FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь
176 городов
September – October
176 cities
12-14 октября 2018
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры

Бактерия на натриевых батарейках

Ученые из МГУ в составе международной группы ученых при изучении бактерий открыли механизм, сходный с принципом работы натрий-ионных аккумуляторов.

Некоторое время назад в природных гиперщелочных гиперсоленых озерах была обнаружена жизнь микроорганизмов. Как такие микробы приспособились обепечивать себя энергией, было настоящей загадкой. Ученые, опубликовавшие открытие, разгадали один из механизмов, обеспечивающих энергией представителей такого микромира — бактерии Thioalkalivibrio versutus, обитающие в засоленных озерах Тувы (Сибирь, Россия). Оказалось, что недавно изобретенные человеком натрий-ионные аккумуляторы, высокий КПД которых стал основанием для самых радужных надежд, вовсе не новинка. Разгадка принципа работы энергопреобразующего фермента под названием цитохром с-оксидаза у Thioalkalivibrio versutus показала: природа давно научилась использовать ионы натрия для получения энергии.

Группу исследователей, совершивших открытие, возглавляли сотрудники отдела биоэнергетики НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова Мария Мунтян, Дмитрий Черепанов и Владимир Скулачев. Ученые занимались изучением цитохром с-оксидаз, участвующих в транспортировке положительных ионов в мембране бактерий. Посвященная описанию изысканий статья опубликована в научном журнале PNAS.

«Открыт принципиально новый преобразователь биологической энергии в живых организмах — натриевая цитохромоксидаза. Это разновидность главного фермента кислородного дыхания, цитохромоксидазы, которая в процессе дыхания потребляет кислород, восстанавливая его до воды», — рассказала первый автор опубликованной работы Мария Мунтян.

По ее словам, новизна фермента состоит в том, что он превращает энергию реакции дыхания в энергию градиента ионов натрия, перекачиваемых через мембрану, а не ионов водорода, как это было известно до сих пор для цитохромоксидаз.

Реакции дыхания у эукариот (организмов с ядром) проходят во внутренней мембране специальных органоидов клетки — митохондриях. Митохондрию часто называют внутриклеточной энергетической станцией. В ней питательные вещества как бы «сгорают», окисляясь кислородом воздуха. На выходе, как и в настоящих тепловых электростанциях, получаются молекулы воды, образующиеся при горении, и энергия.

У прокариот – безъядерных организмов, к которым и относится изучаемая в статье бактерия, — митохондрий нет, поэтому аналогичные реакции происходят у них в цитоплазматической мембране, которая частично несет те же функции, что и мембрана митохондрий. Реакции дыхания в мембранах катализирует дыхательная цепь, которая в общем случае состоит из четырех звеньев (или комплексов), и цитохром с-оксидаза является катализатором в последнем из них.

Цитохром с-оксидаза — один из главных преобразователей энергии в дыхательной цепи большинства аэробов – организмов, привыкших жить в среде богатой кислородом, который они используют для добывания энергии. Одна из разновидностей цитохромоксидаз, оксидаза сbb3-типа, часто встречающаяся у патогенных микроорганизмов, изучена очень мало. Именно к этому типу принадлежит только что открытая натриевая цитохромоксидаза, которая по первичной структуре оказалась высокогомологичной уже изученным протонным ферментам этого типа. Благодаря доступности структурного «портрета» протонного гомолога, полученного с помощью рентгенной кристаллографии, ученым удалось пролить свет на механизм работы натриевой цитохромоксидазы.

Но заслуга исследователей состоит не только в самом открытии: им удалось найти и прямое экспериментальное доказательство перекачки натрия цитохром с-оксидазой через мембрану и обнаружить признаки присутствия в ферменте натриевого канала.

Ученые сравнивали потребление кислорода и работу дыхательной цепи у целых клеток бактерии Thioalkalivibrio versutus и приготовленных из нее везикул (мембранных пузырьков) в различных средах. В качестве контроля использовались штаммы бактерий Rhodobacter sphaeroides и Paracoccus denitrificans, цитохромоксидазы которых используют для работы ионы водорода. В результате была обнаружена связь между присутствием натрия в среде и активностью новой цитохром с-оксидазы.

По словам Марии Мунтян, в работе было использовано более 20 различных методов и подходов биохимии, молекулярной биологии, биофизики и микробиологии. Среди них как известные, так и уникальные экспериментальные методы. Кроме того, применялись теоретические подходы с привлечением молекулярного конструирования, моделирования и молекулярно-динамических расчетов.

«Также нами проведены моделирование и молекулярно-динамические расчеты, позволившие предсказать структуру и функциональную активность натриевого канала в ферменте», — уточнила Мария Мунтян.

В перспективе ученые намерены продолжать изучение обнаруженного канала, по которому, согласно полученным данным, ионы натрия должны перекачиваться с одной стороны мембраны на другую для того, чтобы запасти энергию окислительно-восстановительной реакции в ходе дыхания в виде энергии градиента ионов натрия на мембране. 

 

На фото: Модель натрийперекачивающей цитохромоксидазы в цитоплазматической мембране щелочелюбивой бактерии. Субъединицы фермента обозначены цветом: главная — синим, две вспомогательные - оранжевым и розовым. Электроны (e-) от природных доноров последовательно передаются через кофакторы — три гема c, расположенные на вспомогательных субъединицах, затем гемы b и b3 и медь CuB главной субъединицы — на кислород. За счет этой окислительно-восстановительной реакции образуется вода H2O), а ионы натрия (Na+) перекачиваются из цитоплазмы клетки наружу. Как и в настоящей батарейке, на мембране при работе цитохромоксидазы генерируется разность электрохимических потенциалов ионов Na+. С правой стороны рисунка знаками «+» и «-» в кружках показано, как заряжается мембрана. © 2015. М.С. Мунтян. 

 

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Реставраторы ТГУ восстановили немецкую грамоту начала XV века

Сонные инновации

Большинство из нас хоть раз ловили себя на мысли, что было бы очень здорово, если бы нам не нужно было так много спать. Небольшая группа исследователей ищет  сейчас немедикаментозные способы, позволяющие сократить время сна без ущерба для здоровья.

Лучшие научные проекты выиграли гранты на сумму 18,5 млрд рублей

Животные-рекордсмены. Часть II

Продолжаем рассказ о выдающихся представителях животного царства. Все самые сильные, зоркие, ловкие, тяжелые. Кстати, в нашем списке есть даже акулы. Никогда не догадаетесь, по какому признаку они самые-самые!

Обидная многоклеточность

Первые многоклеточные организмы появились аж на миллиард лет раньше, чем еще недавно считалось. Такой вывод сделала международная группа ученых, чье исследование опубликовано в недавнем номере журнала Nature. Для палеонтологов — это сенсация на грани скандала.