Paul D. Boyer University of California Los Angeles, USA	John E. Walker Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology Cambridge, Nagy-Britannia	Jens C. Skou Aarhusi Egyetem Aarhus, Dánia

Paul D. Boyer és John E. Walker megosztva kapta a díj felét az ATP-szintetáz enzimmel katalizált ATP-szintézis vizsgálatáért. Boyer és munkatársai biokémiai adatok alapján írták le azt a mechanizmust, amely szerint ATP (adenozin-trifoszfát) képzôdhet az adenozin-difoszfátból (ADP) és szervetlen foszfátból. Walker és munkatársai meghatározták az enzim szerkezetét, és igazolták a Boyer-féle mechanizmust.

Jens C. Skou a díj másik felét kapta a nátrium-, kálium-stimulált adenozin-trifoszfatáz (Na⁺, K⁺-ATPáz) enzim felfedezéséért. Ez az enzim tartja fenn az élô sejt nátrium- és káliumionjainak egyensúlyát.

Az F_o rész három (fajtánként eltérõ számú) egységbõl áll. Az egységek fehérjék; az a típusúból 1, a b típusúból 2, a c típusúból 9-12 van. Az F₁ rész ötféle egységbõl áll (alfa, béta, gamma, delta és epszilon). Az alfa- és béta-típusúból három-három, a többibõl egy-egy van. Az ATP-szintézis a béta-egységen játszódik le. Az aminosav-szekvenciák vizsgálatából kiderült, hogy a gamma-, delta- és epszilon-egység nem szimmetrikus.

Boyer és munkatársai megállapították, hogy az ATP-szintetáz igen különösen viselkedik. Azt találták ugyanis, hogy - az eddigi elképzelésektõl eltérõen - nem ahhoz kell a nagy energia, hogy az ADP-ból és szervetlen foszfátból ATP keletkezzék, hanem ahhoz, hogy az ADP és a foszfát az enzimhez kötõdjék, illetve az ATP leváljon. Az ATP azonban így is tárol energiát. Az ATP-szintetáz ebbõl a szempontból tehát különbözik az enzimek többségétõl, amelyek spontán módon kötik meg és bocsátják el a szubsztrátokat, illetve a termékeket, de a katalitikus reakciókhoz energiát emésztenek. A vizsgálatok során az is kiderült, hogy az F₁ rész aszimmetriája ellenére az enzim csak egyféle módon reagál. De hogyan mûködhet a három béta-egység ugyanúgy, ha különbözõképpen kötõdik a gamma-, delta- és epszilon-egységekhez? Boyer válasza a következõ: a gamma-, delta- és epszilon-egység a váltakozó alfa- és béta-egységekbõl alkotott hengerben forog. Ez a forgás szerkezeti változásokat idéz elõ a béta-egységben, ezárt minden ciklus során változik a kötési képesség (2. ábra). Ezt a jelenséget Boyer-féle "kötésváltoztató mechanizmusnak" nevezik. Boyer szerint a forgást a membránon zajló hidrogénion-transzport váltja ki.

Boyer mechanizmusát Walker igazolta az enzim szerkezetének megállpításával. A szarvasmarhából kivont ATP-szintetáz F₁ részében -- a krisztallográfiai vizsgálatok szerint -- az alfa- és béta-egységek szerkezete különbözõ, ezért különbözõképpen képesek megkötni az ADP-t és és az ATP-t. A gamma-egység aszimmetrikus tengelyként jelenik meg a három alfa- és három béta-egység hengerében, és a béta-egységek aktív felületeit arra készteti, hogy küönbözõ háromdimenziós szerkezeteket vegyenek fel. Ezek az eredmények a Boyer-mechanizmussal úgy értelmezhetõk, hogy az enzim a gamma-egységek forgása alapján mûködik. Ezt a forgást nehéz volt kísérlettel igazolni, de több csoportnak is sikerült.

Az 1920-as években már tudták, hogy az élõ sejtek ionkoncentrációja eltér a környezet ionkoncentációjától. A sejtekben a nátriumkoncentráció nagyobb, a káliumkoncentráció kisebb, mint a külsõ folyadékban. Az 1950-es években az is kiderült, hogy amikor az ideget inger éri, nátriumionok áramlanak az idegsejtbe. A koncentrációkülönbség úgy áll vissza, hogy a nátriumionok újra kiáramlanak. Az is valószínûnek látszott, hogy a transzporthoz ATP-re van szükség, mert az ATP-képzõdés gátlása gátolta a nátriumionok transzportját.

Ennek alapján Jens C. Skou olyan ATP-bontó enzimet keresett az idegmembránban, amely az iontranszporttal lehet kapcsolatban. 1957-ben publikálta az elsõ cikket egy nátrium- és káliumionokkal aktivált ATP-ázról ((Na⁺, K⁺-ATPáz). Õ írt le elõször olyan enzimet ("ionszivattyút"), amely a sejtmembránon áthaladó anyagok irányított transzportját segíti elõ. Azóta több enzimrõl is kimutatták, hogy hasonló hatást fejt ki.

Skou finomra ôrölt rákideg-membránnal dolgozott. A készítményben levô ATP-bontó enzimet -- magnéziumionok jelenlétében -- a növekvô mennyiségû nátriumion egy határig stimulálta. Efölött kis mennyiségû káliumion váltott ki további stimulációt. A legerôsebb stimuláció az idegben elôforduló szokásos nátrium- és káliumion-koncentrációknál következett be, ami arra utalt, hogy az enzim "ionszivattyúhoz" kapcsolódik. A további vizsgálatok során Skou kimutatta, hogy a nátrium- és a káliumionok az enzim különbözô helyeihez kötôdnek nagy affinitással, és az ATP-rôl lehasadt foszfátcsoport szintén az ATPázhoz kötôdik. Az enzimet a nátriumionok akkor befolyásolják, ha foszforilezôdik, a káliumionok pedig akkor, amikor defoszforilezôdik. A nátrium-/kálium-transzportot egyes digitálisz alkaloidok gátolják.

Skou és mások munkája nyomán lassan körvonalazódott, hogy az enzim két részbôl áll (alfából és bétából). Az elsô hordozza az enzim aktivitását, a másik valószínûleg a szerkezetet stabilizálja. Az enzimmolekulák -- gyakran kettesével -- a sejtmembránban ülnek; felületükbôl kifelé is, befelé is mutatnak egy-egy részt. Három nátriumion és egy ATP kötôdik a belsô felülethez, majd az ATP egy foszfátcsoportja átadódik az enzim egyik aminosavjának (az aszparaginnak), az ADP felszabadul, és az enzim úgy változik, hogy a nátriumionok kívülre szállítódnak. Itt leválnak, és helyettük két káliumion kötôdik meg. Amikor az enzimhez kötôdô foszfor távozik, a káliumionok a sejtbe kerülnek, és akkor lökôdnek le, amikor új ATP kötôdik az enzimhez. Mivel több nátriumion jut ki, mint amennyi káliumion vándorol be, elektromos potenciálkülönbség lép fel a membránban.

Ez a potenciálkülönbség a feltétele annak, hogy egy idegrostban vagy egy izomsejtben ingerület haladhasson. Az agy tápanyag- vagy oxigénellátásának hiánya ezért vezet gyorsan eszméletvesztéshez, hiszen ilyenkor az ATP-képzôdés megszakad, és az ionszivattyú leáll. A szivattyú a sejttérfogat fenntartásában is fontos szerepet játszik. Ha a szivattyú leáll, a sejt megduzzad. A sejt belseje és külseje közötti nátriumkoncentráció-különbség hatására veszi fel a sejt a különbözô fontos tápanyagokat, például a glükózt és az aminosavakat. A koncentrációkülönbség nyomán indulhat meg más ionok transzportja: a belépô nátriumionok kilépô kalciumionokra cserélôdhetnek. A digitálisz ezzel a mechanizmussal erôsíti a szívmûködést.

A Na⁺, K⁺-ATPáz felfedezését követôen több hasonló szerkezetû és mûködésû ionszivattyút találtak. A Ca²⁺-ATPáz például az izomösszehúzódásban vesz részt, a H⁺, K⁺-ATPáz sósavat állít elô a gyomorban. A gyomorfekély kezelésekor újabban ennek az enzimnek a mûködését gátolják. Az alacsonyabb rendû szervezetekben is elôfordulnak hasonló enzimek. Az élesztôben például egy H⁺-ATPáz választja ki az erjedés során keletkezô hidrogénionokat.

GÁRDOS GYÖRGY– SARKADI BALÁZS: Az ATP - az élet tüzelôanyaga

Forrás

A Svéd Tudományos Akadémia sajtóközleménye
Nobel-díjasok Internet-archívuma, kémiai Nobel-díjasok