Biolog i nasz reporter Tomasz Sitarz zatrzaśnięty przypadkowo na noc w laboratorium naukowym dokonał rzeczy wyjątkowej. Przeprowadził wywiad z mitochondrium, częścią żywej komórki odpowiedzialną za dostarczanie energii. Wywiadu nie zdołaliśmy autoryzować, gdyż komórka z przyczyn od nas niezależnych dokonała apoptozy. Tym cenniejszy jest to dokument i przedstawiamy go tu w całości.
„Przekrój”: Dziś gościem naszych Czytelników jest znane i lubiane organellum, przez wielu nazywane elektrownią komórkową… Chodzi oczywiście o mitochondrium.
Mitochondrium: Dziękuję za serdeczne przywitanie.
Widzę, że jak zwykle tryska Pan energią.
Oczywiście. Ale od razu muszę coś sprostować. Chociaż nie mam chromosomalnie zdefiniowanej płci, to jestem dziedziczona ze strony matki, więc preferuję żeńskie zaimki osobowe.
Z całego mięśnia sercowego błagam Panią o wybaczenie. Ta sytuacja obrazuje powszechną ignorancję dotyczącą mitochondriów.
Zrobię, co w mojej mocy, aby to zmienić. Proszę śmiało pytać.
Dziękuję. Może w takim razie pójdziemy tropem dziedziczności, o której Pani wspomniała?
Z przyjemnością! Muszę jednak podkreślić, że będę mówić z perspektywy ludzkiego mitochondrium, więc moje odpowiedzi mogą się nie stosować do innych organizmów.
Nic nie szkodzi, czytają nas głównie ludzie.
Świetnie. Jeśli więc chodzi o dziedziczenie ludzkich mitochondriów, to trzeba zacząć od plemnika. Otóż plemnik zbudowany jest z główki – zawierającej materiał genetyczny – oraz wici, odpowiedzialnej za ruch w jajowodzie. Pomiędzy nimi jest jeszcze trzecia część, czyli wstawka, i tam właśnie w wielkiej ilości znajdują się mitochondria. Są potrzebne, żeby dostarczyć plemnikowi energii na przepłynięcie 30 cm od szyjki macicy do komórki jajowej. Niby blisko, ale plemnik mierzy tylko 60 μm, więc dla niego to wyzwanie.
Jak to się ma do dziedziczenia?
Jedynie główka plemnika wnika do komórki jajowej. Cała reszta, wić i wstawka, pozostają na zewnątrz. Skutkiem tego zapłodniona komórka jajowa zawiera w sobie jedynie matczyne mitochondria. Dzięki temu fenomenowi naukowcy mogli prześledzić ewolucję Homo sapiens aż do mitochondrialnej Ewy. Ta żyjąca 200 tys. lat temu kobieta była domniemaną matką wszystkich współczesnych ludzi!
Czyli wszyscy jesteśmy braćmi i siostrami?
Z genetycznego punktu widzenia można tak powiedzieć.
Dziedziczenie, ewolucja – te terminy wskazują na Pani zainteresowanie genetyką.
Zainteresowanie to mało. Posiadam swój własny materiał genetyczny!
Proszę o tym opowiedzieć.
Ludzka komórka ma jądro, w którym składuje swój materiał genetyczny uporządkowany w geny zapisane w cząsteczce DNA. Jednak nie jest to jedyne miejsce w komórce, gdzie znajdziemy DNA. Mitochondria mają swój własny, częściowo niezależny, materiał genetyczny. Nie byłabym sobą, gdybym nie podkreśliła, że jest to wyjątkowa cząsteczka DNA.
Proszę wybaczyć, ale mówi Pani bardzo enigmatycznie.
DNA w jądrze jest liniowe i upakowane w chromosomy, natomiast ja preferuję cząsteczkę kulistą. Jak wiadomo – kula to perfekcja.
Czyli odrzuciła Pani konformistyczny standard i wybrała własną drogę? Godne podziwu.
To było bardziej skomplikowane. Żeby wyjaśnić sprawę mojego DNA, musimy cofnąć się w zamierzchłą przeszłość. Pamiętam to wszystko jak przez mgłę, ale współcześni naukowcy całkiem nieźle opisali moje pochodzenie. Nazywają tę opowieść teorią endosymbiozy.
Endosymbiozy? Spróbuję to rozszyfrować. Chodzi o współpracę wewnętrzną?
Wspólne życie wewnętrzne – to moje ulubione tłumaczenie. Jak powiadają, w pradawnych czasach prostych jednokomórkowców miało miejsce wiekopomne wydarzenie, które na zawsze zmieniło życie na Ziemi. Jeden mikroorganizm zjadł inny mikroorganizm.
Nie brzmi to zbyt wyjątkowo. Życie zjada życie.
Ale zazwyczaj większe życie trawi mniejsze życie i z tego mniejszego nic nie zostaje. W przypadku endosymbiozy sprawa miała się inaczej. Ten, który zjadł, nie strawił zjedzonego, tylko zaprzągł go do pracy.
Niewolniczej?
Nie chcę się wdawać w szczegóły. To drażliwy temat. Pewne jest, że wchłonięty organizm nie należał do związków zawodowych ani nie miał ubezpieczenia zdrowotnego. Nie będę też komentować faktu, że ów pożeracz i ciemiężyciel jest dzisiaj przez naukę nazywany dobrodusznie „gospodarzem”. Nie zamierzam roztrząsać tych kwestii.
Proszę się nie gorączkować. Mimo wszystko ten większy nie unicestwił mniejszego, nie strawił, tylko zostawił przy życiu.
Oczywiście, ale zrobił to ze względu na przewagę ewolucyjną, którą mu to dało. Proszę wyobrazić sobie, że ma pan wewnątrz siebie małego ludzika, który przejmuje od pana część obowiązków. Ludzik zajmuje się prozą życia, podczas gdy tzw. gospodarz może skupić się na bardziej interesujących go sprawach.
Na przykład?
Na walce o przetrwanie i dominację w świecie zewnętrznym. Gospodarz wykorzystał zdobytą przewagę i zdominował niszę ekologiczną.
Ale w zamian za to wchłonięty mikroorganizm znalazł w gospodarzu bezpieczeństwo i opiekę, prawda?
Nie będę się z panem kłóciła, bo nie lubię marnować energii. Powiedzmy, że dzięki współpracy udało się osiągnąć coś, co w pojedynkę nie byłoby możliwe. Pokolenie po pokoleniu więź zacieśniała się. Gospodarz coraz wyraźniej zaniedbywał część metabolizmu zaspokajaną przez jego wewnętrznego przyjaciela, który bardziej i bardziej specjalizował się w swojej funkcji. Przez miliony lat ich relacja przekształciła się z symbiozy fakultatywnej w symbiozę obligatoryjną.
Czyli jeśli to niewolnictwo, to wzajemne?
Mamy tu do czynienia z fenomenem, w którym już nie wiadomo, kto jest panem, a kto niewolnikiem. Zdecydowanie nie nazwałabym tej relacji hegelmonią.
Ma Pani na myśli hegemonię?
Oczywiście. Przejęzyczenie. Widać duchem byłam gdzie indziej.
To witamy z powrotem. Czy symbioza obligatoryjna oznacza, że komórka nie przeżyje bez mitochondriów?
Tak, a mitochondrium nie przeżyje bez reszty komórki. Mówi się, że w relacjach trzeba iść na ustępstwa i wspierać się wzajemnie. Na tej zasadzie wchłonięty organizm przekazywał kolejne obowiązki gospodarzowi, a gospodarz wchłoniętemu organizmowi. Każdy zajmował się tym, w czym był lepszy lub raczej bardziej wydajny. Aż odwrót stał się niemożliwy.
Wspominała Pani, że jej DNA jest inne niż DNA jądrowe.
Właśnie do tego zmierzam. Skoro mitochondria pochodzą od wchłoniętego mikroorganizmu, to ich DNA może nam odpowiedzieć na pytanie: od jakiego mikroorganizmu? Dzięki porównaniu cech genomu mitochondrialnego z genomami organizmów pierwotnych udało się stwierdzić z dużym prawdopodobieństwem, że przodkiem mitochondriów była proteobakteria. Stąd właśnie moje wyjątkowe, kuliste DNA!
Ile jest w nim genów?
Cóż, przez miliony lat bakteria krok po kroku przekazywała fragmenty swojego genomu gospodarzowi. Odpowiedzialność za większość genów spadła na gospodarza i dzięki temu lokator mógł zająć się swoją robotą. Po latach takiej redukcji genom mitochondrialny zawiera jedynie 37 genów.
To wciąż imponująca liczba.
Proszę mnie nie pocieszać. Ta liczba mi uświadamia, jak wiele poświęciłam dla dobra udanej współpracy. Genom jądrowy zawiera około 30 tys. genów. Przy nim czuję się… jakby po przecinku.
Ale może Pani geny są wyjątkowo ważne?
O, tak! To na pewno. Białka powstające z tych genów są związane głównie z fosforylacją oksydacyjną, czyli aktywnością, za którą jestem najwyżej ceniona.
Może wyjawi nam Pani kilka sekretów tej… fosforylacji. Już sama nazwa wydaje się niejasna.
W branży molekularnej posługujemy się tym pojęciem do opisu szlaku metabolicznego, którego celem jest wytworzenie cząsteczek zawierających wysokoenergetyczne wiązania chemiczne. W trakcie tych przemian z cząsteczki glukozy powstają woda oraz dwutlenek węgla. Ale co najważniejsze, proces wiąże się z uwolnieniem elektronów – trafiają one do łańcucha oddechowego. Jest to szereg białek, które kolejno przekazują sobie każdy elektron. Skutkiem tej „gry w klasy” jest wytworzenie różnicy potencjałów w poprzek mojej wewnętrznej błony.
Pozwoli Pani, że przerwę. Powiedziała Pani o wewnętrznej błonie. Czy to oznacza, że ma Pani jeszcze jakąś inną?
Bezpośrednim skutkiem wchłonięcia bakterii było wytworzenie dookoła niej błony. Rzecz w tym, że jeszcze przed połknięciem bakteria miała własną błonę komórkową. Gdy zamieszkała w gospodarzu, zachowała tę pierwotną, ale przyjęła także nową. Dzięki temu jestem obłoniona dwoma warstwami i wykorzystuję tę właściwość w procesach metabolicznych. Tworząc wspomnianą wcześniej różnicę potencjałów, daję sygnał do działania syntazie ATP.
O, tutaj Panią mam. Chodzi o syntezę ATP.
Tutaj ja pana mam. Chodzi o syntazę. Syntaza ATP to ostatni enzym fosforylacji oksydacyjnej. To maszyna genialna jak żadna inna! Różnica stężenia plusów w poprzek mojej wewnętrznej błony napędza ruch obrotowy syntazy ATP. Syntaza się kręci, plusy przepływają do wnętrza, a powstająca w ten sposób energia magazynowana jest w wysokoenergetycznej cząsteczce ATP.
Muszę przyznać, że to dosyć zagmatwane.
Wygląda na trudne, ale gdyby pan to robił przez kilka milionów lat, toby pan załapał.
A może opowie Pani o innych obowiązkach mitochondrium?
W związku z globalnym ociepleniem może nie wydać się to zbyt zaszczytną rolą, ale potrafię produkować ciepło. Tę aktywność wykorzystuję w brunatnej tkance tłuszczowej, którą znaleźć można głównie wśród ssaków zimujących, ale też u ludzkich dzieci.
Ale to nie wszystko?
Oczywiście, że nie! Zajmuję się także zarządzaniem wolnymi rodnikami. Jak Państwo wiedzą, komórka jest bardzo zmiennym środowiskiem, w którym zachodzą miliony reakcji chemicznych na sekundę. Produktem niektórych reakcji metabolicznych są reaktywne formy tlenu. Gdy taki reaktywny rodnik znajdzie się w pobliżu jakiegoś ważnego elementu komórki, może dojść do przykrego incydentu. Weźmy jako przykład DNA. Reaktywne formy tlenu potrafią zmodyfikować informację zapisaną w DNA, a nawet uniemożliwić odczyt dużego jego fragmentu. Gdyby nie ja, rodniki tlenowe spustoszyłyby organizm przez mutacje, degradacje błon, nowotwory i przyśpieszone starzenie!
Napędziła mi Pani strachu. Czy można coś zrobić, by uchronić się przed takim scenariuszem?
Bez paniki. Po pierwsze, dbajmy o mitochondria – ruch i zbilansowana dieta to zdrowie. Ostatnio czytałam nawet o pozytywnym wpływie diety wegańskiej na jakość pracy mitochondriów. Po drugie, unikajmy długotrwałych stresów. O ile krótkotrwały stres potrafi być zbawienny dla maszynerii komórkowej, to zbyt przewlekły bodziec może prowadzić do patologicznej adaptacji skutkującej degrengoladą. Po trzecie, wprowadzajmy do ustroju antyoksydanty. Moim ulubionym jest resweratrol.
Skąd go brać? Gdzie go kupić?
Tak się składa, że znajdziemy go w czerwonym winie. Ale występuje też w formie tabletek. Nie chcę jednak, by Czytelnicy skupiali się na niebezpieczeństwach. Państwa komórki wyposażone są w rozbudowane systemy naprawy szkód, więc nie ma co się martwić. A jeśli już nic nie da się zrobić, gdy zniszczenia molekularne zaszły za daleko, gdy mutacje zmieniły charakter komórki nie do poznania, wkraczam ja i zabijam taką komórkę.
Chyba się przesłyszałem?
To jeden z moich obowiązków. Kontrola i inicjacja apoptozy, czyli zaprogramowanej śmierci komórkowej.
Nie wybaczyłbym sobie, gdybym nie pociągnął Pani za język w sprawie tej apoptozy.
Chętnie opowiem. To mój ulubiony proces. Nazwa oznacza z greki opadanie liści i całkiem nieźle obrazuje apoptozę. Jest to sposób organizmu na pozbywanie się schorowanych, zmutowanych, zbędnych komórek. Apoptoza odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu organizmu. Podczas embriogenezy jest na przykład odpowiedzialna za zanik błon między palcami dłoni i stóp. Znajduje także zastosowanie w usuwaniu zbyt starych komórek, które nie dają już rady spełniać swoich funkcji. Podobny los czeka komórki, w których pojawiła się zagrażająca bezpieczeństwu mutacja i nie udało się jej naprawić.
Czyli zajmuje się Pani takim „sprzątaniem świata”?
To skrzętnie kontrolowane sprzątanie molekularne, gdzie nic się nie marnuje. Pełen recykling komórkowych zwłok.
Jest Pani niczym bogini życia i śmierci pogrążona w tańcu stwarzania i destrukcji!
Widzę, że pana poniosło. W ludzkim świecie śmierć ma znacznie większe znaczenie niż u nas, w skali mikro. Komórki godzą się na śmierć, gdy przychodzi czas. Właściwie same ją indukują. Ja tylko naciskam odpowiednie przyciski białkowe, kontrolując cały proces. Gdy jest zakończony, po komórce zostają tylko resztki, które szybko są uprzątane. Miejsce takiej komórki może zająć nowa.
Coś się zaczyna, coś się kończy. Tak jak czas przeznaczony na naszą rozmowę. Zaraz przyjdą inni pracownicy naukowi i lepiej, żeby nie widzieli, jak rozmawiam z mitochondrium. Dziękuję i niech się Pani kręci syntaza ATP.
Cała przyjemność po mojej stronie wewnętrznej błony.
Czytaj również:
