Ученые сравнивают митохондрии с аккумуляторами Тесла

Новые исследования показывают, что митохондрии, крошечные электростанции, которые живут внутри клеток и дают им энергию, работают больше как аккумуляторная батарея Тесла, чем как аккумулятор, который вы вставляете в фонарик.

Помимо эритроцитов, все клетки человеческого организма содержат одну или несколько митохондрий, а некоторые содержат тысячи. Эти внутренние клеточные структуры, или органеллы, используют кислород для создания химических единиц энергии для клетки.

Митохондрии необычны тем, что имеют две мембраны: гладкую снаружи и морщинистую, сложенную внутри.

Ученые называют складки внутренней мембраны митохондрий кристами. До недавнего времени они считали, что целью складывания было увеличение площади поверхности для производства энергии.

Однако авторы недавней исследовательской работы EMBO Journal развеяли эту идею.

Вместо этого они предлагают, чтобы криста больше походили на независимые батареи, работающие вместе в массиве, подобно аккумуляторным батареям Tesla, которые питают электромобили.

Ученые сравнивают митохондрии с аккумуляторами Тесла

Массив автономных батарей

Исследователи пришли к такому выводу после визуализации производства энергии внутри митохондрий с помощью микроскопии высокого разрешения.

«Изображения показали, что каждый из этих крист электрически независим, функционирует как автономная батарея», – говорит старший автор исследования доктор Ориан С. Ширихай, профессор медицины в области эндокринологии и фармакологии в Школе медицины им. Дэвида Геффена в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

«Один крист, – добавляет он, – может быть поврежден и перестать функционировать, в то время как другие сохраняют свой мембранный потенциал».

Долгое время ученые считали, что каждый митохондрий состоит из одной биоэнергетической единицы. Авторы ссылаются на типичные предыдущие эксперименты, результаты которых привели исследователей к выводу, что «вся органелла функционирует как одна электрохимическая единица».

Действительно, то, что доктор Ширихай мог увидеть с помощью традиционной микроскопии, казалось, подтверждает это. Наблюдение за клетками, работающими хорошо с несколькими очень длинными митохондриями, не предполагает идею множества маленьких батарей.

«Никто не смотрел на это раньше, потому что мы были так замкнуты на этом способе мышления; предполагалось, что один митохондрий означает одну батарею», – объясняет он.

Беспрецедентное изображение с высоким разрешением

Тем не менее, разговоры с инженерами, разрабатывающими электромобили, позволили доктору Ширихаю осознать преимущества множества маленьких батарей вместо одной большой.

«[Если] что-то происходит с одним [батарейным] элементом, – отмечает он, – система может продолжать работать, и несколько маленьких батарей могут обеспечивать очень высокий ток, когда вам это необходимо».

В зависимости от модели электромобили Tesla могут иметь до 7000 небольших аккумуляторных элементов. Они принимают форму сетки, которая позволяет транспортному средству быстро заряжаться и эффективно охлаждаться. Такое расположение также обеспечивает большую мощность для ускорения.

Чтобы поближе познакомиться с митохондриями, команда «разработала новый подход для визуализации [внутренней мембраны митохондрий] с высоким пространственно-временным разрешением в живых клетках». Ученые никогда раньше не видели такого высокого разрешения.

С помощью недавно оптимизированной микроскопии высокого разрешения команда могла визуализировать распределение напряжения и выработку энергии внутри митохондрий.

Белковые кластеры действуют как электрические изоляторы

Исследователи увидели, как кластеры белка между кристами действуют как электрические изоляторы. Они уже знали, что без белковых кластеров митохондрии разрушаются легче. Фактически, команда также увидела, как митохондрии, лишенные кластеров белка, ведут себя больше как один большой элемент батареи.

Авторы предполагают, что результаты этого исследования улучшают понимание не только того, как работают митохондрии, но также и того, как органеллы способствуют болезни, старению и даже медицинским осложнениям.

Эксперты связывают ряд медицинских осложнений, таких как ишемия-реперфузионное повреждение, с серьезным нарушением крист в митохондриях.

Доктор Ширихай размышляет: «Специалисты по аккумуляторам, с которыми я разговаривал, были очень рады узнать, что они правы».

Ученые полагают, что митохондрии возникли из древнего сотрудничества, которое возникло, когда клетки с ядрами поглотили кислородзависимые простые клетки, в которых не было ядра. В обмен на защиту интернализованная клетка, или органелла, обеспечивает своего хозяина энергией.

«Оказывается, что митохондрии и тесла с их многочисленными маленькими батареями являются примером конвергентной эволюции».

– Доктор Ориан С. Ширихай

Источник: https://www.medicalnewstoday.com/articles/326710.php