MITO

Mito: „Technologie spojená s životem. Upravuje nejlepší možný výkon a nízkou spotřebu.

Hlavní roli v našem příběhu bude hrát „Mito“. Znalcům zeměpravy se nejspíš vybaví města v Zemi vycházejícího slunce. Osad toho jména tam mají hned několik. Mito je hlavní město v prefektuře Ibaraki a stejný název má i město v prefektuře Aiči a do třetice mají takové i v prefektuře Šimane.

Nám normálním se u pojmu „Mito“ vybaví italský dizajn Alfy Romeo a její nejmenší sporťák, kterým cílí na nás, kteří máme hluboko do kapsy, ale rádi bychom se vozili rychle. V reklamních materiálech se praví, že „Technologie MITO je vždy ve spojení s životem a že má DNA, která má pod palcem hbitost a nejlepší možný výkon“.

Mito (thermo yellow), N,N-dibutyl-6-imino-9-(3-piperidin-1-ylphenyl)xanthen-3-amine. Technologie pronikající do života mitochondrií zajišťujících nám nejlepší možný výkon a nízkou spotřebu.

Je poněkud úsměvné, že si biologové se svými kolegy od šroubků notují stejnými slovy, ale jedni mají na mysli jako zdroj energie motor předoucí si v optimálním provozu zajišťovaném programem DNA, neboli „Dynamic, Normal a All-Weather“ a  druzí pod hnacím motorem míní mitochondrie, které jsou také řízeny DNA. Rozdíl je jen v tom, že v tomto případě jde o deoxyribonukleovou kyselinu a že stroje na energii mají jen několik mikrometrů a že v jediné buňce jich může být třea i sto tisíc. Aby ty miliontiny metru mohli biologové vidět, potřebují k tomu mikroskop a barvičku. Té říkají Mito a právě tou se dnes budeme zabývat. Nejen, že činí neviditelné viditelným, ale jak se ukázalo, umí toho mnohem víc.

Barvičky Mito, jež v nynějším objevu sehrála nejdůležitější roli, je vícero typů. Té původní se říkalo MitoTracker, což v překladu znamená „slídič“. Je to případné pojmenování, dovoluje totiž pozorovat mitochondrie nejen ve fixovaném preparátu, ale i v buňkách živých. Dnes se omezíme na  Mito druhé generace. Dostalo se jí přívlastků „termo a žlutá“. V odborných textech o ní píší jako o MTY, což je zkratkou anglického MitoThermo Yellow. Než se dostaneme k meritu věci tvrzení Francouzů, připomeneme si, k čemu nám jsou mitochondrie dobré.

Mitochondrie - potomek alfaproteobakterií příbuzných dnešním rickettsiím. Dnes jsou z nich semiautonomní organely.

Bez listí a možnosti fotosyntézy je získávání energie k životu dřina. Naši předci byli naštěstí chytří a kdysi dávno začali spolupracovat s bakteriemi. Zda šlo o dobrovolnost, nebo jsme je anektovali, se asi už nikdy nedozvíme, ale většinový názor přírodovědců je, že před dvěma miliardami let byly mitochondrie samostatnými organismy, které se nám vmontovaly do života jako parazité. Pro tuto verzi má svědčit fakt, že si stále na tu dobu pamatují a uchovaly si z ní značnou část autonomie. Privilegium - mít svou vlastní DNA, je svým způsobem nelogické až riskantní. Jakoby si stát (v našem případě buňka) všechny své „resorty“ řídil z jednoho centra (jádra a jaderné DNA) a ten nejdůležitější strategický resort – energetiku, ponechal v působnosti bývalého nepřítele.
Na dnes již mírumilovné spolužití s mitochondriemi se ale lze dívat i pohledem strany Starostové a nezávislí a považovat ponechání rozhodování na mitochondriální samosprávě za správné. Ať už tomu bylo a je jakkoliv, výsledek je, že si každá buňka provozuje zmíněné tisíce „elektrocentrál“. Výhodou je, že se nemusí se starat o přenosovou soustavu. Má to ale i svůj rub. Zatímco jadernou DNA nám stačí mít v buňce jen jednu, tu mitochondriální máme tolikrát, kolik máme mitochondrií, což někdy jsou až zmíněné statisíce mtDNA molekul v jedinné buňce.. Všechny nachlup stejné, což málo naplat, nelogické je. Také poskytnout optimální podmínky pro co neúčelnější využití energie v malých a separátních mitochondriích je také nutně problematičtější.

Dominique Chrétien: „Teplotní optimum pro mitochondriální enzymy není okolo sedmatřiceti, nejvýkonnější jsou až při téměř padesáti stupních Celsia.“
French Institute of Health and Medical Research, Inserm.

Po věcné stránce mají mitochondrie na starosti syntézu ATP, čemuž se většinou říká dýchání. Buněčné dýchání, čímž se míní rozklad celé řady organických látek s cílem vysát z nich energii a zásobit buňku energií prostřednictvím energeticky bohatých molekul. Těmi je adenosintrifosfát (ATP). Mitochondrie neustále tvoří ATP a recyklují ho z toho, co zbylo po jeho použití. Nejde o molekuly k dlouhodobému skladování energie. Mimo jiné i proto, že v buňce na ně není dost místa. Pokud činnost mitochondriím zarazíme, třeba kyanidem, zásoby ATP buňkám dojdou během minuty a je konec. Představu o jaký cvrkot v mitochondriích při syntéze ATP jde, si uděláme z vypočtené spotřeby maratonského běžce. Jeho svaly za dvě hodiny práce na maximum spotřebují tolik ATP (a mitochondrie ho musí vyrobit a recyklovat), kolik běžec sám váží a ještě o něco víc.

Adenosintrifosfát  (ATP). Zásadní molekula pro funkci všech buněk. Při jejím rozkladu se uvolňuje značné množství energie. Slouží jako substrát pro skupinu enzymů zvaných kinázy. Přenáší fosfátový zbytek na cílovou molekulu.

Nejde jen o běh. ATP je molekula pro náš život zcela zásadní. Závisí na ní syntéza proteinů, enzymů, hormonů, nitrobuněčný a membránový transport, syntéza RNA,…  Dost důvodů k tomu, aby se vědci o dění v mitochondriích zajímali. Jak se dalo předpokládat, při konverzi energie uvolněné oxidací živin a jejím uskladňování do ATP nejsou tyto naše elektrárničky 100% účinné. Část nevyužité energie rozptylují do okolí jako teplo a mitochondriální membrána v tom hraje roli. Tím jsme se dostali do oblasti dosud málo probádané a se spoustou otázek. Francouzští vědci k pronikání do tajů nitra buňky využili Mito barvičku, která se váže na vnitřní stranu mitochondriální membrány. Tou je MitoThermo Yellow, zkráceně MTY. Nejen, že fluoreskuje, čímž mitochondrie zviditelňuje, ale protože její svit se odvíjí od teploty, lze s její pomocí teplotu mitochondrií změřit. A právě to u buněk lidské kůže (fibroblastů) a také buněk ledviny provedli. Na tom, že při činnosti mitochondrií v nich zjistili nárůst teploty, není nic neočekávaného. Překvapením bylo o kolik. Laicky řečeno, při respiraci se mitochondrie „rozpalují do běla“, neboť jejich teplota je o deset až dvanáct stupňů vyšší, než je našich běžných 36,7.  Francouzský tým z toho vyvozuje, že optimální teplota pro mitochondrie se blíží padesáti (!) stupňům Celsia.

Nick Lane pracuje v Londýně na University College. Obdržel uznání od Královské biologické společnosti a od loňského roku je profesorem evoluční biochemie. K některým interpretacím výsledků francouzského týmu se staví kriticky. Kredit: UC.

Závěr

Pravdou je, že mezi kolegy z branže jsou i tací, kterým se tak velký nárůst teploty zdá nedůvěryhodný. Autorům vytýkají, že není tak zcela jisté, že se sonda skutečně váže na vnitřní membránu a že změnu  v emitování světla by částečně mohly přivodit nespecifické reakce. Navrhují výsledek ověřit matematicky. To ale nejde. Mitochondrie, to je takový biologický „mikrovesmír“, v němž běžné zákonitosti a vzorce přestávají platit, podobně jako ve fyzice částic. Jak udělat výpočet prostupu tepla, když toho moc o membránách nevíme a navíc mitochondrie mají membrány dvě a každá z nich je jiná. I když obsahuje vodu, je to voda vázaná. Ta je tam proto, aby dovolovala změnu konformace proteinových molekul.

ANIMACE

Ne všechny buňky v našem těle jedou na plný plyn. V průměru se ale dá říci, že od svých mitochondrií vyžadují, aby jim každou sekundu dodaly pro zajištění běžných potřeb okolo deseti milionů molekul ATP. Lépe se to pamatuje, když si údaj převedeme na potřebu celého těla. Pokud zrovna nejsme v rozvodovém řízení, nebo nedoručujeme zprávu z Marathonu do Athén, tak každou sekundu mitochondrie zrecyklují téměř gram ATP.

Laicky řečeno, voda v takovém prostředí necirkuluje ani nepředává teplo tak, jak je ve fyzikálních pokusech běžné. Zatímco vnější membrána se chová jako „normální“ lipidová dvojvrstva, kterou voda a teplo prochází bez obstrukcí, ta vnitřní je prošpikovaná zvláštními proteiny a neobvyklým lipidem (kardiolipinem) a funguje jako lepidlo udržující tvar soustavy, nejspíš aby co nejlépe teplo uchovávala.

Matematika, bez znalostí podstaty, je nám tady k ničemu. Proto je použití sond, jako je MTY, a postup, jakým postupoval Chrétienův tým, správnou volbou, která by nám měla dovolit zjistit poměry panující v mitochondriích a nejen v nich. I když Francouzi nedávají odpověď na všechny otázky a některé jejich interpretace v článku nemusejí být správné, podařil se jim husarský kousek. Změnili náš pohled na motory našeho života a ukázali, jak jsou ve skutečnosti horké. Touto svou horkou novinkou ale otevřeli Pandořinu skříňku. V nano světě našich buněk bude hodně věcí jinak, než jak se nám to jeví.

Mito Thermo Yellow (MTY). Fluorescenční barva používaná v mikroskopii. Je citlivá na teplo a tak ji lze využít jako teploměr ke zjišťování poměrů uvnitř struktur v buňce. S její pomocí se podařilo zjistit, jak vnitřek mitochondrií „sálá“.

Představa, že membránu mají mitochondrie poskládanou tak složitě proto, aby fungovala jako chladič, je novým objevem více než zpochybněna. Když se na mitochondrie začneme dívat očima Francouzů, musí nám být podezřelé, že lamely vnitřní membrány k sobě přiléhají nějak moc těsně, a že takové uspořádání proudění pohybu molekul vody, nepřeje. Z hlediska odvodu tepla jde o hloupé řešení, a tak je pravděpodobnější, že struktura funguje opačně. Uspořádání lamel má zřejmě za cíl, aby jedna membrána zahřívala tu druhou a teplo v matrici se uchovávalo.

Uspořádání vnitřní membrány mitochondrie se spíše než „chladič“ začíná jevit jako „kožich“ umožňující rychle zvýšit a udržet teplotu těsně pod padesáti stupni Celsia na co největší reakční ploše. Foto: Terrence G. Frey, State University San Diego

Připomíná to dění v paddocku automobilových stájí F1. Než dravcům odmávnou start, motory s pneumatikami jim také předehřívají. I našemu složitému enzymatickému stroji, vyžadujícímu velkou plochu, na níž probíhá  Krebsův cyklus, dýchací řetězec,… a v němž spolupracuje spousta enzymů, je předehřátí pracovního prostředí ku prospěchu. Zvláště když v okolí panuje osmatřicetistupňový mrazivý chlad. Bude na dalších výzkumech zjistit, kdy který enzym pracuje nejrychleji a při jaké teplotě se již začne rozpadat na kusy. A co je pro ten který systém optimum a kam také lze v případě potřeby léčby jít.

Psáno pro ALFA MEDICAL a osel.cz

Dobrou zprávou je, že u mnohých z enzymů již známe jejich selektivní inhibitory, což se časem ještě zlepší. S jejich pomocí lze bránit tomu nejhoršímu.  To spolu s využitím sond, jakou je MTY, skýtá možnost hlídat kritické hodnoty konkrétních enzymů a nejen v buňkách, ale i v jejich titěrných organelách. O teplotě už dlouho víme, že je mocnou čarodějkou a že strká prsty i do takových věcí, jako jsou poruchy plodnosti, rakovina,… Podle vědců optimistů jsme na prahu zcela nových přístupů v léčbě mnoha neduhů. Dosavadní praxi: „Máte horečku? Berte aspirin“, začíná zvonit hrana.

Literatura

Lane N (2018) Hot mitochondrie? PLoS Biol 16 (1): e2005113. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2005113
Chrétien D, Bénit P, Ha H-H, Keipert S, El-Khoury R, Chang Y-T, et al. (2018) Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C. PLoS Biol 16(1): e2003992. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2003992
Arai S, Suzuki M, Park SJ, Yoo JS, Wang L a kol. (2015) Fluorescenční teploměr zaměřený na mitochondrie monitoruje intracelulární teplotní gradient. Chem Commun (Camb) 51: 8044-8047.

Satoshi Arai, et al.: Mitochondria-targeted fluorescent thermometer monitors intracellular temperature gradient, Chemical Communications, Issue 38, 2015