Naujienos

Mitochondrijos: tarp gėrio ir blogio

2024 07 25

Akademikė prof. Vilmantė Borutaitė šiemet pelnė Lietuvos mokslų akademijos (LMA) vardinę Vlado Lašo premiją. LMA yra įsteigusi 19 vardinių premijų, kurios skiriamos kas ketverius metus. LMA prezidiumo nutarimu premija skirta už mokslo darbų ciklą „Mitochondrijų funkcijos ir jų sąsajos su sveikata ir širdies bei smegenų patologijomis“. Ta proga su laureate kalbėjomės apie tyrimų rezultatus ir tendencijas šioje srityje.

Kino ekranuose siautėja superherojai. Tačiau tikrieji didvyriai, nematomi plika akimi, pluša mūsų ląstelėse, kad turėtume pakankamai energijos. Be jų nebūtų mūsų – daugialąsčių organizmų. Šių nanosupermenų istorija verta fantastinio romano. Tai tikras evoliucijos stebuklas. Kuo skiriasi sudėtingos ląstelės nuo paprasčiausių? Viską lemia energijos kiekis. Jeigu energijos pakanka, galima vystytis. Jeigu ne, degraduojate. Arba liekate evoliucijos užkampyje.

Gyvybė Žemėje atsirado prieš maždaug 4 mlrd. metų ir tai padarė du kartus. Kaip tai sužinota? Ogi tyrinėjant skirtumus tarp bakterijų ir archėjų ląstelių. Paaiškėjo, kad skiriasi jų sienelių struktūra ir kaip jos kopijuoja savo genetinę medžiagą besidalydamos. Pirmosios archėjos buvo tikros ekstremalės. Pavyzdžiui, hipertermofilinė archėja Pyrococcus furiosus. Jai labiausiai patinka gyventi 100 °C temperatūroje. Be to, jos baltymų sudėtyje yra metalo volframo. Kuo ne supermenė?

Dabar kai kurios archėjos puikiai jaučiasi ir mūsų organizme: žarnyne, burnoje, ant odos. Tačiau jos nesukelia jokių ligų, kaip bakterijos. Būdamos draugiškos, jos lengvai randa kalbą su kitais mikroorganizmais. Būtent ši savybė lėmė, kad prieš 2 mlrd. metų viena archėja sugebėjo praryti bakteriją, kuri apsigyveno archėjos viduje kaip pranašas Jonas banginio pilve. Taip gimė sudėtinga, eukariotinė ląstelė. Visų eukariotinių ląstelių pramotė, kaip patvirtina genetinėanalizė.

Akad. V. Borutaitė sako: „Tai, kad į ją patekusi bakterija nebuvo sunaikinta, ląstelei buvo naudinga. Prokariotinė ląstelė ėmė teikti energiją eukariotinei ląstelei. Įvyko funkcijų pasidalijimas.“

Ji išgyveno, nes didžioji arba motininė ląstelė pasidalijo su nuomininke maisto medžiagomis. Atsidėkodama naujakurė mainais ėmė tiekti energiją. Dabar šias buvusias bakterijas vadiname mitochondrijomis, arba ląstelių jėgainėmis.

Akad. Vilmantė Borutaitė

V. Borutaitė teigia, kad, nors šis įvykis nutiko prieš milijardus metų, jis naudingas ir dabar. Žmogaus organizme mitochondrijų yra beveik visose ląstelėse. Ypač daug jų yra ląstelėse, kurios atlieka didžiausią darbą. Pavyzdžiui, širdies ląstelėse. Taip pat ir mūsų smegenų ląstelėse, naudojančiose daug energijos mąstymo procesams užtikrinti.

Analizuojant mitochondrijų genomą paaiškėjo, kad jų DNR labai panaši į mažų riketsijųklasės bakterijų DNR. Tai viduląsteliniai parazitai, sukeliantys šiltines, karštliges. Augalų ląstelėse jėgainių funkciją atlieka chloroplastai, kurių DNR atitinka cianobakterijų genetinę medžiagą. Vadinasi, archėjai senų senovėje iš tiesų pavyko rasti bendrą kalbą su bakterijomis, kurios prisitaikė gyventi jos viduje, gamindamos energiją. Įvyko kokybinis šuolis ir ilgainiui iš eukariotinių ląstelių ėmė vystytis vis sudėtingesni organizmai.

Mitochondrijose vyksta ir kai kurių tarpinių metabolitų sintezė. Jos vienintelės iš ląstelės organelių turi genetinę informaciją. Taigi, dalyvauja ir perduodant genus. Nors jų turi tik 37, jie labai svarbūs mūsų paveldėjimui. Įvykus šių genų mutacijoms, išsivysto ligos, pažeidžiančios centrinę nervų sistemą. Įdomu, ar dabar irgi įmanoma gamtoje pastebėti tokių simbiozės atvejų?

V. Borutaitė sutinka, kad tokių pavyzdžių yra. Pavyzdžiui, vėžinės ląstelės sugeba įsmukti į kitas organizmo ląsteles ir taip pasislėpti nuo imuninės sistemos. Taip jos išlieka nepastebėtos, o pavojui praslinkus palieka priedangą ir tęsia savo juodą darbą.

Ląstelėms praryti bakterijas nėra paprasta, kaip mums sumuštinį. Jos turi pakeisti savo iš baltymų suformuotą vidinę struktūrą. Tam vėl reikia energijos. Todėl mokslininkai diskutuoja, kas atsirado anksčiau – energiją gaminančios mitochondrijos ar pats prarijimo (fagocitozės) procesas. Ištyrus 30 parazitinių ar simbiotinių bakterijų DNR, kurios prisitaiko išgyventi eukariotinės ląstelės viduje, paaiškėjo, kad šis sugebėjimas egzistuoja jau seniai. Vadinasi, fagocitozė atsirado anksčiau už mitochondrijas.

Mitochondrijos yra labai socialios, bendraujančios organelės. Jos pluša be atvangos: gamina energiją, sintetina kai kuriuos hormonus ir lemia ląstelių šeimininkių likimą. Todėl mitochondrijos it skruzdės dalijasi šiais darbais ir koordinuoja savo veiksmus. Aiškėja, kad jos keičiasi medžiagomis, trumpam susiliesdamos membranomis. Tarsi pasibučiuodamos. Arba susijungia nanotuneliais. Tai iš tiesų nuostabios organelės. Bet kartais atlieka ir juodą darbą.

„XX a. pabaigoje paaiškėjo, kad mitochondrijos atlieka ir kitą, ne mažiau svarbią funkciją. Jos reguliuoja ląstelių mirties procesus. Jos išleidžia tam tikrus baltymus ir tai lemia ląstelės susinaikinimą“, – teigia mokslininkė.

Lietuvos sveikatos mokslų universiteto (LSMU) Neuromokslų instituto Biochemijos laboratorijoje dirbančių mokslininkų tikslas – nustatyti mitochondrijų vaidmenį ląstelių mirties procese. „Supratus, kaip ir kodėl tai vyksta, galbūt pavyktų procesą sustabdyti. Išsiaiškinus, kaip mitochondrijos reguliuoja ląstelių žūties procesą, būtų galima pritaikyti farmakologines medžiagas ir taip apsaugoti ląsteles“, – mano akademikė.

Tyrėjai darbuojasi dviejose srityse. Viena jų – išeminio insulto priežastys ir mechanizmai. Kai smegenų ląstelėms ima trūkti deguonies, užsikimšus kraujagyslei arba jai plyšus, neuronuose esančios mitochondrijos nebegamina adenozin 5' trifosfato (ATP) molekulių. Tai lemia ląstelių žūtį. Pirminis pažeidimas įvyksta ten, kur trūksta deguonies.

V. Borutaitė su kolegomis pastebėjo, kad apie tą nekrotinę zoną išsivysto zona, kurioje deguonies netrūksta. Jo kiekis sumažėjęs, bet pakankamas, kad veiktų oksidacinio fosforilinimo sistema, mitochondrijose gaminanti ATP. Tačiau šioje zonoje stebima uždelstoji ląstelių žūtis. Ląstelės žūsta ne dėl energijos trūkumo. Deja, taip gali nutikti net po kelių savaičių. Tokiu būdu praradus daug neuronų, išsivysto įvairūs neurologiniai sutrikimai. Tyrėjus labiausiai ir domina tai, kas vyksta toje pilkoje, lėtosios ląstelių žūties zonoje. Mitochondrijos lemia šių ląstelių mirtį, išskirdamos tam tikrus baltymus.

V. Borutaitė sako: „Vienas iš tokių baltymų yra ATP sintezėje dalyvaujantis citochromas C. Išėjęs iš mitochondrijos į citozolį, jis jungiasi su kitais fermentais ir pradeda proteazių kaskadą, kuri sunaikina ląstelę iš vidaus.“ Šiuolaikiniai vaizdinimo metodai padeda realiu laiku stebėti, kaip vystosi ši pavojinga patologija.

Šiuo metu intensyviai tyrinėjamos mitochondrijos, aptiktos ne ląstelių viduje, bet tarpląstelinėje erdvėje. Įdomu, ką jos veikia šioje niekieno žemėje? Ar atlieka tvarkdario, ar žudiko vaidmenį?

Mokslininkė sako, kad jos gali atsirasti ir smegenų skystyje, ir kraujyje. Dar nėra aišku, kokia jų prigimtis. Pavyzdžiui, insulto metu pastebėta, kad smegenų skystyje padidėjo egzogeninių mitochondrijų kiekis. Nejaugi vienos ląstelės siunčia mitochondrijas į išorę kaip desantą naikinti kitas? Ir kokius ginklus jos naudoja? Manoma, kad tai yra su pažeidimais siejamos molekulinės struktūros. Pačios mitochondrijos tam naudoja savo DNR fragmentus. O DNR ir RNR gali aktyvuoti tiek makrofagus, tiek mikroglijos ląsteles, sukeldami uždegiminės kaskados pradžią. Viena teorija teigia, kad taip įjungiamas nevaldomas uždegiminis procesas, kuris turėtų atkurti tvarką pažeidimo vietoje. Deja, jei jis užtrunka per ilgai arba yra pernelyg stiprus, padaro daugiau žalos, nei atneša naudos. Ypač nervų sistemai. Taip pat pastebėta, kad procesas stiprėja per insultą. Šios kaskados dabar aktyviai tyrinėjamos.

Be abejo, mokslininkai ir medikai labai norėtų sužinoti, kaip suvaldyti šią procesų grandinę, į pražūtį vedančią smegenų ir kitų organų ląsteles. Todėl jau dabar bandoma pritaikyti įvairius vaistus, kad jie, prireikus, efektyviai slopintų mitochondrijas. Ir kartu stabdytų uždegiminį procesą. LSMU tyrėjai sako suradę vieną galimą vaistą, kuris buvo sukurtas seniau ir yra naudojamas visai kitai ligai gydyti. Tai sėkmingo vaistų peradresavimo pavyzdys.

V. Borutaitė teigia, kad mitochondrijose yra vadinamoji nespecifinio laidumo pora, pro kurią išeina įvairūs junginiai, tokie kaip baltymų molekulės. Atsidarius šiai porai ir paleidžiama ląstelės žūties kaskada. Šis reiškinys pastebėtas seniai ir tyrinėjamas daugiau kaip pusę amžiaus. Lietuvos biochemikai tiria šios poros atsidarymą. Jie atrado, kad egzistuoja ryšys tarp energijos gamybos ir poros atsidarymo tikimybės. O vienas vaistas nuo diabeto – metforminas – neleidžia porai atsidaryti ir taip apsaugo ląsteles nuo žūties. Deja,metforminas turi šalutinių poveikių. Tačiau tyrėjų dėmesį patraukė vienas naujas antidiabetinis vaistas, kol kas registruotas tik Japonijoje prieš trejus metus. Aišku, šis vaistas turi kitą veikimo mechanizmą. Bet tai būdinga kiekvienai cheminei medžiagai.

Mokslininkai yra apskaičiavę, kad viena sukurta vaisto molekulė gali vidutiniškai veikti maždaug 150–200 taikinių ląstelėje. Taigi, galima vienu šūviu nušauti kelis ar net keliasdešimt „zuikių“. Išgydyti kelias ar net keliolika ligų.

V. Borutaitės grupės dėmesį patraukė junginys, veikiantis mitochondrijų energijos gamybos pirmąjį kompleksą ir taip reguliuojantis minėtos poros atsidarymą. Klinikiniai tyrimai, atlikti su ląstelių kultūromis ir gyvūnais, patvirtino, kad šis junginys apsaugo nuo išemijos sukeltos neuronų žūties.

V. Lašo vardinės premijos laureatė pripažįsta, kad mitochondrijos yra ypatingos organelės. Atrodė, kad apie mitochondrijas ir jų energetinę funkciją jau viską žinome. Kai buvo skirtos dvi Nobelio premijos už mitochondrijų energijos gavybos sistemos tyrimus, atsirado duomenų apie naujas šių organelių funkcijas. Tokie siurprizai, naujos gamtos paslaptys ir įkvepia mokslininkus tolesniems tyrimams.

Kalbėjosi dr. Rolandas Maskoliūnas
„Shutterstock“ iliustracija ir Virginijos Valuckienės nuotrauka