В клетках тела есть свои «электростанции» — митохондрии. Как с их помощью мы получаем энергию и почему эти микроструктуры могут быть и причиной болезней, и лекарством, выясняем в расследовании — путешествии по организму!
Митохондрии — микроскопические структуры внутри большинства наших клеток, где ни на секунду не прекращаются сотни химических реакций. С помощью этих процессов мы получаем из пищи и воздуха энергию для работы систем организма, поэтому биологи сравнивают эти микроструктуры с клеточными электростанциями.
В каждой клетке органов млекопитающих есть больше полутора тысяч митохондрий. В женской яйцеклетке их около 100 тысяч, и все наследуются потомками, а по отцовской линии дети не получают ни одной. Это знание помогло ученым проследить эволюцию наших генетических микроструктур до «митохондриальной Евы». Так назвали последнего общего предка людей по женской линии, который, по оценкам ученых, жил в Африке 200 тысяч лет назад.
Отправимся внутрь клетки, чтобы проследить, как работают «электростанции», которые питают процессы во всех тканях и органах нашего тела. В учебниках митохондрии рисуют похожими на фасолины, но в реальности они могут иметь сложную и даже ветвистую форму. «Электростанции» окружены двумя «стенами» — мембранами. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя состоит из складок и извилин для увеличения площади. Чем больше энергии требуется производить, тем больше таких выростов.
На поверхности ее складок находятся крупные белковые комплексы, которые образуют электронно-транспортную цепь (ЭТЦ). По ней передвигаются частицы с отрицательным зарядом, электроны. В конце их притягивает кислород, который мы получаем во время дыхания, поэтому ЭТЦ иногда называют дыхательной цепью. От этого движения электронов выделяется энергия. Она расходуется на работу «насоса», который выкачивает частицы с положительным зарядом, протоны, из внутреннего пространства митохондрии в зазор между наружной и внутренней мембранами. Поток протонов устремляется обратно через специальный белковый канал и тем самым вращает «лопасти» или же «турбины» фермента — АТФ-синтазы. В результате появляются молекулы АТФ — батарейки, в которых энергия хранится и транспортируется, для синтеза одной из них хватает трех-четырех протонов.
Чтобы извлечь и использовать энергетический ресурс внутри емкости-переносчика, клетка разделяет ее на части.
Во внутреннем пространстве за двумя «стенами» митохондрии проходят реакции, которые поставляют электроны для электронно-транспортной цепи. Для этих процессов требуется глюкоза — простой углевод из нашей пищи. Как и кислород, он попадает в клетки нашего тела через капилляры вместе с кровью. При полной переработке каждой молекулы глюкозы синтезируется 38 «батареек» в виде АТФ.
Энергия расходуется на любое движение, включая дыхание и переваривание пищи, на нервные импульсы, при помощи которых мы думаем и посылаем команды мышцам. За сутки наши клетки в сумме создают и расщепляют столько килограммов АТФ, сколько мы весим сами. Весь энергоресурс люди расходуют даже без тренировок в спортзале — просто чтобы оставаться живыми каждую секунду. Шутка «со стороны кажется, что я ничего не делаю, но на клеточном уровне я очень занят» как раз об этом.
В некоторых случаях «чудо-фасолины» называют не только электростанциями, но и целыми ячейками самоуправления, так как в них есть собственные ДНК и приспособления для производства белка. С помощью этого арсенала митохондрии самостоятельно создают строительные микроблоки внутри нас и молекулы для химических реакций. Если клетка перерождается в раковую или получает непоправимые дефекты, митохондриальные механизмы могут «вынести ей приговор» и уничтожить ради спасения организма.
Внутри ДНК митохондрий тоже иногда кроется угроза для организма — при поломке они вызывают наследственные заболевания. Из-за них вероятны нарушения в нервной и сердечно-сосудистой системах и другие значимые проблемы со здоровьем.
Старший научный сотрудник Центра геномных исследований Балтийского федерального университета
Другим направлением терапии на острие науки стала замена митохондрий с вредными мутациями на «здоровые» прямо в клетках живых организмов, что дает шанс на выздоровление многим неизлечимо больным.
Хочется подробнее? ТЭКgpt поможет разобраться!
