Mądre mitochondria. Jak opóźnić procesy starzenia i żyć zdrowiej

OkładkaKarta tytułowa

Recenzje książkiMądre mitochondria

„Laikom mitochondria mogą się wydawać niezbyt ciekawym tematem, ale ta książka i zawarte w niej opisy przykują uwagę nawet tych czytelników, którzy nie mają wykształcenia biologicznego. Zagłębiając się w kwestie bezpłodności i procesów starzenia, doktor Lee Know udowadnia, że mitochondria w kluczowy sposób decydują o naszym zdrowiu”.

– STEPHANIE SENEFF, PHD

starsza specjalistka ds. badań, MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory

„W roku 1991, kiedy sama zmagałam się z problemami zdrowotnymi, mitochondria stały się centralnym punktem mojej walki o zdrowie. W ciągu ostatnich 25 lat coraz więcej naukowców i lekarzy określających się mianem »mitochondryków« zaczyna interesować się tymi miniaturowymi elektrowniami. Doktor Lee Know w fascynujący sposób rzuca nowe światło na te zapomniane niegdyś organelle i wyjaśnia, w jaki sposób należy zadbać o ten najważniejszy układ przemiany materii”.

– DOKTOR NASHA WINTERS

współautorka książki The Metabolic Approach to Cancer

„Mądre mitochondria to prezentacja potencjału mitochondriów oraz ich oddziaływania na nasze zdrowie. To dzięki nim możemy leczyć choroby przewlekłe i wydłużać życie. Nie ma przesady w stwierdzeniu, że treść tej książki na nowo ukształtuje przyszłość medycyny”.

– ARI WHITTEN

autor wielu bestsellerów i twórca „The Energy Blueprint”

„W książce Mądre mitochondria doktor Lee Know odkrywa tajemnice nieustannie rozwijającej się nauki o mitochondriach. W przejrzysty i konkretny sposób opisuje budowę i funkcje tych struktur oraz podaje wiele argumentów dowodzących ich wpływu na nasz ogólny stan zdrowia. Nie uciekając się do spekulacji ani nie wyprzedzając faktów, doktor Know wyjaśnia zalety strategii żywieniowych przydatnych do znaczącej poprawy kondycji naszych mitochondriów, co może przyczynić się do zdrowego przebiegu procesu starzenia się”.

– MIRIAM KALAMIAN

autorka książki Dieta ketogeniczna w walce z rakiem

Ani autor, ani wydawca nie udzielają profesjonalnych porad indywidualnym czytelnikom. Informacje zawarte w tej książce mają jedynie charakter edukacyjny i nie powinny być traktowane jako porady medyczne. Ich zadaniem nie jest służenie celom diagnostycznym ani zastępowanie opieki świadczonej przez profesjonalistów. Przed wykorzystaniem informacji i pomysłów zamieszczonych w książce oraz przed zastosowaniem opisanych tu produktów zalecamy osobom cierpiącym na jakiekolwiek choroby skonsultowanie się z odpowiednim specjalistą. Autor i wydawca nie odpowiadają za jakiekolwiek szkody rzekomo wynikające z zastosowania się do informacji lub sugestii zawartych w tej książce. Dopełniono wszelkich starań, aby zawarte tu informacje były w najwyższym stopniu zgodne ze stanem faktycznym, ale autor i wydawca nie biorą odpowiedzialności za ewen­tualne nieścisłości.

Książkę dedykuję H.E.A.L.

„Knordsom”:

Erin, Aidanowi i Hudsonowi

ROZDZIAŁ 1

Moc

Początki i ewolucja mitochondriów w organizmie człowieka

Bez midichlorianów nie byłoby życia ani świadomości Mocy. Przemawiają do nas, przekazując nam wolę Mocy. Kiedy wyciszysz umysł, usłyszysz ich głos.

– Gwiezdne wojny: Część I – Mroczne widmo, Qui-Gon Jinn do Anakina Skywalkera

Dawno, dawno temu w odległej galaktyce istniały inteligentne mikroskopijne formy życia zwane midichlorianami, które żyły w symbiozie w komórkach wszystkich istot. Przy ich odpowiednim nagromadzeniu gospodarz potrafił wyczuwać wszechobecne pole energii zwane Mocą. Liczba midichlorianów była związana z potencjałem Mocy; normalni ludzie posiadali ich około 2500 w każdej komórce, ale Jedi mieli ich znacznie więcej. Największą liczbą midichlorianów (ponad 20 000 w każdej komórce) dysponował rycerz Jedi Anakin Skywalker.

Obecne we wszystkich żywych organizmach midichloriany wyglądały tak samo na każdej planecie, na której istniało życie. Właściwie to dzięki nim życie w ogóle mogło się rozwijać. W odpowiednim stężeniu midichloriany umożliwiały swoim gospodarzom wyczuwanie Mocy, a ta więź stawała się silniejsza, gdy istota wyciszała się i wsłuchiwała w „głos” midichlorianów przekazujący wolę Mocy.

Wiele osób czytających moją książkę pomyśli sobie: „Co takiego? Czy on zupełnie zwariował?”. O czym ja tu w ogóle piszę? Fani science-fiction oraz pokolenie (a raczej pokolenia), które dorastały w czasach Gwiezdnych wojen wiedzą, że midichloriany to wymysł George’a Lucasa… ale czy na pewno?

Idea midichlorianów pojawiła się w głowie Lucasa już w 1977 roku. Przekazywał on wówczas jednemu ze swoich pracowników szczegóły dotyczące filmów, tłumacząc rozmaite koncepcje związane ze stworzonym przez niego uniwersum. Wśród wskazówek znalazła się definicja midichlorianów (Lucas uznał wówczas, że nie ma czasu ani możliwości wprowadzenia do sagi tego pomysłu i zdecydował się na to dopiero w 1999 roku podczas kręcenia filmu Gwiezdne wojny: Część I – Mroczne widmo). Reżyser uznał, że należy wytłumaczyć, dlaczego niektóre osoby były wrażliwe na Moc, a inne nie. Była to kwestia, której w oryginalnej trylogii nie poświęcono uwagi.

W filmie Gwiezdne wojny: Część I – Mroczne widmo midichloriany to motyw pojawiający się kilkakrotnie i podkreślający związek symbiotyczny. Fascynuje mnie fakt, że midichloriany były luźno wzorowane na mitochondriach, organellach zapewniających energię komórkom w naszym realnym świecie. Podobnie jak midichloriany, mitochondria prawdopodobnie były kiedyś odrębnymi organizmami zamieszkującymi komórki, a z czasem stały się ich nieodłącznym elementem. Nawet dziś w pewnym sensie funkcjonują one w sposób od nas niezależny i mają własne DNA.

Większość czytelników może pamiętać mitochondria z lekcji biologii w liceum. Określano je wówczas jako komórkowe „elektrownie” – mikroskopijne generatory żyjące w komórkach i będące praktycznie wyłącznym źródłem energii niezbędnej do ich funkcjonowania. W komórce, w zależności od jej rodzaju, mogą się znajdować setki lub tysiące mitochondriów. Wykorzystują one tlen, którym oddychamy, do spalania spożywanego przez nas pokarmu i zamieniania go na energię.

Niektórzy czytelnicy być może słyszeli o „mitochondrialnej Ewie”. Mitochondria dziedziczymy po matce, jeżeli więc prześledzimy nasz rodowód genetyczny od dziecka do matki, babki po stronie matki i tak dalej, to dotrzemy właśnie do „mitochondrialnej Ewy”, czyli matki wszystkich matek. (Rzekomo mieszkała w Afryce około 170 000 lat temu. Nie oznacza to jednak, że była ona pierwszym człowiekiem, lecz że jest przodkiem wszystkich żyjących obecnie ludzi).

Potrafimy w ten sposób prześledzić naszą linię genetyczną, ponieważ wszystkie mitochondria mają własne DNA („geny”), które zwykle przekazywane jest potomstwu tylko w komórce jajowej, a nie w nasieniu ojca. Oznacza to, że mitochondrialne DNA (mtDNA) są niczym genetyczne nazwisko. W przeciwieństwie do typowych zachodnich nazwisk dziedziczonych po ojcu (i ulegających zmianie w wyniku różnych wydarzeń, na przykład zawarcia małżeństwa) mtDNA jest jednak w miarę stałe i niezmienne, dzięki czemu możemy prześledzić je wzdłuż kobiecej linii genetycznej. W ten sposób zwykle da się też ustalać pokrewieństwo lub jego brak.

Analiza mitochondrialnego DNA znajduje też zastosowanie w medycynie sądowej (podczas ustalania tożsamości żywych i zmarłych osób). Dzieje się tak między innymi dlatego, że w każdej komórce znajduje się dużo materiału genetycznego. W jądrze występują tylko dwie kopie DNA (jest to tak zwane jądrowe DNA, w skrócie nDNA – ośrodek sterowania każdej komórki), każde mitochondrium zawiera 5–8 kopii swoich genów. W każdej komórce mieści się tylko jedno jądro, ale jest tam kilkaset, a nawet kilka tysięcy mitochondriów, co oznacza, że w każdej komórce można znaleźć kilka tysięcy kopii tego samego mtDNA.

W medycynie funkcjonuje natomiast pojęcie mitochondrialnej teorii starzenia się organizmu. Koncepcję tę omówię bardziej szczegółowo później (w podrozdziale „Mitochondrialna teoria starzenia się”, s. 68), ale teraz nadmienię tylko, iż teoria ta głosi, że starzenie się – oraz wiele towarzyszących mu chorób – wywołane jest przez powolną degenerację mitochondriów. Podczas normalnego procesu oddychania komórkowego – zjawiska, w trakcie którego mitochondria spalają zjadany przez nas pokarm za pomocą tlenu, którym oddychamy – powstają reaktywne cząsteczki zwane wolnymi rodnikami. Uszkadzają one organizm, w tym DNA w mitochondriach i jądrze komórkowym.

Wolne rodniki atakują DNA w naszych komórkach tysiące razy dziennie. Większość powstałych w ten sposób uszkodzeń zostaje usunięta poprzez mechanizmy regeneracyjne, ale czasami zniszczenia są nieodwracalne i doprowadzają do permanentnych mutacji DNA. Atak wolnych rodników trwa nieustannie, więc mutacje kumulują się przez całe życie organizmu. Po przekroczeniu pewnego progu komórki obumierają, a im więcej komórek przestaje działać, tym większej degeneracji ulegają tworzone przez nie tkanki. Ten powolny proces odpowiada za wiele chorób degeneracyjnych towarzyszących starzeniu się, a nawet za sam proces starzenia się.

Istnieją też – zapewne znane wielu czytelnikom – dziedziczne i nabyte choroby dotykające mitochondriów i wpływające na tkanki aktywne metabolicznie, takie jak mięśnie, serce czy mózg. Choroby te objawiają się szeregiem symptomów zależnych od tego, które tkanki zostały najmocniej poszkodowane.

W 2015 roku Wielka Brytania opowiedziała się za legalizacją kontrowersyjnej terapii bezpłodności. Jest to metoda określana mianem transferu jądra komórkowego, polegająca na donacji mitochondrialnej. Z komórki jajowej (zwanej oocytem) zdrowej i płodnej dawczyni usuwa się jądro (zostawiając przy tym wszelkie pozostałe elementy, w tym zdrowe mitochondria), a jądro z zygoty (zapłodnionej komórki jajowej) kobiety bezpłodnej przenosi się do komórki jajowej kobiety zdrowej. Obawy natury etycznej i praktycznej sprawiły, że metoda ta jest zakazana w większości krajów, ale Wielka Brytania postawiła na swoim i zezwala na to, aby rodziły się dzieci z trojgiem rodziców genetycznych (nDNA z matki i ojca, a mtDNA od dawczyni, czyli trzeciego rodzica). Pod koniec 2016 roku Wielka Brytania udzieliła pierwszej licencji, a pierwsze dziecko legalnie poczęte za pomocą tej metody urodzi się w 2017 roku (legalnie, ponieważ w 2015 roku zastosowano tę samą metodę w Meksyku, gdzie nie obowiązują żadne ograniczenia w tym zakresie, a dziecko z materiałem genetycznym od trójki rodziców urodziło się tam w 2016 roku).

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat nie zwracano dostatecznej uwagi na rolę, jaką mitochondria odgrywają w apoptozie, czyli zaprogramowanej śmierci komórek. To proces, w którym pojedyncze komórki ulegają samounicestwieniu z korzyścią dla reszty organizmu.

Uprzednio sądzono, że apoptozą sterują geny znajdujące się w jądrze komórkowym. W połowie lat 90. naukowcy dokonali przełomowego odkrycia, że procesem tym zarządzają mitochondria. Miało ono olbrzymi wpływ na medycynę, a szczególnie na badania nad rakiem. Komórki nieustannie się starzeją i są atakowane przez wolne rodniki, wskutek czego ich DNA ulega mutacji. Gdy z powodu tych zmian komórka zaczyna ulegać niekontrolowanej replikacji, prowadzi to do powstawania nowotworów. Obecnie uważa się, że choroba nowotworowa powstaje wtedy, kiedy komórki nie popełniają w odpowiednim momencie samobójstwa.

Są jednak dalsze konsekwencje. Bez zaprogramowanej śmierci komórek skomplikowane organizmy wielokomórkowe nigdy nie potrafiłyby ewoluować w sposób kontrolowany i zorganizowany, a nasz świat wyglądałby wówczas zupełnie inaczej. Zdaję sobie sprawę, że to dość zawiłe i zapewniam, że wszystko nabierze sensu po lekturze podrozdziału zatytułowanego „Ewolucja komórki eukariotycznej”, s. 21.

Komórki organizmów wielokomórkowych (zwane komórkami eukariotycznymi) są znacznie większe niż jednokomórkowe bakterie. Oznacza to, że nie ma szans, aby potrzeby energetyczne komórki eukariotycznej mogły być zaspokojone bez udziału mitochondriów, o czym wkrótce się dowiesz.

Nie zamierzam tu wdawać się w szczegóły ewolucji dwóch płci (męskiej i żeńskiej), ale mitochondria pozwalają nawet wyjaśnić genezę takiego stanu rzeczy. Stosunek płciowy partnerów przeciwnej płci to źródło bardzo przyjemnych doznań, ale nie jest on szczególnie skuteczną metodą prokreacji. W przypadku ludzi potrzeba dwojga rodziców, aby stworzyć jedno dziecko (naturalnie od tej reguły są wyjątki). Do rozmnażania agamicznego potrzebna jest tylko matka – ojciec w tym przypadku jest nie tylko bezużyteczny, ale wręcz stanowi marnotrawstwo zasobów (zupełnie przypadkiem redakcji tego fragmentu dokonywałem w Dzień Ojca). Co więcej, istnienie dwóch płci oznacza, że możemy rozmnażać się poprzez stosunek jedynie z połową populacji, co jest mało wydajne z matematycznego punktu widzenia. Logicznie rzecz biorąc, lepiej by było, gdybyśmy mogli rozmnażać się z każdym, na przykład gdyby istniała tylko jedna płeć lub gdyby było ich nieskończenie wiele.

Istnieje jednak powód, dla którego mamy tylko dwie płcie. Najlepszym wytłumaczeniem tego zjawiska są obecnie mitochondria. Jedna płeć jest wyspecjalizowana w przekazywaniu mitochondriów potomstwu (komórki jajowe samicy), zaś druga dba o to, aby jej mitochondria nie były przekazywane dalej (nasienie ojca). Szerzej rozwinę ten temat podczas omawiania płodności, bezpłodności i poczęcia, w rozdziale 2, w podrozdziale „Bezpłodność i mitochondria”, s. 154.

Kilka słów o cytologii

Muszę uprzedzić, że od tego miejsca zagłębimy się w mniej przystępną tematykę, szczególnie dla osób bez wykształcenia biologicznego. Aby dokładnie przekazać czytelnikom, jak ważną rolę odgrywają mitochondria i jak istotne są wyniki badań, które tu przytaczam, muszę omówić kilka podstawowych procesów biologicznych i upewnić się, że każdy czytający tę książkę będzie miał przynajmniej podstawowe pojęcie o biologii komórek. W związku z tym uważam, że warto poświęcić kilka stron na suche fakty. Jeżeli się pogubisz, nie przejmuj się, po prostu postaraj się zrozumieć szerszy obraz sytuacji. Mimo to zamieszczam tu wiele szczegółów, aby osoby mające styczność z tą dziedziną nauki wiedziały, z jak skomplikowanymi procesami mamy do czynienia. Zaczynajmy…

Komórka to najprostsza forma życia zdolna do niezależnej egzystencji i w związku z tym jest uznawana za podstawową strukturę biologiczną. Organizmy jednokomórkowe, takie jak bakterie, to najprostsze komórki. Są one bardzo małe, ich średnica rzadko przekracza kilka tysięcznych części milimetra. Miewają różne kształty, ale najczęściej są kuliste lub podłużne. Przed czynnikami zewnętrznymi chroni je bardzo cienka i delikatna, ale stosunkowo nieprzenikalna błona komórkowa. Bakterie wykorzystują ją do generowania energii. Ta sama błona stała się ostatecznie zewnętrzną błoną mitochondriów – być może najważniejszą błoną w ludzkim organizmie.

Wewnątrz bakterii znajduje się cytoplazma – żelowata masa zawierająca niezliczone ilości cząsteczek. Niektóre z „większych” cząsteczek są ledwo dostrzegalne za pomocą potężnych mikroskopów, nawet po powiększeniu ich milion razy. Wśród tych cząsteczek znajduje się długa spiralna struktura DNA – słynna podwójna helisa opisana po raz pierwszy ponad pół wieku temu przez Watsona i Cricka. Niewiele więcej da się dostrzec pod mikroskopem. Analiza biochemiczna wykazuje jednak, że bakteria, najprostsza forma życia, jest w istocie tworem tak skomplikowanym, że wciąż niewiele wiemy na temat jej niedostrzegalnej organizacji.

Człowiek natomiast składa się z wielu różnego rodzaju komórek1. Choć uznano je za najprostsze formy życia, są często setki tysięcy razy większe niż bakteria, dzięki czemu możemy je dokładniej zbadać. Istnieją w nich wspaniałe struktury stworzone ze skomplikowanych błon (zwane organellami) i zawierające różnego rodzaju białka. Organelle są dla komórki tym, czym narządy dla organizmu – są to odrębne jednostki odpowiedzialne za określone zadania. Wewnątrz cytoplazmy znajdują się też wszelkiego rodzaju małe i duże pęcherzyki oraz gęsta sieć włóknistych struktur zwana cytoszkieletem, która pozwala utrzymać odpowiednią budowę komórki. Jest tam również jądro, czyli to, co większość z nas uznaje za centrum sterowania komórką. Wszystkie te elementy składają się na komórki, które z kolei tworzą cały znany nam świat i które określamy mianem komórek eukariotycznych. Wszystkie rośliny, zwierzęta, glony – właściwie wszystko, co żyje i co możemy dostrzec gołym okiem – składa się z komórek eukariotycznych zawierających własne jądra.

W jądrze znajduje się DNA. Choć DNA w komórce eukariotycznej ma taką samą strukturę podwójnej helisy jak bakterie, jego układ jest zupełnie inny. W bakteriach DNA występuje w postaci długich, skręconych pętli zwanych kolistym DNA. Nie daj się jednak zmylić tej nazwie, ponieważ to DNA wcale nie ma kolistego kształtu (przypomina bardziej splątaną bez ładu kulę). Nazwa sugeruje, że łańcuch ten nie ma początku ani końca, tak jak koło. W każdej bakterii często występuje wiele kopii tego kolistego DNA, ale wszystkie one stanowią kopię tych samych genów. W komórkach eukariotycznych zazwyczaj istnieje wiele różnych chromosomów mających postać liniową, a nie kolistą. W tym przypadku również nie oznacza to, że DNA ma postać linii prostej, ale raczej dwa odrębne i wyraźnie widoczne „końce”. W przeciwieństwie do kolistego DNA każdy chromosom zawiera inne geny. Człowiek ma 23 chromosomy, ale ponieważ każdy z nas ma także ich kopie, daje to 46 chromosomów. W trakcie podziału komórek chromosomy łączą się środkowymi punktami, przybierając znany z lekcji biologii kształt litery X.

Chromosomy to nie tylko DNA. Pokryte są one także wyspecjalizowanymi typami białka – między innymi histonami, które chronią DNA przez uszkodzeniami i bronią dostępu intruzom. Obecność histonów to cecha odróżniająca chromosomy eukariotyczne od chromosomów bakterii, w przypadku których DNA nie jest chronione i określane jest mianem „nagiego”.

Obie części podwójnej helisy służą sobie nawzajem za wzorzec. Kiedy podczas podziału komórek ulegają rozerwaniu, każdy fragment stanowi źródło informacji niezbędnych do odbudowania podwójnej helisy i ponownego uzyskania dwóch identycznych egzemplarzy. Informacje zakodowane w DNA zorganizowane są w postaci genów, które stanowią instrukcje dotyczące struktury cząsteczkowej białek. Podobnie jak wszystkie słowa w danym języku stanowią kombinacje liter w danym alfabecie, tak samo geny stanowią ciąg zaledwie czterech cząsteczkowych „liter”, przy czym kolejność określa strukturę białka.

Genom (mogący mieć długość ponad miliarda znaków) to kompletny zbiór genów w danym organizmie. Każdy gen (zwykle zawierający tysiące „liter”) to zasadniczo symbol jednego rodzaju białka. Każdy typ białka to ciąg podjednostek zwanych aminokwasami, i to dokładna kolejność poszczególnych aminokwasów ustala właściwości danego białka.

Mutacje pojawiają się wtedy, gdy kolejność znaków ulega zmianie. Może to spowodować zmianę aminokwasu lub struktury białka. Na szczęście natura zadbała o nadmiar informacji genetycznych. Niektóre kombinacje liter oznaczają te same aminokwasy, więc mutacje nie zawsze skutkują zmianami w strukturze czy przeznaczeniu białka.

To bardzo ważne, ponieważ białka stanowią filar całego życia. Mają one praktycznie niezliczone formy oraz zastosowania i wszelkie znane nam istoty żywe istnieją tylko dzięki nim. Zrozumienie funkcji poszczególnych białek pozwala nam zaklasyfikować je do określonych kategorii, takich jak enzymy, hormony, przeciwciała czy neuroprzekaźniki.

Cały proces tworzenia białek kontrolowany jest przez inne białka, a najważniejszymi z nich są tak zwane czynniki transkrypcyjne. DNA zawiera geny, ale jest ono w zasadzie nieaktywne, i to właśnie czynniki transkrypcyjne regulują ich ekspresję. Robią to, wydając komórce polecenie skupienia się na konkretnej nieaktywnej sekcji DNA i zbudowania na jej podstawie aktywnego białka. Zamiast jednak posługiwać się bezpośrednio DNA, komórka wykorzystuje do tego celu jego kopie, zwane RNA. Istnieją przy tym różne typy RNA, a każdy z nich ma inną funkcję. Pierwszy typ to informacyjne RNA (mRNA). Jego ciąg to dokładna kopia odpowiadającej mu sekwencji genów w DNA. Jak wskazuje nazwa, przekazuje ono informacje, przenikając przez pory w błonie jądrowej do cytoplazmy. Wówczas odnajduje jedną z tysięcy struktur tworzących białko, zwanych rybosomami. Ich zadaniem jest zamienianie informacji zakodowanych w mRNA w ciąg aminokwasów tworzących konkretne białko.

Mam nadzieję, że się nie zgubiłeś. Staram się wytłumaczyć to jak najprościej, ale musisz wiedzieć, że setki naukowców poświęcają całe życie na badanie detali dotyczących pojedynczych elementów tego niezwykle skomplikowanego zagadnienia. Niemniej ten uproszczony obraz sytuacji powinien ci pozwolić zrozumieć, jak istotne są mitochondria i w jaki sposób funkcjonują. Czas więc na ciąg dalszy…

Ewolucja komórki eukariotycznej

Choć słowo eukariotyczny wywodzi się od greckich słów oznaczających „prawdziwe jądro”, to tak naprawdę komórki eukariotyczne zawierają nie tylko jądro, ale także między innymi mitochondria. Pierwotnie były to niezależne rodzaje bakterii, które na pewnym etapie przeniknęły do komórek innych bakterii, ale zamiast ulec przetrawieniu, jak w typowych warunkach, stały się symbiontem – partnerem w relacji, na której korzystają obie strony. Można pokusić się o stwierdzenie, że mitochondria były pierwszymi probiotykami – mikroorganizmami, które przynosiły korzyści swoim gospodarzom.

Według teorii pewnego dnia, mniej więcej dwa miliardy lat temu, jedna bakteria wchłonęła inną. Na początku oba organizmy funkcjonowały zupełnie niezależnie i każdy z nich zawierał zbiór genów umożliwiający niezależne funkcjonowanie komórki. Ostatecznie jednak, po wchłonięciu jednej bakterii przez drugą, obie formy życia zaczęły sprawdzać skuteczność niezliczonych procesów biochemicznych i układów genetycznych.

Proces pełen prób i błędów toczył się przez 1,2 miliarda lat, ale w końcu wchłonięta bakteria wyspecjalizowała się w produkcji energii (stała się mitochondrium), a reszta tej prymitywnej nowej komórki eukariotycznej udoskonaliła się w zakresie struktury i funkcji. Wydaje się, że pozyskanie mitochondriów stało się punktem zwrotnym w historii istot żywych. Jeżeli tak jest w istocie, to organelle te są odpowiedzialne za różnorodność form życia na Ziemi. Gdyby nie one, życie wciąż tkwiłoby na etapie jednokomórkowych bakterii.

Po drugie, jak wspomniałem wcześniej, komórki eukariotyczne mają jądro. Ma ono zwykle postać kulistej podwójnej błony, wewnątrz której znajduje się DNA otoczone ochronnym białkiem. Bakterie natomiast nie mają jądra, a ich DNA ma postać prymitywną i pozbawioną struktur ochronnych.

Trzecia różnica polega na rozmiarze genomu (łącznej liczby genów). Bakterie mają zwykle o wiele mniej DNA niż komórki eukariotyczne. Co więcej, komórki eukariotyczne zawierają o wiele więcej niekodującego DNA (części DNA niezawierających instrukcji genetycznych) niż bakterie. Wcześniej uznawaliśmy niekodujące DNA za „śmieciowe” DNA, czyli elementy pozbawione jakiegokolwiek sensu. Najnowsze badania dowodzą jednak, że w DNA znajdują się nie tylko instrukcje tworzenia białek, a te olbrzymie ilości niekodującego DNA (a przynajmniej jego fragmenty) mają w rzeczywistości wiele zastosowań. Niezależnie od tego, znaczne ilości dodatkowego DNA w komórkach eukariotycznych wymagają większych ilości energii (niż potrzeba bakteriom) niezbędnej do precyzyjnego kopiowania wszelkich danych.

Ostatnią znaczącą różnicą jest organizacja DNA. Jak wspomniałem wcześniej, DNA bakterii ma postać pojedynczego kulistego chromosomu. Jest ono przyczepione do ściany komórki, ale w praktyce przemieszcza się wewnątrz niej swobodnie. DNA bakterii nie jest otoczone ochronną warstwą białka, więc kiedy zachodzi potrzeba powielania tego pierwszego, jest łatwo dostępne. Geny bakterii są też zwykle zorganizowane w grupy pełniące określone zadania. Poza tym bakterie mają dodatkowe DNA w postaci niewielkich pierścieni zwanych plazmidami. Replikują się one niezależnie od chromosomów i mogą stosunkowo szybko być przekazywane innym bakteriom. Geny eukariotyczne natomiast nie są uporządkowane w żaden wyraźny sposób i treść jest zwykle podzielona na sekcje przerywane fragmentami niekodującego DNA. Aby zbudować określone białko, należy odczytać długą część łańcucha DNA, a następnie podzielić go na sekcje i połączyć odpowiednie fragmenty w celu stworzenia zrozumiałego ciągu znaków będących kodem danego białka. Co więcej, już samo pozyskanie genów jest procesem dość skomplikowanym, ponieważ chromosomy są dokładnie otoczone białkami zwanymi histonami. Chronią one łańcuch DNA przed uszkodzeniami, ale blokują też dostęp do genów. Gdy geny muszą ulec replikacji w celu podziału komórek lub stworzenia kopii potrzebnych do budowy białka, struktura histonów musi ulec zmianie, aby zapewnić dostęp do DNA. To zadanie kolejnego typu białek, wspomnianych już wcześniej czynników transkrypcyjnych.

Krótko mówiąc, najważniejsze jest, abyś zapamiętał, że bakterie ewoluowały tak, aby być brutalnie skutecznymi, natomiast komórki eukariotyczne to gigantyczne i niezwykle skomplikowane struktury, co przejawia się zwiększonym zapotrzebowaniem na energię.

Dużych nakładów energii wymaga również wiele innych procesów zachodzących w komórce eukariotycznej. Jednym z przykładów może być wewnętrzny cytoszkielet komórki eukariotycznej i to, jak różni się on od ściany komórkowej bakterii lub komórki prokariotycznej. Obie te struktury pełnią podobną funkcję (utrzymują odpowiedni kształt komórki), ale działają w zupełnie inny sposób. Przypomina to różnicę pomiędzy szkieletem człowieka a zewnętrzną skorupą (egzoszkieletem) owada lub skorupiaka.

Ściany bakterii mogą mieć różną strukturę i skład, ale zasadniczo mają postać sztywnej zewnętrznej ramy utrzymującej odpowiedni kształt bakterii i zapobiegającej pękaniu lub zapadaniu się ścian w przypadku nagłej zmiany środowiska. Natomiast komórki eukariotyczne zwykle mają elastyczne zewnętrzne błony, którym spójność strukturalną nadaje wewnętrzny cytoszkielet. Jest on wysoce dynamiczną strukturą – wciąż zmienia postać, co samo w sobie wymaga wydajnego źródła energii. Komórki eukariotyczne mają sporą przewagę, ponieważ mogą zmieniać kształt i często korzystają z tej możliwości. Klasycznym przykładem są tu makrofagi (rodzaj białych krwinek), które pochłaniają obce ciała, bakterie lub resztki obumarłych komórek.

W praktyce każdy aspekt życia komórki eukariotycznej – zmiana kształtu, rozwój, tworzenie jądra, gromadzenie DNA oraz wielokomórkowość – wymaga dużych ilości energii i jest uzależniony od mitochondriów. Bez nich organizmy wyższego rzędu raczej nie mogłyby istnieć, ponieważ ich komórki potrafiłyby pozyskiwać energię tylko z procesu oddychania anaerobowego (produkcji energii bez udziału tlenu). Jest to proces o wiele mniej wydajny niż oddychanie aerobowe, które zachodzi właśnie w mitochondriach. Organelle te wytwarzają 15 razy tyle energii (w postaci adenozynotrifosforanu uznawanego za walutę energetyczną komórek), niż byłoby to możliwe bez tlenu. Organizmy o złożonej strukturze, takie jak ludzie, do przetrwania potrzebują dużych ilości energii.

Mitochondria: źródło mocy

Mitochondria wyewoluowały i stały się elektrownią dla naszego organizmu. Organelle te funkcjonują niczym normalny układ trawienny, który pobiera substancje odżywcze, rozkłada je na czynniki pierwsze i tworzy z nich energię potrzebną komórkom. Proces ten znany jest jako oddychanie komórkowe i większość związanych z nim reakcji chemicznych zachodzi właśnie w mitochondriach.

Mitochondria to bardzo małe organelle, ale ich kształt jest idealnie dostosowany do wykonywanej przez nie pracy. Jak już wspomniałem, każda komórka zawiera od kilkuset do kilku tysięcy mitochondriów. Ich ilość zależy od przeznaczenia danej komórki. Najwięcej mitochondriów znajduje się w komórkach występujących w mięśniu sercowym i mięśniach szkieletowych (wymagających dużych nakładów energii), większości organów (m.in. trzustce odpowiedzialnej za biosyntezę insuliny i wątroby, zajmującej się detoksykacją) oraz mózgu (komórki nerwowe wymagają gigantycznych ilości energii).

WĄTEK DUCHOWY?

Fakt, że w ciągu miliardów lat komórka eukariotyczna powstała tylko raz i to zupełnie przez przypadek, skłania do zastanowienia się nad ewentualną rolą jakiejś siły wyższej. Nauka i duchowość (a być może nawet niektóre religie) mogą współistnieć, co potwierdzają autorzy wielu książek i prac o charakterze naukowym i filozoficznym. Niemniej należy zaznaczyć, że – biorąc pod uwagę teorię ewolucji zbieżnej – gdybyśmy wcisnęli przycisk „reset” i rozpoczęli wszystko od nowa, przy odpowiedniej ilości czasu (mierzonego w miliardach lat) wiele procesów dokonałoby się dokładnie w taki sam sposób, jak do tej pory. Można to wyjaśnić istnieniem tych samych wąskich gardeł i problemów, natomiast selekcja naturalna oferuje skończoną liczbę optymalnych rozwiązań. W związku z tym istnieje duże prawdopodobieństwo, że nasze środowisko wyglądałoby bardzo podobnie. To z kolei rodzi pytanie, czy zgodnie z założeniami teorii ewolucji zbieżnej z punktu widzenia biochemii życie na innych planetach byłoby podobne do naszego.

Są to pytania na zupełnie inną książkę, ale pozostaje faktem, że aminokwasy (związki chemiczne, z których zbudowane są wszystkie istoty żywe) znaleziono w meteorytach starszych niż nasz układ słoneczny, a PQQ (substancję odżywczą, o której piszę więcej w rozdziale 3, w podrozdziale „Pirolochinolinochinon [PQQ]”, s. 187) odkryto w pyle kosmicznym. Pozwala to przypuszczać, że życie na Ziemi pochodzi z kosmosu. Tak więc w istocie jesteśmy dziećmi gwiazd.

Rozumiem, że niektórym ludziom trudno to zaakceptować – z pewnego egocentrycznego punktu widzenia ludzie wydają się wyjątkowymi istotami; nasze świadome doświadczenia odróżniają nas od mechanicznego świata fizyki i chemii, a być może nawet od istot niższego rzędu. Faktem pozostaje, że fundamentalnych podobieństw między wszystkimi istotami żywymi jest o wiele więcej niż różnic. Piszę to, mając na uwadze kontrowersje towarzyszące teorii ewolucji za pomocą selekcji naturalnej i wątpliwości odczuwane przez osoby religijne. Wolałbym uniknąć poruszania tego tematu, ale trudno dyskutować na temat ewolucji bez zwrócenia uwagi na fakt, że niektóre środowiska religijne podają ją w wątpliwość. Niemniej w świetle przytłaczających dowodów zgromadzonych na przestrzeni wieków kwestionowanie teorii ewolucji jest na straconej pozycji. Co więcej, przyjmowanie takiego stanowiska sprawia, że zamykamy się na niezwykłą historię, jaką może opowiedzieć nam ewolucja.

Oczywiście wciąż istnieje wiele niewiadomych i spora część podstaw naukowych ma charakter wyłącznie spekulatywny, ale nie ma w tym nic złego i nie należy tego krytykować. Odkrycia naukowe zawsze mają charakter tymczasowy i w żadnym razie nie zbliżamy się do poznania wszystkich faktów dotyczących naszego świata. Gdy jednak obserwacje wydają się przeczyć teorii, niezależnie od tego, jak bardzo jest ona ceniona, stara czy popularna, teoria ta zostanie odrzucona i rozpoczną się poszukiwania nowej, bardziej precyzyjnie opisującej naturę rzeczywistości. Właśnie w ten sposób znaleźliśmy się na obecnym etapie wiedzy o mitochondriach: proponowano wiele teorii, wszystkie były kwestionowane i testowane, i albo zyskiwały wiarygodność, albo je odrzucano. Tak właśnie wygląda nauka: to nieustannie zmieniająca się baza wiedzy.

Ewolucja powinna dotyczyć także religii, które również muszą się rozwijać i wplatać w nauczanie zagadnienia związane z ewolucją. Jak zasugerowałem wcześniej, można na przykład założyć, że ewolucją sterowała jakaś siła wyższa. Zatwardziali naukowcy także powinni zdać sobie sprawę, że chociaż wydaje nam się, że dużo już wiemy, w istocie nie wiemy jeszcze prawie nic. Wszystko, co pojęliśmy na temat poznanego wszechświata i otaczającej nas rzeczywistości – od podstaw chemii po niewyobrażalnie skomplikowaną fizykę kwantową – stanowi zapewne około 4% ogółu wiedzy (przynajmniej zdaniem Neila deGrasse’a Tysona). To powinno uczyć nas pokory. Nie wiemy i nie rozumiemy 96% wszechświata i tego, co dzieje się wokół nas. Nasze przekonanie o własnej nieomylności stawia nas na równi z ludźmi, którzy byli przekonani, że Ziemia jest płaska.

Czy treści, które zawarłem w swojej książce, to ostatnie słowo w tej dziedzinie? Najprawdopodobniej nie. Prawie wszystko, co kiedyś wydawało nam się prawdą, okazało się zupełnie błędne lub co najmniej nieprecyzyjne, ale przy obecnym stanie wiedzy na temat mitochondriów z niecierpliwością czekam na więcej dowodów, które albo pozwolą wzmocnić naszą bazę wiedzy, albo skierują nas w zupełnie (albo tylko trochę) innym kierunku.

Dowolna forma życia, która nie potrafi samodzielnie generować energii, jest w rzeczywistości martwa. Bez energii nie ma życia. Oddychanie dostarcza tlenu do krwi, skąd trafia on do wszystkich bilionów komórek w naszym organizmie. Komórki dostarczają tlen do mitochondriów, gdzie wykorzystywany jest do zamiany glukozy, kwasów tłuszczowych, a czasem także aminokwasów, na energię w procesie oddychania komórkowego, zwanego też oddychaniem aerobowym (produkcja energii z udziałem tlenu). Trudno w to uwierzyć, ale jesteśmy być może największym producentem energii we wszechświecie. W swojej książce Power, Sex, Suicide Nick Lane zamieścił ciekawą kalkulację, z której wynika, że w przeliczeniu na jeden gram produkujemy tysiąc razy więcej energii niż Słońce.

W tym miejscu po raz kolejny nawiążę do popkultury, tym razem nie do Gwiezdnych wojen, lecz do filmu Matrix. W filmie tym maszyny zaspokajają zapotrzebowanie na energię, zbierając energię produkowaną na „bezkresnych polach, na których ludzie się nie rodzą, lecz są uprawiani2”. Analiza Lane’a pokazuje, że to logiczny scenariusz. Zaznacza on także, że niektóre bakterie produkujące energię, na przykład z rodzaju Azotobacter, mają 50 milionów razy większą wydajność niż Słońce. Rodzi się więc pytanie, dlaczego nikt nie wpadł na pomysł wykorzystywania tych organizmów jako czystego i organicznego źródła energii. Czy tylko ja mam pomysły na takie wielomilionowe inwestycje?

Podstawy działania mitochondriów

Na większości ilustracji mitochondria przedstawiane są jako pałeczkowate organelle, choć mogą przyjmować wiele kształtów. Są one bardzo elastyczne i mogą dzielić się na pół niczym bakterie lub łączyć się, tworząc skomplikowane struktury. Badania wykazały, że nie są one nieruchome, lecz nieustannie przemieszczają się tam, gdzie są potrzebne. Ich ruchy wydają się związane z siecią mikrotubuli (są niczym kości komórki, „cytoszkielet”, który nadaje komórce kształt) i najprawdopodobniej są transportowane przez białka motoryczne.

Komórki aktywne metabolicznie, tak jak te obecne w sercu, mięśniach i mózgu, zawierają tysiące mitochondriów. Komórka jajowa (oocyt) ma aż 100 tysięcy mitochondriów, natomiast plemnik – zaledwie poniżej 100. Krwinki czerwone i komórki skóry mają ich bardzo mało, a czasem wcale. Mitochondria stanowią do 10% wagi człowieka. Szacuje się, że w naszym organizmie jest ich około 10 milionów miliardów. Powiedzenie „w ilości siła” pasuje tu doskonale.

Ilustracja 1.1. Struktura pojedynczego mitochondrium o dwóch błonach; błona wewnętrzna jest wielokrotnie złożona, co znacznie zwiększa jej powierzchnię

Mitochondria były niegdyś bakteriami, a ich wygląd wciąż przypomina budowę tych organizmów. Jednak w przeciwieństwie do bakterii mitochondria są oddzielone od reszty komórki gładką i nieprzerwaną błoną zewnętrzną (zamiast ściany komórkowej). Błona wewnętrzna przypomina błonę bakterii, ale jest pofałdowana w tzw. grzebienie (zob. il. 1.1).

Grzebienie wielokrotnie zwiększają powierzchnię wewnętrznej błony. Ponieważ jest ona głównym miejscem produkcji energii, grzebieniowa struktura pozwala zmaksymalizować przestrzeń, na której odbywa się ten proces. Na tej błonie energia produkowana jest poprzez transport elektronów wzdłuż łańcucha cząsteczek. Ten łańcuch oddechowy, zwany łańcuchem transportu elektronów (ETC3), oraz rozmaite enzymy odpowiedzialne za syntezę energii znajdują się wewnątrz i na powierzchni wewnętrznej błony.

Wewnątrz błony, czyli w macierzy (po łacinie matrix, jak wspomniany wcześniej film), znajdują się enzymy cyklu kwasów trikarboksylowych (TCA), zwanego też cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego. Cząsteczki produkowane przez cykl TCA (NADH i FADH2) trafiają do ETC; obydwa enzymy znajdują się blisko siebie, aby wszystko odbywało się płynnie i bez opóźnień.

Podstawy oddychania komórkowego i fosforylacji oksydacyjnej

Każde dziecko wie, że aby żyć, musimy oddychać i jeść, ale właściwe pytanie brzmi: „Dlaczego tak jest?”. Dlaczego (albo w jaki sposób) zapewnianie naszemu organizmowi tlenu i paliwa daje nam życiodajną energię? Oddychanie komórkowe to najważniejsza rola mitochondriów. Enzymy cyklu TCA oraz ETC łączą z tlenem (O2) cząsteczki powstające w wyniku rozkładu pożywienia, co skutkuje produkcją energii. Mitochondria to jedyne miejsce w komórce, gdzie tlen może łączyć się z cząsteczkami pochodzącymi z pożywienia w celu zapewnienia komórce energii.

Na ogół takie wyjaśnienie powinno wystarczyć, lecz aby zrozumieć implikacje związane ze stanem naszego organizmu i powstawaniem chorób, należy wnikliwiej wgłębić się w to zagadnienie. W końcu to właśnie dlatego sięgnąłeś po tę książkę. Zacznijmy od początkowych etapów metabolizmu glukozy, zwanego glikolizą, która zachodzi w cytozolu. To w tym miejscu w wyniku serii reakcji glukoza zamieniania jest na związek chemiczny o nazwie pirogronian. Zostaje on następnie przetransportowany do macierzy mitochondrialnej, gdzie w wyniku kolejnych reakcji zamieniany jest na acetylo-CoA. Wtedy zaczyna się prawdziwa magia, ponieważ acetylo-CoA to początek cyklu TCA, w którym następuje końcowa optymalizacja ekstrakcji energii z pożywienia, a co za tym idzie – produkcja dwutlenku węgla (CO2, który wydychamy) oraz dwóch rodzajów cząsteczek energetycznych: NADH i FADH2. Rozkład kwasów tłuszczowych również skutkuje produkcją acetylo-CoA, który także przechodzi przez cykl TCA.

Ilustracja 1.2. Proces produkcji energii w mitochondriach przypomina zasady działania elektrowni wodnej. Gdy woda (protony) wypełnia zbiornik (przestrzeń międzybłonowa), przy którym zbudowano zaporę (błona wewnętrzna), powstaje ciśnienie. Dzięki niemu woda wpływa do kanału w tamie i napędza turbiny, produkując energię hydroelektryczną

Kolejna faza to fosforylacja oksydacyjna, która zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondrium. Naładowane energią elektrony z NADH i FADH2 przemieszczają się za pomocą różnego rodzaju nośników w ETC i ostatecznie reagują z tlenem, dając wodę. Wraz z każdym kolejnym etapem ETC energia uwalniana z reakcji zachodzących w trakcie transportu wykorzystana jest do przemieszczenia protonów (atomów wodoru) z macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Dzięki temu powstaje wysokie stężenie protonów między błonami i niskie stężenie w macierzy. Różnica stężeń (zwana gradientem) to zmagazynowana potencjalna energia. Protony stłoczone w przestrzeni międzybłonowej chcą płynąć „z nurtem rzeki”, czyli do macierzy, a robią to za pomocą specjalnych kanałów, co z kolei prowadzi do powstawania adenozynotrifosforanu (ATP), uniwersalnej cząsteczki energetycznej wykorzystywanej przez komórki. Możesz to sobie wyobrazić jako proces pompowania wody (protonów) do zbiornika (przestrzeni międzybłonowej) przy tamie (błonie wewnętrznej). Gdy woda wypływa kanałem w zaporze, wykorzystywana jest do napędzania turbin produkujących energię hydroelektryczną (zob. il. 1.2).

To bardzo wydajny proces wykorzystujący zawartą w pożywieniu energię do produkcji ATP. Aby przeżyć (czyli móc oddychać i jeść), nasz organizm musi po prostu dostarczyć mitochondriom substancji potrzebnych do produkcji energii. Z pewnego (dość przygnębiającego i redukcjonistycznego) punktu widzenia żyjemy tylko po to, aby utrzymywać przy życiu nasze mitochondria.

Gra w gorącego ziemniaka: łańcuch transportu elektronów (ETC)

W mitochondriach zidentyfikowano cztery związane z błonami kompleksy białkowe; trzy spośród nich to tak zwane pompy protonowe. Każda z nich stanowi niezwykle złożony twór zawarty w błonie wewnętrznej. Jeżeli spojrzysz na ilustrację 1.3, dostrzeżesz różne części składowe ETC. Śledząc przepływ elektronów (e-) wzdłuż ETC, możesz zauważyć, w jakim kierunku pompowane są protony (H+). Pierwszy kompleks przyjmuje elektrony z NADH, a następnie przekazuje je do koenzymu Q10 (CoQ10, oznaczony na ilustracji jako Q). Koenzym Q10 otrzymuje też elektrony z kompleksu II. Stamtąd koenzym Q10 przekazuje elektrony do kompleksu III, który z kolei transportuje je do cytochromu c. Cytochrom c przekazuje elektrony do kompleksu IV, który pobiera elektrony i dwa jony wodoru (H+) i wywołuje reakcje z tlenem (O), dając wodę (H2O).

Należy tu zaznaczyć, że transport elektronów wzdłuż tego łańcucha nie zawsze jest w 100% wydajny. Niewielki odsetek elektronów zostaje zagubiony podczas tej gry w gorącego ziemniaka i elektrony te przenikają do macierzy. Wówczas przedwcześnie reagują one z tlenem, co skutkuje powstawaniem ponadtlenku – potencjalnie groźnego wolnego rodnika. Wolne rodniki to wysoce reaktywne cząsteczki przyczyniające się to tak zwanego stresu oksydacyjnego. Proces ten ma związek z wieloma chorobami, a nawet z samym procesem starzenia, o czym napiszę w dalszej części.

ZATRUCIE TLENKIEM WĘGLA

W przypadku zatrucia tlenkiem węgla toksyna eliminuje tlen jako ostatni punkt drogi dla elektronów wędrujących po ETC. Cel podróży nie jest już dostępny, a w takiej sytuacji ustaje oddychanie, ponieważ elektrony nie mają już dokąd uchodzić. Jeżeli tlenek węgla nie zostanie usunięty, mitochondria umrą, wywołując tym samym śmierć komórek, a ostatecznie osoby narażonej na działanie tlenku węgla.

Osoby zaznajomione z tematyką wolnych rodników może zainteresować fakt, że ETC to główny ośrodek endogennej (czyli pochodzącej z naszego organizmu, a nie ze środowiska) produkcji tych szkodliwych cząsteczek. Wszystko to nabierze więcej sensu już za chwilę. Na razie jednak dokończmy omawianie ETC i jego elementów.

Ilustracja 1.3. Łańcuch transportu elektronów (ETC), w tym syntaza ATP. Cykl TCA produkuje NADH i FADH2, które przenikają do ETC na etapie odpowiednio kompleksu I i kompleksu II. Oba kompleksy przekazują powstały w ten sposób elektron (e-) do koenzymu Q10 (Q), a elektrony wędrują dalej, aż dojdzie do reakcji z tlenem (O2) i powstania cząsteczki wody (H20). Protony (H+) pompowane są w kompleksach I, III i IV, co wywołuje gradient protonowy. Następnie protony wędrują z powrotem za sprawą syntazy ATP, tworząc ATP

Kompleks I: Pierwszy etap ETC

Kompleks I, zwany także dehydrogenazą NADH, to duża cząsteczka złożona z 46 podjednostek. Usuwa ona z NADH dwa elektrony i przekazuje je do nośnika rozpuszczalnego w tłuszczu (utlenionego koenzymu Q10 lub po prostu „Q”). Podczas tego dwuetapowego procesu dochodzi do tzw. redukcji koenzymu Q10 do postaci ubichinolu (QH2) i transportu czterech protonów (H+) do błony, co tworzy gradient protonowy. To główne miejsce w ETC, w którym dochodzi do przecieku elektronów i powstawania szkodliwych wolnych rodników ponadtlenkowych.

Kompleks II: drugi etap i skrót prowadzący do ETC

Ten nietypowy kompleks, znany też jako dehydrogenaza bursztynianowa, powiązany jest bezpośrednio zarówno z cyklem TCA, jak i ETC. To niewielki kompleks składający się zaledwie z czterech podjednostek białkowych i jedyny kompleks w ETC, który nie zajmuje się pompowaniem protonów. Jego rolą jest dostarczanie dodatkowych elektronów z bursztynianu do koenzymu Q10 (za pomocą FADH2). Pozostali dawcy elektronów (na przykład kwasy tłuszczowe) również przenikają do ETC w kompleksie II za sprawą FADH2.

Kompleks III: bliźniacy będący mistrzami żonglerki elektronami

Kompleks III, znany też jako kompleks cytochromów bc1, to w istocie dimer, czyli połączenie dwóch identycznych prostszych kompleksów. Każda część dimeru składa się z 11 białek, czyli łącznie mamy tu 22 podjednostki.

Na tym etapie zachodzi cykl Q, czyli wieloetapowy proces, w którym ubichinol (zredukowany koenzym Q10) zostaje zamieniony na ubichinon (utleniony koenzym Q10). W trakcie tego procesu przeniesieniu ulegają cztery protony, co przyczynia się do powstania gradientu protonowego.

To drugie miejsce, w którym najczęściej elektrony wypadają z ETC i reagują z tlenem, tworząc wolne rodniki ponadtlenkowe.

Kompleks IV: produkcja wody

Kompleks IV, zwany też oksydazą cytochromu c, składa się z 13 podjednostek białkowych. W tym miejscu cztery elektrony z czterech cząsteczek cytochromu zostają usunięte i trafiają do tlenu cząsteczkowego (O2), tworząc dwie cząsteczki wody. W wyniku tej reakcji cztery protony zostają przeniesione przez błonę, zwiększając gradient protonowy.

Ilustracja 1.4. Kompleks I przyjmuje elektrony z NADH i przekazuje je poprzez klastry żelazowo-siarkowe (Fe-S) do koenzymu Q10 (Q). Dzięki temu cztery protony (H+) trafiają z macierzy do przestrzeni międzybłonowej

Ilustracja 1.5. Kompleks II również jest elementem cyklu TCA, w którym następuje produkcja FADH2. Elektrony z FADH2 następnie przechodzą przez klastry żelazowo-siarkowe (Fe-S) do koenzymu Q10 (Q). To jedyny kompleks, który nie pompuje protonów

Ilustracja 1.6. Kompleks III przyjmuje elektrony ze zredukowanej formy koenzymu Q10 (QH2) w złożonym procesie zwanym cyklem Q. Elektrony docierają do cytochromu c (cyt. c), a cztery protony (H+) zostają przeniesione do przestrzeni międzybłonowej

W JAKI SPOSÓB WIELBŁĄDY PRZECHOWUJĄ WODĘ

To odpowiedni moment, aby obalić popularny szczególnie wśród dzieci mit, jakoby wielbłądy magazynowały wodę w swoich garbach. Garby są jedynie magazynem tłuszczu. Tłuszcz ten służy nie tylko jako zapas energii, ale gdy ulega przemianie materii w wyniku fosforylacji oksydacyjnej, w kompleksie IV powstaje woda, tak jak opisałem wcześniej (około jednego grama, czyli jednego mililitra, wody na każdy jeden gram spalonego tłuszczu). To między innymi dlatego wielbłądy mogą tak długo wytrzymać bez picia (odpowiadają za to też inne czynniki).

Ilustracja 1.7. Kompleks IV przyjmuje elektrony z cytochromu c (cyt. c), pompuje cztery protony do przestrzeni międzybłonowej i przekazuje elektrony do miejsca docelowego, czyli tlenu (O2), aby wytworzyła się nieszkodliwa woda (H2O)

ZATRUCIE CYJANKIEM I SAMOBÓJSTWO

Cyjanek, znana trucizna (której użyto między innymi podczas masowego samobójstwa w Jonestown w Gujanie i którą rozdawano żołnierzom na wypadek, gdyby dostali się do niewoli), zabija, dezaktywując ETC. Blokuje ona aktywność kompleksu IV poprzez łączenie się z żelazem (Fe), co powstrzymuje przepływ elektronów. Najnowsze zaakceptowane (przynajmniej w Stanach Zjednoczonych) antidotum na zatrucie tą substancją to hydroksykobalamina (forma witaminy B12), reagująca z cyjankiem i tworząca cyjanokobalaminę (formę witaminy B12 będącą składnikiem większości suplementów), którą następnie unieszkodliwiają nerki.

Superkompleksy: optymalizacja przepływu elektronów

Muszę zaznaczyć, że procesy opisane powyżej to wiedza na temat ETC z zakresu biologii przekazywana nam w liceum i na studiach. Oprócz czterech opisanych już kompleksów istnieje jeszcze syntaza ATP (o której napiszę za chwilę i która bywa nazywana kompleksem V). Tak więc zasadniczo można traktować ETC jako zbiór pięciu kompleksów enzymów odpowiedzialnych za tworzenie ATP. Jednakże sposób postrzegania ETC jako enzymów rozproszonych w wewnętrznej błonie mitochondrium został niedawno zastąpiony modelem „superkompleksów białkowych”, w którym kompleksy oddechowe łączą się, tworząc kompleksy supramolekularne. Taka organizacja umożliwia bardzo wydajny transfer elektronów, przy czym odległość między kompleksami, którą musi pokonać elektron, zostaje zredukowana do kilku nanometrów.

Jakby tego było mało, istnienie superkompleksów jest wciąż podawane w wątpliwość, a poza tym wydaje się, że mogą one mieć wiele układów. Na przykład tak zwany respirosom składa się z kompleksów I, III i IV. Są też jednak superkompleksy złożone tylko z kompleksów I i II oraz III i IV. Od poszczególnych typów połączeń uzależniona jest dostępna dla nich pula koenzymu Q10 i cytochromu c.

Istnieją także dowody na to, że pewne choroby mają związek z rozbiciem niektórych komponentów superkompleksów, i choć nie zamierzam tu pisać o konkretnych chorobach (jest to nowy model, który nie został jeszcze dostatecznie zbadany), wspominam o tym, aby zilustrować, w jaki sposób stan naszej wiedzy na ten temat nieustannie ewoluuje i się poszerza.

Syntaza ATP: łączenie ETC z fosforylacją oksydacyjną

Syntaza ATP, znana także jako ATPaza lub kompleks V, to bardzo ważny enzym, który jest ostatnim etapem długiego łańcucha zdarzeń prowadzących do syntezy ATP. To enzym, który łączy gradient protonowy (stworzony przez ETC, istniejący dzięki obecności tlenu) z fosforylacją – procesem dodawania fosforanu do adenozynodifosforanu (ADP), co skutkuje powstaniem ATP. Cały proces nosi miano fosforylacji oksydacyjnej.

Ten duży enzym to najmniejsza znana nam maszyna. W internecie możesz znaleźć wiele naprawdę ciekawych animacji, które przedstawiają, jak to wszystko działa, i jeżeli znajdziesz wolną chwilę, zachęcam do ich obejrzenia. Ten obrotowy silnik skonstruowany z wielu małych ruchomych części białka ma dwa główne komponenty: wał napędowy, który przechodzi przez błonę, i bardzo dużą obrotową głowicę przyczepioną do wału. Wysokie stężenie protonów na zewnątrz błony sprawia, że protony chcą płynąć w dół i robią to, przechodząc przez wał napędowy i obracając głowicą. U ludzi pełen obrót głowicy wymaga dziesięciu protonów i uwalnia trzy cząsteczki ATP.

Wykorzystywanie pomp protonowych do przechowywania energii w postaci gradientu elektrochemicznego, a następnie ujarzmianie tej energii poprzez wywoływanie reakcji chemicznych może się wydawać dziwne. Mimo to właśnie w ten sposób odbywa się to we wszystkich organizmach żywych na Ziemi.

Ilustracja 1.8. Kształt i złożoność cząsteczek wchodzących w skład syntazy ATP

W podobny sposób zachodzi proces fotosyntezy w roślinach. Jednak w tym przypadku energia Słońca wykorzystywana jest do pompowania protonów przez błonę w chloroplastach (być może w roślinach mitochondria przekształciły się właśnie w chloroplasty). Bakterie, które są przodkami mitochondriów, również działają w ten sam sposób – generują gradient protonowy na błonie komórkowej, który utrzymuje się dzięki ścianie komórkowej. Jednak w przeciwieństwie do ludzi i ssaków elektrony w roślinach wędrują wzdłuż ETC w kierunku cząsteczki, którą może być nie tylko tlen, ale też inne cząsteczki. Tak czy inaczej, energia z ETC zawsze wykorzystywana jest do przemieszczania protonów przez błonę. Ta uniwersalna koncepcja zdaje się świadczyć o tym, że pompowanie protonów przez błonę to główna cecha charakterystyczna wszelkiego życia na Ziemi.

Ilustracja 1.9. Obrazowe podsumowanie produkcji energii za pomocą fosforylacji oksydacyjnej zarówno poprzez kompleks I (górna połowa), jak i kompleks II (dolna połowa)

Mitochondrialne DNA: intrygujący relikt przeszłości

Po pierwszym połączeniu, które dało początek komórce eukariotycznej, wchłonięta bakteria pasożytnicza (która ostatecznie przekształciła się w mitochondrium) żyła w luksusie. Gospodarz zapewniał jej prawie wszystko, czego potrzebowała do przetrwania, wskutek czego w pewnym sensie zrobiła się dość leniwa. Wiele funkcji życiowych przejął gospodarz, więc nie było potrzeby przechowywania obszernego i powtarzającego się DNA. Po co trzymać informacje o białku, które znajduje się także w DNA gospodarza? Natura jest bezwzględnie wydajna, więc bakterie pasożytnicze zaczęły się pozbywać dodatkowych i niepotrzebnych genów.

Utrata mniej istotnych genów nie niesie za sobą żadnych negatywnych następstw, ale jeżeli komórka straci niezbędne informacje, umiera. W swojej książce Lane pisze na przykład, że nasi przodkowie miliony lat temu utracili zdolność wytwarzania witaminy C. Utrata tego genu nie miała katastrofalnych skutków – przodkowie przetrwali i mogli się dalej rozwijać. Skąd wiadomo, że mieliśmy kiedyś ten gen? Większość takich informacji wciąż istnieje w naszym „śmieciowym” DNA, a reszta sekwencji wygląda tak samo jak gen odpowiadający za produkcję witaminy C u innych gatunków zwierząt.

Utrata genów w imię wydajności jest zjawiskiem powszechnym, a bakterie potrafią robić to w ciągu kilku godzin lub dni. Dlaczego ten proces przebiega tak sprawnie? Podział komórkowy, za pomocą którego bakterie się rozmnażają, wymaga dużych nakładów energii, a bakterie produkują jej bardzo mało (w stosunku do komórek eukariotycznych). Im mniej genów, tym mniej energii potrzeba do ich skopiowania podczas rozmnażania. Skuteczność bakterii w gubieniu niepotrzebnych genów w chromosomach ilustruje fakt, że mają one bardzo mało „śmieciowego” DNA.

Być może wydaje ci się, że taki proces wcale nie jest wydajny, ponieważ w przyszłości może się okazać, że bakterie będą jednak potrzebowały utraconych genów. Pozbywanie się niepotrzebnych genów nie jest jednak wcale tak lekkomyślne. Dlaczego? Bakterie mogą wielokrotnie przyswajać te same geny oraz inne, gdy tylko okażą się potrzebne, wykorzystując do tego tak zwany lateralny transfer genów. Bakteria przyswaja DNA z otoczenia (z martwych komórek lub innych bakterii) poprzez formę „kopulacji” zwaną koniugacją bakterii – proces, który nie różni się zbytnio od transferu DNA podczas ludzkiej kopulacji (może metody te nie są aż tak podobne, ale chodzi mi o to, że bakterie potrafią gromadzić nowe geny i korzystają z tej umiejętności). Nabywanie genów przez bakterie w wyniku lateralnego transferu genów to powód, dla którego wielkie koncerny rolnicze i przedstawiciele przemysłu biochemicznego powinny przeprowadzić znacznie więcej badań przed wprowadzeniem do łańcucha pokarmowego genetycznie modyfikowanych roślin i zwierząt. Sztucznie opracowane geny mogą być przejmowane przez bakterie na przykład w naszej florze jelitowej czy w jelitach zwierząt hodowlanych. Istnieje wiele punktów, w których geny te mogą wymknąć się spod kontroli i dokonać nieodwracalnego spustoszenia w królestwie zwierząt i roślin.

Ciągłe nabywanie i tracenie genów ma charakter nieustannego przepływu informacji, co nie jest pozbawione zalet, ponieważ zmniejsza prawdopodobieństwo utraty wszelkich zbędnych genów w danej grupie bakterii. Jakieś środowisko zawsze zachowuje pełną kopię zbędnego genu. Gdy zmieniają się warunki i utracony gen znów staje się istotny, bakterie, które go przechowały, mogą przekazać go dalej za pomocą lateralnego transferu genów. Taka powszechność dzielenia się materiałem genetycznym tłumaczy, w jaki sposób odporność na dany typ antybiotyku w określonej społeczności bakterii potrafi rozprzestrzenić się tak szybko. To właśnie dlatego agencje rządowe, takie jak Health Canada czy USDA (Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków) wymagają dowodów na to, że określone szczepy probiotyków stosowanych w suplementach nie wykazują odporności na antybiotyki (takie geny mogą szybko zostać przekazane szkodliwym bakteriom obecnym w naszym układzie pokarmowym).

Tempo lateralnego transferu genów jest o wiele większe w przypadku niewielkich pierścieni chromosomalnych zwanych plazmidami (o których pisałem wcześniej), ale bakterie mogą też wymieniać się genami stanowiącymi część ich głównych chromosomów, choć proces ten przebiega nieco wolniej. Każdy gen, który nie jest regularnie używany lub aktualnie nie jest niezbędny, zostaje zastąpiony materiałem umożliwiającym szybszą i wydajniejszą replikację.

Mitochondria, które pochodzą od bakterii, utraciły swoje geny właśnie w ten sposób. Jeżeli jednak były one pasożytami karmionymi przez gospodarzy, po co miałyby zachowywać swoje geny? To dobre pytanie, zwłaszcza jeżeli weźmiemy pod uwagę, że każda komórka zawiera setki a nawet tysiące mitochondriów, a każde mitochondrium ma 5–10 kopii swojego DNA. Lane oferuje nam odpowiedź. Ilość mitochondrialnego DNA w każdej komórce to spory ciężar, gdy mówimy o podziale komórek: gdy mitochondria ulegają podziałowi w procesie zwanym fragmentacją lub biogenezą mitochondriów albo gdy dzieli się cała komórka, wszystkie geny mitochondriów muszą zostać skopiowane. Co więcej, każde mitochondrium musi mieć także własny mechanizm translacji genów oraz rybosomy służące do produkcji białka. Taki proces nie wydaje się zbyt wydajny jak na potomków bakterii, które polegają na bezkompromisowej wydajności.

Co więcej, gdy mitochondria o różnych genomach znajdują się w tej samej komórce, może to mieć potencjalnie zgubne skutki (na przykład gdy mitochondria z nasienia przetrwają i koegzystują z pochodzącymi z komórki jajowej mitochondriami od matki, zwykle kończy się to poronieniem). Można by było tego uniknąć, gdyby wszystkie geny mitochondrialne trafiały do jądra i nigdy go nie opuszczały.

Kolejne ryzyko wynika z tego, że narażony na uszkodzenia i bezbronny materiał genetyczny obecny w mitochondriach znajduje się tuż obok ETC, który generuje i uwalnia szkodliwe wolne rodniki. Mogą one uszkadzać mtDNA i wywoływać mutacje potencjalnie skutkujące śmiercią mitochondriów (co z kolei prowadzi do poważnych chorób, w tym nowotworowych, o czym napiszę później).

Dlaczego więc wszystkie geny mitochondriów nie zostały przetransportowane do jądra? To, że wciąż znajdują się w mitochondriach (pomimo prawie dwóch miliardów lat ewolucji i wielu rozsądnych argumentów za wdrożeniem takiego rozwiązania), pozwala nam przypuszczać, że istnieje ku temu powód i że musi on być bardzo istotny.

Zachowywanie części genów może mieć związek z kontrolą nad procesem fosforylacji oksydacyjnej. Jej tempo w dużej mierze zależy od nieustannie zmieniającego się zapotrzebowania na energię i potrafi ulegać zmianie z minuty na minutę (w zależności od tego, czy aktualnie śpimy, ćwiczymy, siedzimy bezczynnie, walczymy z infekcją, zdajemy egzamin, trawimy pokarm, czytamy książkę itp.). Te szybko zmieniające się okoliczności sprawiają, że mitochondria muszą dostosowywać produkcję energii na poziomie komórkowym, a każda komórka (w zależności od tego, czy znajduje się w mięśniach, mózgu, białych krwinkach, ścianie jelit, komórkach wątroby itp.) musi reagować na to indywidualnie.

Aby skutecznie dostosowywać się do częstych zmian zapotrzebowania na energię, mitochondria muszą utrzymywać kontrolę nad procesem jej produkcji i jest to możliwe właśnie dzięki zachowaniu części genów w mtDNA. Reakcje zachodzące w ETC na błonie wewnętrznej mitochondriów muszą być regulowane miejscowo na poziomie każdego odrębnego mitochondrium. Gdyby cały proces był sterowany za pomocą genów umiejscowionych aż w jądrze, nie byłby on tak wydajny i szybkie reakcje na nagłe zmiany zapotrzebowania nie byłyby możliwe.

Mam nadzieję, że to wszystko nadal brzmi logicznie. Teraz porozmawiajmy o podaży i popycie, zanim przejdę do dalszych kwestii związanych z zachowaniem określonych genów przez mitochondria. Pamiętaj, że cały proces – od poszczególnych kompleksów w ETC do produkcji ATP w ATPazie – jest ze sobą powiązany niczym tryby maszyny, w której prędkość jednego koła zębatego kontroluje prędkość kolejnego. Przy dużym zapotrzebowaniu na energię elektrony szybko wędrują po ETC, protony są pompowane sprawnie, a gradient protonowy gwałtownie wzrasta (zbiornik na protony „napełnia się”). Im większy gradient, tym większe ciśnienie umożliwiające szybką produkcję ATP za pomocą protonów wtłaczanych przez ATPazę.

Jednak w sytuacji, gdy nie ma zapotrzebowania na ATP, fosforylacja oksydacyjna wciąż będzie zmieniała ADP i fosforany w ATP. Ponieważ komórka nie korzysta z ATP (taki proces doprowadziłby do zamiany ATP z powrotem na ADP i fosforany), ATPaza musi zaprzestać działania ze względu na brak materiałów. W takiej sytuacji protony nie mogą przechodzić przez ATPazę, a zbiornik protonów zaczyna się wypełniać. Gdy gradient protonowy jest zbyt wysoki, niewielka ilość energii uwolniona podczas przepływu elektronów przez ETC nie wystarcza już do pompowania protonów. Zanik tego procesu powoduje, że przepływ elektronów wzdłuż łańcucha ulega spowolnieniu i zatrzymaniu. Nie jest to jednak powód do obaw, ponieważ wszystko wraca do normy, gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta, a komórka zaczyna zużywać ATP (dzięki czemu powstaje więcej ADP i fosforanów dla ATPazy). Takie spowolnienie to powód, dla którego ćwiczenia fizyczne (zużywanie ATP) są tak istotne; o tym także napiszę w dalszej części książki.

Niekiedy może nastąpić niedobór tlenu – na przykład wtedy, gdy mamy do czynienia z udarem, a dopływ krwi do komórek mózgowych zostaje zatrzymany. Wówczas nie ma jak usunąć elektronów na końcu ETC, a co za tym idzie, elektrony tworzą zator – coś na kształt korka drogowego. Fosforylacja oksydacyjna ustaje. W przypadku takiego zatoru elektronów mogą one uciec z ETC i doprowadzać do powstawania wolnych rodników.

Oprócz kwestii podaży i popytu musimy też wziąć pod uwagę różne komponenty ETC. Każdy z nich może ulec redukcji (pobraniu elektronu) lub utlenianiu (oddaniu elektronu), ale nie obu procesom jednocześnie. Jeżeli kompleks I ma już elektron, nie może pobrać kolejnego, dopóki nie przekaże go do kolejnego nośnika w łańcuchu, czyli ubichinonu. Ruch w ETC zostaje zatrzymany, dopóki wspomniany kompleks nie przekaże elektronu. Analogicznie, jeśli kompleks I nie ma elektronu, nie może przekazać niczego ubichinonowi, dopóki nie otrzyma elektronu (z NADH). ETC jest bezczynny, dopóki elektron nie zostanie pobrany.

Reakcje redukcji i utleniania, zwane reakcjami redoks, to ważna nowa dziedzina badań medycznych. W każdym mitochondrium istnieją tysiące ETC (około 10 tysięcy na jedno organellum – niezwykła liczba), a fosforylacja oksydacyjna przebiega najwydajniej, gdy proporcje między utlenionymi a zredukowanymi nośnikami elektronów wynoszą 50:50.

Utrata tej równowagi nie tylko spowalnia fosforylację oksydacyjną i produkcję energii, ale może też dokonać spustoszenia w mitochondriach. Każdy nośnik elektronów w łańcuchu jest reaktywny. Jeżeli przepływ elektronów następuje normalnie, każdy nośnik będzie przekazywał elektrony do kolejnego, a każdy kolejny będzie go przyciągał nieco silniej niż jego poprzednik. Nośniki nie mogą być jednak jednocześnie utlenione i zredukowane, dlatego jeżeli kolejny nośnik ma już elektron, wówczas ETC zostaje zablokowane i istnieje ryzyko, że elektron zostanie przedwcześnie przekazany cząsteczce tlenu. Gdy tlen otrzymuje elektron z jakiegokolwiek nośnika innego niż kompleks IV (ostatni nośnik w ETC), tworzy toksyczny wolny rodnik ponadtlenkowy. Nie zawsze jest to coś złego (wyjaśnię to później), ale na chwilę obecną załóżmy, że ponadtlenki zwykle uszkadzają różne cząsteczki biologiczne. Zazwyczaj chcielibyśmy tego uniknąć. To tak jak z pociągami: jeżeli pociąg nie odjedzie z danej stacji o określonej godzinie, kolejny pociąg nie może przybyć na czas. W najlepszym przypadku prowadzi to do opóźnień. Jeżeli jednak nadjeżdżający pociąg nie otrzyma sygnału o zajętym torze, a maszynista w porę nie uruchomi hamulców, może dojść do katastrofy i wykolejenia się obu pociągów.

Utrzymywanie proporcji reakcji redoks na poziomie 50:50 pozwala zarówno na szybki i wydajny transport elektronów po ETC, jak i zminimalizowanie ryzyka powstawania wolnych rodników ponadtlenkowych. Równowaga zależy też od liczby nośników w ETC i ich wzajemnych proporcji. Na przykład jeżeli w mitochondrium jest nadmiar kompleksów I, które pobrały elektron z NADH, ale nie ma dość ubichinonu, wiele spośród tych „pełnych” kompleksów zgubi elektron, który trafi do tlenu. Tak jak w przypadku wielu innych procesów zachodzących w organizmie, relatywna liczba komponentów ETC nieustannie się zmienia – kompleksy ulegają zniszczeniu i są zastępowane nowymi.

Pozytywna strona wolnych rodników

Po tej dygresji możemy przejść do kolejnego etapu odpowiedzi na nasze początkowe pytanie: „Dlaczego mitochondriom w ogóle potrzebne są jakieś geny?”. Wyobraźmy sobie hipotetyczną sytuację i komórkę, w której znajduje się tysiąc mitochondriów, a w każdym z nich około 10 tysięcy ETC. Załóżmy, że w jednym z tych mitochondriów nie ma wystarczającej ilości kompleksu IV, ostatniego nośnika elektronów w ETC. Skutkiem tego w tej konkretnej organelli fosforylacja oksydacyjna ulega spowolnieniu, a elektrony zaczynają wypełniać ETC. Wówczas niektóre uciekają z łańcucha i tworzą wolne rodniki ponadtlenkowe. Mitochondrium może ulec nieodwracalnym uszkodzeniom. Rozsądnym rozwiązaniem w takiej sytuacji byłoby wyprodukowanie większej ilości kompleksu IV. W jaki sposób mitochondrium sygnalizuje organizmowi, że potrzebuje więcej kompleksu IV? Okazuje się, że sygnał ten mogą stanowić właśnie wolne rodniki. Choć wywołują one spore uszkodzenia, kontrolują też wrażliwe na reakcje redoks czynniki transkrypcyjne, które zostają aktywowane w odpowiedzi na utlenianie dokonywane przez wolne rodniki. Czynniki te zmieniają następnie aktywność genów w celu produkcji większych ilości kompleksu IV.

Niektórzy czytelnicy mogliby zapytać: „Skąd komórka wie, że sygnały pochodzące od wolnych rodników należy zinterpretować jako znak do produkcji akurat kompleksu IV?”. Przecież także niskie zapotrzebowanie na energię lub brak dostępu tlenu mogą prowadzić do produkcji wolnych rodników, o czym pisałem wcześniej. W takich przypadkach produkcja nowych kompleksów w niczym by nie pomogła. Komórka wie, co robić poprzez interpretowanie aktywności wolnych rodników, w podobny sposób, w jaki ludzie potrafią ustalić kontekst w trakcie rozmowy. Aby wiedzieć, co tak naprawdę się dzieje, potrzebne są jednak dodatkowe informacje. W tym przypadku może to być ilość ATP. Jeżeli w mitochondrium byłoby zbyt mało kompleksów IV, poziom ATP obniżyłby się (ETC zatkałoby się w wyniku spowolnienia przepływu elektronów). Tak więc powstanie wolnych rodników przy jednoczesnym niskim poziomie ATP zostałoby zinterpretowane jako konieczność aktywowania genów odpowiedzialnych za produkcję kompleksu IV. Z kolei gdyby komórka wykryła dużo ATP, pojawienie się wolnych rodników mogłoby oznaczać, że gradient protonowy musi zostać obniżony (a być może również, że należy wyprodukować więcej białka rozprzęgającego – o tym w dalszej części).

Przyjmijmy na chwilę, że wszystkie geny znajdują się w jądrze. Gdy nadchodzi informacja w postaci wolnych rodników, jądro wysyła polecenie wytworzenia większych ilości kompleksu IV. Następnie oznacza ono te nowe białka innymi białkami (pełniącymi rolę etykiet adresowych), aby mogły trafić do mitochondrium. Adres wskazuje jednak białku tylko to, że ma trafić do mitochondriów, ale nie może przekazać informacji, które konkretnie mitochondrium potrzebuje nowego kompleksu IV. To tak, jakbym wysyłał paczkę do przyjaciela mieszkającego w jakimś mieście, a nie znał jego dokładnego adresu – szansa, że przesyłka dotrze do adresata byłaby bardzo niewielka. Co więcej, biorąc pod uwagę, że mitochondria są w nieustannym ruchu (obumierają, dzielą się poprzez fragmentację lub się łączą), taki system nie byłby zbyt skuteczny, nawet gdyby jądro mogło nadać nowo powstałym białkom konkretny adres; istnieje ryzyko, że zanim przesyłka by dotarła, adresat już by nie istniał!

Tak więc wszystkie nowe kompleksy IV zostałyby rozprowadzone równomiernie do tysiąca mitochondriów obecnych w komórce. Mitochondrium, które naprawdę by ich potrzebowało – to, które wysłało sygnał – nie otrzymałoby wystarczających ilości kompleksu IV, a jednocześnie cała reszta otrzymałaby ich zbyt wiele (wskutek czego nadałyby one z powrotem do jądra sygnał o zaprzestaniu produkcji kompleksu IV). Nietrudno dostrzec wynikające z tej sytuacji potencjalne problemy. Najważniejsze jednak jest to, że gdyby mitochondria nie miały kontroli nad własnym losem, cała komórka doświadczałaby problemów z produkcją energii.

Teraz przyjmijmy taki sam scenariusz, ale z założeniem, że geny do produkcji kompleksu IV znajdują się w mitochondriach (tak jak jest w rzeczywistości). Kiedy sygnał do produkcji dodatkowych ilości kompleksu IV zostaje wysłany, trafia on prosto do znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie wolnych rodników mtDNA, które były tym sygnałem (dzięki czemu reakcja może być błyskawiczna). Lokalnie przechowywane geny polecają rybosomom produkcję dodatkowych kompleksów IV, które natychmiast trafiają do ETC, eliminując zastój w przepływie elektronów i przywracając prawidłową fosforylację oksydacyjną. Natomiast gdy zostaje wysłana informacja, aby zaprzestać produkcji kompleksu IV, dotyczy ona wyłącznie tego konkretnego mitochondrium, a reakcja jest równie natychmiastowa.

Szybka i miejscowa reakcja zachodzi w każdym spośród tysięcy mitochondriów w komórce: niektóre z nich wymagają dodatkowych ilości kompleksu I, inne kompleksu III, a w przypadku jeszcze innych zachodzi potrzeba zmniejszenia gradientu protonowego. Utrzymanie dziesiątek tysięcy kopii mtDNA jest niezwykle kosztowne, ale alternatywa (jedna kopia materiału genetycznego w jądrze) byłaby o wiele bardziej kosztowna i mniej wydajna.

Pozwolę sobie na jeszcze jedną dygresję w tym bardzo naukowym wywodzie. Kompleksy odpowiedzialne za oddychanie komórkowe złożone są z wielu odrębnych podjednostek białkowych i nie wszystkie z nich są kodowane za pomocą mtDNA. Właściwie z 74 różnych podjednostek – 46 w kompleksie I, 4 w kompleksie II, 11 w kompleksie III i 13 w kompleksie IV – tylko 13 jest kodowanych zgodnie z instrukcjami zawartymi w mtDNA. Źródłem pozostałych są geny znajdujące się w jądrze. Kompleksy w ETC są mieszanką białek kodowanych przez dwa różne genomy.

Skoro tak, to w jaki sposób mitochondrium, które zachowało jedynie niewielki fragment genów potrzebnych do produkcji kompleksów w ETC, może sprawować kontrolę nad własnym losem? Wydaje się, że kompleksy oddechowe tworzą się wokół kilku kluczowych podjednostek. Gdy zostaną one osadzone w błonie wewnętrznej mitochondriów, działają niczym magnes przyciągający pozostałe podjednostki. Na szczęście te kluczowe podjednostki są kodowane za pomocą genów mitochondrialnych i w wyniku tego mitochondrium potrafi kontrolować ilość nowych kompleksów.

Komórka zawiera setki lub tysiące mitochondriów, więc łączna liczba tych kluczowych podjednostek w błonie wewnętrznej mitochondriów może utrzymywać się na stosunkowo stałym poziomie. Aby geny jądrowe i ogólne tempo transkrypcji nie ulegały zbyt drastycznym zmianom, mitochondria mają kontrolę nad tempem fosforylacji oksydacyjnej, a jądro odpowiada za ogólne tempo produkcji w komórce.

Należy jednak pamiętać, że wszystkie podjednostki białkowe w kompleksie II (który zresztą składa się tylko z czterech takich podjednostek) tworzone są na podstawie genów znajdujących się w jądrze. Nie ma to jednak większego wpływu na to, o czym pisałem wcześniej, ponieważ zarówno kompleks I, jak i kompleks II przekazują swoje elektrony do kompleksu III. Mitochondrium może w dużej mierze wciąż kontrolować tempo fosforylacji oksydacyjnej poprzez sterowanie produkcją kompleksów I, III i IV. Co więcej, jeśli weźmiemy pod uwagę, że kompleks II jako jedyny nie pompuje protonów, logiczne wydaje się założenie, że na pewnym etapie trwającej miliardy lat ewolucji geny wszystkich czterech podjednostek kompleksu II zostały przeniesione do jądra, obniżając tym samym obciążenie genetyczne i zyskując niewielki wzrost wydajności.

Mutacje mitochondrialne: początek końca

Mutacje mtDNA kumulują się z czasem. Inaczej niż w przypadku losowych mutacji pierwotnej sekwencji DNA, czyli rekombinacji jego łańcucha, mutacje mtDNA sprawiają, że pierwotny materiał genetyczny zostaje utracony, a powstały w ten sposób niekompletny zestaw instrukcji prowadzi do powstawania wadliwych białek, które nie funkcjonują prawidłowo.

Gdy mutacje wpływają na podjednostki w mitochondrialnym ETC, wzrasta produkcja wolnych rodników, a taka sytuacja może szybko wymknąć się spod kontroli. Niestety, wolne rodniki najczęściej uszkadzają geny białek ETC. Dzieje się tak dlatego, że mtDNA przechowywane jest tuż obok miejsca, w którym najczęściej powstają wolne rodniki. Poza tym mitochondrialne DNA nie posiada żadnych ochronnych histonów, takich jak nDNA; jego zdolności regeneracyjne są mocno ograniczone; poza tym w mtDNA nie ma „śmieciowego” DNA (geny są tak ciasno ułożone, że mutacja w dowolnym miejscu najczęściej ma negatywne skutki). Tak więc geny szybko zostają uszkodzone, co zakłóca pracę ETC i proces fosforylacji oksydacyjnej.

Sygnał do śmierci

Mogłoby się wydawać, że tempo przeciekania wolnych rodników z łańcucha oddechowego zależy od tempa procesu oddychania komórkowego, ale tak nie jest. Rzecz jasna popyt i podaż na energię, rozprzęganie i inne czynniki wpływają na tempo przenikania wolnych rodników, ale ostatecznie zależy to od dostępności elektronów (i tlenu).

Wiemy, że główną przyczyną powstawania uszkodzeń mitochondriów jest działanie wolnych rodników generowanych właśnie przez te organelle. Najnowsze dowody wskazują na to, że większość wolnych rodników powstaje w kompleksach I i III (kompleks I zdaje się generować wolne rodniki, gdy podaż na paliwo przewyższa popyt, a kompleks III generuje je wtedy, gdy ATP nie jest zużywany w odpowiednio szybkim tempie).

Podczas normalnej fosforylacji oksydacyjnej mitochondria zamieniają 0,4–4% całego obecnego tlenu na wolne rodniki ponadtlenkowe. Ponadtlenki są następnie zamieniane na nadtlenek wodoru (H2O2) przez dysmutazę ponadtlenkową (jest to jeden z głównych enzymów przeciwutleniających w naszym organizmie) lub peroksyredoksynę III. Gdy powyższe enzymy nie mogą jednak wystarczająco szybko zamieniać wolnych rodników ponadtlenkowych na H2O (lub gdy z jakiegoś powodu ponadtlenków jest o wiele więcej), dochodzi do uszkodzeń oksydacyjnych, które kumulują się w mitochondriach.

W trakcie badań laboratoryjnych ustalano, że ponadtlenki uszkadzają klastry żelazowo-siarkowe obecne w komponencie TCA zwanym akonitazą. Wolne żelazo reaguje z H2O2, tworząc rodniki hydroksylowe. Oprócz tego za sprawą syntazy NO w mitochondriach powstaje tlenek azotu (NO). Przenika on też do mitochondriów z cytozolu. NO reaguje z tlenem, tworząc kolejny wolny rodnik – nadtlenkoazotyn. Te dwa typy wolnych rodników (oraz inne) wyrządzają znaczne szkody zarówno w mitochondriach, jak i innych elementach komórki.

Wszystko to uzależnione jest jednak od dostępności paliwa i tlenu. Wyobraźmy sobie na przykład osobę żyjącą w rozwijającym się kraju, nękanym przez klęskę głodu. Osoba taka cierpi na niedobór paliwa, a wskutek tego bardzo mało elektronów przemieszcza się po ETC. Choć tlen dostępny jest w dużych ilościach, wolne rodniki zwykle nie przeciekają tylko z powodu braku elektronów.

Teraz wyobraźmy sobie z kolei dobrze odżywionego profesjonalnego sportowca podczas treningu. Komórki w jego mięśniach mają dużo paliwa, ale także wysokie zapotrzebowanie na energię. Elektrony płyną po ETC bez przeszkód, kierując się w stronę tlenu, i dochodzi do stosunkowo niewielu przecieków wolnych rodników, ponieważ ATP jest nieustannie zużywany.

Co się jednak dzieje w przypadku dobrze odżywionej osoby prowadzącej siedzący tryb życia? W tym przypadku mitochondria mają pod dostatkiem paliwa, ale komórki nie zużywają wytworzonego ATP. Stężenie ATP utrzymuje się na wysokim poziomie, mimo że obrót jest niewielki. Przy tak niskim zapotrzebowaniu na ATP w ETC gromadzą się nadmierne ilości elektronów. Mamy tu do czynienia z dużym zapasem tlenu oraz wysoce reaktywnych elektronów, więc tempo przenikania wolnych rodników jest duże. Przewyższa ono potencjał przeciwutleniaczy, w wyniku czego dochodzi do utlenienia lipidów w błonach mitochondrialnych. Ten proces uwalnia cytochrom c (który zwykle transportuje elektrony z kompleksu III do kompleksu IV) z wewnętrznej błony mitochondrium do przestrzeni międzybłonowej. Na tym etapie przepływ elektronów wzdłuż ETC zostaje zupełnie zatrzymany. Początkowe sekcje ETC zostają zapchane elektronami, które nieustannie przeciekają, tworząc więcej wolnych rodników. Gdy ten stres oksydacyjny przekroczy pewną granicę, pory w zewnętrznej błonie mitochondriów otwierają się, inicjując pierwszy etap samobójstwa komórki.

Mitochondrialna kontrola nad życiem i śmiercią

Najważniejszą być może funkcją mitochondriów (zaraz po produkcji energii) jest sterowanie śmiercią komórek. Gdy komórki się zużywają lub ulegają nieodwracalnym uszkodzeniom, zostają zmuszone do popełnienia samobójstwa, czyli apoptozy. Jeśli mechanizmy regulujące proces apoptozy zawiodą, może to doprowadzić do powstania nowotworu, i to właśnie dlatego apoptoza ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania i organizacji pracy organizmów wielokomórkowych. Procesem tym sterują mitochondria.

Organizmy wielokomórkowe składają się z identycznych komórek wykonujących określone funkcje z korzyścią dla całego organizmu. To unikalna sytuacja, ponieważ wszystkie formy życia mają wrodzoną potrzebę przetrwania za wszelką cenę. Skoro tak, to dlaczego i w jaki sposób komórki wchodzące w skład organizmu wielokomórkowego dotarły do etapu, w którym posłusznie (przeważnie) wykonują polecenia nakazujące im popełnienie samobójstwa w słusznej sprawie? Proces ten najpewniej wykształcał się przez setki milionów lat, a egzekwowanie tak altruistycznego zachowania stało się domeną mitochondriów, bez pomocy których organizmy wielokomórkowe nabawiłyby się wielu guzów i zapewne uległyby nowotworowi na bardzo wczesnym etapie życia.

Aby móc żyć w społeczeństwie i czerpać wszystkie związane z tym korzyści, jednostka musi dostosować się do stylu życia, który służy dobru ogółu, i zrezygnować z niektórych egoistycznych potrzeb. Niestety nowotwory to zjawisko powszechne, ponieważ samolubne komórki od czasu do czasu wymykają się strażnikom i unikają kary śmierci. Komórki te rozmnażają się bez opamiętania, nie zważając na konsekwencje, jakie ich czyny wywierają na społeczność. Jak na ironię, te niepodporządkowane komórki w końcu sprowadzają śmierć na cały organizm, a związku z tym także na siebie.

Aby zapobiec podobnej sytuacji, mitochondria ewoluowały tak, aby odgrywać istotną rolę w cywilizowanej śmierci komórki. Odbywa się to poprzez odbieranie różnego typu sygnałów z wielu źródeł. Jeżeli ogólny obraz sytuacji skonstruowany na podstawie wszelkich możliwych sygnałów wskazuje, że komórka nie działa już prawidłowo albo nie służy dobru ogółu, mitochondria inicjują procedurę jej samozniszczenia. Proces ten zaczyna się od aktywowania określonych receptorów i szlaków angażujących nie tylko mitochondria, ale też inny typ organelli, zwany retikulum endoplazmatycznym. W wielu postaciach apoptozy głównym wydarzeniem jest aktywacja kanału indukującego apoptozę w mitochondriach (mAC4) za