Design for ATP strekker seg utover rotasjonsmotoren
Evolusjonsnyheter; 21. august 2019
Oversatt herfra.
Bilde 1: En scene fra 'ATP Synthase: Power Power of the Cell' , via Discovery Institute.


Som Michael Behe sier i Darwin Devolves -her, er bakterieflagellen, ikonet av ikke-reduserbar kompleksitet - som aldri er forklart med en darwinistisk prosess - en av to roterende motorer som finnes i celler. Den andre er ATP synthase, et annet ikon for intelligent design. Tre nye artikler denne måneden finner flere ting om den til å beundre. Som en introduksjon, se animasjonen vår-her.


Effektivitets-ekspert
En artikkel i PNAS av Kwangho Nam og Martin Karplus utforsker "Innblikk i opprinnelsen til høy energiomsetnings-effektiviteten til F1 -ATPase." Og gjett om de mener effektivitet!
--F1 -ATPase er et lite motor protein, sammensatt av 3 alpha- og 3 beta -underenheter som omgir en sentral gamma -underenhet. P-underenhetene veksler syklisk mellom to hovedkonformasjons-tilstander for å produsere rotasjonen til y-underenheten. Selv om rotasjonen på mikrosekunds tidsskala drives av den differensielle bindingen av ATP og dens hydrolyseprodukter ADP og , er det nesten 100% konverteringseffektivitet for den frie energien til ATP-hydrolyse, som forekommer på piko-sekunds tidsskala. Den frie energiprofilen, konstruert for 360rotasjonssyklusen, viser at F1-ATPase oppnår sin høye energi-konverteringseffektivitet ved elegant å separere raske katalytiske hendelser, som involverer små lokale konformasjonsendringer, fra den langsomme binding/frigjøring av ligander -her involvert i stor konformasjonsendring. [Vekt og kursiv lagt til.]


Mange lærer i fysikk at 100 prosent effektivitet er uoppnåelig i energiforvandlingsprosesser. En teoretisk ideell Carnot-motor mister alltid betydelig energi til varme, og kan bare håpe på kanskje 64 prosent effektivitet (Penn State). Hvordan kan ATP-syntase oppnå effektivitet på nesten 100%, slik at energien fra en prosess konverteres fullstendig til en annen, med nesten null tap? Termisk flukt er for rask til å overvinnes, selv i denne skalaen.


Nesten null tap
Forfatterne fant et 'elegant skille' mellom to katalytiske hendelser som opererer i tidsskalaer som var forskjellige med seks størrelsesordener. Dette gir tilsynelatende motoren tid for konformasjonsendringer i proteindelene og frigjøring av produkter som driver rotasjon av rotoren. Elastisiteten eller 'stivheten' i rotoren bidrar også til effektiv energiomsetning. Så finstemt er hver del av motoren i forhold til de andre, at den frie energien 'endres lineært langs rotasjonskoordinaten.' Dette betyr at motoren 'fungerer nær maksimal mulig effektivitet.'
I motorene vi er kjent med, for eksempel bilmotorer, øker effektiviteten med temperaturen. Derimot drives ATP-syntese med minimalt varmetap hos både arktisk fisk som lever i nærheten av frysepunktet og i termofile bakterier som lever ved kokepunktet. Hvis menneskelige ingeniører kunne bygge bilmotorer med deler som bøyer seg litt, i stedet for å bruke klumpete metallstempler og stenger, ville de kanskje se tilsvarende økning i effektiviteten. Men det er tvilsomt om slike deler vil kunne drives like raskt eller vare like lenge som proteinene i ATP-syntase.


Hvor fort?
En beskrivelse i BioArchitecture -her sier: "Bakterieenzymer har blitt klokket til å gå opp til 42.000 o/min under lav belastning, selv om antallet enzymer under fysiologiske forhold er nærmere 6000 o/min." En typisk bil begynner å bli rødglødende ved den verdien. Høytytende racerbiler topper litt over 10 000 o/min. Er det ikke utrolig hva tilfeldigheter kan gjøre?
--Molekylære maskiner, som de roterende ATPasene som er beskrevet her, ser ut til å ha mye til felles med menneskeskapte maskiner. Imidlertid er analogiene bare til et visst punkt og er i store deler ikke helt forstått. Det som er tydelig er at flere milliarder år med evolusjon har resultert i biologiske motorer som ikke blir overgått i effektivitet, finjustering til miljø og bærekraft. å forstå deres detaljerte funksjoner på molekylært nivå er ikke bare viktig for å tilfredsstille nysgjerrigheten vår, men vil helt sikkert ha implikasjoner for forståelsen av menneskets fysiologi, inkludert mitokondrielle lidelser, bioenergetikk og aldringsprosessene, samt påvirke nano-engineering og mange andre felt langt fremme.


Fleksibelt team
Den første artikkelen dreide seg først og fremst om F1-delen av ATP-syntase, der ATP-syntese eller hydrolyse forekommer. F0- delen, der protoner driver rotasjon av et karuselllignende hjul, bidrar også til effektiviteten. Den driver y-underenheten som fungerer som en kamaksel. Akselen strekker seg inn i F1- delen, og 'snapper' effektivt ADP og fosfat sammen for å danne ATP i tre trinn per omdreining: syntese, utstøting og lastning. Et papir av Murphy et al. i Nature-her utforsker fleksibiliteten i y-underenheten som bidrar til effektiviteten i denne 'velsmurte maskinen'.


Biofysikere har lenge lurt på et tilsynelatende misforhold mellom motorene F0 og F1. F0- karusellen er vanligvis sammensatt av 8 til 17 c-underenheter, avhengig av art, men F1-syntese-domenet har seks deler arrangert i par. Hvorfor ikke-heltall-forholdet mellom domenene? Fleksibilitet i y-underenheten tar seg av noe av misforholdet ved å lagre elastisk energi, men vil virke sløsende under kontinuerlig rotasjon. Murphy et al. la merke til at F1- domenet faktisk tar opp noe av slakken ved å rotere selv. Åpningskommentaren forklarer:
--De løste høyoppløselig kryo-elektronmikroskop-strukturer av ATP-syntase-komplekset, og trekker ut 13 rotasjons under-tilstander. Denne samlingen av strukturer avslørte at rotasjonen av F0- ringen og den sentrale stilken er koblet med delvis rotasjon av F1-hodet. Denne fleksibiliteten kan gjøre det mulig for hodet bedre å koble sammenhengende rotasjon med separate ATP-syntesehendelser.
En animasjon i artikkelen viser at F1-domenet gjennomgår en gyngende bevegelse frem og tilbake når Fo- domenet roterer rundt kontinuerlig. Vippebevegelsen oppnås ved hjelp av et annet finstemt protein kalt OSCP. Det fine med denne løsningen gjør det mulig for F1- hodet å tilpasse forskjellige størrelser på F0- rotorer gjennom et universalledd.


Vi finner at F 1- hodet roterer sammen med den sentrale stangen og c-ringen gjennom omtrent 30, eller en c-underenhet, i begynnelsen av hvert 120 -trinn. Fleksibel kobling av F1-hodet til F0- motoren formidles først og fremst av et hengsel ved felles domene-koblingen til oligomycin-følsomhetsoverførende protein (OSCP) underenhet som forbinder F1- hodet til den perifere stangen. Den utvidede to-helix-bunten av den sentrale y-stang-underenheten samhandler med tilfang-sløyfeområdet til en β-underenhet i F1-hodet. Den resulterende mekanismen for fleksibel kobling vil sannsynligvis bli bevart i andre F1 -F0 ATP-syntaser. Resultatene våre gir sårt tiltrengt kontekst til et hav av publiserte data som indikerer at OSCP er et nav for metabolsk kontroll i cellen.


Forfatterne konkluderer med:
--I ATP-syntaser kan F1- katalytisk hode følge rotoren gjennom en rotasjon på ca. 30 i begynnelsen av hvert ca. 120trinn. Denne bevegelsen tillater fleksibel kobling av F1 og F0. Interdomene-hengslet til OSCP letter fleksibel kobling og gjør denne underenheten til et passende punkt for regulering av ATP-syntese.
Tilstrekkelig betyr 'passende; velegnet; relevant; aktuell'. Hvor passende ordvalg, faktisk!


Hvor ATP går etter syntesen
Noen animasjoner av ATP-syntese viser produktene som strømmer ut fra maskinen, som om de bare flyr ut i luften. Faktisk er transport av ADP inn og ATP ut av motoren også tett regulert. Den 'mitokondriske ADP/ATP-Transportøren' (AAT) er der, som en UPS-lastebil, for å få produktene dit de trengs.


Inne i mitokondrion, som rapportert her før , er det indre og ytre membraner, med TIM- og TOM-transportører som kontrollerer hva som kommer inn og kommer ut. I en annen artikkel i Nature , Bertholet et al. fant ut at AAC-transportproteiner har mer å gjøre enn bare å levere varer -her. De hjelper faktisk med å regulere hvor mange produkter som blir laget. Husk på følgende at H+ er et proton, 'drivstoffet' i proton-bevegelses kraften som driver F0 rotasjon i ATP-syntase. Protoner er ment å holde seg i den indre mitokondrielle membranen, men når de er små, kan de 'lekke' ut. Kan den lekkasjen tjene et formål? Følg med på AAC-truck styringen:
--Her registrerer vi AAC-strømmer direkte fra indre mitokondrielle membraner fra forskjellige musevev og identifiserer to distinkte transport modus: ADP/ATP-utveksling og H+ transport. Den AAC-medierte H+ -strømmen krever frie fettsyrer og ligner H+ -lekkasjen via det termogene frakoblingsproteinet 1 som finnes i brunt fett. ADP/ATP-utvekslingen via AAC regulerer H+ -lekkasjen på negativt vis, men hemmer den ikke fullstendig. Dette antyder at H+ -lekkasjen og mitokondriell frakobling kan kontrolleres dynamisk av cellulært ATP-behov og hastigheten på ADP/ATP-utveksling. Ved å formidle to distinkte transportformer , ADP/ATP-utveksling og H+ lekkasje, forbinder AAC koblet (ATP-produksjon) og frakoblet (termogenese) energiomsetning i mitokondrier.
Oversettelsen av dette til en mer hverdagslig analogi, holder AAC-lastebilsjåføren øye med hvor mange protoner som lekker ut i cytoplasmaet, og ringer tilbake til motorhuset for å få dem til å senke produksjonen. Når truckføreren kan følge med i produksjonen, er protonlekkasje liten (negativ regulering). Men når flere protoner lekker ut, advarer sjåføren om at ATP-syntase overgår etterspørselen.


Mer komplisert som vanlig
Det er faktisk mer komplisert enn dette, som vanlig. Protonlekkasje (IH) styres av et annet protein, Frakoblings-protein #1 (UCP1), som regulerer protoner som krysser den indre mitokondrielle membranen. Dette proteinet fungerer i samarbeid med AAC, som gjør jobben med å levere ATP til cytosol eller bringe ADP tilbake. Resultatet er en annen 'mester'-lig løsning for 'delikat' -å regulere mengden av ATP-produksjon.
--Med AAC er IH negativt regulert av ADP/ATP-utveksling, mens med UCP1, blir IH ganske enkelt hemmet av cytosolske adenin-nukleotider. Denne muligheten til å justere IH dynamisk i samsvar med ADP/ATP-utveksling (og dermed cellulær ATP-etterspørsel) kan gjøre AAC unikt egnet til å være UCP for mitokondrier som spesialiserer seg i ATP-produksjon. Dermed ser AAC ut til å fungere som en masterregulator for mitokondriell energiutgang, og opprettholde en delikat balanse mellom ATP-produksjon og termogenese.


Flere detaljer, mer finjustering
Etter hvert som flere detaljer om ATP-syntase -her kommer fram, vises mer og mer finjustering. Syntesen av ATP, som var nødvendig helt fra starten av metabolsk levetid, blir nå sett på som å være fenomenalt effektiv og mesterlig regulert av flere deler som arbeider sammen. Bare gi sjanser milliarder av år, og mirakler som dette kan skje. Nettopp ikke.

Tager: ADP; ATP-syntase; bakterie-flagellen; cellen; Darwin Devolves; rotasjons-motor;

 

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund