Митохондрии могут производить энергию за счет тока ионов калия, а не протонов
Митохондрии — энергетические станции клетки — производят энергию только за счет переноса протонов через АТФ-синтазный комплекс, по крайней мере, так считалось ранее. Биологи МГУ вместе с коллегами из США, Испании и Израиля показали, что вместо протонов органеллы могут использовать ионы калия, причем такое производство энергии почти втрое эффективнее. Кроме того, именно раскрытый механизм может лежать в основе работы ряда антиишемических препаратов. Результаты работы опубликованы на страницах журнала Function.
До настоящего времени центральным принципом биоэнергетики было представление, что синтез АТФ в митохондриях происходит исключительно за счет переноса ионов водорода (протонов) через АТФ-синтазный комплекс. Последний находится во внутренней мембране митохондрий и использует трансмембранный потенциал ионов водорода для вращения своей роторной части. Это способствует протеканию реакции синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата, образующихся в результате физиологической активности клетки.
Ученые МГУ совместно с зарубежными коллегами показали, что митохондриальная АТФ-синтаза может функционировать за счет переноса не только протонов, но и ионов калия. Сама идея основана на том, что в клетке концентрация ионов калия (1,5×10-1М) в миллионы раз больше, чем концентрация протонов (4×10-8 М), хотя и АТФ-синтазная система «настроена» на предпочтительный транспорт протона.
«Эту неимоверно сложную работу удалось сделать на нескольких системах. Мы доказали наличие калиевой энергетики на одиночных молекулах АТФ-синтазы, на искусственных фосфолипидных мембранах и везикулах со встроенными молекулами комплекса, на выделенных митохондриях и кардиомиоцитах. Калиевая энергетика не только сосуществует с протонной, но она почти в три раза более эффективна по части образования АТФ», — рассказывает участник этого исследования Дмитрий Зоров, профессор, заведующий отделом функциональной биохимии биополимеров Института физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ.
Оказалось, что в отличие от протонов ионы калия осмотически активны и их перенос в митохондрии приводит к сопряженному переносу воды. При этом органелла увеличивается в размере, что ведет за собой активацию дыхания и дополнительный синтез АТФ.
Авторы также предложили решение давней проблемы идентификации так называемого АТФ-зависимого калиевого канала митохондрий. Про последний было лишь известно, что он существует, и есть целый ряд его фармакологических «открывателей», обладающих антиишемической активностью. Ученые считают, что именно АТФ-синтаза является этим каналом, что делает ее перспективной мишенью для разработки нового класса антиишемических препаратов.
