Головна
Реферати » Реферати по біології » Стратегії еволюції і кисень

Стратегії еволюції і кисень

певних ділянках.

Поки важко сказати, яке з властивостей mHsp70 служить причиною дивовижних змін у фенотипі трансгенного тютюну. Однак найпростішим представляється наступний варіант:

- різке збільшення кількості mHsp70 прискорює імпорт цитозольних білків і дозрівання мітохондріальних, в тому числі ферментів дихання і дихального фосфорилювання, відповідальних за синтез аденозинтрифосфату (АТФ) - універсальної енергетичної валюти клітини [ 3]. (За даними Мура, швидкість імпорту білків мітохондріями виявилася у трансгенного тютюну в 3.5 рази вище, ніж в нормі.);

Прискорення дихання дає додаткові кількості АТФ, тобто покращує енергозабезпечення клітин тютюну;

Покращене енергозабезпечення стимулює ріст рослини.

Погодившись з такою логікою подій, ми приходимо до питання: чому в нормі рівень mHsp70 настільки низький, що лімітує роботу мітохондрій? Чи не тому, що максимальна активність систем мітохондріального дихання має небезпечний побічний ефект? Відомо, що близько 98% кисню, споживаного мітохондріями при диханні, перетворюється на воду, в той час як решта 2% дають супероксид (O2-·) за рахунок паразитних хімічних реакцій, що відбуваються на початку і середині дихального ланцюга. З супероксида потім утворюються перекис водню (H2O2) і гідроксил-радикал (ОН ·) - найсильніший окислювач, який руйнує будь-які речовини живої клітини [4]. Збільшення потоку електронів по дихальної ланцюга від субстратів дихання до кисню неминуче тягне за собою підвищення продукції супероксиду, а стало бути, і ОН .. За однією з найбільш популярних в даний час гіпотез старіння організму саме з утворенням активних форм кисню (АФК), таких як ОН ·, пов'язаний цей процес [5]. Виходить, зростання рівня mHsp70, викликаючи поліпшення енергозабезпечення і, як наслідок, стимуляцію росту, в той же час може скорочувати тривалість життя особини через підвищення продукції отруйних похідних О2

Можна уявити собі й більш складні сценарії розвитку подій в організмі - суперпродуцентов mHsp70. Але їх наслідок - той же суперечливий ефект: прискорення росту і збільшення життєздатності при одночасному скороченні тривалості життя. Ключову роль тут могло б зіграти, наприклад, взаємодія mHsp70 і мітохондріальної ендонуклеази.

У будь-якому випадку Суперпродукція mHsp70 виглядає як молекулярний механізм перемикання живої системи з К-стратегії на r-стратегію. В межах визначеного часу це безумовно повинно давати організму якісь переваги, розплатою за які стає скорочення тривалості життя.

Ситуація нагадує відому історію початку другої світової війни. Наш знаменитий конструктор літаків А.С.Яковлев запропонував різко спростити конструкцію моторів винищувачів, що прискорило їх виробництво, але обмежило експлуатацію всього декількома десятками годин. Це дозволило провести в короткі терміни велику кількість винищувачів і швидко домогтися вирішальної переваги над люфтваффе. У той же самий час англійці продовжували виготовляти мотори своїх винищувачів на фірмі "Роллс-Ройс", що давала гарантію на 1200 годин польоту, і отримали трагедію Ковентрі.

Рішення Яковлєва визначалося простим міркуванням: в умовах тієї війни винищувач жив в повітрі в середньому близько 10 годин ...

Ясно, що ідея Яковлева - типовий приклад r-стратегії. Очевидно, що вона рятівна в критичний період війни, але стає непридатною з настанням світу.

Возвратимся, однак, до дослідів Мура. Хотілося б думати, що автору пощастило натиснути на "кнопку стратегічного призначення" і викликати К-> r-перехід. Істотно, що ефект Мура виявився притаманним саме mHsp70. Суперпродукція інших, немітохондріальних, білків теплового шоку, наприклад одного з білків середнього ділянки дихального ланцюга, теж впливала на ріст рослини, але не приводила до настільки драматичних наслідків, як у випадку mHsp70. Як нещодавно повідомив мені в листі Мур, ефект, подібний описаному на тютюні, вже відтворено їм на трансгенних мишах - суперпродуцентов mHsp70.

Остання обставина підвищує ймовірність того, що автор зіткнувся з закономірністю общебиологического значення. Ясно також, що викликані ефекти обумовлені внутрішньоклітинними (точніше навіть внутрімітохондріальнимі) явищами, а не надтканевой (гормональної) регуляцією, такий як гігантизм під дією гормонів росту. Ці гормони зовсім різні у рослин і тварин і не мають ніякого відношення до мітохондрій і дихальним ферментам.

Хробачок-довгожитель: r-> K Перехід?

Тепер мова піде про порівняно простому об'єкті - хробаку нематоди Caenorhabditis elegans. Його організм складається всього з 945 клітин, виникнення і доля кожної з них вже простежено ембріологами. Виявилося, що в геномі хробака є кілька генів, мутації за якими збільшують тривалість його життя. За даними канадського біолога С.Хекімі, одночасне вимикання двох з цих генів подовжує більш ніж у п'ять разів життя організму [6]. При цьому збільшується тривалість стадій як личинки, так і дорослого хробака; зменшуються плодючість, рухливість, споживання твариною їжі і зростає стійкість до шкідлива дія підвищеної температури середовища, перекису водню і умов, що стимулюють утворення супероксиду (таких, як обробка ультрафіолетовим світлом, метілвіологеном або киснем у високій концентрації). У 1997 р той же автор виявив у людини ген, дуже близький до одного з двох згаданих генів нематоди. Подібний ген був також знайдений у дріжджів. Зараз дещо вже відомо про функції кодованого їм білка: він грає важливу роль в перемиканні з безкисневого (анаеробного) метаболізму дріжджових клітин на кисневий (аеробний). Зокрема, цей білок необхідний для включення роботи гена, що кодує один з ферментів вуглеводного синтезу. І, що особливо важливо в нашому випадку, - для синтезу коферменту Q (КoQ), семіхінонов форма якого служить прекрасним відновником кисню в супероксид. Дослідами інших дослідників показано, що мутація в гені ферменту, який синтезує КoQ, різко знижує токсичність високих концентрацій кисню для дріжджових клітин [7]

Раніше гени, які скорочують тривалість життя (хоча і не так сильно, як у хробака) і одночасно збільшують чутливість організму і клітин до дії окислювачів, температури і голодування, були описані у дрозофіли і дріжджів. Ш.Муракамі і Т.Е.Джонсон запропонували назвати такі гени геронтогенамі [8].

Але повернемося до дослідів на нематоди. Подвійний мутант Хекімі, як можна помітити, демонструє риси, протилежні тим, що були виявлені Муром на його трансгенному тютюні: нематода повільніше росте, її метаболізм загальмований (перш за все, мабуть, митохондриальное дихання, якщо врахувати ймовірне припинення біосинтезу КоQ, ключового компонента дихального ланцюга ). Іншими словами, нематоду вдалося штучно зрушити в сторону К-стратегії (Хекімі), в той час як тютюн, а слідом за ним і миша - у бік r-стратегії (Мур).

Можливий механізм перемикання стратегій

Залишається неясно, яким чином перемикання стратегій може відбуватися в природних умовах. Заманливо припустити, що центральну роль відіграють тут все ті ж активні форми кисню.

Клітини організму постійно підтримують такий баланс процесів освіти і дезактивації АФК, при якому їх концентрація знаходиться на дуже низькому рівні. Якщо погіршуються умови існування організму, його діяльність активізується, щоб протистояти що стала більш агресивному середовищі. Підвищуються енерговитрати, і, стало бути, стимулюється дихання - головний процес, що поставляє енергію. Але ж за рахунок активації дихання збільшується продукція АФК, а їх підвищений рівень прискорює старіння і скорочує тривалість життя. Так виникають активні, могутні форми живих істот, такі собі "сверхособі", приречені, проте, на ранню смерть від раку, вірусних інфекцій або, нарешті, від старості.

Менш ясний зв'язок між АФК і плодовитістю. Однак вже встановлено, що принаймні у деяких типів клітин активні форми кисню різко збільшують темп клітинних поділів.

Не викликає сумнівів, що АФК - головні мутагени аеробних клітин. Підвищений мутагенез не тільки зменшує тривалість життя, але і збільшує генетичну різноманітність потомства. Деякі з змін, що виникли в результаті атаки молекул ДНК активними формами кисню, можуть виявитися корисними і закріпитися в результаті природного відбору. Тим самим організм пристосується до нових умов зовнішнього середовища, зникне його підвищена активність, знизиться швидкість дихання, а з нею - і рівень АФК. Останнє призведе до зменшення темпу розмноження і збільшенню тривалості життя, тобто відбудеться зміна r-стратегії на К-стратегію.

Викладена тут порівняно проста ("лінійна") схема, якщо вона дійсно працює, напевно містить системи зворотних зв'язків, що підсилюють сигнали, які викликають перемикання стратегій. На клітинному рівні це може бути, наприклад, прискорене вкорочення кінцевих (теломерна) ділянок ДНК під дією активних форм кисню, концентрація яких зростає при К-> r-переході [9]. Це повинно скоротити число клітинних ділень і прискорити старіння клітини [10].

Іншим прикладом такого роду посилення сигналу може бути індукція біосинтезу білків теплового шоку у відповідь на що підвищилося кількість денатурованих білків. Швидкість їх денатурації повинна зростати в несприятливих умовах як через збільшення рівня АФК, так і з інших причин, а у відповідь зростання концентрації шаперонов призведе до ефекту, описаного Муром.

Цікаво, що зменшення рівня АФК при зниженні активності організму, тобто r-> K-переході, має свої обмеження. В наших дослідах показано, що, якщо електричний мембранний потенціал - "попередник" АТФ в системі виробництва корисної енергії мітохондріями - досягне якогось критичного рівня, швидкість генерації активних форм кисню дихальної ланцюгом різко зростає [11]. Цей пороговий рівень може бути перевершений в стані повного спокою, коли витрата АТФ мінімальний і швидкість дихання лімітується доступністю аденозиндифосфата (АДФ) - продукту розпаду АТФ при роботі. Інакше кажучи, безделие шкідливо для здоров'я, оскільки загрожує накопиченням отруйних похідних кисню.

Людина і механізми еволюції

Ми розглянули приклад можливого механізму, який здатний прискорити біологічну еволюцію. Він полягає в зміні популяцією стратегії життя: у відповідь на погіршення умов з'являються більш потужні,

Сторінки: 1 2 3