perjantai 13. heinäkuuta 2012

ATP-syntaasista uutta tietoa


Bakteerin siimamoottori on ollut eräs älykkään suunnittelun kannattajien lempilapsista, mutta solussa on sille vielä 10 kertaa pienempi vastine, joka on vahva todiste älykkään suunnittelun puolesta. Meidän kaikkien elämä on riippuvainen tästä erittäin tehokkaasta rotaatiomoottorista, jonka pyörivän liikkeen havaitsivat ensimmäisinä japanilaiset tutkijat Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida ja Kazuhiko Kinosita Jr vuonna 1997.

Japanilaiset tutkijat olivat onnistuneet irrottamaan nämä molekyylikoneet bakteereista ja kiinnittämään ne pintaan, jonka jälkeen he kiinnittivät 4 mikronin pituisia proteiinisäikeitä niiden roottoreihin. Kun liuokseen lisättiin ATP-polttoainetta, he näkivät säikeiden pyörimisliikkeen valomikroskoopilla (Jones 2008).

Mitokondrion sisäkalvossa sijaitseva ATP-syntaasi (tunnetaan myös nimellä F0F1-ATPaasi) koostuu sylinterimäisestä, kalvon läpäisevästä varresta (F0) ja matriisin puoleisesta pallomaisesta osasta (F1). Kasvien kloroplastien tylakoidikalvossa on samanlaisia moottoreita. F0-osa sisältää protonikanavan ja F1-osa ATP-syntaasiaktiivisuuden (Heino & Vuento 2001). Pentti Tapanan mukaan ATP-syntaasi "on solun rakenteista ehkä kaikkein merkillisin" (Tapana 2009). Hän myös vertaa sitä polkupyörän dynamoon:

"ATP-syntaasin mekanismia voisi verrata polkupyörän dynamoon... Sylinteri ja akseli muodostavat pyörivän roottorin ja pallomainen pää sitä paikoillaan pitävine varsineen staattorin. Syntaasin rakenne mahdollistaa energian lataamisen ATP-molekyyleihin niin kuin dynamon staattorissa pyörivä roottori (ankkuri) tuottaa sähkömagnetismin lakien mukaan sähköä polkupyörän lyhtyyn."

Alberts et al. kutsuvat ATP-syntaasia ihmeelliseksi laitteeksi ("marvellous device").

Viime kuukausina on Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) julkaissut neljä ATP-syntaasia käsittelevää tutkimusta. Näissä raporteissa ATP-syntaasin viitataan mm. seuraavin termein: nanokone, pyörimisliike, moottori, mekanismi, arkkitehtuuri, mutta yhdessäkään ei juurikaan puhuta evoluutiosta. Mikäli luonnontieteelliset havainnot voidaan selittää insinööritieteiden avulla, niin herää kysymys, mihin kehitysopillista selitystä tarvitaan?

Seuraavassa lyhyet yhteenvedot tutkimusraporteista:

1. Peterson et al., Comparison of the H+/ATP ratios of the H+-ATP synthases from yeast and from chloroplast (PNAS June 25, Open Access), selvittivät protonigradientin tiheyttä suhteessa tuotetun ATP:n määrään verraten tuloksia hiivan mitokondrion ja pinaatin kloroplastin välillä. He havaitsivat verrannollisuuden roottorin "c"-alayksiköiden määrän ja tuotetun ATP:n määrän välillä. Kuten aiemmat havainnot olivat osoittaneet, tämä suhde ei ole kokonaislukusuhde. Tämä viittaa siihen, että osa vapaasta energiasta, joka on talletettu keskusvarren vääntömomenttiin, vaikuttaa kampiakselin tavoin, siirtäen F0-yksikön pyörimisliikettä katalyyttiseen F1-osaan. Vain tässä tutkimusraportissa mainitaan evoluutio.

2. Rees et al.  (PNAS, June 25, Open Access) keskittyivät F1 -osan katalyyttiseen alueeseen, joka koostuu kuudesta appelsiinin lohkoa muistuttavasta osasta. Jokainen lohkopari muodostaa katalyyttisen alueen, jossa ATP muodostuu. Kun keskusakseli pyörii 120° askelin, jokainen kolmesta lohkoparista on erilaisessa tilassa: ottamassa vastaan ADP:tä ja fosfaattia, liittämässä niitä yhteen sekä vapauttamassa valmista ATP-molekyyliä. Tutkimusraportissa "Structural evidence of a new catalytic intermediate in the pathway of ATP hydrolysis by F1-ATPase from bovine heart mitochondria,"
kerrotaan kuinka he eristivät ATP-syntaasit naudan sydänlihaksesta ja seurasivat kuinka ATP-synteesin viimeisessä vaiheessa ATP-molekyyli muodostuu. He löysivät prosessista uuden välivaiheen, jonka mukaan ATP-molekyyli näyttää irtoavan fosfaattiosa edellä. Tutkimusraportissa kuvataan yksityiskohtaisesti kuinka lohkot avautuvat ja sulkeutuvat, ottaen vastaan ADP:n ja fosfaatin tarkasti omiin lokeroihinsa, samalla kun vesi- ja magnesium ionit liikkuvat omille paikoilleen - hämmästyttävää, kuinka nopeasti roottori pyörii (jopa 350 kierrosta sekunnissa, kts PNAS).

3. Hakulinen et al. halusivat tutkia yksityiskohtaisesti koskematonta F0-osaa (roottori ja staattori) bakteerissa. Tutkimusraportissa "Structural study on the architecture of the bacterial ATP synthase Fo motor" (PNAS June 26, Open Access), he totesivat aluksi, että "F-tyypin ATP-syntaasit ovat tarkeimpiä kemiallisesti sidotun energian (ATP) toimittajia elävissä soluissa." Elektronimikroskopialla he selvittivät joitain rakenteita aina 5 ångströmin resoluution asti. Upea projektiokuva näyttää vaihteistoa muistuttavat 11-osaiset roottorin c-renkaat. Parhaimmillaan heidän kuvistaan voi yksittäisiä rakenteita mitata nanometrien osien tarkkuudella. Kasvanut mittausresoluutio on tärkeää, jotta voimme oppia ymmärtämään näiden koneiden toiminnan ja tämä uusi tutkimus on merkittävä virstanpylväs elävien koneiden visualisoinnissa. Näyttää myös siltä, että evoluutio on ollut viimeinen asia, joka on näillä tutkijoilla ollut mielessä.

4. Baker et al. (July 2  PNAS) tutkivat ATP-syntaasin vähiten tunnettuja osia eli staattoria ja muita solukalvoon kiinnittyneitä osia. Tutkimusraportissa "Arrangement of subunits in intact mammalian mitochondrial ATP synthase determined by cryo-EM", ryhmä kuvasi naudan koskemattoman ATP-syntaasin 18 ångströmin tarkkuudella, visualisoiden näiden roottorin avainrakenteiden avaruudellisia suhteita. He myös vahvistivat sen, että ATP-syntaasikoneet aiheuttavat niitä ympäröivän solukalvon kaareutumista.


Molekyylikone on varsin uusi käsite biologian alalla. DNA-rakenteen löytämisen jälkeen biologit pitivät biokemiaa vain erityisenä kemian alana.Vasta 1980-luvun loppupuolella biologit alkoivat puhua proteiineista ja entsyymeistä koneina. Koneita voidaan ymmärtää vain insinööritieteiden avulla, jolloin on loogista ajatella niiden olevan myös insinöörin tuottamia.


Lähteet:

http://www.evolutionnews.org/2012/07/the_other_rotar061761.html

http://www.nature.com/nature/journal/v386/n6622/abs/386299a0.html

Alberts, Bruce & Johnson, Alexander & Lewis, Julian & Raff, Martin & Roberts, Keith & Walter, Peter (2008): Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Garland Science, New York.
  
Heino, Jyrki & Vuento, Matti (2001): Solubiologia, WSOY

Jones, Richard A L (2008): Pehmeät koneet, Terra Cognita

Tapana, Pentti (2009): Elävä solu, Gaudeamus

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti