Протоном по мембране: Физики установили механизм транспорта протонов в митохондриях

Международная группа ученых в партнерстве с биофизиками НИТУ «МИСиС» смогла ответить на несколько вопросов, которыми занимается огромное количество ученых по всему миру.

Исследователи многих стран пытаются понять, как разнообразная еда, поглощаемая человеком, превращается в вещество, снабжающее энергией каждую нашу мышцу. 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 при помощи нескольких механизмов частично рвется на более мелкие части и даже молекулы. 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 — обязательную органеллу для клеток большинства живых организмов — животных, растений, грибов.

Попадая в митохондрию, пируваты — части глюкозы последовательно окисляются. Неподалеку в митохондрии плавает никотинамидадениндинуклеотид (NAD), у которого из-за этого окисления отщепляется протон. Этот протон каким-то способом попадает в часть митохондрии, ответственную за синтез АТФ (аденозинтрифосфата) — «человеческого бензина», на котором работает весь наш организм. До последнего времени не было понятно, как именно они туда попадают. Ведь эти протоны могут уплывать, куда им вздумается, но почему-то держатся около мембраны, «кучкуясь» прямо у входа в круговые ворота «реактора по синтезу АТФ». Российские ученые из НИТУ «МИСиС» в кооперации с австрийскими коллегами, проведя филигранные эксперименты, теперь знают, почему получается именно так.

«Совместная научная работа, возглавляемая директором Института биофизики Университета имени Иоганна Кеплера (Австрия) профессором Петером Полем, — отметила ректор НИТУ „МИСиС“ Алевтина Черникова. — яркий пример синтеза компетенций в фундаментальной биофизике и вычислительной математике, который помогает открывать важнейшие механизмы органической жизни, а в дальнейшем и управлять ими. В рамках этой работы российские исследователи поддерживались направлением „Материалы и технологии для повышения продолжительности и качества жизни“, которое одной из стратегических академических единиц „дорожной карты“ университета, реализуемой в рамках Программы повышения конкурентоспособности российских вузов».

Суть открытия 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 (H) и одного атома кислорода (O). 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 по-особому, 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».

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.

Рис. с зелеными фрагментами.

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.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»