Mitohondrijus bieži dēvē par šūnu spēkstacijām, jo tie saražo lielu daļu enerģijas, kas organismam nepieciešama augšanai, kustībām, audu atjaunošanai un ikdienas funkcijām. Tomēr mitohondriji nedarbojas nemainīgā intensitātē — tie nepārtraukti pielāgo savu aktivitāti šūnas enerģijas vajadzībām un pieejamajām uzturvielām.

Zinātnieki jau sen zināja, ka uzturs var ietekmēt šo procesu, taču līdz šim nebija skaidrs, kā tieši atsevišķas uzturvielas nosūta signālus, kas maina mitohondriju darbību. Tagad pētnieki profesora Torstena Hopes vadībā no Ķelnes Universitātes Ģenētikas institūta un CECAD Novecošanas pētniecības izcilības klastera ir identificējuši jaunu mehānismu, kurā iesaistīts leicīns.

Pētījums publicēts žurnālā Nature Cell Biology, un tā nosaukums ir “Leucine inhibits degradation of outer mitochondrial membrane proteins to adapt mitochondrial respiration” jeb “Leicīns kavē mitohondriju ārējās membrānas olbaltumvielu noārdīšanu, lai pielāgotu mitohondriju elpošanu”. Rezultāti liecina, ka leicīns var stabilizēt svarīgas mitohondriju olbaltumvielas, ļaujot šiem organoīdiem efektīvāk ražot enerģiju.

Kā leicīns ietekmē mitohondriju enerģijas ražošanu

Leicīns ir neaizvietojama aminoskābe, ko cilvēka organisms pietiekamā daudzumā pats nespēj izveidot, tādēļ tā jāuzņem ar pārtiku. Aminoskābes ir olbaltumvielu veidošanas pamatvienības, un leicīns īpaši lielā daudzumā atrodams ar olbaltumvielām bagātos produktos, tostarp piena produktos, gaļā, pupās un lēcās.

Pētnieki noskaidroja, ka leicīns ne tikai piedalās olbaltumvielu veidošanā. Tas arī palīdz novērst noteiktu olbaltumvielu noārdīšanu uz mitohondriju ārējās virsmas. Šīm olbaltumvielām ir būtiska nozīme vielmaiņā, jo tās palīdz pārvietot citas molekulas mitohondrijos, kur tās var tikt izmantotas šūnas enerģijas ražošanas procesos.

Ja leicīns palīdz šīs olbaltumvielas saglabāt, mitohondriji var darboties efektīvāk un palielināt šūnas saražotās enerģijas daudzumu. “Mēs bijām ļoti gandarīti, atklājot, ka šūnas uzturvielu stāvoklis, īpaši leicīna līmenis, tieši ietekmē enerģijas ražošanu,” sacīja pētījuma pirmā autore doktore Cjaoču Li. Pēc viņas teiktā, šis mehānisms ļauj šūnām ātri pielāgoties lielākam enerģijas pieprasījumam laikā, kad uzturvielu ir daudz.

Būtiska loma ir šūnu kvalitātes kontroles olbaltumvielai

Pētnieki šo efektu saistīja ar olbaltumvielu SEL1L, kas piedalās šūnu kvalitātes kontrolē. Šūnas nepārtraukti pārbauda savas olbaltumvielas, jo bojātas vai nepareizi salocītas olbaltumvielas var traucēt normālu darbību. SEL1L palīdz identificēt olbaltumvielas, kuras nepieciešams izvadīt, un novirza tās noārdīšanai.

Pēc pētnieku domām, leicīns, šķiet, samazina SEL1L aktivitāti. Tādēļ tiek noārdīts mazāks daudzums mitohondriju olbaltumvielu, un vairāk šo olbaltumvielu paliek savā vietā, turpinot atbalstīt mitohondriju darbību.

“Leicīna un SEL1L līmeņa regulēšana varētu būt stratēģija enerģijas ražošanas veicināšanai,” piebilda Li. “Tomēr ir svarīgi rīkoties piesardzīgi. SEL1L ir arī būtiska nozīme bojātu olbaltumvielu uzkrāšanās novēršanā, kas ir nepieciešama ilgtermiņa šūnu veselībai.”

Šis brīdinājums ir būtisks, jo lielāka enerģijas ražošana ne vienmēr ir organismam labvēlīga. Tās pašas šūnu sistēmas, kas palīdz saglabāt noderīgas olbaltumvielas, vienlaikus piedalās arī bojāto olbaltumvielu iznīcināšanā. Mainot šo līdzsvaru, var rasties neparedzētas sekas.

Iespējamā nozīme auglības un vēža pētījumos

Lai izpētītu leicīna vielmaiņas plašāko ietekmi, zinātnieki pētīja arī Caenorhabditis elegans — sīku apaļtārpu, ko bioloģijā plaši izmanto, jo daudzi tā šūnu procesi ir līdzīgi sarežģītāku organismu procesiem.

Tārpiem traucējumi leicīna noārdīšanā izjauca mitohondriju darbību un bija saistīti ar auglības problēmām. Pētnieki analizēja arī cilvēka plaušu vēža šūnas un atklāja, ka dažas mutācijas, kas ietekmē leicīna vielmaiņu, var palīdzēt vēža šūnām izdzīvot.

Šis novērojums var būt nozīmīgs turpmākajos vēža pētījumos, jo ārstēšanas metodes, kas maina ar leicīnu saistītos vielmaiņas ceļus, veselās šūnas un audzēja šūnas var ietekmēt atšķirīgi.

Uzturvielas darbojas arī kā šūnu signāli

Atklājumi papildina arvien vairāk pierādījumu, ka uzturvielas organismam kalpo ne tikai kā izejmateriāls. Tās var darboties arī kā signāli, kas ietekmē šūnu funkcijas.

Šajā gadījumā leicīns, šķiet, palīdz šūnām pielāgot enerģijas ražošanu pieejamo uzturvielu daudzumam, pasargājot svarīgas mitohondriju olbaltumvielas no noārdīšanas. Atklājot līdz šim nezināmu saikni starp leicīnu, olbaltumvielu kvalitātes kontroli un mitohondriju vielmaiņu, pētnieki ir identificējuši potenciālus jaunus mērķus slimībām, kuru gadījumā tiek traucēta šūnu enerģijas ražošana, tostarp vēzim un vielmaiņas traucējumiem.

Pētījumu atbalstīja Vācijas izcilības stratēģija CECAD ietvaros, kā arī vairāki Vācijas Pētniecības fonda (DFG) finansēti kopīgo pētījumu centri. Papildu finansējumu nodrošināja Eiropas Pētniecības padome, piešķirot ERC Advanced Grant “Cellular Strategies of Protein Quality Control-Degradation” (CellularPQCD), kā arī Aleksandra fon Humbolta fonds.