Biologinen elektroninsiirto vangittu reaaliajassa

Helsingin yliopisto
Viestintä
3.3.2008

Biologinen elektroninsiirto vangittu reaaliajassa

Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutin tutkimusryhmät ovat ensimmäisinä maailmassa onnistuneet mittaamaan reaaliajassa elektroninsiirtoa Kompleksi I -nimisessä soluhengitysentsyymissä. Elektroninsiirto on keskeinen prosessi soluhengityksessä, jonka avulla solut saavat tarvitsemaansa energiaa.

Työn tulokset antavat osviittaa Kompleksi I:n toiminnasta molekyylitasolla, mikä tulevaisuudessa saattaa hyödyttää lääketieteen kehitystä, sillä useimmat äidin kautta periytyvät niin kutsutut mitokondriotaudit johtuvat juuri Kompleksi I:n toimintavajauksesta.

Dosentti Michael Verkhovskyn ja professori Mårten Wikströmin johtamat rakennebiologian ja biofysiikan tutkimusryhmät saivat varta vasten rakennetun erikoislaitteen avulla vangittua entsyymin katalysoiman elektroninsiirron sen eri vaiheissa. He onnistuivat pysäyttämään reaktion jäädyttämällä nestetypen lämpötilaan mikrosekuntien (sekunnin miljoonasosa) aikaskaalalla. Tutkimustulokset julkaistaan tällä viikolla Yhdysvaltain kansallisen tiedeakatemian arvostetun PNAS-lehden tuoreinta julkaisua edeltävässä online-versiossa.

Kiteytetysti sanottuna soluhengityksessä happi ja ravinteet muuntuvat solutasolla hiilidioksidiksi ja vedeksi. Aitotumallisilla soluhengitys tapahtuu mitokondrioiden sisäkalvoissa ja bakteereilla solukalvoissa. Prosessissa ravinnosta peräisin olevat molekyylit hapetetaan hiilidioksidiksi ja samaan aikaan vapautuvat elektronit sysätään hengitysketjuksi kutsuttuun kolmiosaiseen entsyymijärjestelmään, jossa Kompleksi I -entsyymi katalysoi pienten alkeishiukkasten eli elektronien erittäin nopeaa siirtymistä. Hengittämämme happi pelkistyy hengitysketjun toiminnan myöhemmässä vaiheessa vedeksi.

Elektroninsiirrolla on erittäin tärkeä osa soluhengityksen toiminnassa. Sen tarkoituksena on vapauttaa ravinnon sisältämää energiaa, jonka solut jalostavat sopivaan kemialliseen muotoon eli adenosiinitrifosfaatiksi (ATP). Se on elimistön polttoainetta, jota solut käyttävät kaikkiin vaativiin reaktioihinsa, kuten biosynteesiin, aktiiviseen kuljetukseen ja mekaaniseen työhön. Toimintoihin, jotka ovat keskeisiä muun muassa sikiön kehityksessä ja kasvussa, hermoston ja munuaisten toiminnassa sekä lihassupistuksissa.

Soluhengityksessä vapautuva energia muunnetaan ATP:ksi kahdessa vaiheessa. Hengitysketjun tehtävänä on kytkeä elektroninsiirto positiivisesti varattujen protonien kuljetukseen kalvon lävitse, jolloin mitokondriokalvo (tai bakteereissa solukalvo) varautuu sähköisesti aivan kuten patteri. Toisessa vaiheessa patterin jännite-ero käytetään siirtämään protonit takaisin kalvon toiselle puolelle erikoisen molekyylikoneiston säätelemänä niin, että protoninsiirto kytkeytyy ATP:n muodostukseen.

Lisätietoja antaa professori Mårten Wikström, puh. 09 191 58000,
sähköposti marten.wikstrom@helsinki.fi.