Цепи в клетке: данные об устройстве митохондрий помогут лечить сердце
Ученые из НИЦ «Курчатовский институт» и МГУ им. М.В. Ломоносова при помощи суперсовременного микроскопа заглянули внутрь живой клетки и увидели, как происходит процесс передачи энергии в митохондриях. Фундаментальное открытие позволит в будущем создавать лекарства против болезней, которые связаны с нарушениями энергообмена в клетках. В их число входят, например, инсульты и ишемическая болезнь сердца, нейродегенеративные заболевания. Другое возможное практическое применение новых знаний — создание природоподобных электрических устройств, работающих на протонном токе, например биосовместимых искусственных имплантатов.
Энергичное дыхание
Научные сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» получили новые данные об универсальном механизме передачи энергии в клетках. Они выяснили, с помощью каких структур происходит перенос протонов через мембрану митохондрий в процессе клеточного дыхания. С помощью криоэлектронного микроскопа ученым удалось заглянуть внутрь клетки и рассмотреть, как в митохондриях расположены белки, образующие дыхательную цепь. Белки этой цепи используют энергию превращения кислорода в воду для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) — так называемой универсальной «энергетической валюты», которая вовлечена в работу всех энергозависимых клеточных систем.
— Процессы переноса и преобразования энергии в живых организмах должны быть оптимально организованы. Для выяснения максимально эффективных природных механизмов преобразования энергии, тщательно отобранных миллионами лет эволюции, нами и была проделана эта работа, — рассказал научный сотрудник комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Семен Нестеров.
Уже более полувека в научном мире продолжается дискуссия о том, как именно происходит трансформация энергии в клетках. Одна из гипотез — хемиосмотическая — утверждает, что она накапливается в разности концентраций ионов водорода по разные стороны митохондриальной мембраны. Сторонники другой — модели локального сопряжения — склоняются к мысли, что ионы водорода передаются по самой мембране.
Благодаря современному криоэлектронному микроскопу ученые Курчатовского института обнаружили расположение белков относительно друг друга, которое создает оптимальные условия для направленной локальной передачи энергии в форме ионов водорода по поверхности мембраны. Оказалось, что протоны переносятся по ней между ферментами на расстояние 5–10 нанометров. Открытие подтверждает состоятельность модели локального сопряжения, но не исключает, что хемиосмотическая теория в каких-то условиях также может быть верна.
Результаты исследования открывают новые возможности в борьбе с болезнями, при которых происходят нарушения в работе митохондрий. К ним относятся нейродегенеративные болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также ишемическая болезнь сердца и различные виды инсультов. Другое возможное практическое применение новых знаний — создание природоподобных электрических устройств, работающих на протонном токе. Это могут быть, например, биосовместимые искусственные имплантаты.
Круговорот протонов
Митохондрии снабжают организм энергией и делают это в два этапа. На первом этапе они сжигают питательные вещества в кислороде и откачивают положительно заряженные частицы наружу, а на втором — протоны возвращаются внутрь митохондрий и происходит синтез молекулы АТФ — источника энергии, пояснил ведущий научный сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова и гендиректор компании «Митотех» Максим Скулачёв. За эти процессы отвечают две разные системы, но из общефизических соображений было бы разумно расположить источник энергии и потребителя энергии в одном месте, образовав единый суперкомплекс, добавил он. Ученые уже долгое время строили гипотезы о существовании такого суперкомплекса, и теперь они подтвердились, подчеркнул эксперт.
— Ученым Курчатовского института удалось наконец увидеть эти образования с помощью метода криоэлектронной томографии и подтвердить существование суперкомплексов. Для биологии это удивительное событие, — сказал Максим Скулачёв.
Знания, объясняющие функционирование митохондрий клеток, позволят более точно определять терапевтические мишени, проводить диагностику митохондриальных и возрастозависимых заболеваний, включая ишемическую болезнь сердца, сказала «Известиям» заведующая лабораторией молекулярно-биологических и нейробиологических проблем и биоскрининга МФТИ Елена Петерсен. По ее словам, основываясь на этих данных, можно разработать лечение, направленное на подавление самих механизмов развития болезней. Оно позволит восстанавливать нормальное функционирование митохондрий, клеток и тканей в целом.
— Помимо каких-то функциональных характеристик работы митохондрий, теперь мы сможем сказать, где конкретно и как происходит процесс передачи энергии в клетке. Можем следить за ним, контролировать и соответственно выстраивать стратегию терапии, — сказала Елена Петерсен.
Особый интерес могут представлять дальнейшие исследования универсальности организации митохондрий в других тканях, а также механизмов регуляции этой структуры и ее физиологического значения для организма, добавила профессор Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ Елена Сарапульцева. Данные, полученные учеными Курчатовского института, могут приобрести практическое применение при создании препаратов, поддерживающих молекулярно-кластерную структуру митохондрий у пациентов с сердечной недостаточностью и возрастными заболеваниями, отметила она.
