,

ENTERESAN BİR MOLEKÜLER DEĞİRMEN: ATP SENTAZ

Bir zar yapısı görünmekte. Yara gömülü bir yapı var, uzun ince. Bu yapı zarın iki tarafında iyon alışverişini yapan bir kanaldır.

Merhaba arkadaşlar ben Beyza Dönmüş. Moleküler Biyoloji ve Genetik öğrencisiyim ve FST İstanbul üyesiyim. Size ilk duyduğum andan itibaren beni gerçekten çok etkileyen, evrendeki en küçük motor olan ATP Sentaz enziminden bahsedeceğim ancak bunun öncesinde bilmemiz gereken bazı kavramlar olduğunu düşündüm.

Bir hastalıkla mücadele etmek, merdiven çıkmak, yemek yemek, şarkı söylemek, hatta sadece saçlarımızın uzamasını sağlayan yeni proteinler üretmek için bile belli bir miktar enerjiye ihtiyaç duyarız. Bakterilerden insanlara, hücrelerin kullandığı enerji formu adenozin trifosfat (ATP) dediğimiz bir moleküldür. Canlılarda ortak olan DNA ve protein sentezi de dahil olmak üzere, kas kontraksiyonu (kasılması), besinlerin aktif taşınımı, sinirsel aktivite, ya da karbon fiksasyonu belirli miktarda ATP gerektirir.

ADP’ye (adenozin difosfat, ATP’nin bir fosfat eksik hali) bir adet P katarak ATP sentezlenmesini sağlayan biyokimyasal reaksiyonlara ATP fosforilasyonu denir. Bunları akılda tutalım, lazım olacak. Fosforilasyon çeşitleri; substrat düzeyinde fosforilasyon, oksidatif fosforilasyon, fotofosforilasyon ve kemosentetik fosforilasyon olarak dörde ayrılır.

Oksidatif fosforilasyon, oksijen varlığında ökaryot hücrelerin mitokondrilerinde, prokaryotlarda ise sitoplazmada gerçekleşir. Mitokondrideki solunum reaksiyonlarını incelediğimizde ETS’nin (elektron taşıma zinciri) ATP ürettiğini gözlemleriz fakat ETS doğrudan ATP üretemez. Bu zincirin işlevi elektronların besinden oksijene düşmesini kolaylaştırmak ve serbest enerjideki büyük düşüşü bir seri küçük basamağa bölerek, kullanılabilir miktarda enerji açığa çıkmasını sağlamaktır. Peki mitokondri elektron taşınması ile ATP sentezi için enerji açığa çıkarılmasını nasıl eşleştirir? Bu sorunun cevabı kemiosmoz adı verilen bir enerji eşleme mekanizmasıdır.

Mitokondri zarının H+ gradientini (zarlar arasındaki H+ farkı) oluşturması ve devam ettirmesi elektron taşıma zincirinin görevidir. Bu zincir, ekzergonik elektron akışını, mitokondri matriksinden zarlar arası bölgeye H+ pompalamak için kullanılan bir enerji dönüştürcüdür. H+,  gradientin az olduğu tarafa doğru difüze olarak(çok yoğun olan taraftan az yoğun tarafa geçerek) zardan geri sızar. Ancak, H+’nın serbestçe geçebileceği zar kısımları sadece ATP Sentazlardır. İyonlar, ATP Sentaz içindeki kanaldan geçer ve bu protein kompleksi, elektron akışını ADP’nin oksidatif fosforilasyonunu sürdürmek için kullanır. Dolayısıyla, zarın iki yüzü arasındaki H+ gradienti, elektron taşıma zincirinin tepkimelerini ATP sentezi ile eşleştirir. Bu eşleştirme mekanizması kemiosmoz olarak adlandırılır.

İngiliz biyokimyacı Peter Mitchell, 1961’de bakterilerle yaptığı deneyler sonucunda enerji eşleştirme mekanizması olarak kemiosmozu önerdi. Yaklaşık 20 yıl sonra birçok bilim insanı kemiosmozun bakterilerde, mitokondride ve kloroplasttaki merkezi enerji dönüşüm mekanizması olduğunu doğruladı ve bu önermesi Mitchell’e Nobel ödülünü kazandırdı!

Eğer bunları okurken aklınıza “ATP sentaz H+’ların geri akışını ATP yapmak için nasıl kullanıyor?” sorusu geldiyse, artık olayın kahramanı ATP sentaz enzimine daha yakından bakabiliriz.

ATP sentaz bakterilerde, mitokondri ve kloroplastlarda bulunan,  birçok alt birimden oluşan bir motordur ve moleküler dünyanın mucizelerinden biri olarak bilinir. Aynı anda hem bir enzim, hem moleküler bir motor, hem de iyon pompasıdır. Hücredeki işlemlerin gerçekleşebilmesi için gerekli güç olan ATP’yi sentezlemesi, hücrelerimizdeki rolünü kaçınılmaz hale getirmektedir.

Mitokondri iç zarında karmaşık yapılı bir protein olan ATP sentazın çok sayıda kopyası bulunur. ATP sentaz, zıt yönlü bir iyon pompası gibi çalışır. İyon pompaları, iyonları gradientlerin zıt yönünde aktarmak için enerji kaynağı olarak ATP kullanırlar. Bu sürecin zıt yönünde ise, ATP sentaz iyon gradientin enerjisini ATP sentezlemek için kullanır!

ATP sentaz, dört ana parçadan oluşan, çok sayıda alt birime sahip bir komplekstir. Bunlar:  mitokondri iç zarındaki rotor, mitokondri matriksine doğru uzanan tokmak, rotordan tokmağın içine doğru uzanan iç çubuk ve rotorun yanında sabitlenmiş olup tokmağı hareketsiz tutan statordur.

Basitçe, hidrojen iyonları strator ile rotor arasındaki dar bir bölgeden akarlar ve rotor ile ona bağlı çubuğun dönmesine neden olurlar. Dönen çubuk tokmakta konformasyon değişikliklerine neden olur ve ADP ile inorganik fosfatın birleşerek ATP oluşturduğu katalitik bölgeleri aktive eder.

Mitokondri organeli hücrenin içinde bir odacık gibidir. Görselde bu odanın duvarından enine bir kesit görünür. Duvarın iki tarafı da görünmektedir. Bir taraf mitokondrinin içini yani matriksi, diğer taraf ise zarlar arası bölgeyi gösterir. Sözü geçen ATP sentaz, bu duvarın içinde iki tarafa açılan bir boru gibidir. Bu boru, bir tarafta yoğun olan iyonların diğer tarafa (yani az yoğun olan tarafa) geçmesini sağlar. Bunlara iyon pompası diyoruz. İyon pompaları, iyonları bir taraftan diğer tarafa geçirmek için enerji kullanır.

(1.1): ATP Sentaz’ın çalışma prensibi.

Şekil (1.2)’de daha ayrıntılı gösterilen ATP sentaz kesitinde F0 kısmı zara gömülüyken, F1 kısmının baktığı taraf mitokondri ve kloroplastlarda farklılık gösterir. Mitokondride H+ iyonları  zarlar arası bölgede birikirken, kloroplastta iyonlar iç kısımda biriktikleri için bu durum tam tersidir.

ATP Sentaz detaylı olarak gösterilmiştir. Tam ortası "rotor"dur, "rotor"un zar içine gömülü kısmı F0 kısmı, matriks içindeki kısmı ise f1 kısmıdır.

(1.2) ATP Sentaz’ın kısımlarının detaylı gösterimi.

H+ iyonları  (protonlar) zarlar arası bölgeden matrikse geçerken, a ile gösterilen kanaldan girerek c’deki aminoasitlere bağlanır ve bu olay tüm yapıda konformasyon, yani bir tür yerleşim değişimine yol açar ve bu katalitik bölgelerin dönmesine neden olur. Bir proton komplekse girdiğinde 360 derece döndükten sonra bırakılır. ATP sentazın bu hareketini bir değirmenin dönmesi olarak düşünebiliriz, bir moleküler değirmen!

Şekil (1.2)’de kesiti gösterilen enzimin alfa ve beta ile gösterilen kısımları biraz önce bahsettiğimiz katalitik bölgeleri içeren tokmak kısmıdır. Gama ile gösterilen iç çubuk olarak tanıdığımız kısım döndüğünde, beta birimlerindeki ADP ve inorganik fosfat ßL (loose) konformasyonunda gevşek bir halde, ßT (tight) konformasyonunda sıkı bir halde ve ßO (open) konformasyonunda sentezlenen ATP’nin serbest bırakılması koşulu ile konformasyon değiştirerek ATP oluşturur. (Şekil (1.3))

ATP Sentaz'ın gövdesinin döndüğünü söylemiştik. Gövdedeki dönen kısım, bir protonun girmesi ile dönmeye başlar. protonu 360 derece döndürüp bırakır. tekerlek gibi.

(1.3) ATP sentaz’ın konformasyon değişimleri.

Bu döngü, hücre içinde sürekli devam ederek ADP ve inorganik fosfattan ATP sentezlenmesini sağlar.

ATP sentaz, varlığının bulunmasından itibaren birçok bilim insanının araştırma alanına girmiş ve büyük merak uyandırmış bir proteindir. Dönme mekanizması da dahil olmak üzere birçok yönden incelenen bu moleküler makinenin üzerinde yapılan çalışmalar halen daha devamlılığını sürdürmektedir.

Anlattığım şeylerin biraz daha anlaşılabilir olması adına buraya birkaç video bırakıyorum.

Diğer iki video önerim için buraya ve buraya tıklayabilirsiniz.

Bilimle kalın, esen kalın!

Beyza Dönmüş

Referanslar:

0 cevaplar

Cevapla

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir