Ученые обнаружили ключевую роль протонов и супероксид-ионов в дыхательной цепи

Исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) и CIBER-BBN в сотрудничестве с командами из Университета Барселоны (UB) и Института химических исследований — cicCartuja, Университет Севильи-CSIC, обнаружили, что дальний перенос заряда между двумя ключевыми белками митохондриальной дыхательной цепи — цитохромом c и дыхательным комплексом III — опосредован протонами и супероксид-ионами, которые являются активными формами кислорода.

Исследование было опубликовано в журнале Small под руководством Пау Горостицы, профессора ICREA и руководителя группы Nanoprobes and Nanoswitches в IBEC. Первым автором стала Анна Лагунас, старший исследователь группы Nanobioengineering в том же центре. Оба также являются членами CIBER-BBN.

Эта фундаментальная работа имеет двойное значение: она улучшает понимание регуляции клеточного дыхания и может вдохновить на новые приложения в развивающихся областях.

"Понимание этих базовых механизмов необходимо, потому что митохондрии — это энергостанции клеток, и их дисфункция связана со многими заболеваниями", — объясняет Лагунас. "Более того, это открытие может вдохновить на разработку новых протонных устройств, эквивалентных электронным, но работающих с положительным зарядом", — добавляет Горостица.

Данная работа завершает линию исследований, которую эти команды совместно развивали годами. Первые результаты были опубликованы в 2018 году, когда исследователи показали, что два белка могут передавать электроны на большие расстояния через водный раствор без образования стабильного комплекса.

Затем, в 2022 году, было опубликовано второе исследование, раскрывающее, как фосфорилирование регулирует этот процесс и его значимость в клеточной сигнализации. Новая статья завершает эту "трилогию". "Это три части одной истории. Эта глава оставляет некоторые интригующие вопросы без ответа, но дает нам гораздо более широкую перспективу того, как может работать этот фундаментальный механизм", — отмечает Пау Горостица.

Фундаментальная роль протонов

Чтобы обнаружить "посредника" дальнего электронного транспорта через воду, команда провела несколько экспериментов. Во-первых, они варьировали кислотность раствора (т.е. концентрацию протонов) в диапазонах, совместимых со стабильностью белка, и наблюдали, что транспорт был более эффективным в слабокислых условиях (с более высокой концентрацией протонов).

Затем они заменили обычную среду на тяжелую воду — вариант воды, в котором атомы водорода заменены на дейтерий, более тяжелую форму водорода, — и обнаружили, что это затрудняет процесс. Оба результата указывают на важную роль протонов в переносе заряда.

Наконец, они повторили измерения в растворах с разной концентрацией растворенного кислорода и обнаружили, что отсутствие кислорода сокращало расстояние, на котором белки могли переносить заряды.

"Эти результаты указывают на центральную роль протонов и кислорода в этом механизме. Все свидетельствует о процессе переноса электрона, сопряженного с переносом протона (PCET), при котором обмен электроном тесно связан с обменом протоном. Этот процесс может включать механизмы транспорта протонов, такие как механизм Гротгуса, при котором цепи молекул воды передают протон друг другу, как будто держась за руки", — объясняет Лагунас.

Исследователи также предполагают, что супероксид-анион, относительно стабильная активная форма кислорода, естественным образом продуцируемая комплексом III, также может действовать как посредник в этом процессе.

С биологической точки зрения профессора Ирене Диас-Морено и Мигель А. де ла Роса подчеркивают важность этого открытия. Они объясняют, что "эффективность митохондриального дыхания напрямую влияет на способность клетки производить АТФ, 'энергетическую валюту', поддерживающую все жизненные процессы.

"В переполненной клеточной среде оптимизация переноса электронов необходима для максимального использования доступной энергии, избегая потерь и снижая неконтролируемое производство активных форм кислорода.

"Следовательно, понимание того, как протоны и супероксид опосредуют дальний перенос, расширяет наши базовые знания и дает представление о том, как регулируется энергетическая эффективность клетки, а также о том, что происходит, когда этот процесс нарушается при метаболических и дегенеративных заболеваниях".