Ormos Pál

IV. A bakteriorodopszin

IV.1. A Halobacterium salinarum energetikai folyamatai

A zöld növények fotoszintézisénél jóval egyszerűbb biológiai fényenergia-átalakító rendszert ismertünk meg az utolsó évtizedekben. A Halobacterium salinarum nevű baktérium életfolyamatait vizsgálva új, korábban nem ismert energiaháztartás tárult fel.

Video: Halobacterium salinarum (avi file - vigyázat, 55 MB!)

E baktérium nagy sókoncentrációjú tengervízben él, nagyon elszaporodik tengermelléki sólepárló telepeken. Kiderült, hogy a baktérium sejtmembránjában a szemben található rodopszin nevű látóanyaghoz nagyon hasonló fehérje található, melyet így bakteriorodopszinnak neveztek el. E baktérium életében, energetikájában a bakteriorodopszinnak kulcsszerepe van: a fény energiáját hasznosítja a baktérium számára.

A baktériumban lezajló folyamatok áttekintése az általános biológiai energiaátalakítási törvényszerűségeket is igen szemléletesen illusztrálja. A baktérium szempontunkból a környezetétől a sejtmembrán által elválasztott, elszigetelt térfogat. Anyag e membránon csak erősen szabályozva, megfelelő fehérjéken keresztül juthat át. Ezért azután az egyes anyagok, oldott ionok mennyisége nem feltétlenül ugyanakkora kívül és belül. A membrán két oldala közti koncentrációkülönbségeknek általában nagy jelentőségük van az életfolyamatokban. Az ionok közül kiemelendően fontos a hidrogén ion, a proton. Tudjuk, a víz hidrogénből és oxigénből áll, és mindig igen nagy mennyiségben tartalmaz hidrogén ionokat, az élő szervezetekben bőven áll proton rendelkezésre, bármilyen célból lenne szükség rá.

Fény hatására a bakteriorodopszin fehérje protont pumpál a sejtmembránon keresztül, ennek eredményeként a protonok koncentrációja kívül és belül nem lesz ugyanaz. A koncentrációk különbsége természetesen energiát hordoz - a protonok vissza akarnak jutni. A helyzet ahhoz hasonló, mint amikor két, csővel összekötött víztartályban nem egyenlők a vízszintek. A magasabb helyről át akar folyni a víz, és az energiakülönbséget ki is használhatjuk, például úgy, hogy a csőbe kis turbinát helyezünk, hiszen az átfolyó víz ezt meg fogja forgatni. Ugyanígy a bakteriorodopszin által létrehozott protonkoncentráció-különbség energiáját is felhasználja a sejt. A membránban más fehérjék is elhelyezkednek, olyanok, amelyek a protonkoncentráció-különbséget képesek felhasználni. Ilyen például a sejtet mozgató motor: ez hosszú szálakat, flagellákat forgat egy tengelyen, és ezek propellerként hajtják a sejtet. A forgatáshoz szükséges energiát a protonkoncentráció-különbségből szerzi be a motor.

További fontos energia-átalakító fehérje az úgynevezett ATP-áz. Az ATP nevű molekula az élő rendszerekben széles körben használt energiatároló anyag: kialakításához energia szükséges, lebontásakor energia szabadul fel. A kialakítást és a lebontást ATP-áz enzimek végzik: vannak olyanok, amelyek az ATP felépítéséhez szükséges energiát a membránon keresztüli protonkoncentráció-különbség energiájából nyerik. A baktérium esetében tehát úgy alakul át a fény energiája közvetlenül hasznosítható energiává, hogy először a bakteriorodopszin protonpumpa protonokat pumpál a membránon keresztül, majd a kialakult koncentráció-különbséget az ugyanebben a membránban másutt levő ATP-áz vagy motormolekula használja fel.

E folyamat révén nagyon általános energetikai szabályokat ismertünk meg: a biológiában kulcsszerepük van az egymástól membránokkal elválasztott térrészeknek. A különböző energiatermelő és -felhasználó rendszerek közötti energetikai kapcsolatokat a membránon keresztüli ion- (elsősorban proton-) koncentrációkülönbség közvetíti - így adódik át az energia egyik helyről a másikra. E szabályt Mitchell-féle kemiozmotikus hipotézisnek hívják, körülbelül harminc éve ismerjük, és általános elfogadottságában nagy szerepe volt a most tárgyalt modellrendszernek.