Sciencemag.cz
Doporučujeme
Prý se tak chrání proti přehřátí. A jak to souvisí s rakovinou?
Na první pohled je vše jednoduché – bez kyslíku může mikroorganismus získávat energii z glukózy pouze tak, že část uhlíku oxiduje a část redukuje, z cukru tedy vzniká oxid uhličitý a vedle něj redukovaný alkohol. Však také proto provádíme kvašení anaerobně.
Otázka je to ale složitější, protože kvasinky tvoří částečně ethanol i v prostředí aerobním, kdy tak ve srovnání s dýcháním získávají méně energie. Jiné mikroorganismy vytvářejí v přítomnosti kyslíku kyselinu octovou, tedy také uhlík neoxidují až na oxid uhličitý, dalším obdobným produktem může být kyselina mléčná.
Vědci z Univerzity v Groningenu nyní v Nature Metabolism přicházejí s novou teorií. Jeden z autorů práce Matthias Heinemann tvrdí, že existuje určitá horní hranice pro rychlost metabolismu/produkci energie, aby buňka ještě mohla fungovat. V prostředí s dostatkem zdrojů by pak při plné oxidaci glukózy buňce hrozilo „přehřátí“.
Jednotkou vratnosti chemických reakcí není samotná entropie, ale Gibbsova energie (kombinuje entropii a entalpii – teplo uvolňované/spotřebovávané při reakci). Vědci nyní na základě teoretického modelování toho, jaké reakce v buňce probíhají, i faktických měření, dokáží stanovit hodnotu rozptylu Gibbsovy energie v buňce. Tato hodnota při zpracování glukózy nejprve roste, ale v určitý okamžik se ustálí. To je bod, kdy kvasinky přestávají získávání energie maximalizovat a začnou tvořit alkohol. Zajímavé je, že maximální hodnotu rozptylu Gibbsovy energie má mít cca stejnou jako kvasinka i bakterie Escherichia coli (a úplně stejný je každopádně mechanismus – nejprve probíhá dýchání, v určitý okamžik se dosáhne prahové hodnoty, a aby ta dále nerostla, buňka přechází na anaerobní fermentaci). Buňky část energie dokáží rozptýlit jako teplo, další energie by ale zřejmě mohla vyvolat příliš rychlé pohyby enzymů či jiných částí buňky, a poškodit tak buněčné struktury. Přechod na fermentaci tak odpovídá jakémusi otevření pojistného ventilu.
Nová teorie by mohla mít vztah i k úvahám o rakovině. Rakovinné buňky totiž často vytvářejí kyselinou mléčnou; na první pohled to nedává smysl, protože rakovinné buňky se přece vyznačují tím, že se rychle dělí/rostou, takže by naopak měly mít velkou potřebu energie a využívat ji až na doraz. Produkcí kyseliny mléčné se ale mohou chránit. Některé léky na rakovinu fungují právě tak, že blokují tvorbu laktátu – nyní zřejmě známe i mechanismus jejich účinku, nádorové buňky se pak zřejmě uvolňovanou energií zalknou.
Správnost této teorie má podporovat následující skutečnost. Některé druhy kvasinek přijímají cukry z okolí jen pomalu – těm pak přehřátí nehrozí a nemusí přepínat metabolismus. A skutečně, tyto druhy kvasinek alkohol neprodukují (za přítomnosti kyslíku).
Bastian Niebel et al, An upper limit on Gibbs energy dissipation governs cellular metabolism, Nature Metabolism (2018). DOI: 10.1038/s42255-018-0006-7
Poznámka PH: Nebylo by pak ale pro buňku namísto neefektivního zpracování také výhodnější zpomalit příjem živin z prostředí/začátek jejich zpracovávání?
Zdroj: Phys.org a další
