ATP-syntaasi

Tiedosto:7660ATP-synthase-machine.jpg

Kuva 1. Koko ATP-syntaasikone yksitellen valmistettujen proteiinialayksiköiden kanssa, kukin nimettynä kreikkalaisilla kirjaimilla. H+ ionit (protonit) virtaavat erityistä tunnelia läpi ATP-syntaasiin, jota nuoli kuvaa. Tämä indusoi mekaanisen liikkeen, pakottaen akselin ja alustan pyörimään yhdessä kuin turbiini. Lähes 100% liikevoimasta muunnetaan kemialliseksi energiaksi ATP-molekyylien muodostuksessa. Jokaista kymmentä protonia kohden tuotetaan kolme ATP-molekyyliä.¹

Elämä on riippuvainen uskomattomasta entsyymistä nimeltä ATP-syntaasi, joka on maailman pienin pyörintämoottori. Tämä pieni proteiinikokonaisuus valmistaa energiarikasta yhdistettä nimeltään ATP (adenosiinitrifosfaatti). Jokainen ihmisen kehon 14 biljoonasta solusta tekee tämän reaktion noin miljoona kertaa minuutissa. ATP:tä valmistetaan ja kulutetaan joka päivä yli puolen ihmisen ruumiinpainon verran!

Kaikkien elävien olentojen täytyy valmistaa ATP:a, jota on monesti kutsuttu ”elämän energiavaluutaksi”. ATP on pieni molekyyli, jolla on iso tehtävä hankkia välittömästi käytettävissä olevaa energiaa solun koneille. ATP-käyttöiset proteiinikoneet tuottavat voiman lähes kaikkeen, mitä tapahtuu elävissä soluissa mukaan lukien dna:n ja rna:n tuotannon, jätteiden siivouksen ja molekyylien kuljettamisen sisään, ulos ja solun sisällä. Muut energian lähteet eivät tuota voimaa näille solun koneille, kuten eivät öljy, tuuli tai auringonvalo tuota voimaa bensiinimoottorille.

Looginen ajattelu auton moottorista johtaa meidät ajattelemaan, että vain järkevä henkilö (jolla on mieli ja tahto) voisi valmistaa moottorin, joka muuntaa energiaa yhdestä muodosta toiseen tarkoituksenaan liikuttaa autoa. Moottori osoittaa järjestelmällisten, ei-sattumanvaraisten osien ja toisistaan riippuvaisten osien järkevän toiminnan. Osat ovat oikean kokoisia ja vahvuisia tekemään työtä yhdessä kokonaistarkoituksen eteen. Sama päätelmä koneesta tekijään on myös pätevä, kun tehdään johtopäätös luonnosta löydetystä koneesta niiden Luojaan². Jokainen tietää, että maalaus tulee maalaajalta, koska maalaus esittää täsmennettyä monimutkaisuutta tai monimutkaisuutta ja tunnistettavissa olevaa kaavaa, joka ei ole maalin ominaisuus. Tämä tarkoittaa, että maalin molekyylit eivät järjesty itsestään esimerkiksi Mona Lisan muotokuvaksi.

ATP-syntaasi tapahtuu bakteerisolujen sisäkalvolla ja sekä mitokondrioiden että viherhiukkasten sisimmällä kalvolla, jotka ovat kalvosidonnaisia rakenteita eläin- ja kasvisolujen sisällä (Ks. kuva 1).

ATP-syntaasi valmistaa ATP:a kahdesta pienemmästä kemikaalista, ADP:stä ja fosfaatista. Se on niin pieni, että se pystyy käsittelemään yksi kerrallaan näitä pieniä molekyylejä. ATP-syntaasin täytyy muuttaa joitakin muita energiamuotoja uusiin ATP:ihin. Tämä engergia on vetyionien muodossa (H+), jotka on siirretty erilaisten proteiinijärjestelmien avulla ATP-syntaasiin. Vetyionit virtaavat ATP-syntaasin läpi kuin tuuli tuulimyllyn läpi. Tämä muodostaa positiivisesti varautuneen sähkövirran, vastakohtana sähkömoottoreillemme, jotka käyttävät elektronien negatiivista virtaa.

Tiedosto:7660F1-ATPase.jpg

Kuva 2: ATP-syntaasin pääosan nauhakaavio (ylhäältä katsottuna), jota kutsutaan F₁-ATPase:ksi. Sillä on kuusi proteiinialayksikköä, ja se käsittää kolme aktiivista paikkaa, missä kolme ATP-molekyyliä muodostuu jokaisella akselin täydellä kierroksella. Akselin yläpää on juuri ja juuri näkyvissä, nojaten oikeassa yläkulmassa sisäseinää F₁. Solun koneisto rakentaa pään, minkä jälkeen se itse kokoaa alustan.³

Tiedosto:7660F0-portion.jpg

Kuva 3: ATP-syntaasin alustan Nauhakaavio (sivusta katsottuna), jota kutsutaan F₀-osaksi. Se on valmistettu kahdestatoista kierreproteiinialayksiköstä, jotka ovat järjestyneet ympyrään. Näin ne muodostavat putken seinän. Tämä putki huolehtii tunnelista kalvon ympärillä (ei näy) missä se ankkuroidaan.⁴

ATP-syntaasi on monimutkainen moottori ja sitä on välttämätöntä kuvata kuvin. Tiedemiehet käyttävät käteviä tekniikoita analysoida jokaisen atomin tarkan sijainnin monista tuhansista atomeista, jotka muodostavat suuria molekyylejä, kuten ATP-syntaasi. Tämä proteiinikokonaisuus koostuu ainakin 29 yksitellen tuotetusta alayksiköstä, jotka sopivat yhteen kahdella pääosalla: Päästä (kuva 2) ja alustasta (kuva 3). Alusta on kiinnitetty tasaiseen kalvoon (kuva 1) kuin nappi paitaan (lukuunottamatta sitä, että napit on kiinnitetty yhteen paikkaan, kun sitä vastoin ATP-syntaasi voi siirtyä minne vain sen kalvon tasolla). ATP-syntaasin pää muodostaa putken (kuva 2). Se käsittää kuusi osaa, kolmena parina. Nämä muodostavat kolmen telakointiaseman sarjan, jokainen niistä pitää yhden ADP:n ja fosfaatin. ATP-syntaasiin sisältyy staattori⁵, joka muodostaa valokaaren rakenteen ympärille auttaen näin pään ankkuroitumista alustaan (kuva 1).

Nyt voimme katsoa hämmästyttävää, tehokasta tapaa, jolla tämä uskomaton mikromoottori toimii. Katso kuvasta 1 kierreakselia nimeltään ”y” keskeltä ATP-syntaasia. Tämä akseli kulkee sekä pään että alustan läpi ATP-syntaasissa, kuin kynä WC-paperihylsyn sisällä.

Tässä kohdassa on ”taika”: Kun pienien vetyionien eli protonien virta virtaa alustan läpi ja ulos ATP-syntaasin sivusta, mennen silloin kalvon toiselle puolelle, ne kiihdyttävät akselin ja alustan pyörivään liikkeeseen. Jäykkä keskiakseli työntyy pääosan kuutta proteiinia vasten. Proteiinit hieman muuttavat muotoaan ja palautuvat vuorotellen. Jokaisessa biljoonissa soluissasi on monia tuhansia tällaisia koneita, joiden pyörimisnopeus on yli 9000 kierrosta minuutissa. ⁶