Электростанции клетки: молекулярные машины для эффективного производства энергии

Митохондрии, часто называемые электростанциями клеток, играют ключевую роль в производстве энергии, необходимой для всех жизненно важных процессов. Исследователи из Базельского университета в Швейцарии использовали криоэлектронную томографию, чтобы изучить архитектуру митохондрий с беспрецедентным разрешением. Результаты их работы, опубликованные в журнале Science, показали, что белки, отвечающие за выработку энергии, объединяются в крупные «суперкомплексы», которые играют решающую роль в обеспечении клетки энергией.

Митохондрии присутствуют в клетках большинства живых организмов, включая растения, животных и людей. Их основная функция заключается в производстве АТФ — универсальной энергетической валюты клеток. Для этого митохондрии используют кислород и углеводы, преобразуя их в энергию с помощью дыхательных комплексов — белков, которые работают вместе в процессе генерации энергии. Хотя эти комплексы были открыты 70 лет назад, их точная организация внутри митохондрий долгое время оставалась загадкой.

С помощью криоэлектронной томографии исследователи под руководством доктора Флорана Вальца и профессора Бена Энгеля смогли визуализировать дыхательные цепи непосредственно внутри клеток с высоким разрешением.

Они обнаружили, что дыхательные белки организуются в определенных областях митохондриальных мембран, образуя один основной тип суперкомплекса. Эти суперкомплексы перекачивают протоны через мембрану, а комплексы производства АТФ используют этот поток для генерации энергии.

Исследование проводилось на клетках водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Ученые были удивлены, обнаружив, что все белки организованы в суперкомплексы, что, вероятно, делает производство АТФ более эффективным, оптимизирует поток электронов и минимизирует потери энергии.

Кроме того, исследователи изучили мембранную архитектуру митохондрий, которая напоминает легочную ткань с множеством складок, увеличивающих площадь поверхности для размещения дыхательных комплексов.

В будущем ученые планируют выяснить, почему дыхательные комплексы взаимосвязаны и как это повышает эффективность клеточного дыхания и производства энергии. Эти исследования могут иметь важное значение для биотехнологий и здравоохранения, помогая понять, как нарушения в этих комплексах способствуют развитию заболеваний у человека. Изучение архитектуры суперкомплексов у других организмов также может раскрыть эволюционные адаптации и фундаментальные принципы их организации.