Клетки используют питательные вещества, такие как глюкоза, для создания новых клеток. Но иногда некоторые из этих питательных веществ тратятся впустую. Например, дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые используются для производства пива, расщепляют глюкозу на этанол, а не на углекислый газ. «Метаболизм шестиуглеродной молекулы в двухуглеродную молекулу, а не в двуокись углерода, означает, что часть энергии и вещества, хранящиеся в глюкозе, теряется. В этом нет никакого смысла », – говорит Маттиас Хайнеманн, профессор биологии молекулярных систем в Университете Гронингена.
Метаболизм
Эволюция должна была положить конец такой растрате ресурсов, поэтому биологи попытались найти причину ее существования. «Подобную расточительность можно увидеть и в других клетках», – говорит Хайнеманн.
Широко известный пример – раковые клетки. Эти быстрорастущие клетки выделяют лактат, который представляет собой аналогичную трату энергии. И многие бактерии также тратят энергию.
Это сходство между разными организмами заставило нас задуматься, есть ли общий знаменатель.’
Область исследований Хайнеманна – метаболизм, сеть химических реакций, которая генерирует строительные блоки для новых клеток.
Он предположил, что существует верхний предел скорости, с которой клетки могут управлять своим метаболизмом. Вместе со своими аспирантами Бастианом Нибелем и Симеоном Леупольдом он смоделировал диссипацию энергии Гиббса в клетках. Это энергия, выделяемая всеми химическими реакциями, происходящими в клетке.
Что-то универсальное
Добавив термодинамику к модели с примерно 1000 химических реакций и объединив модель с экспериментальными данными, Хайнеманн смог определить скорость диссипации энергии Гиббса как функцию поглощения глюкозы. Сначала диссипация энергии Гиббса увеличивается с увеличением скорости потребления глюкозы, но затем достигается плато – и в этот момент начинается производство этанола. «Это момент, когда 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 диссипации энергии Гиббса.
Хайнеманн: «Дрожжи и E. coli живут в совершенно разных средах, но имеют примерно одинаковый предел рассеивания, который даже имеет примерно одинаковое значение. Это говорит о том, что этот предел является чем-то универсальным.’Точная причина этого ограничения 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 на этанол, ацетат или лактат, оставляя часть энергии неиспользованной.
Повреждать
Итак, 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 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.«Исследования движения ферментов внутри клетки с разной скоростью метаболизма могут подтвердить это.
Между тем, Хайнеманн считает, что теперь он решил загадку не только производства 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 экскрецией лактата.
Эта трата энергии и вещества, по мнению Хайнеманна, является «предохранительным клапаном»: «Сейчас проводятся некоторые эксперименты с лекарствами, которые блокируют выработку лактата, как способ лечения рака. Механизм действия этих препаратов может заключаться в закрытии предохранительного клапана клеток.’
Энтропия
Однако не всем элементам нужен предохранительный клапан. «Некоторые штаммы дрожжей обладают медленным усвоением глюкозы, 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 состоит в том, что организму удается освободиться от всей энтропии, которую он не может не производить при жизни.«Это утверждение следует расширить, – говорит Хайнеман, – следующим образом:« Однако существует верхний предел скорости, при котором клетки могут освободиться от этой энтропии, и этот предел определяет, как клетки управляют своим метаболизмом ».’