют всех на своем пути. Одни атакованные молекулы при этом распадаются, другие – теряют работоспособность, а некоторые сами становятся радикалами и присоединяются к бунту. Количество восставших молекул с неспаренными электронами растет, развивается цепная реакция.
Подавление восставших
До тех пор пока восстание не выходит за пределы шахты-митохондрии, клетка находится в относительной безопасности. Строго говоря, отдельные волнения для нее являются нормой, потому что при большом количестве рабов всегда найдется кто-нибудь недогруженный и недовольный. Говорить об окислительном стрессе становится возможно, когда активные формы кислорода выходят из митохондрии и попадают в цитоплазму. Возникает ситуация государственной нестабильности: радикалы нападают на мирных граждан, мешая им выполнять свои общественно полезные функции.
Но страшнее то, что бунтовщики начинают представлять угрозу государственному строю. Клеточная конституция – молекула ДНК, как и многие другие вещества, подвержена окислению. При этом могут видоизменяться отдельные азотистые основания или рушиться связи между нуклеотидами в цепочке. Некоторые из этих ошибок исправят белки системы репарации – своеобразное Конституционное собрание. Но если, например, порвались обе цепи ДНК (двунитевой разрыв), то восстановить информацию будет сложнее. Таким образом, когда восставшие рабы добираются до конституции, они могут внести в нее случайные изменения. Это может привести к раковой трансформации клетки: она провозгласит свою независимость от остального организма и начнет неконтролируемо делиться и расти.
Чтобы защитить свою ДНК, клетка включает антиокислительный ответ, то есть начинает производить защитные вещества. С восставшими можно справиться перевоспитанием – с помощью ферментов, нейтрализующих радикалы (например, каталаза разрушает перекись до безобидных молекул). Второй вариант – заткнуть им рты недостающими электронами: так действуют вещества-антиоксиданты. Их в клетке множество, из всем известных можно вспомнить витамины А, С и Е и кофермент Q. Но если антиокислительного ответа недостаточно и ДНК серьезно повреждена, запускается программа клеточной гибели – апоптоз. Государство, не справившееся с восстанием, ждут массовые убийства (разрушение молекул), раздробленность (клетка разваливается на мембранные пузырьки) и раздел между соседними государствами (клетками, поглощающими эти пузырьки).
Яйцеклетки, окрашенные маркерами окислительного стресса.
Голубой – антиоксиданты, зеленый – активные формы кислорода, красный – митохондрии.
По вертикали, слева направо:
1) контрольные клетки;
2) клетки под действием салюбриналя (лекарство, стимулирующее реакцию на стресс);
3) клетки, поглотившие много жиров;
4) клетки под действием салюбриналя и жиров.
Фото CNBPCC BY 2.0
Морковь против брокколи
Процессы в отдельных клетках не могут не сказываться на организме. Во множестве случаев окислительный стресс приводит не только к образованию опухолей, но и к ухудшению работы и гибели клеток, что лежит в основе разнообразных дегенеративных заболеваний. Так, например, могут погибать клетки при диабете, болезнях Альцгеймера и Паркинсона. Кроме того, было подмечено (у червей, мух и мышей), что организмы, у которых в течение жизни меньше активных форм кислорода в клетках, живут дольше. Поэтому создается впечатление, что окислительный стресс неизбежно приводит к гибели клеток и вреден во всех своих проявлениях.
В связи с этим некоторое время назад возникла мода на антиоксиданты. Аргументация в их пользу выглядела так: наш организм не совершенен и не может справиться с производимыми радикалами, поэтому нужно ему помочь, поставляя антиоксиданты извне. В качестве спасительных кандидатов фигурировали не только лекарства, но и привычные нам овощи и фрукты, богатые витаминами (морковь, смородина и т.д.). Однако появляется все больше данных о том, что активное употребление антиоксидантов приносит чуть ли не больше вреда, чем пользы. Оговоримся сразу: из этого не следует, что морковь сокращает нашу жизнь. Но многочисленные клинические исследования не обнаружили позитивного влияния антиоксидантов на развитие рака и других заболеваний. Более того, некоторые исследователи отмечают даже негативный эффект от их приема. Значит, в исходную логику где-то закралась ошибка.
Одно из обстоятельств, которое легко упустить из вида, – роль активных форм кислорода в иммунной системе. Клетки врожденного иммунитета часто намеренно их производят и применяют против бактерий. Антиоксиданты, попадающие в кровь, нейтрализуют радикалы и ослабляют нашу антибактериальную защиту. Другой немаловажный фактор – тренировочная роль стресса, подготовка клетки к тяжелым временам. Вернемся к нашему примеру с бунтующим кислородом. Представим, что на шахтах перестали появляться агрессивно настроенные рабы. Нет восстаний, полицейские бездействуют, ходят строем по плацу туда-сюда и от скуки вышивают крестиком. Понятно, что в критической ситуации, которая может возникнуть неожиданно, например в результате повреждения шахты (митохондрии), такая полиция справиться не сможет.
Постоянный невысокий уровень стресса держит клетку в состоянии боевой готовности. Это явление назвали гормезисом. С его помощью ученые объясняют позитивный эффект от самых разных стрессовых факторов в малых дозах: физических упражнений, алкоголя, диеты и температурных перепадов. В список попадают и продукты-оксиданты: экстракты чая, темный шоколад, шпинат и брокколи. Главное – не переборщить с закалкой, так как грань между мягким и жестким стрессом тонка. Например, в фибробластах включается мягкий стресс при 41°C и жесткий – при 43°C.
***
Пристальный взгляд на биологию клетки невольно заставляет задуматься: так ли сильно мы на самом деле страдаем от тяжелой жизни и нервной работы? В бесконечной битве со стрессовыми факторами не стоит забывать о спасительных тренировках. По крайней мере, сейчас мы знаем, как воспитывать стрессоустойчивость в собственных клетках. А любая борьба начинается с малого.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru