Наши клетки получают энергию от питательных веществ, но сами эти вещества проходят довольно сложный биохимический путь, во время которого энергия, заключённая в них, становится доступной для использования клеткой. Белки, жиры и углеводы окисляются в цепочках ферментативных реакций, и энергия, аккумулированная в их химических связях, переходит в молекулы НАД и ФАД — коферменты, которые принимают электроны, освобождающиеся при окислении питательных веществ.
Но ни ФАД, ни НАД не годятся на роль стабильных хранителей легкодоступной энергии, и потому энергетические электроны от них направляются дальше, в так называемую дыхательную цепь переноса электронов.
Эта цепь состоит из нескольких молекулярных комплексов, располагающихся во внутренней мембране митохондрий. Комплексы осуществляют передачу электронов на кислород, который в итоге выступает главным конечным окислителем. В результате электронного тока идущего по мембране, на ней создаётся протонный потенциал: протоны выводятся на другую сторону мембраны и используются ферментом АТФ-синтазой для синтеза молекул АТФ с высокоэнергетическими связями. Энергия, запасённая в АТФ, находится в довольно стабильной форме и при этом легко может быть использована по первому требованию. Именно АТФ считается основным переносчиком энергии в клетке, и поэтому митохондрии называют главными энергетическими станциями клетки.
Дыхательная цепь и устройство митохондрий изучалось долго и подробно, и в 1990-х казалось, что молекулярная картина происходящего стала окончательно ясной: были расшифрованы структуры дыхательных комплексов. Однако все сведения, касающиеся работы митохондрий, не смогли объяснить природу некоторых заболеваний, которые были связаны с этим органеллами. Нельзя было понять ни то, отчего возникают такие заболевания, ни их механизм. И тогда некоторые исследователи впервые задумались над тем, так ли уж полно мы представляем себе механизм работы митохондрий. Более того, появились предположения, что у митохондрий есть ещё какие-то функции, о которых мы не знаем.
Специалистам из Национального центра сердечно-сосудистых исследований (Испания) удалось обнаружить одно из таких несовпадений между теорией о митохондриях и самими митохондриями. Оказалось, что те самые комплексы, которые перекачивают электроны к кислороду, работают не так, как все думали. Этих комплексов в мембране митохондрий существует пять видов, и считалось, что они свободно плавают в мембране, а их расположение не зависит друг от друга. На самом же деле эти молекулярные машины взаимодействуют друг с другом, образуя устойчивые суперкомплексы. То есть, например, комплекс I может стабильно объединяться с комплексом IV, а может, наоборот, всячески от него отталкиваться.
Но от чего зависит объединение и разобщение комплексов? От того, из какого источника в данный момент поступает энергия. Как уже сказано, энергетические электроны от питательных веществ идут на коферменты НАД и ФАД. В зависимости от соотношения этих коферментов дыхательные комплексы группируются в различные суперкомплексы, чтобы с наибольшей эффективностью осуществлять перенос электрона. Но соотношение заряженных НАД и ФАД зависит от состава питательных веществ, то есть от нашего рациона. Получается, что митохондрии внимательно следят за тем, что мы едим, и в зависимости от диеты корректируют структуру дыхательной цепи. С другой стороны, разные вид клеток испытывают разную потребность в энергии, и это тоже может влиять на структуру дыхательных комплексов: в нейронах они могут складываться в одни суперкомплексы, а, например, в мышечных клетках — в другие.
Попутно исследователи под руководством Хосе Антонио Энрикеса сделали ещё одно весьма обескураживающее открытие. Они обнаружили, что у одной из самых популярных линий лабораторных мышей митохондрии не в состоянии правильно собирать дыхательные суперкомплексы. А это значит, что результаты экспериментов на таких животных вряд ли можно распространять на других млекопитающих, включая человека, у которых митохондрии работают так, как надо.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Подготовлено по материалам Medical Xpress.
