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.
