W każdej z komórek organizmu znajdują się maleńkie "silniczki" molekularne. To kompleksy białkowe, wchodzące w skład łańcucha oddechowego i fotosyntetycznego. U ludzi i zwierząt ta maciupeńka maszyneria zlokalizowana jest w mitochondriach, a u roślin także w chloroplastach. Dzięki tym silniczkom potrafimy - przy udziale tlenu - przerabiać pokarm na uniwersalny nośnik energii - ATP - który wykorzystywany jest w komórce do napędzania większości procesów.

Silniki w naszych komórkach działają ze zdumiewająco wysoką sprawnością rzędu 90 proc. O takich wynikach inżynierowie mogą na razie tylko pomarzyć. W silnikach spalinowych taka sprawność wynosi np. jedynie 35 proc. Niewykluczone, że dokładne poznanie pracy silników wypracowanych przez przyrodę pomoże kiedyś w budowie nanomaszyn o wysokiej wydajności.

Badacze z Polski i USA pokazali pewne nieznane wcześniej procesy, które sprawiają, że jeden z rodzajów takich komórkowych silniczków jest aż tak energooszczędny. A przy okazji nie naraża organizmu na kontakt z nadmierną ilością wolnych rodników, które podczas oddychania mogłyby powstawać. Badania ukazały się w prestiżowym tygodniku PNAS.

Kierownik badań prof. Artur Osyczka z Zakładu Biofizyki Molekularnej Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii na Uniwersytecie Jagiellońskim w rozmowie z PAP opowiada, że kolejne reakcje wchodzące w skład łańcucha oddechowego powinny następować po sobie płynnie. "Czasem jednak w trakcie zachodzenia złożonych procesów biochemicznych dochodzi do przestoju" - opowiada. Wyjaśnia, że może się tak dziać, kiedy w komórce ustaje wyższe zapotrzebowanie na energię - np. kończy się wysiłek fizyczny lub gdy pojawia się nagły niedobór tlenu. Mogłoby się wydawać, że z takiej zatrzymanej w biegu maszynerii energia może ulec „zmarnowaniu” na napędzanie niekorzystnych dla komórki procesów. Okazuje się jednak, że silnik komórkowy może sobie spokojnie pozwolić na takie przestoje.

W polsko-amerykańskich badaniach wzięto na warsztat mitochondrialne białko bc1 i jego chloroplastowy odpowiednik b6f. Ich zadaniem jest przekazywanie elektronu w procesach napędzających powstawanie ATP. Kiedy już takie białko dostanie elektron, ale chwilowo nie ma co z nim zrobić, elektron mógłby uciec - np. wchodząc w reakcję z obecnym w komórce tlenem. A wtedy powstawałyby w komórce wolne rodniki. Ich nadmiar jest zaś dla komórki groźny.

Tak się jednak nie dzieje. "Białko bowiem przechodzi wtedy w metastabilny stan" - opowiada prof. Osyczka. I wyjaśnia, że elektron jest tak przez białko przytrzymywany (oddziałuje z tzw. kofaktorem metalicznym w białku), że białko w ogóle nie jest skłonne reagować z tlenem. A jednocześnie pozostaje w gotowości do dalszej pracy na potrzeby łańcucha oddechowego. "Można powiedzieć, że odkryliśmy coś w rodzaju poczekalni, w której białko czeka na sygnał, że może przekazać elektron dalej" - opowiada naukowiec.

"Kiedy wszystko przebiega zwykłym tempem, elektron jest przetrzymywany w czymś w rodzaju buforu bardzo krótko. Gdy jednak musi być przytrzymany – taki buforowany stan może trwać znacznie dłużej" - opowiada. Badacze z UJ zaobserwowali, że białko może w takim metastabilnym stanie trwać np. przez sekundy. A to - w porównaniu z tempem reakcji, jakie zachodzą w komórce (zwykle mikro- i milisekundy) - naprawdę długo.

"W ostatniej publikacji pokazaliśmy, że taki metastabilny stan istnieje nie tylko w komórkach zwierzęcych, ale i w komórkach roślinnych" - mówi prof. Osyczka. Naukowiec wyjaśnia, że w świecie roślin ten metastabilny stan pojawia się jeszcze częściej (m.in. dlatego, że w komórkach roślinnych powstaje dużo tlenu, przed którego działaniem trzeba się bronić). "Wcześniejsze modele w ogóle nie przewidywały istnienia stanu, który odkryliśmy" - komentuje.

Teraz zespół z Krakowa chce zająć się badaniem podobnych procesów związanych z regulacją przenoszenia elektronów w innych białkach odpowiedzialnych za przekształcanie energii w żywych komórkach.

Polacy prowadzili eksperymenty przy zastosowaniu metody szybkiego zamrażania (ang. freeze-quench) w połączeniu ze spektroskopią elektronowego rezonansu paramagnetycznego w temperaturach ciekłego helu.

Pierwszymi autorami publikacji w PNAS byli dr Marcin Sarewicz i mgr Łukasz Bujnowicz. Badacze prowadzili badania wspólnie z naukowcami z Purdue University w USA.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ mrt/