Живи сме само докато се рушим: защо клетките трябва да разграждат протеините, за да оцелеят
Наблюдавайки живата природа, ни се коства, че еволюцията се стреми да сведе до най-малко разноските: пчелните пити са завършени като шестоъгълници, с цел да се изразходва по-малко восък, черупките на мекотелите порастват в логаритмична серпантина, с цел да се пести сила, а метаболизмът на животните е строго контролиран от законите на термодинамиката. Според тази логичност идеалният организъм би трябвало да се състои от най-здравите и издръжливи съставни елементи, които не се нуждаят от честа замяна.
На молекулярно равнище обаче животът се държи по тъкмо противоположния метод. В клетките се следи непрестанен развой на основаване и разрушение на комплицираните структури. Протеините се синтезират единствено за минути, клетъчните скелети се разграждат незабавно след сглобяването им, а цели органели наложително се изхвърлят.
Професор Джон Тауър от Университета на Южна Калифорния систематизира тези феномени в границите на нова теоретична идея. В своя труд той вкарва понятието „ селективно преференциална неустойчивост “ (Selectively Advantageous Instability – SAI). Същността на теорията се състои в това, че преднамерената чупливост и късият живот на обособените съставни елементи не е минус на системата, а главно изискване за нейната трудност, адаптивност и оцеляване.
Икономика на преднамерения разпад
Принципът SAI преглежда живия организъм като система, чиято съществена цел е да се самокопира. Да вземем най-простата конструкция, състояща се от две елементи: устойчиво ядро (А) и помощен съставен елемент (В).
От инженерна позиция съставен елемент В би трябвало да бъде допустимо най-надежден, с цел да не се пилеят запаси за неговото коригиране. Но биологичният модел работи по друг метод. Ако съставният елемент В се направи съзнателно неустойчив, системата получава редица неповторими преимущества, които не могат да бъдат осъществени с безконечни съставни елементи. Организмът заплаща висока енергийна цена за непрекъснатото коригиране на разрушените елементи, само че в подмяна получава функционалности, които са от решаващо значение за комплицирания живот.
Молекулярните репликатори и правилото на селективната неустойчивост (SAI) Механизмът за свръхбързо реагиране
Един от главните причини в интерес на неустойчивостта е скоростта на предаване на информацията. Клетките би трябвало незабавно да реагират на измененията в околната среда. Ако сигналните протеини бяха постоянни и се натрупваха единствено при поискване, отговорът щеше да отнеме прекалено много време: организмът щеше да би трябвало да стартира комплицираните вериги на синтез изначало.
Вместо това природата употребява механизъм на динамичното равновесие. Помислете за работата на защитните протеини, като транскрипционните фактори Nrf2 или p53 (който защищава от рак). В обикновено положение клетката непрестанно създава тези протеини и незабавно ги унищожава. Това наподобява като неефективно потребление на ресурсите. Но тази скица поддържа системата в отсрочено положение.
Веднага щом възникне опасност – да вземем за пример оксидативен стрес или увреждане на ДНК – процесът на разрушение се блокира. Тъй като индустриалният водопровод продължава да работи, а отпадният канал е затворен, концентрацията на защитния протеин в клетката се издига съвсем незабавно. Нестабилността на съставния елемент в този случай работи като най-бързия биологичен комутатор.
Структурната динамичност и придвижването
Принципът на удобната неустойчивост работи освен в химията на клетката, само че и в нейната физическа конструкция. Цитоскелетът, вътрешната рамка на клетката, е построен от микротубули и актинови влакна. Тези структури имат свойство, което биолозите назовават динамична неустойчивост.
Микротубулите в никакъв случай не са неподвижен: те или порастват, или се разпадат. Ако микротубулите бъдат химически нормализирани (направени здрави и постоянни), клетката ще загуби способността си да се дели и ще почине. Именно процесът на непрестанно сглобяване и демонтиране разрешава на хромозомите да се разминават към полюсите на клетката по време на деленето. В този случай разрушаването на структурата е единственият метод за осъществяване на механична работа. Стабилността за такава система е равносилна на гибел.
Контролът на качеството и казусът с натрупването на грешките
Всяка материална конструкция се разгражда с течение на времето. Протеините се окисляват, губят вярната си триизмерна форма или се събират в безполезни скупчвания. В една постоянна система тези повреди биха се натрупвали безпределно, което би довело до отвод на цялата система.
Концепцията на SAI предлага решение посредством непрекъсната ротация на фрагментите. Жизненоважните съставни елементи са програмирани да бъдат унищожени, преди да имат време да натрупат сериозно количество повреди. Това основава непрекъснат поток на възобновяване.
Тауер разграничава два типа метаболизъм, обвързван с разрушаването:
Катаболизъм вид 1: разграждане на разнообразни субстанции (храна) за приемане на сила. Катаболизъм вид 2: разход на сила за заличаване на личните съставни елементи за възобновяване.Именно вторият вид катаболизъм поддържа тялото във функционално положение. Отстраняването на повредените протеини и дефектните митохондрии (енергийните станции на клетката) изисква сила, само че предотвратява всеобщия отвод.
Автопоеза (самоизграждане на живата система) Еволюционната роля на неустойчивостта: парадоксът на половете
Най-мащабното приложение на теорията за SAI се открива във въпроса за произхода на половете. При множеството комплицирани организми съществува строго разделяне сред мъжкия и женския пол, а митохондриите се предават на потомството единствено от майката. Защо природата блокира предаването на митохондриите по бащина линия?
Една еукариотна клетка съдържа два самостоятелни генома: в ядрото и в митохондриите. Ако при оплождането се комбинират митохондрии от двамата родители, в клетката ще стартира конкуренция сред другите разновидности на тези органели. „ Егоистичните “ митохондрии, които се възпроизвеждат по-бързо, само че са по-лоши в производството на сила, могат да изтласкат здравите. Това събитие е известно като геномен спор.
Според хипотезата на Тауер селективната неустойчивост взема решение този проблем. В хода на еволюцията се е появил механизъм, който прави митохондриите на единия пол (мъжкия) предумишлено нестабилни. Сперматозоидът или не ги придвижва физически до яйцеклетката, или те биват интензивно унищожени незабавно след оплождането.
По този метод съществуването на два пола може да се преглежда като механизъм за контролиране на неустойчивостта. Единият пол (женският) работи като страж на стабилната линия на митохондриите, а другият (мъжкият) обезпечава генетичното многообразие на нуклеарния геном, само че жертва своите органели в името на предотвратяването на вътрешни спорове в потомството.
Токсин-антитоксинови системи и оцеляването на гените
Принципът SAI е блестящо проявен и при бактериите в по този начин наречените токсин-антитоксинови системи. Бактериите постоянно са носители на дребни кръгови ДНК молекули – плазмиди – които им придават резистентност към антибиотиците. За да се предотврати загубата на плазмида от бактерията при нейното разделяне, плазмидът кодира два протеина: постоянна отрова (токсин) и мощно неустойчив антидот (антитоксин).
Докато плазмидът се намира в клетката, той непрекъснато създава антитоксин, който обезврежда отровата. Но в случай че дъщерната клетка не получи плазмида по време на деленето, производството на антитоксин стопира. Останалият антитоксин се разпада бързо заради естествената си неустойчивост, а постоянният токсин остава и прочиства клетката.
В този модел неустойчивостта на съставния елемент (антитоксина) подсигурява, че оцеляват единствено тези кафези, които са запазили нужната генетична информация.
Системите за токсини/антитоксини Енергийната цена и стареенето
Въпреки очевидните си преимущества, тактиката на селективна неустойчивост има един главен минус – тя е скъпа от енергийна позиция. Животът съществува в положение, което е надалеч от термодинамичното равновесие, като непрекъснато употребява запаси, с цел да поддържа цикъла синтез-разпад.
Джон Тауър свързва процеса на стареене с нарушаването на това равновесие. С възрастта енергийният капацитет на организма понижава. Клетките към този момент не могат да поддържат нужната скорост на възобновяване на нестабилните съставни елементи. Системите за филтриране към този момент не могат да се оправят с потока от повредени молекули.
Когато механизмът SAI стартира да се проваля, преимуществото се трансформира в накърнимост. Нестабилните протеини не се заменят в точния момент, повредените митохондрии не се изхвърлят, а се натрупват в клетката, отравяйки я от вътрешната страна. Това, което е осигурявало адаптивност и отбрана в младостта – бързата промяна на съставените елементи – става невероятно заради липса на запаси.
Така че надеждността на биологичните системи се основава не на здравината на материалите, а на непрекъснатия поток на тяхното възобновяване. Ние съществуваме като комплицирани структури единствено тъй като съставните ни елементи са програмирани да изчезват.
(function() { const banners = [ // --- БАНЕР 1 (Facebook Messenger) --- `