KÉMIAI NOBEL-DÍJ


GÁRDOS GYÖRGY– SARKADI BALÁZS

 Az ATP – az élet tüzelôanyaga


Az 1997-es kémiai Nobel-díjat három kutató nyerte el: a díj 50%-át az Aarhusi Egyetem 79 éves professzora, a dán Jens C. Skou kapta az ATP energiáját felhasználó nátrium-kálium aktivált ATP-áz (Na+,K+-ATP-áz) felfedezéséért, míg a díj másik felét megosztva nyerte el az amerikai Paul D. Boyer és az angol John E. Walker, az ATP-képzôdés mechanizmusának feltárásáért. Paul Boyer (szintén 79 éves) a Los Angeles-i Egyetem (UCLA) nyugalmazott professzora, míg az 54 éves John Walker a cambridge-i orvosi kutatóközpont molekuláris biológiai laboratóriumának kutatója. Mindhárom díjazott országa tudományos akadémiájának tagja, már eddig is számos tudományos díjnak és kitüntetésnek tulajdonosa. Az, hogy 1997-ben éppen ôk nyerték el a nagy presztízsû Nobel-díjat, egyben azt is jelzi, hogy az életfolyamatok alapjainak megismerésében az ATP szerepének kutatása újabb felvirágzását éli.

Jens C. Skou

John E. Walker

Paul D. Boyer


Az ATP, a sejtek központi energiaforrása

Az adenozin-trifoszfátot, vagy közhasználatú rövidítésben az ATP-t, a német Karl Lohmann fedezte fel 1929-ben, majd a pontos kémiai szerkezet tisztázása után 1948-ban a skót Alexander Todd (Nobel-díjat kapott 1957-ben) állította elô mesterségesen. Azt, hogy ez a molekula az élô sejtek legfontosabb energiaforrása és egy ún. magas-energiájú foszfátkötést tartalmaz, Fritz Lippmann, az 1953-ban Nobel-díjjal kitûntetett tudós bizonyította. A baktériumoktól a gombákon és növényeken keresztül az emberig az ATP-molekula a táplálékból származó energia legfôbb raktározója, ill. szolgáltatója az életfolyamatok számára.

1. ábra. Az adenozin-trifoszfát (ATP)
és az adenozin-difoszfát (ADP)
kémiai szerkezete. A vegyületek
a sejten belül Mg2+-ionokkal
alkotnak komplexet.

Az ATP egy adenozin-molekulából és a hozzá kapcsolódó három foszfátcsoportból épül fel (1. ábra). A legutolsó foszfátcsoport leválasztása során két foszfátcsoportot tartalmazó vegyület keletkezik, az adenozin-difoszfát (ADP). A foszfátcsoport lehasításakor igen nagy energia szabadul fel, amelyet a sejt kémiai folyamatainak sokasága képes felhasználni. Az ATP-nek az ADP-bôl való képzéséhez ugyanígy nagy energiabefektetés szükséges, amelyet a sejtekben a cukrok és egyéb tápanyagok lebontása, elsôsorban oxidációja biztosít. Mindez az ATP-képzôdési és -lebontási folyamat állandóan és nagy sebességgel folyik a szervezetünkben: a naponta képzôdô ATP mennyisége az emberi testben nyugalmi állapotban is 30–40 kilogramm, izommunka esetén azonban akár egy tonnányira is felmehet. Természetesen ez nem egy tonnányi új anyag képzôdését, hanem az ATP folyamatos szintézisét és lebontását jelenti.


Az elsôként felfedezett molekuláris pumpa

Századunk huszas-harmincas éveiben vált világossá, hogy az élô sejteken belül az ionösszetétel jelentôsen különbözik a sejteket körülvevô vérplazma vagy szöveti folyadék összetételétôl. A sejten belüli magas kálium-, ill. alacsony nátriumkoncentrációra az elsô magyarázat a sejthártya "átjárhatatlansága" volt e kationokra nézve. Az 1940-es években azonban a magyar származású Hevesy György munkássága nyomán (aki 1943-ban kapott Nobel-díjat) kiderült, hogy a nátrium ill. a kálium viszonylag gyorsan kicserélôdik a sejtek és környezetük között. Az angol Keynes és Hodgkin kutatásai alapján (az utóbbi 1963-ban kapott Nobel-díjat) arra is fény derült, hogy az ideg- és az izomszövet aktivitása során nátriumionok tömege áramlik be az ingerlékeny sejtekbe, míg e sejtek nyugalmi állapotában helyreáll a nátriumkoncentráció eredeti jelentôs különbsége.

A sejtek és környezetük között fennálló ionkoncentrációk különbségére a magyarázat a sejthártyában elhelyezkedô aktív transzportrendszer, az ATP energiáját igénylô nátrium–kálium pumpa mûködése. Az 1950-es évek elején felismerték, hogy a sejtek ATP- tartalmának csökkentése vagy a szívglikozidok hatására az ionkoncentrációk kiegyenlítôdése indul meg, majd Gárdos és Straub 1954-es kísérletei azt is igazolták, hogy a vörösvérsejtekbe mesterségesen bevitt ATP képes a káliumionok speciális eloszlásának elôidézésére. Megindult tehát a kutatás az aktív nátrium- és káliumtranszport enzimatikus alapjának felderítésére.

A tudás és talán a szerencse is Jens Skounak, az Aarhusi Egyetem akkor fiatal kutatójának kedvezett, aki az ATP-t bontó ún. ATP-áz enzimek mûködését vizsgálta. 1957-ben közölte elsô cikkét arról a jelenségrôl, hogy a finomra darált rákidegrostokban egy olyan ATP-áz található, amelyet mind a nátrium-, mind a káliumionok aktiválnak. Az általa Na+,K+ATP-áz-nak elnevezett enzimet éppen azok a nátrium- és káliumkoncentrációk stimulálták a legjobban, amelyek az idegsejtekben jelen voltak, míg a szívglikozidok gátolták az ATP-hasítást. Rossz nyelvek szerint Skou sokáig küzdött azzal, hogy mind a nátrium-, mind a káliumionok csak igen kis aktiválást okoztak, míg egyszer egy hibás puffer-titrálás miatt, amelynél mind kálium-, mind nátriumionokat tartalmazó lúgot használt, végül is bekövetkezett a szenzációs, igen nagymértékû aktivitás-növekedés.

Jens Skou legnagyobb érdeme azonban az volt, hogy nemcsak felismerte a Na+,K+–ATP-áz enzimet, hanem szinte azonnal össze is kapcsolta azt a sejtek és környezetük között fennálló ionkülönbséggel. Megint csak a kutatók között elterjedt legendák szerint ez úgy történt, hogy egy kaliforniai kongresszuson mind Jens Skou, mind a vörösvérsejtek ionpumpáit kutató amerikai Robert Post a sötét és unalmas kongresszusi termek helyett a Csendes-óceán partjának strandját választották. Ahogy ott a nôket szemlélgetve beszélgettek, rájöttek, hogy valószínûleg ugyanannak a jelenségnek két különbözô nézôpontját vizsgálják. (A tanulság az is lehet, hogy az igazi kutató még szórakozás közben is csak a munkájára gondol.)

2. ábra. A Na+,K+-ATP-áz vázlatos rajza. Az alfa alegység végzi a pumpamûködést, míg a glikozilált béta alagység stabilizálja a fehérje szerkezetét. A Na+,K+-ATP-áz az elektrokémiai gradienssel szemben nátriumionokot kifelé, káliumionokat a sejt belseje felé pumpál. Egy ATP bontása 2 K+- és 3 Na+-ion transzportját teszi lehetôvé. A pumpa specifikus gátlószerei, a szívglikozidok (pl. ouabain) a külsô, K+-kötô helyen hatnak. Pi = szervetlen foszfátion (A "The Molecular Biology of the Cell", szerzôk: Albers, Bray, Lewis, Raff, Roberts, Watson, Kiadó: Garland Publ. Inc. nyomán).


Mindenesetre néhány év alatt valóban kiderült, hogy a sejtek nátrium–kálium pumpájának alapja a Na+,K+–ATP-áz mûködése. Ma már tudjuk, hogy az enzim két alegységbôl, az ATP hasítását és az ionok transzportját végzô alfa, és a pumpaszerkezetet a membránban rögzítô, cukorkomponenseket is tartalmazó béta alegységbôl épül fel (2. ábra). Az enzim a sejtmembrán belsô oldalán megköti a nátriumionokat és az ATP-t, majd az ATP hasítása során az ATP egyik foszfátcsoportja rákapcsolódik az enzimre. Ez az ún. foszforilált enzim (EP) képviseli azt az energetizált formát, amely a nátriumionok "kipumpálására", ill. a membrán külsô oldalán a káliumionok megkötése után azok "bepumpálására" is képessé válik. A szívglikozidok a membrán külsô oldalán kapcsolódva gátolják a pumpa mûködését, míg az elhasadt ATP-bôl az ADP és a foszfátion ismét a membrán belsô oldalán szabadul fel (3. ábra).

3. ábra. A Na+,K+-ATP-áz (Na+,K+-pumpa) feltételezett mûködési mechanizmusa. 1. A pumpa a citoplazmikus oldalon Na+-ionokat köt. 2. Az ATP hasítása nyomán a foszfátion (P) az enzimhez kapcsolódik, kialakul az EP komplex. 3. A Na+-ionok átkerülnek a sejt külsô oldalára, a foszfátcsoport még az enzimhez kötve marad. 4. A sejt külsô oldalán K+-ionok kapcsolódnak az enzimhez. 5. Leválik az enzimrôl a foszfátcsoport, a K+-ionok átkerülnek a sejtmembrán belsô oldalára. 6. A belsô oldalon leválnak a K+-ionok. (A "The Molecular Biology of the Cell", szerzôk: Albers, Bray, Lewis, Raff, Roberts, Watson, Kiadó: Garland Publ. Inc. nyomán).


Anélkül, hogy itt a Na+,K+–ATP-áz mûködését részleteznénk, fontos elmondani, hogy ma már igen sok információval rendelkezünk a pumpa molekuláris mechanizmusáról, ill. annak a különbözô szövetekben elôforduló változatairól. A legfontosabb azonban az, hogy a nátrium–kálium pumpa az állatvilág szinte valamennyi tagjának szinte valamennyi sejtjében az egyik legalapvetôbb életfolyamat. Ez a pumpa biztosítja a legtöbb anyag transzportjához, vagy az ingerület terjedéséhez és felfogásához szükséges "akkumulátor" feltöltését, a membránpotenciál-különbség kialakulását, a sejttérfogat alapvetô szabályozását. Így a képzôdô összes ATP mintegy harminc százalékát a nátrium–kálium pumpa használja fel. Éppen ezért az agyban az ATP-szint csökkenése és e pumpamechanizmus leállása már néhány perc alatt is megfordíthatatlan károsodáshoz vezet.

A nátrium–kálium pumpa felfedezését követôen tisztázódott, hogy számos hasonló iontranszport ATP-áz létezik, amelyek alapvetôen hasonló mûködési mechanizmust mutatnak. Így az izomszövet aktív kálciumtranszport rendszerei, a sejtmembrán kálciumpumpája, de a gyomorban mûködô, a sósavtermelésért felelôs K+/H+ pumpa is az ATP-vel foszforilálódó, ún. P-típusú ATP-áz. Igaz, hogy még az 1970-es években is nemzetközi vita folyt arról, egyáltalán létezhetnek-e membránpumpák. Számos alternatív elképzelés látott azonban napvilágot, amely pl. a sejten belüli fehérjekötéssel, vagy a víz speciális szerkezetével igyekezett magyarázni az egyenlôtlen ioneloszlást. Az évek során azonban a pumpafehérjék izolálása, mûködôképes membrán-visszaépítése, az ATP-függô transzport biofizikai, elektromos és molekuláris bizonyítása egyértelmûen eloszlatta ezeket az aggályokat. Ma már biztosan tudjuk, hogy a pumpafehérjék nélkül az élet gyakorlatilag elképzelhetetlen, hiszen valamennyi sejt mûködésének alapfeltételét jelentik.

 

Az ATP képzôdésének molekuláris mechanizmusa

Ahogy a bevezetôben említettük, az élô sejtek alapvetô energiaforrása az ATP. Az 1940-es és 50-es évek során tisztázódott, hogy az ATP legnagyobb része a sejteken belül található mitokondriumokban, az oxidatív anyagcsere központjaiban képzôdik. 1960-ban az amerikai Efraim Racker és munkatársai izolálták elôször a késôbb ATP-szintetáznak elnevezett fehérje-komplexumot, az F1-F0-ATP-ázt. Már az elnevezés is mutatja, hogy ez az enzim az ATP lebontására és képzésére egyaránt képes, és csak a mitokondrium energiaállapota határozza meg, hogy melyik irányba menjen a folyamat. Az F1-F0-ATP-áz számos alegységbôl felépülô egyik fô része, az F1 a mitokondrium belseje felé nézô fehérjegombolyag, amely az ATP hasítását vagy képzését végzi, míg az F0 rész a membránba beágyazott fehérjék csoportja, amely egyben ion-csatornaként is mûködik (4. ábra). Ugyanilyen szerkezetû komplex felelôs a baktériumokban, sôt a zöld növényekben, a kloroplasztiszokban lejátszódó ATP-szintézisért is.

4. ábra. A mitokondriális ATP-szintetáz felépítése és mûködése. A membránba ágyazott F0 egység háromféle (a,b és c), a mitokondrium belseje felé nézô F1 rész ötféle (alfa, béta, gamma, delta és epszilon) alegységbôl épül fel. A H+-ionok áramlásának a hatására a c fehérjék korongja elfordul, és így az ehhez kapcsolódó gamma alegység is körbefordul. Ugyanakkor az F1 többi fehérjéje nem tud elfordulni (a béta rész a membránhoz rögzül), így a középen elforgó aszimmetrikus gamma alegység a béta alegységekben szerkezeti változást okoz, ami az ATP szintéziséhez vezet.

Az ATP-szintézis molekuláris mechanizmusáról az elsô átfogó képet az angol Peter Mitchell alkotta, aki rájött, hogy a mitokondrium csak akkor képes ATP-szintézisre, ha membránja két oldala között a hidrogénionok jelentôs koncentrációkülönbsége alakul ki. A Mitchell által kidolgozott kemiozmotikus hipotézis (amelyért 1978-ban Nobel-díjat kapott) ma is helytálló elképzelésnek bizonyult. E szerint a tápanyagok oxidációjával keletkezô energia a mitokondrium membrán két oldala között hidrogénion grádienst alakít ki, mintegy feltölt egy "elemet", amelynek "kisülése", a hidrogénionok átáramlása az F0-fehérjén keresztül vezet az ATP képzôdéséhez.

Az újdonsült Nobel-díjassok közül, Paul Boyer és John Walker e fenti elképzelésnek az alapján dolgozta ki azt a molekuláris mechanizmust, amely az ATP-szintézisért felelôs. Valódi "molekuláris motort" tártak fel, amelyben a fehérje-komplex egyes elemei egymáshoz képest elmozdulva alakítják át a hidrogénion-áramlás energiáját az ATP kémiai kötési energiájává. Ha tetszik, szemléletesen ez egy olyan vízeséshez hasonlítható, amelyben az áramlási energia egy kalapácsot mozgat, amely azután egy értékes pénzdarabot kovácsol.

Paul Boyer már az 1950-es évek óta részese volt annak a nagy tudományos versenyfutásnak és ötletáradatnak, amely az ATP- szintézis egyes lépéseit vizsgálta. Eredeti elképzelése ay volt, hogy az ATP-szintetáz, a legtöbb enzimmel szemben, különleges módon nem közvetlenül a reakció katalizálásába, azaz az ADP/ATP átalakításba fekteti az energiát, hanem az ADP és a foszfátion megkötése, majd az ATP felszabadítása az energiaigényes lépés. Így vált lehetôvé, hogy a kutatások most már az ADP, a foszfát és az ATP kötésére alkalmas fehérjeszerkezetek vizsgálatára irányuljanak.

Éppen ezt a gondolatmenetet továbbvíve, az F1-fehérje ATP kötésre alkalmas molekularészének felismeréséért nyerte el az idei Nobel-díj másik részét John Walker. Az ATP-szintetáz aminosav sorrendjének analízise során az 1980-as évek elején munkatársaival felismert olyan konzervatív (a legkülönbözôbb élôlényekben is állandó) sorozatokat (szekvenciákat), amelyek az ATP kötéséért felelôsek. Ezt a két egymáshoz fekvô, a kötôhelyet együttesen kialakító aminosav-csoportot felfedezôje nyomán Walker-A– és Walker-B–szekvenciának nevezzük, és egyre többet tudunk pontos térszerkezetérôl is. A felfedezést talán az tette igazán alapvetôvé, hogy kiderült: az ATP-t használó enzimek, fehérjék legszélesebb körében ugyanezek a megôrzött aminosav-sorrendek végzik az ATP megkötését. Ma már ennek a Walker-szakasznak szinte diagnosztikus jelentôsége van egy-egy új enzim mûködésének elôrejelzésében, feltérképezésében.

Érdemes néhány szóban összefoglalni, hogy mi is a jelenleg kialakult kép az ATP-szintetáz enzim molekuláris gépezetének mûködésérôl. Maga az ATP-képzôdés az F1 rész béta alegységén (4. ábra) történik, amelyen belül a gamma alegység körkörös elfordulást végez. Az aszimmetrikus gamma alegység körforgása változtatja meg a béta alegységek kötôképességét, amely azután az ATP képzôdéséhez vezet. A legérdekesebb, hogy ezt a körforgást az F0 egység c alegységén át érkezô hidrogénionok áramlása tartja fenn, azaz az F0 "tengelyén" az F1 rész gamma alegysége a hidrogénion-áramlástól hajtva "pörög", és közben a béta alegység az ADP-t és a foszfátiont ATP-vé kapcsolja össze.

A kutatók számára sokáig hihetetlennek tûnt, hogy egy valódi forgó gépezet, az egymáson elcsúszva percenként többszázszor körbeforduló fehérjék mozgása végezné az ATP szintézisét. Kétségtelenül igazolták azonban ezt a mechanizmust a fehérjék kémiai keresztkötésével végzett blokkoló kísérletek, ill. az igen szellemes mikroszkópos mérések. Amikor japán kutatók apró izomfehérje (aktin-) szálakat kapcsoltak az egyik (gamma) alegységhez, a másik (béta) alegységet pedig rögzítették, az ATP bontásához, ill. képzôdéséhez kapcsolva mikroszkóppal is láthatóvá vált az aktinszálak gyors körbeforgása.


ATP-ázok és ATP-kötô fehérjék

A Nobel-díjak odaítélése után mindig felvetõdik a két kérdés, hogy miért pont ôk, és miért pont most kapták az elismerést. Az elsôre a választ, úgy hisszük, jól megadják az eddig elmondottak: az élet molekuláris alapjainak megismerésében Skou, Boyer és Walker igazi maradandó alkotásokkal tette le a névjegyét. Hogy miért pont most, Skou felfedezése után csaknem 40 évvel, Boyer és Walker munkássága nyomán pedig 15–20 évvel született meg ez a díjazás, arra már jobban felelhetne az általában igazán hatékony és elôrevivô tudománypolitikát képviselô Nobel-bizottság szakmai testülete.

Mi csak gyanítjuk, hogy fel akarták hívni a figyelmet arra a tudományterületre, amely napjainknak is egyik legérdekesebb, mintegy "húzó-ágazata". Ez a terület nem más, mint a biológiai energia termelését és felhasználását végzô fehérjék vizsgálata, hiszen az izomrostok után egyre több ATP-t használó molekuláris motor, pl. a sejtosztódáskor a kromoszómákat "széthúzó" mitotikus orsó, vagy a fehérjéket a sejt egyes tereibe átjuttató "húzó-vonó" szerkezetek mûködése tárul fel. Mind a biotechnológia, mind az orvostudomány területén egyre nagyobb érdeklôdés irányul ezekre a kérdésekre. Az is bebizonyosodott, hogy a sejteken belüli jelátvitel részben az ionok transzportjának gyors megváltozásain, ill. a különbözô fehérjék ATP-függô módosításán, foszforilációján alapul. Saját jelenlegi kutatásainkat tekintve arra utalhatunk, hogy az utóbbi néhány évben ismertük meg a transzport-ATP-ázok egy újabb csoportját, amelyeket a bennük található ATP-kötô (ATP Binding Cassette) régió alapján ABC-transzportereknek neveznek. Szinte természetes, hogy ezekben az ATP-ázokban is a Walker-A és Walker-B aminosav-sorozatok képezik az ATP-kötô régiót. Ebbe a csoportba tartozik az az 1989-ben megismert fehérje, amelynek hibája a ma még halálos cisztás fibrózis betegséget okozza, és az 1990-es években felfedezett, az immunrendszer mûködésében fontos szerepet játszó peptid-transzporterek, vagy a daganatok kemoterápia-rezisztenciájáért felelôs drogpumpáló fehérjék. Mindezek az új felismerések is nagyban elôsegíthették, hogy az 1997-es Nobel-díjjal éppen az ATP-t felhasználó, ill. termelô életfolyamatok kerüljenek a laikus és a kutatói társadalom figyelmének elôterébe.


Természet Világa, 129. évf. 2. sz. 1998. február, 50–53. o.
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez