Подтверждён новый механизм сохранения энергии в клетках

Исследователи экспериментально подтвердили теорию, впервые предложенную почти 40 лет назад, и открыли новый способ, которым клетки сохраняют энергию.

Исследование под руководством Уильяма Меткалфа, профессора молекулярной и клеточной биологии Университета Иллинойса, опубликовано в mBio. Оно даёт учёным лучшее понимание того, как организмы сохраняют энергию и функционируют как часть глобального углеродного цикла.

Все живые организмы нуждаются в сохранении энергии для движения, роста и размножения. Клетки сохраняют энергию, создавая молекулу АТФ, обычно за счёт создания химического градиента через свою мембрану, что даёт энергию для синтеза АТФ.

Есть несколько способов создать этот градиент — растения используют световую энергию через фотосинтез, а люди и животные — химическую энергию. Эти методы хорошо изучены, но в 1981 году учёный Гарри Пек предложил другой механизм сохранения энергии: процесс, названный водородным циклом (hydrogen cycling).

Водород может легко проходить через клеточные мембраны. Пек предположил, что водород внутри клетки может диффундировать наружу, где ферменты будут снова захватывать его и производить ионы водорода, создавая необходимый для сохранения энергии химический градиент.

Теория была широко раскритикована. Критики утверждали, что клетке будет слишком сложно таким образом реутилизировать водород.

"Никто по-настоящему в это не верил", — сказал Меткалф. — "У большинства был огромный скептицизм на этот счёт".

Восемь лет назад Меткалф и его лаборатория изучали метаногенные организмы, которые используют газообразный водород для роста. Эти организмы используют набор ферментов — гидрогеназ — для создания и потребления водорода.

Создавая мутанты этих гидрогеназ, учёные обнаружили, что при отключении гена гидрогеназ клетки погибали, но при этом начинали производить большое количество водорода.

"Это привело нас к идее, что наши метаногенные клетки на самом деле занимаются именно водородным циклом", — сказал Меткалф. — "Эта идея Гарри Пека из 80-х, в которую никто не верил, оказалась, вероятно, верной".

Дальнейшие эксперименты показали, что клетки гибли, потому что теряли способность реутилизировать водород.

"Мы смогли показать, что при потере способности к реутилизации водорода клетки не только гибнут, но и выделяют огромные его количества", — отметил Меткалф. — "Это действительно первые экспериментальные доказательства, убедительно показывающие, что водородный цикл является механизмом сохранения энергии".

После многих лет критики идея Пека была доказана — по крайней мере, для этих метаногенных клеток. Однако Меткалф считает, что водородный цикл, вероятно, распространён и у других организмов.

"Гарри Пек был не только прав, но, вероятно, это происходит постоянно в природе", — сказал он.

Механизм оставался незамеченным по двум причинам:

1. Во многих случаях мутации, нарушающие его, летальны, что не позволяло доказать его существование.
2. Клетки имеют резервный метод сохранения энергии на случай, если водородный цикл невозможен, что позволяет им выживать.

"Они предпочитают использовать водородный цикл, но у них есть альтернативы", — пояснил Меткалф. — "И поэтому по этим двум причинам этот интересный механизм сохранения энергии, к которому стремятся все клетки, оставался скрытым на виду".

Понимание этого механизма важно, потому что организмы, использующие водородный цикл, играют ключевую роль в глобальном углеродном цикле.

"Это ключевой элемент сохранения энергии и, следовательно, того, как эти организмы адаптируются и растут", — заключил Меткалф. — "Это заполняет пробел в знаниях о том, как функционируют эти организмы".