Почему некоторые дрожжевые клетки производят этанол? Ученые задавались вопросом об этой очевидной растрате ресурсов на протяжении десятилетий. Теперь ученые из Университета Гронингена считают, что у них есть решение: дрожжевые клетки производят этанол в качестве «предохранительного клапана» для предотвращения перегрузки, когда их метаболическая деятельность достигает критического уровня. Новая теория, которая была опубликована в журнале Nature Metabolism 7 января, может иметь далеко идущие последствия, поскольку она также объясняет, почему раковые клетки расходуют энергию, производя лактат, известный как эффект Варбурга.

Клетки используют питательные вещества, такие как глюкоза, для создания новых клеток. Но иногда некоторые из этих питательных веществ теряются. Например, дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые используются для производства пива, расщепляют глюкозу на этанол, а не на углекислый газ. «Метаболизация молекулы из шести атомов углерода в молекулу из двух атомов углерода, а не в двуокись углерода , означает, что часть энергии и вещества, хранящегося в глюкозе, теряется. Это не имеет смысла», — говорит Матиас Хайнеманн, профессор биологии молекулярных систем в Университет Гронингена.

Метаболизм

Эволюция должна была положить конец такой трате ресурсов, поэтому биологи попытались найти причину ее существования. «Подобная расточительность наблюдается и в других камерах», — говорит Хайнеманн. Широко известным примером являются раковые клетки . Эти быстрорастущие клетки выделяют лактат, который представляет собой аналогичную потерю энергии. И многие бактерии также расходуют энергию . «Это сходство между различными организмами заставило нас задуматься о том, существует ли общий знаменатель».

Область исследований Heinemann — метаболизм, сеть химических реакций, которая создает строительные блоки для новых клеток. Он предположил, что существует верхний предел скорости, при которой клетки могут управлять своим метаболизмом. Со своей докторской степенью ученики Бастиана Нибеля и Симеона Лейпольда моделировали диссипацию энергии Гиббса в клетках. Это энергия, выделяемая всеми химическими реакциями , происходящими в клетке.

Нечто универсальное

Добавив термодинамику к модели с около 1000 химических реакций и объединив ее с экспериментальными данными, Хайнеманн смог определить скорость рассеяния энергии Гиббса как функцию поглощения глюкозы. Сначала рассеивание энергии Гиббса увеличивается с увеличением скорости потребления глюкозы, но затем достигается плато — и в этот момент начинается производство этанола. «Это тот момент, когда клетки переключаются с дыхания на брожение», — объясняет Хайнеманн.

Heinemann и его команда получили аналогичные результаты для кишечной бактерии E. coli с плато на сопоставимом уровне диссипации энергии Гиббса. Хайнеманн говорит: «Дрожжи и кишечная палочка живут в совершенно разных средах, но имеют примерно одинаковый предел рассеивания, который даже приблизительно равен одному значению. Это говорит о том, что этот предел является универсальным». Точная причина этого предела до сих пор неизвестна, но ученые выдвинули рабочую гипотезу. «Клеточный метаболизм имеет максимальную скорость, с которой он все еще может работать». Когда это достигается, клетки открывают «предохранительный клапан», и глюкоза расщепляется до этанола, ацетата или лактата, оставляя часть энергии неиспользованной.

Повреждение

Так, что вызывает этот предел? «Часть энергии рассеивается в виде тепла, но этого слишком мало, чтобы беспокоить клетки. Наша идея заключается в том, что когда ферменты катализируют химическую реакцию, они получают небольшой толчок во время реакции, что заставляет их двигаться. Если они работают очень быстро , это может означать, что внутри клеток слишком много движения, которое может повредить определенные клеточные структуры ». Исследования движения ферментов внутри клетки с различной скоростью метаболизма могут подтвердить это.

Между тем, Хайнеманн считает, что теперь он разгадал загадку не только производства этанола в дрожжах, но и эффекта Варбурга в раковых клетках. Почти сто лет назад покойный нобелевский лауреат Отто Варбург наблюдал, что раковые клетки имеют высокий уровень гликолиза с выделением лактата. Эта трата энергии и материи, как считает Хайнеманн, является «предохранительным клапаном»: «Проводятся некоторые эксперименты с лекарственными средствами, которые блокируют выработку лактата как способ лечения рака. Механизм этих лекарств может заключаться в том, чтобы закрыть безопасность клеток. клапан «.

Энтропия

Однако не всем клеткам нужен предохранительный клапан. «Некоторые штаммы дрожжей медленно усваивают глюкозу, поэтому им никогда не грозит метаболическая перегрузка. И действительно, эти виды дрожжей не производят этанол», — говорит Хайнеманн.

Это открытие напоминает цитату из основополагающей работы Эрвина Шредингера «Что такое жизнь»: «Главное в метаболизме заключается в том, что организму удается освободиться от всей энтропии, которую он не может создать при жизни». Это утверждение следует расширить, Гейнеманн говорит следующее: «Однако существует верхний предел скорости, при котором клетки могут освободиться от этой энтропии, и этот предел определяет, как клетки управляют своим метаболизмом».