Мы живы, только пока ломаемся: почему клеткам необходимо разрушать белки для выживания
Наблюдая за живой природой кажется, что эволюция стремится к минимизации затрат: пчелиные соты имеют форму шестиугольников, чтобы тратить меньше воска, раковины моллюсков растут по логарифмической спирали, сохраняя энергию, а метаболизм животных строго регулируется законами термодинамики. По такой логике, идеальный организм должен состоять из максимально прочных и долговечных компонентов, которые не требуют частой замены.
Однако на молекулярном уровне жизнь ведет себя прямо противоположным образом. Внутри клеток происходит непрерывный процесс создания и уничтожения сложных структур. Белки синтезируются, чтобы просуществовать считанные минуты, клеточные каркасы разбираются сразу после сборки, а целые органеллы подвергаются принудительной утилизации.
Профессор Джон Тауэр из Университета Южной Калифорнии систематизировал эти явления в рамках новой теоретической концепции. В своей работе он вводит понятие «Избирательно выгодной нестабильности» (Selectively Advantageous Instability — SAI). Суть теории заключается в том, что намеренная хрупкость и короткий срок жизни отдельных компонентов являются не ошибкой системы, а базовым условием ее сложности, адаптивности и выживания.
Экономика намеренного распада
Принцип SAI, рассматривает живой организм как систему, главная цель которой состоит в самокопировании. Возьмем простейшую структуру, состоящую из двух частей: стабильного ядра (А) и вспомогательного компонента (В).
С точки зрения инженера, компонент В должен быть максимально надежным, чтобы не тратить ресурсы на его починку. Но биологическая модель действует иначе. Если компонент В сделан намеренно нестабильным, система получает ряд уникальных преимуществ, которые невозможно реализовать с помощью вечных деталей. Организм платит высокую энергетическую цену за постоянное восстановление разрушенных частей, но взамен приобретает функции, критически важные для сложной жизни.
Механизм сверхбыстрого реагирования
Один из главных аргументов в пользу нестабильности — скорость передачи информации. Клеткам необходимо реагировать на изменения окружающей среды мгновенно. Если бы сигнальные белки были стабильными и накапливались только по запросу, реакция занимала бы слишком много времени: организму пришлось бы запускать сложные цепочки синтеза с нуля.
Вместо этого природа использует механизм динамического равновесия. Рассмотрим работу защитных белков, таких как транскрипционные факторы Nrf2 или p53 (защищающий от рака). В нормальном состоянии клетка постоянно производит эти белки и тут же их уничтожает. Это кажется неэффективным расходованием ресурсов. Но такая схема позволяет держать систему во взведенном состоянии.
Как только возникает угроза — например, окислительный стресс или повреждение ДНК — процесс уничтожения блокируется. Поскольку конвейер производства продолжает работать, а сток закрыт, концентрация защитного белка в клетке взлетает почти мгновенно. Нестабильность компонента в данном случае работает как самый быстрый биологический переключатель.
Структурная динамика и движение
Принцип выгодной нестабильности работает не только в химии клетки, но и в ее физической структуре. Цитоскелет — внутренний каркас клетки — состоит из микротрубочек и актиновых нитей. Эти структуры обладают свойством, которое биологи называют динамической нестабильностью.
Микротрубочки никогда не находятся в покое: они либо растут, либо распадаются. Если химически стабилизировать микротрубочки (сделать их прочными и постоянными), клетка потеряет способность к делению и умрет. Именно процесс непрерывной сборки и разборки позволяет хромосомам расходиться к полюсам клетки при делении. Здесь разрушение структуры является единственным способом совершить механическую работу. Стабильность для такой системы равносильна смерти.
Контроль качества и проблема накопления ошибок
Любая материальная структура со временем деградирует. Белки окисляются, теряют правильную трехмерную форму или слипаются в бесполезные комки. В стабильной системе эти повреждения накапливались бы бесконечно, приводя к отказу всей системы.
Концепция SAI предлагает решение через постоянную ротацию кадров. Жизненно важные компоненты программируются на уничтожение раньше, чем успеют накопить критический объем повреждений. Это создает постоянный поток обновления.
Тауэр выделяет два типа метаболизма, связанных с разрушением:
- Катаболизм типа 1: разрушение веществ (еды) для получения энергии.
- Катаболизм типа 2: затрата энергии на разрушение собственных компонентов ради обновления.
Именно второй тип катаболизма позволяет поддерживать организм в функциональном состоянии. Удаление поврежденных белков и дефектных митохондрий (энергетических станций клетки) требует энергии, но предотвращает массовый сбой.
Эволюционная роль нестабильности: парадокс полов
Наиболее масштабное применение теории SAI обнаруживается в вопросе происхождения полов. У большинства сложных организмов существует строгое разделение на мужской и женский пол, а митохондрии передаются потомству только от матери. Почему природа блокирует передачу отцовских митохондрий?
Эукариотическая клетка содержит два независимых генома: в ядре и в митохондриях. Если при оплодотворении объединятся митохондрии от обоих родителей, внутри клетки начнется конкуренция между различными вариантами этих органелл. «Эгоистичные» митохондрии, которые быстрее размножаются, но хуже производят энергию, могут вытеснить здоровые. Это явление известно как геномный конфликт.
Согласно гипотезе Тауэра, избирательная нестабильность решает эту проблему. В процессе эволюции возник механизм, который делает митохондрии одного из полов (мужского) намеренно нестабильными. Сперматозоид либо физически не переносит их в яйцеклетку, либо они активно уничтожаются сразу после оплодотворения.
Таким образом, существование двух полов можно рассматривать как механизм регуляции нестабильности. Один пол (женский) выступает хранителем стабильной линии митохондрий, а другой (мужской) обеспечивает генетическое разнообразие ядерного генома, но жертвует своими органеллами ради предотвращения внутреннего конфликта в потомстве.
Системы «токсин-антитоксин» и выживание генов
Принцип SAI ярко проявляется и у бактерий в так называемых системах «токсин-антитоксин». Бактерии часто носят в себе небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды, которые дают им устойчивость к антибиотикам. Чтобы бактерия не потеряла плазмиду при делении, плазмида кодирует два белка: стабильный яд (токсин) и крайне нестабильное противоядие (антитоксин).
Пока плазмида находится внутри клетки, она постоянно вырабатывает антитоксин, который нейтрализует яд. Но если при делении дочерняя клетка не получает плазмиду, производство антитоксина прекращается. Оставшийся антитоксин быстро распадается из-за своей природной нестабильности, а стабильный токсин остается и убирает клетку.
В этой модели нестабильность компонента (антитоксина) гарантирует, что выживут только те клетки, которые сохранили нужную генетическую информацию.
Энергетическая цена и старение
Несмотря на очевидные преимущества, стратегия избирательной нестабильности имеет большой недостаток — она энергозатратна. Жизнь существует в состоянии далеком от термодинамического равновесия, постоянно расходуя ресурсы на поддержание цикла «синтез-распад».
Джон Тауэр связывает процесс старения именно с нарушением этого баланса. С возрастом энергетический потенциал организма снижается. Клетки больше не могут поддерживать необходимую скорость обновления нестабильных компонентов. Системы очистки перестают справляться с потоком поврежденных молекул.
Когда механизм SAI начинает давать сбои, преимущество превращается в уязвимость. Нестабильные белки не заменяются вовремя, поврежденные митохондрии не утилизируются, а накапливаются внутри клетки, отравляя ее изнутри. То, что обеспечивало адаптивность и защиту в молодости — быстрый оборот компонентов — становится невозможным из-за дефицита ресурсов.
Так что надежность биологических систем основывается не на прочности материалов, а на непрерывном потоке их обновления. Мы существуем как сложные структуры только благодаря тому, что наши составные части запрограммированы на исчезновение.
Источник:Frontiers in Aging