ATP-Synthase ist eine Ikone der ID und kann mehr als nur rotieren

Die biochemische Ikone der Rotationsmaschinen, die ATP-Synthase, bleibt mit neuen Entdeckungen in den Nachrichten. Da die Kryo-Elektronenmikroskopie inzwischen weit verbreitet ist, untersuchen Biophysiker die Funktion einzelner Untereinheiten des Motors und finden heraus, was sie tun. Die Tatsache, dass molekulare Maschinen bei genauerem Hinsehen mehr funktionale Eleganz aufweisen, deutet darauf hin, dass intelligentes Design die beste Erklärung ist.

Sowohl Tiere als auch Pflanzen verfügen über diese lebenswichtigen Rotationsmotoren, die ihren Energiebedarf in Form von ATP decken. Bei Tieren kommen sie in Mitochondrien vor. In Pflanzen und anderen photosynthetischen Organismen kommen sie in Chloroplasten vor. Da die Photosynthese auf Licht angewiesen ist, gibt es ein Problem: Wenn es dunkel ist, könnten ihre Rotationsmotoren rückwärts laufen, was das Risiko einer „verschwenderischen ATP-Hydrolysereaktion“ riskiert.

Anhand der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii (siehe Abbildung oben) als „Modellorganismus“ untersuchte ein Team aus acht japanischen Wissenschaftlern die γ-Untereinheit in der Chloroplasten-ATP-Synthase (das ist der „Nockenwellen“-Teil des Motors, der das antreibt) genauer Synthese von ATP in der F1-Domäne). Sie fanden heraus, dass zwei spezifische Domänen in der γ-Untereinheit als automatische Bremse im Dunkeln fungieren. Sie schrieben im Januar in PNAS:

Unter den FoF1-ATP-Synthase-Komplexen aller Organismen ist der Chloroplast FoF1 (CFoCF1) einereinzigartigEnzym mitein Redox-Regulationsmechanismus ; Der zugrunde liegende Mechanismus der Redoxregulation der Adenosintriphosphat (ATP)-Synthesereaktion in CFoCF1 wurde jedoch nicht vollständig aufgeklärt. Indem wir uns die leistungsstarke Genetik von Chlamydomonas reinhardtii als Modellorganismus für die Photosynthese zunutze machten, führten wir eine umfassende biochemische Analyse des CFoCF1-Moleküls durch. Hier identifizieren wir strukturelle Determinanten für die Kinetik der intrazellulären Redoxreaktion und zeigen, dass dieDie Redoxregulation der ATP-Synthese wird durch die kooperative Interaktion zweier Domänen der γ-Untereinheit erreicht von CFoCF1, die nur in photosynthetischen Organismen vorkommen. [Betonung hinzugefügt.]

Abbildung 6 im Artikel (reproduziert von Phys.org) zeigt, wie die beiden Domänen wie ein Stopper wirken:

Die enge Konformation schwächt die Wechselwirkung zwischen der Redoxschleife und der β-Haarnadel. Folglich bleibt die β-Haarnadel im Hohlraum zwischen der α- und β-Untereinheit stecken,wie ein Stopper und hemmt die Drehung des zentralen Stiels (γεc-Ring). In reduzierter Form die Redoxschleifestellt die Flexibilität wieder her mit der β-Haarnadel interagieren. Die Redoxschleife interagiertum die β-Haarnadel aus dem Hohlraum herauszuziehen und so den zentralen Stiel zu beschleunigen, wie ein kooperativer Regulator.

Ein anderes japanisches Team, dieses von der Universität Tokio, untersuchte die „katalytische Verweildauer“ in der F1-Domäne des ATP-Synthase-Motors genauer, wo ADP durch Zugabe eines Phosphats in ATP umgewandelt wird. Die F1-Domäne besteht aus drei Paaren von α- und β-Untereinheiten, die wie Blütenblätter einer Blüte angeordnet sind. Jedes Paar befindet sich in einer anderen Aktivitätsphase: Einfügen von Inhaltsstoffen, Katalyse und Ausstoß von ATP. Die γ-Untereinheit aktiviert wie eine Nockenwelle nacheinander jedes α-, β-Paar, während sie sich um volle 360° dreht. Bei Division durch drei spürt jedes α, β-Paar die Kraft der Nockenwelle während der Katalysephase (ADP + P ergibt ATP) innerhalb von 120° bei jeder vollen Umdrehung der Kurbelwelle. Zu den anderen Zeiten erhält das Paar entweder die Zutaten oder stößt das fertige ATP aus. Beim Rückwärtslauf wird der F1-Motor zu einem ATP-Spalter, der ATP zu ADP und P hydrolysiert und dabei Protonen ausstößt. Bei der Hydrolyse wird ATP dann zum Treibstoff, der den Motor rückwärts laufen lässt.

Im Normalbetrieb katalysiert der Motor ATP. Biophysiker vermuten seit langem, dass die Nockenwelle (die γ-Untereinheit) Druck auf das einströmende ADP und P ausübt, um diese zusammenzuschnappen. Wenn 0° den Moment darstellt, in dem ATP katalysiert wird, haben frühere Studien eine kurze Pausenphase bei 80° und eine längere Verweildauer bei den darauffolgenden 40° der Drehung festgestellt, was das „chemomechanische Kopplungsschema“ darstellt, wie es in ihrer Arbeit genannt wird.

Bei der Rückreaktion war der Winkel der ATP-Spaltung jedoch ungeklärt. Das Team entwickelte eine hybride ATP-Synthase, die extrem langsam lief, sodass sie beobachten konnten, wie „der kleinste rotierende biologische Molekülmotor der Welt“ rückwärts lief. Ihr Hybrid ermöglichte es ihnen, den Winkel zu messen, in dem die ATP-Spaltung stattfindet.

Als Ergebnis zeigte der neue Hybrid-F1 zwei Pausenwinkel, die um 200° voneinander getrennt sind. Sie sind darauf zurückzuführenzwei verlangsamte Reaktionsschritte im mutierten β, was den direkten Beweis dafür liefert, dass die ATP-Spaltung bei 200° statt bei 80° im Anschluss an die ATP-Bindung bei 0° erfolgt. Dieses Szenario löst das seit langem ungeklärte Problem im chemomechanischen Kopplungsschema und gibt Einblicke in dasMechanismus zum Antrieb einer unidirektionalen Drehung.

Sehen Sie sich die „grafische Zusammenfassung“ in der Arbeit an, die diese „extrem lange Verweildauer“, die sie gemessen haben, veranschaulicht. Der Befund zeigt, dass die ATP-Synthase in beide Richtungen genau auf ihre Arbeit abgestimmt ist. Die umgekehrte Richtung (Hydrolyse) ist nicht nur so, als würde ein Motor Kraftstoff verlieren. Seine Teile wirken präzise und spalten ATP auf eine bestimmte Weise.

Es gibt einen Cousin der ATP-Synthase. Es handelt sich um eine Protonenpumpe namens V-ATPase (Vakuolen-Typ-Adenosintriphosphatase), deren katalytische Teile mit V1Vo anstelle von F1Fo gekennzeichnet sind. Wie ihr Gegenstück läuft die V-ATPase mit einer Rotationsbewegung, verbraucht aber ATP, um Protonen in Organellen zu pumpen. Seine Aufgabe besteht darin, Vakuolen und andere Organellen oder intrazelluläre Kompartimente anzusäuern, die einen niedrigeren pH-Wert benötigen, um zu funktionieren. Der Vo-Anteil pumpt die Protonen (H+-Ionen) in die Vakuole und erhöht so deren Säuregehalt. Ein kleiner Gedanke zeigt, dass ein solcher Motor gefährlich sein könnte. Möchten Sie, dass ein säureerzeugender Motor frei läuft?

Wissenschaftler eines Krankenhauses in Toronto, die in PNAS veröffentlichten, wollten unbedingt herausfinden, wie diese Säurepumpen aufgebaut werden, ohne der Zelle Schaden zuzufügen. Der Vo-Komplex wird im endoplasmatischen Retikulum (ER) zusammengesetzt und dann zum Golgi-Apparat transportiert, wo er mit V1 kombiniert wird. Welcher Qualitätskontrollmechanismus hält die Domänen inaktiv, bis sie vollständig zusammengesetzt und einsatzbereit sind?

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie bildete das Team drei Proteine ​​(Vma12p, Vma22p und Vma21p) ab, die zusammenarbeiten müssen, um die Qualitätskontrolle für die sichere Handhabung der Säurepumpen während der Montage zu erreichen. „Die resultierenden Strukturen“, fanden sie, „zeigen wie.“eine Abfolge koordinierter Interaktionenund Konformationsänderungen sorgen dafürnur richtig zusammengebautVo verlässt das ER und das Pumpen von Protonen in das neutrale ER wird vermieden.“ Das Verschütten von Säure in das ER könnte schädlich sein! und Vma21p wurden mit Krankheiten in Verbindung gebracht.“ Wie führen diese drei essentiellen Proteine ​​nun eine Qualitätskontrolle durch? Möchten Sie es wirklich wissen?

Die oben beschriebenen Strukturen legen nahedie Abfolge der Ereignisse die während der Vo-Assemblierung in der ER-Membran und der anschließenden Bindung von V1 im Golgi… auftreten. Der c-Ring baut sich um Voa1p auf, wobei die Bindung der Untereinheit d an den c8c′c″Voa1p-Ring das ER-Retrieval-Motiv von Voa1p maskiert. Die Vo∆aef:Vma12-22p-Struktur weist darauf hin, dass der Vma12-22p-Komplex diesen vollständig zusammengesetzten Ring bindetvor der Interaktion mit den Untereinheiten a, e und f (Abb. 4A). Vma12-22philft bei der Rekrutierung und Sicherung der Interaktionder Untereinheit a mit dem c-Ring durch Interaktion von Vma12p mit den Untereinheiten a und d….

OK OK. Es genügt zu sagen, dass eine Reihe komplizierter Wechselwirkungen stattfinden, um sicherzustellen, dass die V-ATPase-Assemblierung sicher ist! Biochemiker möchten sich vielleicht mit den Details befassen. Glücklicherweise stellten die Autoren Diagramme und Animationen zur Verfügung, um die Dynamik all dieser Arbeitsteile zu veranschaulichen. Beachten Sie ihren letzten Satz: „Wichtig ist, dass die Strukturen veranschaulichen, wie Vma21p und Vma12-22p sowohl beim V-ATPase-Zusammenbau als auch bei der Qualitätskontrolle eine zentrale Rolle spielen.“

Qualitätskontrolle: Es handelt sich um ein technisches Konzept, das alle drei dieser Studien durchdringt. Ohne Qualitätskontrolle würden diese nanoskopischen Rotationsmotoren, von denen alles Leben abhängt, niemals überleben – und würden überhaupt nie entstehen. Qualitätskontrolle gehört zum Arbeitsvokabular von intelligentem Design und Engineering. Es ist nicht in Darwins Wörterbuch enthalten.