Защо раковите клетки разчитат на ферментация, а не на аеробно дишане, за да натрупат енергия

През 20-те години на миналия век немският химик Ото Варбург открива, че раковите клетки не усвояват захарта по начина, по който го правят човешките клетки. Още тогава учените си задават въпроса защо туморните клетки избират друг, заобиколен и не толкова ефективен, начин за получаване на енергия.

Биолози от Масачузетския технологичен институт се приближават до едно от възможните обяснения, а изследването им е публикувано в списание „Molecular Cell“. Механизмът, избран от тези клетки, е познат като ферментация и ги подпомага да регенерират големи количества от молекулата NAD+, нужна им, за да синтезират ДНК и други важни молекули. Откритията им касаят и други бързо размножаващи се клетки, например имунните, които също преминават в режим на ферментация.

Ключовата роля на молекулата NAD+

„Цяло столетие учени се опитват да разгадаят логиката зад процеса. Нашият екип откри, че при определени условия, клетките имат по-остра нужда от реакции, свързани с трансфера на електрони, а за да настъпят те, трябва да присъства молекулата NAD+, без която е невъзможно изграждането на други молекули като тези на ДНК например“, пояснява Матю Вандер Хайден, доцент по биология към Масачузетския технологичен институт и помощник-директор на института за интегративни ракови изследвания „Koch.“

Вандер Хайден е ръководител на новото проучване, а съавтори са Алба Луенго и Дзаоки Ли.

Какво представлява ферментацията в клетките?

Ферментацията е процес, с помощта на който клетките могат да превръщат енергията от захарта в молекула аденозинтрифосфат (ATP). Тя представлява химично вещество, използването от клетките за съхранение на енергия за всички техни нужди. Клетките на бозайниците обаче обикновено разграждат захарта чрез така нареченото клетъчно аеробно дишане, чрез което се произвежда много повече аденозинтрифосфат. В повечето случаи клетките преминават към ферментация, когато не им достига кислород, за да осъществят аеробно дишане.

Откакто Варбург е направил своето откритие, не един учен е опитал да изгради теория за причините, поради които туморните клетки решават да превключат към по-неефективния процес на ферментация.

Според химика митохондриите на раковите клетки, където протича аеробното дишане, вероятно са увредени. Впоследствие предположението му се оказва погрешно.

Някои от другите хипотези се базират на възможните ползи от производството на аденозинтрифосфат (ATP), когато то се извършва по различен начин, но и те не са научно обосновани.

Потискането на ферментацията забавя растежа на раковите клетки

В настоящото проучване екипът от Масачузетския технологичен институт опитва да разбули тайната, като потиска способността на раковите клетки да извършват ферментация. Учените прилагат медикамент, който да ги принуди да отклонят молекулата пируват от процеса на ферментация към процеса на клетъчно аеробно дишане.

Както и по-рано, те забелязват, че блокиране на ферментацията забавя растежа на раковите клетки. След това биолозите започват да търсят начини, с които да възстановят способността на клетките да се размножават, при условие, че ферментацията все още е възпрепятствана. За целта те ги стимулират да произвеждат молекулата NAD+, която им помага да се освободят от излишните електрони, появили се при създаването на молекули като ДНК и протеините.

Бързото размножаване на клетките изисква по-голям брой NAD+

Когато изследователите прилагат химикал, който стимулира производството на NAD+, те откриват, че клетките започват отново да се размножават, при това сравнително бързо и без да протича ферментация. Заключението на учените е, че, когато клетките се размножават с висока скорост, те имат по-голяма нужда от NAD+, отколкото от ATP. По време на аеробното дишане клетките произвеждат голям брой ATP и известно количество NAD+. Ако те започнат да натрупват повече ATP, отколкото могат да използват, дишането и производството на NAD+ също се забавят.

Ли споделя: „Стъпихме на хипотезата, че, когато произвеждаме едновременно NAD+ и ATP и не можем да се освободим от ATP, в един момент спираме да произвеждаме и NAD+."

Ето защо избирането на по-малко ефективен метод за производство на ATP, който обаче би дал възможност на клетките да произвеждат повече NAD+, всъщност им помага да растат по-бързо. Луенго добавя: „Ако разгледаме двата процеса отстрани, ще видим, че ферментацията е тази, която позволява производството на повече NAD.“

Обяснение на парадокса

Учените прилагат теорията си и върху други бързо размножаващи се клетки, включително имунните, и наблюдават, че блокирането на процеса на ферментация и производството на NAD+ по алтернативни начини позволяват на клетките да се делят бързо.

Те се натъкват на същия феномен в друг тип клетки, например на дрождите. Там също протича ферментация, в резултат на която се образува етанол.

Вандер Хайден уточнява: „Не на всички размножаващи се клетки се налага да го правят. Само на онези, които се размножават наистина бързо. Според мен това откритие обяснява и разрешава повечето парадокси, свързани с клетъчните процеси.“

Екипът счита, че медикаменти, които принуждават раковите клетки да заменят ферментацията с аеробно дишане, са възможна алтернатива за лечение на тумори. Лекарства, които блокират производството на NAD+ също биха могли да окажат благоприятно действие върху пациентите, твърдят учените.