Grupa GENOXPHOS (Genetyka Funkcjonalna Systemu Fosforylacji Oksydacyjnej) w Narodowe Centrum Badań Układu Sercowo-Naczyniowego (CNIC) odkrył kluczową rolę sodu w wytwarzaniu energii komórkowej. W badaniu, prowadzonym przez lidera grupy GENOPHOS, dr. José Antonio Enríqueza, wzięli udział również naukowcy z Uniwersytetu Complutense w Madrycie, Instytutu Badań Biomedycznych Szpital Dwunastego PaździernikaDavid Geffen School of Medicine na UCLA oraz hiszpańskie sieci badawcze zajmujące się kruchością i zdrowym starzeniem się (CIBERFES) oraz chorobami układu krążenia (CIBERCV).
Badanie opublikowane w czasopiśmie Komórkaujawnia, że kompleks oddechowy I, pierwszy enzym łańcucha transportu elektronów w mitochondriach, posiada nieznaną dotychczas aktywność transportu sodu, która jest kluczowa dla wydajnej produkcji energii komórkowej.
Odkrycie tej aktywności dostarcza molekularnego wyjaśnienia pochodzenia neurodegeneracyjnej choroby Lebera, dziedzicznej neuropatii nerwu wzrokowego (LHON). Po raz pierwszy opisana w 1988 r., LHON jest powiązana z defektami w mitochondrialnym DNA i jest najczęstszą chorobą dziedziczoną mitochondrialnie na świecie. Nowe badanie pokazuje, że dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego w LHON jest spowodowana przez specyficzny defekt w transporcie sodu i protonów przez kompleks I.
Zgodnie z hipotezą chemiosmotyczną, synteza ATP w mitochondriach — głównego źródła energii komórkowej — jest napędzana przez elektrochemiczny gradient protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Hipotezę tę po raz pierwszy zaproponował Peter Mitchell w 1961 r. i przyniosła mu Nagrodę Nobla w 1978 r. Jednak od tego czasu model ten pozostał zasadniczo niezmieniony. Teraz wyniki nowego badania pokazują, że proces ten obejmuje również transport jonów sodu, co wcześniej nie było brane pod uwagę.
Zespół badawczy pod przewodnictwem naukowców CNIC José Antonio Enríqueza i Pablo Hernansanza wykorzystał szereg mutantów i różnych modeli genetycznych, aby wykazać, że kompleks mitochondrialny I wymienia jony sodu na protony, generując w ten sposób gradient jonów sodu równoległy do gradientu protonów. Ten gradient sodu odpowiada za połowę potencjału błony mitochondrialnej i jest niezbędny do produkcji ATP.
Dr Enríquez wyjaśnił, że „aktywność transportu sodowo-protonowego została utracona, gdy wyeliminowaliśmy kompleks I u myszy, ale została utrzymana, gdy wyeliminowaliśmy kompleks III lub kompleks IV, co potwierdza, że transport sodowo-protonowy jest bezpośrednio dotknięty brakiem funkcji kompleksu I”. Poprzez te eksperymenty naukowcy byli w stanie wykazać, że chociaż dwie funkcje kompleksu I (aktywność hydrogenazy i transport sodowo-protonowy) są niezależne od siebie, obie są niezbędne do funkcjonowania komórki.
Pablo Hernansanz skomentował, że „nasze wyniki pokazują, że mitochondria mają zbiornik jonów sodowych, który jest niezbędny do ich funkcjonowania i opierania się stresowi komórkowemu”, podczas gdy José Antonio Enríquez podkreślił, że regulacja tego mechanizmu jest istotną cechą biologii ssaków.
Omawiając możliwe metody leczenia LHON, José Antonio Enríquez skomentował, że chociaż dostępne są leki, które skutecznie replikują transport sodu przez wewnętrzną błonę izolowanych mitochondriów, kliniczne zastosowanie tych leków jest utrudnione przez ich toksyczne skutki uboczne na transport sodu w błonie komórkowej. „Wyzwaniem jest teraz zaprojektowanie leków, które działają specyficznie w mitochondriach, nie wpływając na inne części komórki” — powiedział dr Enríquez.
Naukowcy uważają również, że zaburzenia transportu sodowo-protonowego mogą odgrywać rolę w innych, częściej występujących chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona, w której wykryto udział kompleksu I.
