Почему некоторые дрожжевые клетки производят этанол? Ученые задавались вопросом об этой очевидной трате ресурсов на протяжении десятилетий. Теперь ученые Гронингенского университета считают, что у них есть решение: дрожжевые клетки вырабатывают этанол в качестве «предохранительного клапана», чтобы предотвратить перегрузку, когда их метаболические процессы достигают критического уровня. Последствия этой новой теории, которая была опубликована в журнале Nature Metabolism 7 января, могут иметь далеко идущие последствия, поскольку она также объясняет, почему раковые клетки тратят энергию на выработку лактата, известного 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, используемые для производства пива, расщепляют глюкозу до этанола, а не до углекислого газа. «Преобразование шестиуглеродной молекулы в двухуглеродную молекулу, а не в углекислый газ, означает потерю части энергии и вещества, хранящихся в глюкозе. Это бессмысленно», - говорит Матиас Хайнеманн, профессор молекулярной системной биологии Гронингенского университета.
Обмен веществ
Эволюция должна была положить конец такой трате ресурсов, поэтому биологи попытались найти причину ее существования. «Такую же расточительность можно наблюдать и в других клетках», - говорит Хайнеманн. Широко известный пример - раковые клетки. Эти быстрорастущие клетки выделяют лактат, что является аналогичной тратой энергии. И многие бактерии также тратят энергию. «Это сходство между разными организмами заставило нас задуматься, есть ли общий знаменатель».
Областью исследований Хайнемана является метаболизм, сеть химических реакций, которая генерирует строительные блоки для новых клеток. Он предположил, что существует верхний предел скорости, при которой клетки могут осуществлять свой метаболизм. Вместе со своими аспирантами Бастианом Нибелем и Симеоном Леупольдом он смоделировал рассеивание энергии Гиббса в клетках. Это энергия, выделяемая всеми химическими реакциями, протекающими в клетке.
Что-то универсальное
Добавив термодинамику к модели с примерно 1000 химическими реакциями и объединив модель с экспериментальными данными, Хайнеманн смог определить скорость рассеяния энергии Гиббса в зависимости от поглощения глюкозы. Рассеяние энергии Гиббса сначала увеличивается с увеличением скорости потребления глюкозы, но затем достигается плато - и в этот момент начинается производство этанола. «Это точка, в которой клетки переключаются с дыхания на ферментацию», - объясняет Хайнеманн.
Хайнеманн и его команда получили аналогичные результаты для кишечной бактерии E. coli с плато при сопоставимом уровне рассеяния энергии Гиббса. Хайнеманн: «Дрожжи и кишечная палочка живут в совершенно разных средах, но имеют примерно одинаковый предел диссипации, который находится даже примерно при одном и том же значении. Это говорит о том, что этот предел является чем-то универсальным». Точная причина такого предела пока неизвестна, но ученые выдвинули рабочую гипотезу. «Клеточный метаболизм имеет максимальную скорость, с которой он еще может работать». Когда это достигается, клетки открывают «предохранительный клапан», и глюкоза расщепляется на этанол, ацетат или лактат, оставляя часть энергии неиспользованной.
Урон
Так что же является причиной этого ограничения? «Часть энергии рассеивается в виде тепла, но этого слишком мало, чтобы беспокоить клетки. Наша идея состоит в том, что когда ферменты катализируют химическую реакцию, они получают крошечный толчок во время реакции, который заставляет их двигаться. Если они работают очень быстро, это может означать, что внутри клеток слишком много движения, что может повредить определенные клеточные структуры». Это могли бы подтвердить исследования движения ферментов внутри клетки при различных скоростях метаболизма.
Тем временем Хайнеманн считает, что теперь он разгадал тайну не только образования этанола в дрожжах, но и эффекта Варбурга в раковых клетках. Почти столетие назад покойный лауреат Нобелевской премии Отто Варбург заметил, что раковые клетки имеют высокую скорость гликолиза с выделением лактата. Эта трата энергии и вещества является, как считает Хайнеманн, «предохранительным клапаном»: «Проводятся некоторые эксперименты с лекарствами, блокирующими выработку лактата, для лечения рака. Механизм действия этих лекарств может заключаться в том, чтобы закрыть предохранительный клапан клеток».
Энтропия
Не все ячейки нуждаются в предохранительном клапане. «Некоторые штаммы дрожжей имеют медленное поглощение глюкозы, поэтому им никогда не угрожает метаболическая перегрузка. И действительно, эти виды дрожжей не производят этанол», - говорит Хайнеманн.
Это открытие напоминает цитату из основополагающей работы Эрвина Шредингера «Что такое жизнь»: «Сущность метаболизма заключается в том, что организму удается освободиться от всей энтропии, которую он не может не производить при жизни. Это утверждение следует расширить, говорит Хайнеманн, следующим: «Однако существует верхний предел скорости, при котором клетки могут освободиться от этой энтропии, и этот предел определяет, как клетки осуществляют свой метаболизм».