Proton entlang der Membran: NUST MISIS-Physiker demystifizieren den biochemischen Mechanismus des Protonentransports in Mitochondrien

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Mikrobiologen und Biophysikern der NUST MISIS und Wissenschaftlern von der Johannes Kepler Universität ist es gelungen, einige wichtige wissenschaftliche Fragen auf globaler Ebene zu beantworten. Ihre Antworten helfen beim Verständnis der Vorgänge, wie Nahrung in eine Substanz umgewandelt wird, die Energie an Muskeln liefert. Der Transformationszyklus ist so kompliziert, dass eine eingehende Erklärung so lang sein kann wie ein Lehrbuch. Im Allgemeinen kann es auf die folgende Art und Weise dargestellt werden: Nachdem das Essen gekaut und geschluckt wurde, wird es im Magen mit der Hilfe mehrerer Mechanismen partiell in kleinere Bestandteile und sogar Moleküle zerteilt. Der Verdauungsvorgang wird im Dünndarm unter der Einwirkung von verschiedenen Lebensmittelenzymen weiter fortgesetzt. Die Transformation von Kohlehydraten in Glukose und das Aufspalten von Lipiden und Protein findet ebenfalls dort statt. Dort werden die verbleibenden Substanzen in zwei Teile aufgeteilt und in dieser Form (Pyruvat genannt) gelangen sie in die Mitochondrien, also die bindende Organelle für Zellen in den meisten lebenden Organismen - Tiere, Pflanzen, Pilze.

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     (Photo: http://mma.prnewswire.com/media/591341/Sergei_Akimov.jpg )

Die Glukosebestandteile werden rasch und konsistent in den Mitochondrien oxidiert. Das Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) treibt in der Nähe, das Proton, von dem es wegen dieser Oxidation losgelöst ist. Dieses Proton gerät irgendwie in den Teil der Mitochondrien, die für das Adenosintriphosphat verantwortlich sind, also dem "menschlichen Kraftstoff", mithilfe dessen unser gesamter Organismus läuft. Bis vor kurzem war es nicht klar, wie genau sie dort hingelangen. Diese Protonen können überall hingehen, aber aus irgendwelchen Gründen bleiben sie in der Nähe der Membran und strömen zum Eingang der kreisförmigen Pforten "des Reaktors für die ATF-Synthese". Jetzt haben die Wissenschaftler der NUST MISIS und ihre Kollegen herausgefunden, warum genau dies passiert.

"Protonen, die sich innerhalb von Mitochondrien bewegen, bleiben im wässrigen Bereich. Es ist bekannt, dass Wassermoleküle (H₂O) aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O) bestehen. Außer den chemischen Bindungen mit einem Wassermolekül können diese Atome auch schwache Bindungen mit benachbarten Wassermolekülen (Wasserstoff) eingehen. In der Nähe der Membranoberfläche werden diese Bindungen in Wassermolekülen auf eine besondere Weise geformt, weil es auf einer Seite Wasser gibt und auf der anderen Seite eine "Wand". Wasserstoffbindungen in der Nähe der Membran sind anders: sie haben unterschiedliche Quantitäten und Strukturen. Das Proton verwendet sie als "Schienen", um sich entlang der Membran zu bewegen. Unsere Forschung hat gezeigt, dass es diese Struktur "mag". Es treibt nicht ab in die Mitochondrien, sondern bewegt sich schnell entlang der Membran", erklärte Sergei Akimov, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für theoretische Physik und Quantumtechnologie an der NUST MISIS.

Mithilfe des Ergebnisses dieser Grundlagenforschung können Wissenschaftler den globalen Mechanismus für Energieerzeugung in Zellen verstehen, und wie damit potenzielle Möglichkeiten für die Pharmakologie eröffnet werden können. Die Ergebnisse der Forschung können für die Entwicklung von Arzneimitteln eingesetzt werden, mit denen die Auswirkungen dissoziativer Giftstoffe neutralisiert werden, sowie für die Vorbeugung gegen Krankheiten, die mit der Überfunktion der Schilddrüse zu tun haben. Bei diesen Krankheiten sammeln sich die sogenannten Substanz-Entkoppler (schwache, in Fett lösliche Säuren, die Protonen effektiv binden und damit zu einer Herabsetzung der ATF-Synthese insgesamt führen) in Mitochondrien an. Die Kenntnisse, die die russischen Wissenschaftler erlangt haben, werden der wissenschaftlichen Gemeinde dabei helfen, zu verstehen, was getan werden muss, um menschliche Energie in jeder Zelle wiederherzustellen.

Quelle: http://en.misis.ru/university/news/science/2017-10/4950/.