פרס נובל בכימיה - 1997
פול בויאר ג'והן ווקר ינס ס' סקו
האקדמיה המלכותית השוודית למדעים החליטה להעניק את פרס נובל בכימיה לשנת 1997 לשלושה חוקרים כהערכה ל"מחקר חלוצי של אנזימים היוצרים מולקולה בעלת אנרגיה גבוהה - אדנוזין תלת-זרחתי (ATP) ומשתמשים בה".
מולקולה זו היא מאגר האנרגיה העיקרי בתאים, והיא משמשת להפעלת מערכות רבות בתאים חיים. מחצית מן הפרס יחלקו ביניהם פול בויאר (Boyrrr) מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, וג'והן ווקר (Walker) ממעבדת הביולוגיה המולקולרית של המועצה למחקר רפואי בקיימברידג', בריטניה. במחצית השנייה של הפרס זכה ינס ס' סקו (Skou) מאוניברסיטת אארהוס בדנמרק.
מולקולת ה-ATP היא מאגר האנרגיה האוניברסלי בתאים, וזאת בזכות הקשרים בין היחידות הזרחתיות של המולקולה, שהם קשרים "עתירי אנרגיה". בתפקיד מאגר אנרגיה משמש האיי-טי-פי בתאיהם הפשוטים של החיידקים, בתאים המורכבים יותר של פטריות וצמחים ואף בתאים של בעלי-חיים ובני-אדם.
המולקולה "לוכדת" את האנרגיה הכימית המשתחררת עם פירוק חומרי המזון, ומוסרת אנרגיה באתרים שבהם נעשה שימוש באנרגיה, למשל בתהליכי בנייה של מרכיבי התא, כיווץ
שרירים, שמירה על ריכוזים נאותים של יונים בתאי עצב, ובעוד תהליכים רבים.
ATP מכונה גם "המטבע העובר לסוחר של אנרגיה בתא". המולקולה נודדת בזרם הדם וכך מגיעה למקומות בגוף שצורכים אנרגיה. במקומות אלה מתפרקת קבוצה זרחתית מקצה המולקולה והמולקולה הופכת לאדנוזין דו-זרחתי (ADP) תוך כדי שחרור אנרגיה הדרושה לתהליכי חיים שונים. הקשר עתיר האנרגיה עם הקבוצה הזרחתית מתחדש במקומות בגוף בהם משתחררת אנרגיה - קבוצה זרחתית מתחברת ל-ADP ונוצר מחדש ATP. כמויות אדירות של ATP מסונתזות בגוף - במצב מנוחה, אדם מבוגר מייצר ומפרק מדי יום ATP בכמות השווה למחצית משקל גופו, ואילו בעת עבודה מאומצת, הכמות עשויה לגדול פי 10 ואף יותר!
מאז גילוי ה-ATP בסוף שנות ה-20, היה חומר זה נושא למחקרים בקבוצות רבות בעולם, ופרסי נובל כבר הוענקו בעבור סינתזה מעבדתית של המולקולה (אלכסנדר טוד), בעבור הקביעה שה-ATP הוא נשא האנרגיה הכללי בתאים (פריץ ליפמן), ובעבור "התאוריה הכימואוסמוטית" של יצירת ATP (פיטר מיצ'ל).
ATP נוצר בתאים בתהליך אנזימטי מאדנוזין דו-זרחתי (ADP) ומקבוצה זרחתית.
בויאר וקבוצתו חשפו את מנגנון פעולתו של האנזים ATP סינתז (ATP Synthase), המשמש כזרז בתהליך ייצור מולקולת איי-טי-פי, ותרמו בכך להבנת אופן בנייתה של מולקולת איי-טי-פי בתאים חיים. ווקר וקבוצתו קבעו את המבנה המפורט של קטע מהאנזים, ואישרו בעזרתו את המנגנון שהציע בויאר. סקו היה הראשון שגילה וחקר אנזים המנצל אנרגיה האצורה ב-ATP לצורך "שאיבת יונים" בקרומיות של תאים.
בשנות ה-20 התברר כי הרכב היונים בתוך תאים חיים שונה מהרכב התמיסה שמסביבם. בתאים של בעלי-חיים ובני-אדם, ריכוז יוני הנתרן נמוך לעומת התמיסה החיצונית, ואילו ריכוז יוני האשלגן גבוה בתא לעומת התמיסה החיצונית. בעת שעוברים אותות עצביים, חודרים יוני נתרן אל תוך התא, ושיקומו של הפרש הריכוזים נעשה בדרך של סילוק יוני נתרן החוצה. העברה זו של יונים תלויה בנוכחות ATP. סקו תיאר בפעם הראשונה אנזים שמעביר חומרים דרך קרומית התא - פעולה שמוכרת היום בחלבונים רבים אחרים.
אנזים זה "שואב", כלומר מעביר, יוני נתרן ויוני אשלגן משני הצדדים של קרומית התא, בין התמיסה שמחוץ לתא והציטופלזמה שבתוכו, וזאת תוך כדי ניצול אנרגיה. האנזים ידוע היום כ-ATPase של נתרן ואשלגן (;Sodium-Potassium ATPase ה-ase בסיומת הוא קיצור של "hydrolase", כלומר אנזים מפרק תוך כדי החדרה של מולקולת מים). האנזים שנחקר בידי סקו משתמש בכשליש מסך ה-ATP שנוצר בגוף במצב מנוחה. פענוח מנגנון הפעולה של האנזימים הללו יאפשר בעתיד, כך מקווים, פיתוח של שיטות בקרה על תהליכים של יצירת אנרגיה בתאים, ותרופות שיתפקדו בדומה לחלבונים הטבעיים, במקרים בהם מתגלים ליקויים הגורמים למחלות.
שני האנזימים שנחקרו על ידי בויאר וווקר הם בעלי מבנה מורכב (הם בנויים מיחידות מבנה חלבוניות שונות), והם קשים במיוחד למחקר, מאחר שהם אנזימים ה"מעוגנים" בקרומית התא (ממברנה). הממברנות בנויות ממרכיבים שומניים (ליפידים), וקשה למצות מהן את האנזימים ולקבל עליהם נתונים אמינים שיבהירו את דרכי פעולתם. שיטות המחקר הנפוצות אינן מתאימות ל"תמיסה" שומנית, והחלקים של חלבונים המעוגנים קרומית התא אינם שומרים כרגיל על המבנה והתפקוד שלהם כשהם מועברים לסביבה מימית. גם תהליכי הגיבוש המאפשרים התבוננות מפורטת באנזימים אינם מתאימים לאנזימים המסיסים בסביבה שומנית. רק בעת האחרונה נודע על פיתוח שיטה חדישה לטיפול בחלבונים כאלה, ואפשר שהיא תפתור כמה מקשיי הגיבוש של חלבונים המעוגנים בקרומיות התאים.
המחקר של מנגנוני יצירת אנרגיה בתאים החל בשנות ה-20. האנזים ATP סינתז
התגלה כבר ב-1960 - במיטוכונדריונים; אלה הם אברונים המשמשים בתא "מפעלים לייצור
אנרגיה" (ראו: "DNA ודיני נפשות" בגליון זה). במיטוכונדריונים נמצאים אנזימים רבים המפרקים תרכובות עשירות באנרגיה שמקורן במזון. התברר שהאנרגיה המשתחררת משמשת במיטוכונדריונים ל"שאיבת פרוטונים" (יוני מימן, +H) אל מעבר לקרומיות. תהליך זה דורש אנרגיה רבה, משום שהוא יוצר מפל מתח משני צידי הממברנה. הפרש הריכוזים של יוני מימן משני צידי הממברנה גורם להבדל בדרגת החומציות (pH) משני הצדדים.
הביוכימאי הבריטי פיטר מיצ'ל (Mitchell) הציע בראשית שנות ה-60 תאוריה ולפיה מפל
המתח הנוצר גורם לזרם חוזר של יוני מימן מבעד לקרומית, וזרם זה מפעיל את האנזים ATP סינתז המייצר ATP. בשנות ה-70 נקבע כי ATP סינתז מורכב משלוש יחידות הבנויות מצירופי חלבונים: יחידה בצורת גלגל הקשור לקרומית, יחידה שנייה בצורת מוט המחובר לגלגל בצידו האחד, ואילו צידו האחר נמצא בתמיסה המימית שמחוץ לקרומית. הצד שמחוץ לקרומית קרוב ליחידה שלישית שיש לה מבנה גלילי. ייצור ה-ATP נעשה בשלושה אתרים הנמצאים בחלק הגלילי של האנזים, ותפקיד המוט הוא לאתחל את התהליך.
פול בויאר הניח כי יוני מימן העוברים דרך הקרומית גורמים ליחידת ה"גלגל" להסתובב (כשם שמים מסובבים גלגל תנופה), והמוט המחובר לגלגל מסתובב יחד אתו, וגורם בכך
לסיבוב הקצה השני, הנמצא בגליל הקבוע במרחב. הסיבוב של המוט גורם לשינויים במבנה של שלושת אתרי הקישור שבאנזים; השינויים בגליל מאפשרים הרכבה של ATP, ולאחר מכן שחרור שלו. הצעתו של בויאר הייתה בעצם תאורטית, מאחר שהועלתה בטרם פוענח המבנה המפורט של האנזים. לפני פחות מארבע שנים פוענח בפעם הראשונה (בידי ווקר וקבוצתו) המבנה הגבישי של החלק ה"מימי" של האנזים - הגליל והמוט. התמונה המפורטת איששה את התאוריות בדבר השפעת ה"מוט" על ה"גליל". המודל המפורט מאפשר תכנון שינויים ברצף של חומצות האמינו בחלבון בניסיון לבחון את תפקידן הספציפי של חומצות אמינו מסוימות בתוכו. בויאר גם מצא שהאנזים ATP סינתז פועל בדרך מיוחדת השונה מהמקובל באנזימים, אשר רובם קושרים את חומרי המוצא ומשחררים את התוצרים ללא השקעת אנרגיה ואילו עיקר האנרגיה מושקע בשבירת ויצירת קשרים כימיים. ATP סינתז, לעומת זה, משקיע אנרגיה בעיקר כדי לקשור ADP וזרחה (חומרי מוצא) ומשקיע שוב אנרגיה לשחרור התוצר, ה-ATP.
פענוח מנגנון הפעולה של ATP סינתז טרם הושלם. נותר עוד לברר כיצד מופעל ה"גלגל המסתובב" כתוצאה מתנועת יוני המימן. קבוצות אחדות מנסות לגבש חלק זה של האנזים ולבחון אותו. אחת האפשרויות היא כי תנועת יוני מימן גורמת לשינוי מקומי בחומציות, מה שיכול לגרום לשינויי מבנה בחלבון. ייתכן, אם כן, שבעתיד צפויים בתחום זה פרסי נובל נוספים.
 |
ATP סינתז - מכונה מולקולרית |
