Рак будет побежден: необычное решение ученых
Полвека назад в "энергетических станциях" нашего организма — митохондриях — была обнаружена загадочная молекулярная машина. Только сейчас учёным удалось разгадать её устройство и принцип работы.
Это открытие стало прорывом в понимании того, как наши клетки извлекают энергию из сахара — процесс, без которого жизнь на Земле была бы невозможна.
Команда исследователей из Кембриджского университета, возглавляемая отделом митохондриальной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC), наконец-то визуализировала структуру этого механизма на атомном уровне. С помощью криоэлектронной микроскопии — метода, увеличивающего объекты в 165 000 раз, — учёные увидели, как работает митохондриальный переносчик пирувата. Именно эта "молекулярная машина" транспортирует пируват — ключевую молекулу, образующуюся при расщеплении сахаров, — внутрь митохондрий, где он запускает производство клеточного топлива (АТФ).
Сама молекула была впервые описана ещё в 1971 году, но детальное понимание её работы ускользало от науки до настоящего момента. Как выяснилось, процесс переноса пирувата напоминает работу шлюза на канале: внешняя "дверь" открывается, пропускает молекулу, закрывается, а затем внутренняя "дверь" выпускает её внутрь митохондрии. Это остроумное устройство не даёт пирувату "протечь" куда попало — только строго по назначению.
Почему это важно для нашего организма?
Суть в том, что сахара, которые мы потребляем с пищей, сами по себе ещё не энергия. Они лишь сырьё, которое клеткам предстоит переработать. Когда сахар расщепляется, образуется пируват, но его потенциал остаётся нереализованным, пока он не попадёт в митохондрии. Там, и только там, запускается каскад реакций, в результате которых энергии становится в 15 раз больше. Фактически, без митохондриального переносчика пирувата наши клетки оставались бы "голодными".
Удивительно, но до недавнего времени этот механизм оставался "белым пятном" в биохимии. По словам исследователей, всё дело было в технологических ограничениях — только новейшая криоэлектронная микроскопия позволила "разглядеть" структуру переносчика в мельчайших деталях. Как отметил один из авторов работы, Максимилиан Сихровски, этот процесс казался простым лишь на первый взгляд: на деле же учёные десятилетия не могли понять, как именно пируват преодолевает двойную мембрану митохондрий.
Строение митохондрий: невидимые ворота
Сама митохондрия окружена двумя мембранами — внешней и внутренней. Первая из них пористая, словно решето, и пируват проходит через неё без труда. А вот внутренняя мембрана — настоящая крепость: она пируват "на замок" закрывает. И вот тут вступает в игру митохондриальный переносчик — сложная белковая конструкция, работающая как шлюзовая камера. Сначала открывается входной "шлюз", пируват заходит внутрь, вход закрывается, и только потом выходной "шлюз" выпускает ценную молекулу в недра митохондрии. По аналогии профессора Эдмунда Кунджи, это похоже на систему шлюзов на судоходном канале: сначала ворота открываются с одной стороны, пропускают "лодку" (пируват), затем закрываются, и противоположные ворота открываются, давая ей продолжить путь.
Путь к новым лекарствам
Это открытие важно не только для фундаментальной науки. Митохондриальный переносчик пирувата сегодня рассматривается как перспективная мишень для лечения целого спектра заболеваний. Дело в том, что наш организм умеет добывать энергию не только из сахаров, но и из жиров, и из аминокислот. Если заблокировать "вход" для пирувата, клетки вынуждены переключаться на другие источники топлива — а это открывает дорогу к терапии ряда болезней.
Например, при жировой болезни печени проблема в том, что клетки печени накапливают слишком много жира, и он становится опасным для здоровья. Если перекрыть доступ пирувата в митохондрии, организм начнёт "сжигать" эти жировые запасы, избавляясь от патологии. Аналогично обстоит дело с некоторыми видами рака (например, агрессивными формами рака простаты): опухолевые клетки "подсаживаются" на пируват, вырабатывают множество переносчиков и "едят" энергию с огромной скоростью. Если нарушить их "энергоснабжение", они попросту погибнут.
Более неожиданное применение нашлось в борьбе с выпадением волос. Как выяснилось, активация волосяных фолликулов зависит от метаболизма лактата, а он образуется именно тогда, когда пируват не может попасть в митохондрии. Значит, ингибиторы (вещества, подавляющие работу) митохондриального переносчика теоретически способны остановить выпадение волос и даже простимулировать их рост.
Будущее фармацевтики
По мнению профессора Кунджи, теперь, когда структура переносчика изучена до атомов, учёные могут проектировать лекарства "под заказ". Образно говоря, если раньше мы видели лишь фасад здания, то теперь зашли внутрь и поняли, как устроены все двери и замки. Это значит, что можно создавать препараты, целенаправленно встраивающиеся в структуру переносчика и меняющие его работу — "вставляя палку в колёса", как образно выразился Кунджи. Такой подход, называемый "структурной разработкой лекарств", обещает настоящую революцию в терапии многих болезней.
Исследование было проведено при поддержке Совета по медицинским исследованиям (MRC) и стало плодом сотрудничества учёных из Кембриджского университета, Медицинского колледжа Висконсина, Национального института здравоохранения США и Брюссельского свободного университета.
Уточнения
Кле́тка — структурно-функциональная элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.