Ученые сравнивают митохондрии с аккумуляторными батареями Tesla
Новое исследование показывает, что митохондрии, крошечные электростанции, которые живут внутри клеток и дают им энергию, работают больше как аккумуляторная батарея Tesla, чем та батарея, которую вы вставляете в фонарик.
Помимо эритроцитов, все клетки человеческого тела содержат одну или несколько митохондрий, а некоторые - тысячи. Эти внутренние клеточные структуры или органеллы используют кислород для производства химических единиц энергии для клетки.
Митохондрии необычны тем, что имеют две оболочки: гладкую снаружи и морщинистую, складчатую изнутри.
Ученые называют складки внутренней мембраны митохондрий кристами. До недавнего времени они считали, что целью складывания было увеличение площади поверхности для производства энергии.
Однако авторы недавнего EMBO Журнал Учебная работа развеивает эту идею.
Вместо этого они предполагают, что кристы больше похожи на независимые батареи, работающие вместе в виде массива, аналогичные аккумуляторным блокам Tesla, которые питают электромобили.
Множество автономных батарей
К такому выводу исследователи пришли после визуализации производства энергии внутри митохондрий с помощью микроскопии высокого разрешения.
«Изображения показали нам, что каждая из этих крист электрически независима и функционирует как автономная батарея», - говорит старший автор исследования доктор Ориан С. Ширихай, профессор медицины в области эндокринологии и фармакологии в Медицинской школе Дэвида Геффена в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.
«Одна криста, - добавляет он, - может быть повреждена и перестать функционировать, в то время как другие сохраняют свой мембранный потенциал».
Долгое время ученые считали, что каждая митохондрия представляет собой единую биоэнергетическую единицу. 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 смог увидеть с помощью традиционной микроскопии, похоже, подтверждает это. Наблюдение за клетками, хорошо функционирующими с несколькими очень длинными митохондриями, не наводило на мысль о большом количестве маленьких батарей.
«Никто не смотрел на это раньше, потому что мы были настолько привязаны к этому образу мышления; предполагалось, что одна митохондрия означает одну батарею », - объясняет он.
Беспрецедентно высокое разрешение изображения
Однако беседы с инженерами, проектирующими электромобили, позволили доктору Ширихай осознавать преимущества множества маленьких батарей вместо одной большой.
«Если что-то случится с одним элементом [батареи], - отмечает он, - система может продолжать работать, а несколько небольших батарей могут обеспечить очень высокий ток, когда вам это нужно».
В зависимости от модели электромобили Tesla могут иметь до 7000 небольших аккумуляторных элементов. Они имеют форму сетки, которая позволяет автомобилю быстро заряжаться и эффективно охлаждаться. Такое расположение также обеспечивает большую мощность для ускорения.
Чтобы ближе познакомиться с митохондриями, команда «разработала новый подход к визуализации [внутренней митохондриальной мембраны] с высоким пространственно-временным разрешением в живых клетках». Ученые никогда раньше не видели такого высокого разрешения.
С помощью недавно оптимизированной микроскопии высокого разрешения команда смогла визуализировать распределение напряжения и производство энергии внутри митохондрий.
Белковые кластеры действуют как электрические изоляторы
Исследователи увидели, как белковые кластеры между кристами действуют как электрические изоляторы. Они уже знали, что без белковых кластеров митохондрии легче распадаются. Фактически, команда также увидела, как митохондрии, лишенные белковых кластеров, вели себя как одна большая батарея.
Авторы предполагают, что результаты этих исследований улучшают понимание не только того, как работают митохондрии, но и того, как органеллы способствуют заболеваниям, старению и даже медицинским осложнениям.
Эксперты связывают ряд медицинских осложнений, таких как ишемия-реперфузионное повреждение, с серьезным разрушением крист в митохондриях.
Доктор Ширихай размышляет: «Эксперты по аккумуляторным батареям, с которыми я первоначально разговаривал, были очень взволнованы, узнав, что они были правы».
Ученые считают, что митохондрии возникли в результате древнего сотрудничества, которое произошло, когда клетки с ядрами поглотили кислородзависимые простые клетки, у которых отсутствовало ядро. В обмен на защиту интернализованная клетка или органелла обеспечивает своего хозяина энергией.
«Оказывается, митохондрии и Теслы с их многочисленными маленькими батареями представляют собой пример конвергентной эволюции».
Д-р Ориан С. Ширихай
