Ник Лэйн - Вопрос жизни [Энергия, эволюция и происхождение сложности]

Такие цибриды широко используются в экспериментах с клеточными культурами, так как они позволяют производить точные измерения клеточных функций, например дыхания. Межвидовое несоответствие митохондриальных и ядерных генов снижает скорость дыхания и, как было сказано, увеличивает скорость образования свободных радикалов. Масштабы нарушения функций зависят от генетического родства. Искусственные цибриды, включающие в себя митохондриальную ДНК шимпанзе и человеческие ядерные гены (да, это уже сделано, но лишь в клеточной культуре), производят АТФ вдвое медленнее по сравнению с нормальными клетками. Цибриды мышей и крыс вообще не способны осуществлять дыхание.

Возникает вопрос: страдает гетерогаметный или метаболически более активный пол? – Прим. науч. ред.

Это гипотеза отчасти странная: действительно ли у тестикул скорость метаболизма должна быть выше, чем у других тканей и органов – сердца, мозга или мускулатуры для полета? Необязательно. Вопрос в том, удается ли органу удовлетворить свои метаболические потребности. Может быть, у тестикул действительно слишком высоки максимальные энергетические запросы. А может, количество митохондрий, вырабатывающих АТФ, там ниже, чем нужно – и поэтому с одной митохондрии спрос оказывается выше, чем в норме. Это простая гипотеза, которую можно проверить, но, насколько мне известно, пока никто этого не делал.

Подозреваю, что свободнорадикальные сигналы в определенный момент эмбрионального развития намеренно усиливаются. Например, газ оксид азота (NO) может связываться с цитохромоксидазой, последним комплексом дыхательной цепи, увеличивая образование свободных радикалов и повышая вероятность апоптоза. Если NO производился в больших количествах в один из периодов развития, то сигнал усилится так, что перейдет порог и запустит уничтожение эмбрионов с несовместимыми геномами (“чекпойнт”).

Барха обнаружил, что скорость образования свободных радикалов по отношению к количеству потребляемого кислорода у птиц, например голубей и волнистых попугайчиков, более чем в 10 раз ниже, чем у крыс и мышей. Реальные скорости варьируются между разными тканями. Барха также выявил, что липидные мембраны у птиц обладают более высокой устойчивостью к окислительным повреждениям по сравнению с теми же мембранами у нелетающих млекопитающих, и эта устойчивость, в свою очередь, проявляется в снижении окислительных повреждений ДНК и белков. Было бы сложно интерпретировать работу Барха в каком-то ином ключе.

Я называю это “реактивным биогенезом”: отдельные митохондрии реагируют на локальные свободнорадикальные сигналы, которые показывают, что дыхательная производительность уже не справляется с потоком электронов, и дыхательная цепь перевосстанавливается. В этих условиях электроны начинают утекать из цепи и прямо взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидные анион-радикалы. Эти радикалы взаимодействуют с митохондриальными белками, контролирующими репликацию и транскрипцию митохондриальных генов – транскрипционными факторами. Некоторые транскрипционные факторы обладают “восстановительно-окислительной чувствительностью” – они содержат остатки аминокислот (например цистеин), которые могут отдавать либо принимать электроны, переходя в окисленное либо восстановленное состояние. Пример такого белка – митохондриальная топоизомераза-1, которая контролирует доступность митохондриальной ДНК для других белков. Окисление определенного остатка цистеина в этом белке приводит к усилению митохондриального биогенеза. Локальные свободнорадикальные сигналы (которые никогда не распространяются за пределы митохондрий) повышают производительность митохондрий и уровень синтеза АТФ в ответ на увеличение потребности в нем. Подобные локальные сигналы в ответ на внезапные изменения в энергетических потребностях, возможно, объясняют, почему у митохондрий такой маленький геном ( гл. 5 ).

Можно заметить здесь противоречие: у крупных животных, как правило, низкий уровень метаболизма в пересчете на грамм массы. При этом я говорил о самцах млекопитающих, у которых крупные размеры сочетаются с более высоким уровнем метаболизма по сравнению с самками. Но внутривидовой разброс по массе тела пренебрежимо мал по сравнению с разбросом между видами. В таком масштабе скорости метаболизма взрослых особей одного вида можно считать одинаковыми (хотя у детенышей она выше, чем у взрослых животных). Межполовые различия в скорости метаболизма, о которых я говорил выше, относятся к различиям в абсолютных скоростях роста на определенных стадиях развития. Если Урсула Миттвоч права, значит, эти различия настолько глубоки, что могут быть причиной разного развития правой и левой сторон тела.