Мітохондрії і теорія раку варбурга - рак: експерименти і гіпотези
Мітохондрії, силові установки клітини, - наріжний камінь найстарішої біохімічної теорії раку, яка вбачає передумову для злоякісного росту в пошкодженні клітинного дихання і в «аеробному гліколізі». У 1923 р Отто Варбург відкрив процес гліколізу в опухолях- в 1955 р він сформулював свою теорію на підставі ряду спостережень і гіпотез.
Виробництво енергії і дихальна ланцюг
Так звана дихальна ланцюг локалізується в мітохондріях. Вона складається з декількох ферментів, послідовно «спалюють» з киснем водень з поживних речовин. Для наших цілей достатньо уявити цю дихальну ланцюг у вигляді «чорного ящика», в який вводяться 02 і Н2 (у формі відновленого коферменту НАДН) і який видає в значних кількостях енергію (АТФ) і воду.
гліколіз
При розпаді глюкози до піровиноградної кислоти АТФ виробляється безпосередньо, тобто без участі дихального ланцюга. (Для ознайомлення з деталями рекомендуємо читачеві заглянути в підручник біохімії.) Виробництво АТФ в цій системі в порівнянні з високим виходом АТФ в результаті окисного фосфорилювання в дихальному ланцюзі незначно, зате вироблення цієї незначної кількості АТФ забезпечується навіть за відсутності кисню.
Але і тут є свої проблеми: розпад кожної молекули глюкози до піровиноградної кислоти вимагає відновлення двох молекул НАД до НАДН. Однак запас НАД
в клітці обмежений, тому розпад глюкози в кінцевому підсумку припиняється. Катаболізм глюкози може тривати лише при відповідному окисленні НАДН.
Така регенерація НАД можлива в результаті лактатдегідрогеназной реакції - ферментативного перетворення піровиноградної кислоти в молочну:
На кожну утворюється молекулу молочної кислоти доводиться одна молекула НАД, що забезпечує перетворення ще однієї половини молекули глюкози. Шлях від глюкози до молочної кислоти називають лактатним гліколізом- таким чином, в енергію без участі кисню може бути перетворено стільки глюкози, скільки буде потрібно. Правда, гліколіз - погана заміна дихання. При гліколізі виробляється лише 52 ккал / моль глюкози (2 благаючи АТФ), а при диханні 686 ккал / моль (38 молей АТФ).
Манометрический метод вимірювання інтенсивності дихання і гліколізу по Варбург
Як відомо, в процесі дихання поглинається кисень. Якщо посудину, що містить клітини (суспензії клітин, зрізи тканини), з`єднати з манометром, то можна безпосередньо отримати дані щодо поглинання кисню. Варбург ввів поняття дихального коефіцієнта Qo2-кількості кисню в кубічних міліметрах, поглиненого 1 мг тканини (суха вага) при насиченні киснем при 38 ° С протягом 1 год.
Манометрический метод Варбург застосував і для вимірювання концентрації утворюється молочної кислоти. При утворенні 1 благаючи молочної кислоти вивільняється 1 моль С02 з бикарбонатного буфера, і виділення вуглекислоти вимірюється манометричні. Тут також був запропонований коефіцієнт (Qмn2 або Qмо2), що визначає кількість вуглекислоти в кубічних міліметрах, що вивільняється в 1 мг тканини протягом 1 ч. Індекси N2 або 02 вказують на умови, в яких проводилися вимірювання, - в атмосфері азоту (анаеробно) або кисню (аеробно).
Гліколіз в ракових клітинах
Високий рівень гліколізу в асцитної клітинах вперше був відзначений в 1952 р в лабораторії Варбурга (Берлін - Далем) - згодом цього було знайдено неодноразове підтвердження в інших дослідженнях. Але ще в 1923 р Варбург, аналізуючи поглинання кисню і утворення молочної кислоти в зрізах солідних пухлин, виявив, що вони поглинають менше кисню і утворюють більше молочної кислоти, ніж зрізи нормальної тканини.
Мабуть, процес дихання в ракових клітинах порушений. Чи означає це, що пошкодження в дихальної ланцюга ведуть до розвитку пухлини?
Канцерогени порушують дихання
Порушення дихання, що ведуть до розвитку пухлини, обумовлені двома жорсткими критеріями:
- Пошкодження повинні бути незворотними, оскільки, одного разу наступивши, вони передаються всім наступним поколінням клітин.
- Разом з тим ці пошкодження не повинні бути смертельними для клітини. Не слід очікувати, що все дихальні отрути канцерогенні.
Формулу дихальний отрута = канцероген слід читати справа наліво: все канцерогени порушують процес дихання. Нітрозаміни вписуються в цю формулу, та й класичні канцерогенні вуглеводні не є винятком. Дихання порушується також в результаті рентгенівського опромінення: «Очевидно, що канцерогенез, викликаний рентгенівським опроміненням, є не що інше, як порушення дихання в зв`язку з усуненням (загибеллю) дихаючих мітохондрій» (ця цитата, як і всі наступні в цьому розділі, взята з робіт-. Варбурга).
Однак прості пошкодження дихання ще не викликають рак: «Якщо порушення дихання повинні викликати рак, то такі порушення, як вже згадувані, повинні бути незворотними». Варбург запропонував витончене рішення цієї проблеми: необхідно лише допустити, що мітохондрії є незалежними мікроорганізмами, відтворення яких не залежить від ядра. Іншими словами, мітохондрія може виникати лише з іншої мітохондрії. Це означає, що клітина, з якої «вибиті» мітохондрії, не може утворювати нових мітохондрій. Зрозуміло, сказане поширюється і на дочірні клітини.
Omne Granum е Grano
Припущення про самостійне розмноженні «дихальних гранул» висловлювалися давно. На основі чисто морфологічних міркувань (мітохондрії - це ізольовані частки зі складною структурою) робився висновок про те, що мітохондрії і справді можна розглядати як симбіонти.
Переконливе підтвердження цієї думки знайдено зовсім недавно. Як виявилося, в мітохондріях є власна ДНК, і тому вони можуть самостійно здійснювати процес транскрипції (синтез РНК).
Шлях до пухлинної клітці: відбір клітин, здатних до гликолизу
«Навіть якщо дихання в соматичних клітинах піддалося незворотних порушень, ракова клітина ще не виникла, оскільки для її утворення потрібно не тільки постійного погіршення дихання, але і посилення гліколізу, причому таке, яке енергетично компенсувало б втрати в диханні. Яким же чином здійснюється таке посилення гліколізу? »
Якщо згодовувати щурам ДАБ або діетілнітрозамін, то після тривалого прихованого періоду спостерігається посилення гліколізу в печінці до рівня, характерного для пухлин.
Рушійною силою цього процесу є дефіцит енергії, що виникає в результаті порушення дихання і змушує клітину якимось чином заповнювати втрати в енергії, викликані порушенням дихання. І клітини (як популяція) виконують цю вимогу шляхом відбору, в ході якого на озброєння береться гліколіз нормальних соматичних клітин. Клітини, в яких гліколіз недостатньо інтенсивний, гинуть, а клітини з більш інтенсивним гликолизом виживають. Такий відбір триває до тих пір, поки порушення дихання не будуть повністю компенсовані енергетичним посиленням гліколізу. Лише тоді можна вважати, що з нормальної клітини виникла клітина ракова. Крім того, прийнявши цю гіпотезу, ми починаємо розуміти, чому посилення гліколізу відбувається повільно і чому воно можливе лише після багаторазових поділів клітини.
«Неповноцінність» енергії гліколізу
«Чому - і це наш останній питання - соматичні клітини стають дедіфференцірованнимі, як тільки їх дихальна енергія замінюється енергією гліколізу»? В результаті гліколізу, так само як і в результаті дихання, виробляється АТФ, а АТФ завжди залишається АТФ.
Варбург підтримує свою тезу про неповноцінність енергії гліколізу двома аргументами - історичним і морфологічним.
З геології ми знаємо, що ще до появи кисню в атмосфері Землі існували якісь форми життя. Це були низькодиференційовані одноклітинні організми, які жили без кисню, але здатні до гликолизу. І лише коли в атмосфері з`явився вільний кисень - а сталося це близько 800 мільйонів років тому, - майже раптово почався бурхливий розвиток життя і утворилися царства рослин і тварин. Отже, evolution creatrice -результат діяльності кисню, точніше, кисневого дихання. Дорога назад дедіфференцировки високорозвинених соматичних клітин сьогодні найбільш яскраво проявляється в процесі виникнення раку.
Прй канцерогенезі клітина як би повертається до примітивних форм росту.
На додаток до історичної аналогії Варбург пояснює «неповноцінність» енергії гліколізу наступними міркуваннями: дихальна ланцюг локалізується в мітохондріях, а гликолитические ферменти - в цитоплазмі. Таким чином, АТФ, що виникає в процесі дихання, синтезується в органелле і, отже, відповідно до Варбург, має більшу «структурностью», ніж АТФ, синтезована в процесі гліколізу. «Це все одно, що опромінити дві фотопластинки однаковою кількістю світла, але в одному випадку - світла розсіяного, а в іншому - упорядкованого. На одній платівці утворюється дифузне почорніння, на іншій - малюнок ». Як кажуть філософи, порядок може виникнути лише з порядку.
Нестача кисню в пухлинної тканини
В умовах нестачі кисню ракові клітини мають суттєву перевагу перед нормальними клітинами: їм допомагає вижити гліколіз, в той час як нормальні клітини без кисню загинуть.
Правда, зовсім без кисню пухлинні клітини рости не можуть, але в них парціальний тиск кисню зазвичай нижче рівня, необхідного для нормальних клітин. Низький рівень тиску кисню в пухлині можна продемонструвати на прикладі простого експерименту. Якщо мишам ін`єктувати збудники правця, миші коли захворіють. Анаеробні збудники правця здатні розмножуватися лише в умовах кисневого голодування, а в тканинах миші тиск кисню для цього недостатньо низько. Однак, якщо цих самих збудників ін`єктувати мишам, у яких є пухлини, тварини захворіють, оскільки в пухлини мікроби знаходять середовище з низьким вмістом кисню. Цей експеримент доводить не тільки те, що пухлинні клітини можуть рости анаеробно, а й те, що в пухлинах вони дійсно ростуть анаеробно (Мальмгрен).
Ефект «мікроб - пухлина» може бути використаний і в лікувальних цілях (Мёзе): якщо пухлина господаря обробити відповідними анаеробами, то розмножуються бактерії осядуть в пухлини і вибірково зруйнують пухлинну тканину. Пухлини почнуть розм`якшуватися і врешті-решт розпадуться.
Дві фази розвитку пухлини
Варбург підсумовував свою респіраторну теорію раку в наступних, що не допускають заперечень фразах:
Процес виникнення ракових клітин з нормальних соматичних клітин складається з двох фаз. Подібно до того як захворювання чумою обумовлено сукупністю, здавалося б, не пов`язаних один з одним факторів (спекою, наявністю комах і щурів), але викликається однією лише причиною - бацилою чуми, виникнення раку пов`язано з цілою низкою чинників. Цей процес викликають кам`яновугільна смола і опромінення, миш`як і низьке парціальний тиск кисню в клітинах, уретан і пісок. Але безпосередньою причиною, до якої ведуть всі інші перераховані чинники, є необоротне порушення дихання клітин.
Далі йде друга фаза розвитку раку - тривала боротьба пошкодженої клітини за існування, боротьба, в якій частина клітин гине через брак енергії, в той час як інший частині вдається заповнити втрати енергії клітинного дихання за рахунок енергії гліколізу. Через морфологічної неповноцінності енергії гліколізу високорозвинені соматичні клітини перетворюються в дедіфференцірованние, безладно зростаючі клітини - клітини ракової пухлини.
Профілактика раку шляхом інтенсифікації дихання
З теорії Варбурга безпосередньо випливає, що інтенсифікація клітинного дихання повинна завадити розвитку пухлини. Є дивовижний приклад.
У Скандинавії виявили форму раку гортані і стравоходу, яка на своїх ранніх стадіях (так званий синдром Пламмер - Вінсона) може легко діагностуватися. Якщо таким хворим вводити в їжу коферменти дихальних ферментів (нікотинамід, флавін і солі заліза), то ця передракова стадія може бути повністю вилікувана. Отже, цю форму раку можна запобігти, і в даний час розробляються заходи до повного усунення цього захворювання шляхом додавання в їжу потрібних речовин. В даному випадку, очевидно, профілактика не представить проблем, оскільки передозування згаданих коферментів не веде до ускладнень.
Крім такої профілактики раку по Варбург, починають розробляти і метод лікування раку за Варбург (докладніше див. Стор. 258 і слід.) З використанням гліколізу.
Не всі пухлини виявляють ефект Варбурга
Якщо гліколіз є справжньою причиною виникнення ракової клітини і її основною ознакою, то, здавалося б, все пухлини повинні володіти цією властивістю. Однак в 1958 р були відкриті перші пухлини без аеробного гліколізу (Айзенберг, Поттер). Це були гепатоми з мінімальним відхиленням, трансплантуються пухлини печінки, які лише незначно відрізняються від здорової печінки. Як виявилося, між швидкістю зростання такої гепатоми і інтенсивністю гліколізу існує залежність: швидко зростаючі пухлини виробляли молочну кислоту в відчутних кількостях, в той час як повільно зростаючі пухлини виявляли лише слабку схильність до гликолизу або зовсім були до нього не здатні.
Фіг. 29.
Пізніше Берк здійснив вимірювання на таких пухлинах з мінімальним відхиленням від норми. Його результати представлені на графіку фіг. 29. На початку кривої (гліколіз печінки дорівнює 1) вказані повільно зростаючі гепатоми з дуже слабким гликолизом. Як показує крива, інтенсивність гліколізу дуже низька, але не можна стверджувати, що він зовсім відсутній.
«Нульова точка» є об`єктом суперечок: у різних авторів Q2 для печінки коливається від 1,0 до 0,6. Таким чином, величина гліколізу 1,2 для повільно зростаючої гепатоми Морріса, мабуть, лише трохи вище норми.
Але протиріччя на цьому не закінчуються: якщо клітини підтримувати в умовах кисневого голодування 48-72 год, то інтенсивність дихання в них різко знижується. Якщо таким клітинам дозволити рости потім в звичайних умовах, інтенсивність дихання в них відновлюється. Оскільки низький тиск кисню характеризує більшість пухлин, пухлинні клітини дихають не настільки інтенсивно вони, власне, і не страждають від нестачі кисню.
І дійсно, у багатьох пухлинних клітинах спостерігається «справжнє» порушення дихання-такі клітини містять менше мітохондрій і характеризуються розуміти
женной інтенсивністю дихання і посиленим гликолизом навіть після тривалого перебування на повітрі. Однак до сих пір не ясно, чи знаходяться дихання і гліколіз в зворотній залежності один від одного.
Для вирішення цього питання Пауль використовував систему клітин, трансформованих вірусом поліоми. Виявилося, що трансформовані клітини дійсно виробляють більше молочної кислоти, хоча одночасно поглинають стільки ж кисню, скільки і трансформовані клітини. Отже, вони не являють собою виключення з правила гліколізу в пухлинних клітинах, але разом з тим показують, що порушення дихання необов`язково для всіх пухлинних клітин.
Що ж стосується клітин, трансформованих вірусом поліоми, то вони нагадують ембріональні клітини: в них також не порушено дихання і в той же час спостерігається інтенсивний гліколіз. Однак в регенерує печінки гліколіз відсутня. Це означає, що зростання сам по собі ще не означає автоматичного посилення гліколізу. Чому пухлинні клітини, що володіють інтенсивним гликолизом, проявляють автономний зростання, а зростання ембріональних клітин піддається регулюванню, залишається поки нез`ясованим.
Інтенсивність гліколізу корелює зі швидкістю зростання пухлини
На серії гепатит Морріса вдалося показати, що в повільно зростаючих пухлинах гліколіз протікає слабо, між тим як швидко зростаючі пухлини мають значно більш інтенсивним гликолизом. Відповідно дихання в них порушено, а число мітохондрій знижено.
Берк отримав аналогічні дані на пухлинних клітинах in vitro. Він порівнював дві лінії пухлинних клітин, які відбулися з однієї і тієї ж клітини, але в яких після багаторазових пасажів була досягнута різна ступінь злоякісності. У менш злоякісної лінії гліколіз був мінімальним, в той час як більш злоякісна лінія виявила високу інтенсивність гліколізу.
У недавніх дослідженнях дихальних і гликолитических ферментів нормальної печінки і пухлин Вайнхауз виявив, що високо диференційовані гепатоми з мінімальним відхиленням мають такий же набір ізоферментів, як і нормальні клітини дорослої печінки, і тим не менш виявляють високу злоякісність і вбивають господаря.
Однак навіть в тих випадках, коли інтенсивність гліколізу та швидкість зростання корелюють один з одним, це ще не означає, що гліколіз - єдиний і, можливо, вирішальний фактор, що визначає швидкість патологічного зростання. Чому б гликолизу же не бути наслідком неопластической трансформації, а не її причиною? На питання про те, чи є порушення дихання і гліколізу дійсно первинними факторами в канцерогенезі, Варбург відповідав, що він не уявляє собі що-небудь більш первинне, ніж дихання і гліколіз. Тим часом експерименти Вайнхауз майже доводять що порушення дихання - наслідок, а не причина утворення пухлини.
висновок
Порушення дихання і посилення гліколізу в багатьох пухлинних клітинах становлять суть теорії виникнення раку по Варбург. Рак, мабуть, не що інше, як повернення до примітивних способів існування «дійсних» одноклітинних організмів.
Навіть якщо не всі пухлини здатні до гликолизу, все ж темп росту пухлини знаходиться в прямому співвідношенні з інтенсивністю гліколізу.
