در داخل هر سلول زنده، میتوکندری ها به عنوان نیروگاه های انرژی عمل می کنند، مواد مغذی را به ATP تبدیل می کنند - ارز انرژی جهانی که فرآیندهای بیولوژیکی را تقویت می کند.این ارگانولها یک چالش حمل و نقل منحصر به فرد را ارائه می دهند.: غشای داخلی آن ها یک موانع نفوذ ناپذیر برای NADH، حامل الکترون حیاتی تولید شده در طول تجزیه مواد مغذی را تشکیل می دهد.
این پارادوکس بیولوژیکی از طریق تکامل سیستم های شاتل میتوکندریال پیچیده حل شده است - مکانیسم های حمل و نقل تخصصی که این شکاف متابولیک را از بین می برد.این سیستم های انتقال مولکولی به سلول ها اجازه می دهند تولید انرژی مداوم را با وجود موانع غشا حفظ کنند.
میتوکندری ها حدود ۹۰ درصد از ATP سلولی را از طریق فسفوریلیشن اکسیداتیو تولید می کنند. Their distinctive double-membrane structure features a highly folded inner membrane containing the electron transport chain - a series of protein complexes that create the proton gradient driving ATP synthesis.
NADH به عنوان اهدا کننده اصلی الکترون برای تولید ATP عمل می کند و الکترون های با انرژی بالا را از مسیرهای متابولیک مانند گلیکولیز و چرخه اسید سیتریک حمل می کند.حالت اکسیداسیون آن مستقیماً وضعیت انرژی سلولی را منعکس می کند.، که آن را یک شاخص مهم متابولیک می کند.
غشای داخلی میتوکندریال سه مانع را برای حمل NADH ارائه می دهد: اندازه مولکولی بزرگ آن، بار منفی و عدم وجود پروتئین های حمل اختصاصی.این امر نیاز به مکانیزم های جایگزین انتقال الکترون دارد.
سیستم های شاتل میتوکندریال این مشکل حمل و نقل را از طریق زنجیره های رله مولکولی حل می کنند.این سیستم ها الکترون ها (نه خود NADH) را از طریق غشا با استفاده از حامل های میانگین که می توانند به دو لایه چربی نفوذ کنند، انتقال می دهند..
این شاتل در عضلات، مغز و بافت چربی قهوه ای غالب است. الکترون ها را مستقیماً به یوبی کوینون در زنجیره حمل الکترون منتقل می کند، و از مجتمع I عبور می کند.این مسیر فقط 1 تولید می کند.5 ATP در هر NADH، که باعث می شود از نظر انرژی کمتر کارآمد باشد.
این شاتل که عمدتاً در سلول های کبد، قلب و کلیه عمل می کند، الکترون ها را به NAD+ در ماتریس میتوکندریال تحویل می دهد. اگرچه پیچیده تر است، 25 ATP در هر NADH با استفاده از پتانسیل کامل انرژی ترکیب پیچیده I.
| ویژگی | شاتل گلیسیرول-فوسفات | شاتل مالات-اسپارتات |
|---|---|---|
| سرعت | سریع | آهسته |
| کارایی | کم (1.5 ATP/NADH) | بالا (2.5 ATP/NADH) |
| بافت های اولیه | عضلات، مغز، چربی قهوه ای | کبد، قلب، کلیه |
این پروتئین غشا، α- ketoglutarate میتوکندریال را با cytosolic malate مبادله می کند، تعادل متابولیک را حفظ می کند و در عین حال انتقال الکترون را امکان پذیر می کند.
تکمیل چرخه مالات- آسپارتا، این حمل کننده اسپارتا میتوکندریال را با گلوتامات سیتوزولیک مبادله می کند، که به عملکرد شاتل مداوم اجازه می دهد.
سلول های سرطانی متابولیسم تغییر یافته را نشان می دهند که با افزایش گلیکولیز (اثر واربورگ) و وابستگی به گلوتامین مشخص می شود.اين سازگاري ها نياز به اصلاح فعاليت سيستم شاتل براي حمايت از گسترش سريع دارند.
تحقیقات تازه ای نشان می دهد که مهار سیستم شاتل ممکن است انرژی سلول های سرطانی را مختل کند. شاتل مالات-اسپارات به ویژه برای انواع خاصی از تومورها مهم است.نشان دادن اهداف درمانی بالقوه.
سیستم های شاتل میتوکندریال زیرساخت های متابولیک ضروری را نشان می دهند، و مشکل اساسی حمل انرژی را از طریق غشا های غیرقابل نفوذ حل می کنند.مطالعه اي که انجام داده اند، در مورد انرژيک سلولي و راهکارهاي بالقوه درماني براي بيماري هاي متابوليکي و سرطان.