Текст уведомления здесь

Клеточные трагедии

Часть II: жизнь в условиях стресса

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).
Добавить в закладки
Комментарии
Иллюстрация: Ольга Степанюк

Иллюстрация: Ольга Степанюк

«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках. Почитайте и другие тексты об их нелёгкой жизни: в них рассказывается самоубийствах, шоке, муках самоопределения, старости, второй молодости, и — бессмертии.

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, переведена и адаптирована Wikimedia commons CC BY 3.0
Иллюстрация OpenStax College, переведена и адаптирована Wikimedia commons CC BY 3.0

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 CNBP CC BY 2.0
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 CNBP CC 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.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Мы — то, что мы едим

Как еда меняет наш эпигеном

Мы завтракаем, обедаем, ужинаем. Перекусываем на ходу бесчисленное количество раз и совершенно не замечаем, как эти банальные (но часто приятные) приемы пищи понемногу определяют, как наши организмы будут использовать инструкции, скрытые в геномах. Татьяна Татаринова, профессор Университета Южной Калифорнии, помогла «Чердаку» разобраться, как именно еда влияет на эпигеном человека.
Добавить в закладки
Комментарии

Природа полна случайностей и несправедливостей — взять хоть самых обыкновенных пчел. От рождения все их личинки практически идентичны и обладают одинаковыми генами, с которыми можно прекрасно развиться в пчеломатку. Вот только у большинства пчел фермент DNMT3A постепенно блокирует все королевские гены, и они превращаются в скучных рабочих-обывателей. Другим везет куда больше (или меньше?): выбранные слепой судьбой на роль будущих пчеломаток эти особи получают не обычную еду, а маточное молочко — высококачественную питательную смесь, активные вещества которой «выключают» DNMT3A и разблокируют королевские гены.

Эта история с пчелами, наверное, самый яркий пример влияния еды на функции живого организма через его эпигеном — совокупность обратимых химических модификаций структуры ДНК, не затрагивающих саму наследственную информацию, но зато определяющих, какие именно из множества инструкций по сборке организма нужно применять в разных условиях и в разные моменты времени.

Эпигенетика решает, какие гены нужно активировать, а какие — подавить, тем самым помогая клеткам-близнецам с идентичными геномами образовывать самые разные органы и ткани.

Эпигенетических механизмов контроля генов у клетки много. Большинство из них завязано на регулировании интенсивности транскрипции — процесса, в котором на матрице ДНК синтезируется РНК. К примеру, упомянутая ДНК-метилтрансфераза DNMT3A подавляет промоторные участки, с которых обычно начинается транскрипция каждого гена. Для этого она «навешивает» на эти участки метильные группы — после этого проводящим транскрипцию белковым комплексам становится гораздо сложнее подобраться к ДНК, и в результате синтез РНК по этим прометилированным генам замедляется или прекращается вовсе. [ ... ]

Читать полностью

Здесь так принято

Антропологи разобрались, почему трудно искоренить женское обрезание

Антропологи из Бристольского университета предложили эволюционный подход к пониманию женского обрезания и выяснили, что с точки зрения этого подхода там, где эта практика распространена, она, по-видимому, несет определенные выгоды. Статья ученых вышла в журнале Nature Ecology and Evolution.
Добавить в закладки
Комментарии

Калечащие операции на женских половых органах, которые иногда называют женским обрезанием, ЮНИСЕФ и Всемирная организация здравоохранения считают нарушением прав человека и насилием над женщинами. По данным этих организаций, различные операции, от ритуальных надрезов до удаления клитора и зашивания половых губ, делают в 30 странах Африки, Азии и Ближнего Востока (эта практика существует и в отдельных регионах России).

От обрезания нет никакой пользы для здоровья, зато много отрицательных последствий: от сильной боли, кровотечений и болевого шока до психологических проблем, инфекций, осложнений при менструации и родах и смерти. По данным ВОЗ, сейчас на Земле около 200 миллионов девочек и женщин, которые прошли через эти операции. Ежегодно риску обрезания подвергается 30 миллионов девочек, в основном в возрасте до 15 лет.

Традиционно сторонники обрезания настаивают на том, что оно сдерживает сексуальное влечение женщины, которая в таком случае будет более верной женой, или что оно «очищает» и добавляет скромности и сдержанности, а также служит ритуалом взросления. Иногда, как в случае с обрезанием в Дагестане, практика может быть связана с другой жестокой традицией, убийствами чести: удаляя девочке клитор, родственники как бы защищают ее от возможного бесчестия и необходимости убить ее, следуя обычаю.

Международные программы в этой области действуют уже несколько десятилетий, и в 26 странах Африки такие калечащие операции уже запрещены законом (например, в Египте, ЮАР, Нигерии и Гамбии). Однако полностью победить их пока не удается: где-то эта практика поддерживается религиозными лидерами, а где-то просто считается частью местной культуры. [ ... ]

Читать полностью

Мыши — это не мухи, а дрожжи — даже не животные

Химик-технолог Сергей Белков разбирает исследование о вреде «старой» еды для организма

Употребление в пищу тканей старых организмов сокращает жизнь тех, кто ею питается, показали эксперименты на дрожжах, мухах и мышах. «Чердак» публикует критический взгляд на эту работу химика-технолога, специалиста пищевой промышленности Сергея Белкова.
Добавить в закладки
Комментарии

В работе были поставлены эксперименты над модельными организмами (дрожжи, плодовые мушки, мыши), целью которых было изучение, как влияет питание на продолжительность жизни. Подход выбран необычный: в качестве питания этим организмам предлагались эти же самые организмы, точнее продукты их переработки — белковые лизаты (кроме эксперимента с мышами — прим. ред.). Своеобразный каннибализм. Оказалось, что в случае корма, полученного из молодых особей того же вида, продолжительность жизни дольше, чем если питательные вещества извлекать из особей старых, причем такая закономерность наблюдается для разных организмов и претендует на универсальность. Авторы предполагают, что это связано с накоплением с возрастом в тканях определенных веществ, которые, в свою очередь, могут повлиять на продолжительность жизни через «поедание».

Однако в работе есть несколько существенных проблемных моментов. Первая и главная проблема заключается в странном сравнении. Мыши — это не мухи, а дрожжи — даже не животные. Любые общие закономерности в их развитии или поведении не могут и не должны объясняться общей биологией без надежного теоретического обоснования. Просто факт наличия в нашем эволюционном прошлом общего предка таким обоснованием быть не может, так же как не может им обосновываться, например, наличие у мышей и мух зрения.

Поэтому я не стал бы рассматривать три разных эксперимента в комплексе, а рассмотрел бы их по отдельности.

Дрожжи [ ... ]

Читать полностью