Протоном по мембране: Физики НИТУ «МИСиС» установили биохимический механизм транспорта протонов в митохондриях

Микробиологи и биофизики НИТУ «МИСиС» смогли 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. «Совместный научный проект с учеными из Института биофизики Университета имени Иоганна Кеплера (Австрия) возглавляет заведующий кафедрой теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС», д.ф.-м.н, профессор Сергей Мухин, – отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. – Синтез компетенций в фундаментальной физике и микробиологии помогает открывать важнейшие механизмы органической жизни, а в дальнейшем и управлять ими. Этот научный проект - часть направления «Материалы и технологии для повышения продолжительности и качества жизни» - является 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.