"Человеческая электростанция": как работают молекулярные станки в клетках

МОСКВА, 18 окт — РИА Новости, Анна Урманцева. Каждая наша клетка представляет собой цех, наполненный станками. Станки вмонтированы в мембраны митохондрий — микроскопических энергетических центров. Они служат для производства АТФ (аденозинтрифосфат) — это "человеческий бензин", на котором работает весь наш организм. Сотни триллионов митохондрий ежесекундно "гудят" от "рева" проворачивающихся робототехнических устройств на протонной тяге. В маленькую дырочку попадает фосфат, который проваливается в контейнер, за счет электрического тока протонов приобретает там новые химические свойства, а потом вываливается в шланг, по которому поступает внутрь митохондрии для присоединения к другим фосфатам для образования молекулы АТФ. Аденозинтрифосфат Неужели эта промышленная картина может быть частью нашего организма? И откуда в наших клетках эти "станки"? И как там оказываются протоны? И неужели устройства, напоминающие круговые двери в супермаркетах, могут в количестве миллионов штук "населять" нас изнутри?Все эти вопросы, а также ответы на них родились у микробиологов и биофизиков, которые хотели понять, как разнообразная еда, поглощаемая человеком, превращается в вещество, снабжающее энергией каждую нашу мышцу. Оказывается, цикл превращений так сложен, что изложение его в подробностях может составить текст солидной книги. Но вкратце это можно представить так: после того как пища пережевана и проглочена, она попадает в желудок, где подвергается различным видоизменениям, позволяющим дальнейшее всасывание. Процесс пищеварения продолжается в тонком кишечнике под воздействием различных пищевых ферментов. Там происходит превращение углеводов в глюкозу, расщепление липидов и белков. Потом глюкоза попадает в клетку. Там она распадается пополам на две составляющие — и в таком виде (это называется пируват) попадает в митохондрию. Схема строения митохондрии Митохондрии — это обязательная часть клеток большинства живых организмов — животных, растений, грибов. По одной из версий, митохондрии когда-то были самостоятельными организмами и жили отдельно от нас, поэтому до сих пор сохранили свой геном (митохондриальный). То есть в каждой клеточке любого человека сидит существо со своим геномом! Но в какой-то момент, еще в древности, они слились с нашими клетками, обеспечивая им переработку пищи в энергию. Это плодотворное сотрудничество, выгодное обоим организмам, называется симбиозом и продолжается до сих пор. Итак, попадая в митохондрию, пируваты — части глюкозы (в цикле Кребса) последовательно окисляются. Цикл трикарбоновых кислот Неподалеку в митохондрии плавает никотинамидадениндинуклеотид (NAD), у которого энергия окисления при переходе на эту молекулу вызывает отщепление протона. Вот! Наконец-то в сложной схеме превращений возник тот самый протон, который необходим для синтеза молекулы АТФ. На нашей главной иллюстрации эти протоны носятся в быстром темпе над мембраной митохондрии, прежде чем попасть в "станок". На самом деле, до последнего времени не было понятно, как именно они туда попадают. Ведь эти протоны могут уплывать куда им вздумается! Однако почему-то они держатся около мембраны, "кучкуясь" прямо у входа в круговые ворота "станка". Российские ученые НИТУ "МИСиС" в кооперации с австрийскими коллегами из Института биофизики Университета имени Иоганна Кеплера (Линц), проведя филигранные эксперименты, теперь знают, почему же так получается. Сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ "МИСиС" Сергей Акимов Поясняет сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ "МИСиС" Сергей Акимов: "Протоны, двигаясь внутри митохондрии, пребывают в воде. Известно, что молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода (H1) и одного атома кислорода (O16). Помимо химической связи внутри одной молекулы воды, эти атомы могут образовывать слабые связи с соседними молекулами воды, называемые водородными связями. Вблизи поверхности мембраны эти связи в молекуле воды образуются особым образом, поскольку с одной стороны находится вода, с другой — "стенка". Водородные связи вблизи мембраны другие, у них другое число, другая структура. Именно их протон и использует в качестве "рельсов" для продвижения вперед вдоль мембраны. Наше исследование показало, что ему "нравится" эта структура, он не уплывает вглубь митохондрии, а аномально быстро носится вдоль мембраны". Так происходит "захват" протонов для образования самой главной энергетической молекулы нашего тела — АТФ. Они используются для любого нашего движения, поддержания температуры тела и так далее. АТФ представляет собой универсальный "аккумулятор", поставляющий энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. Таким образом обеспечивается синтез белков, углеводов, жиров, движение жгутиков и ресничек, транспорт веществ, избавление клетки от отходов. При расщеплении АТФ — разрядке "аккумулятора" — выделяется нужная нам энергия. Схема переноса протонов через мембрану митохондрии и синтеза АТФ. Окисление органических соединений в матриксе митохондрии сопровождается последовательным переходом электронов (красная стрелка) по белковым комплексам дыхательной цепи митохондрии (светло-зеленые белки). Энергия, выделяющаяся при этих переходах электронов, расходуется на перенос протонов (тонкие голубые стрелки) через мембрану с помощью вспомогательной молекулы НАД (никотинамидадениндинуклеотид). В конечном итоге, электроны попадают на кислород, к нему присоединяются протоны, и в матриксе митохондрии образуется вода. Протоны, накопившиеся на наружной стороне мембраны, могут вернуться обратно в матрикс митохондрии только через специальные ворота - АТФ-синтазу. При протекании протонов, в активном центре АТФ-синтазы к аденозин-ди-фосфату - предшественнику молекулы АТФ, - присоединяется фосфат, и получается аденозин-три-фосфат, т.е. АТФ.Схема переноса протонов через мембрану митохондрии и синтеза АТФ. Окисление органических соединений в матриксе митохондрии сопровождается последовательным переходом электронов (красная стрелка) по белковым комплексам дыхательной цепи митохондрии (светло-зеленые белки). Энергия, выделяющаяся при этих переходах электронов, расходуется на перенос протонов (тонкие голубые стрелки) через мембрану с помощью вспомогательной молекулы НАД (никотинамидадениндинуклеотид). В конечном итоге электроны попадают на кислород, к нему присоединяются протоны, и в матриксе митохондрии образуется вода. Протоны, накопившиеся на наружной стороне мембраны, могут вернуться обратно в матрикс митохондрии только через специальные ворота — АТФ-синтазу. При протекании протонов в активном центре АТФ-синтазы к аденозин-ди-фосфату, предшественнику молекулы АТФ, присоединяется фосфат, и получается аденозин-три-фосфат, то есть АТФ. Полученные результаты фундаментального исследования приближают ученых к пониманию глобальных механизмов генерации энергии в клетках, а также открывают перспективы перед фармакологией. Результаты работы могут быть использованы для разработки препаратов, нейтрализующих действие разобщительных ядов, а также для профилактики заболеваний, связанных с гиперфункцией щитовидной железы. При этих патологиях в митохондриях накапливаются так называемые вещества-разобщители — слабые жирорастворимые кислоты, которые эффективно связывают протоны, что приводит к общему снижению синтеза АТФ. Новые знания, полученные российскими учеными, позволяют понимать, что нужно сделать для того, чтобы восстановить энергию человека на уровне каждой клетки.