Energy coupling in respiratory chain enzymes


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2012
End date: 31/12/2015
Funding: 3600000 SEK


Description

Alla organismer behöver energi för att upprätthålla sina livsviktiga funktioner. Den universella energiformen i cellen är ATP. ATP är en liten molekyl som är kapabel att ge energi till en myriad av cellulära processer, den har en jämförbar roll med den som elektriciteten har i våra liv. Dess betydelse kan illustreras med att en människa dagligen omsätter i snitt 50 kg ATP. Likt elektricitet skapas inte ATP spontant utan energin måste omvandlas från andra energikällor så som näring och ljus. Denna energiomvandling utförs av en kedja membranproteiner som fungerar som små kraftverk. Dessa är inneslutna av cellulära membran i den så kallade andningskedjan som finns i mitokondrier och många bakterier. De fundamentala principerna är bevarade från bakterien till människan, men för att förstå de underliggande mekanismerna behöver komplexiteten i en cell eller organism förenklas. Darför har vi isolerat och renat fram de för energiomvandlingen viktiga membran proteinerna från bakterier. En av dessa proteiner är ATPsyntas som likt en vattenturbin omvandlar den energi som finns i en uppbygd protongradient till den universiella energiformen ATP. Protongradienten skapas genom att protoner pumpas över membranet av andra enzymer, så kallade protonpumpar, som drivs av energi från näring eller ljus. Vi renar även ett bakteriellt cytokromoxidas som liknar protonpumpen som finns i de mänskliga mitokondrierna. När de två proteinerna innesluts i ett konstgjort membran kan de arbeta tillsammans och efterlikna den centrala processen i cellens energiomvandling. Detta förenklade system gör det möjligt att studera och manipulera flera parametrar som inte är tillgängliga i hela celler. I vår forskning försöker vi förstå hur dessa två proteiner kommunicerar med varandra för att optimera energieffektiviteten via protongradienten. Extra tonvikt läggs på membranets roll, då dess sammansättning kan manipuleras i vår artificiella energicell. Dessutom använder vi oss av enzymer från olika organismer för att förstå deras evolutionära anpassning till den kemiska miljö (pH, temperatur) som de lever i. Vi försöker även förstå hur naturen har åstadkommit en ökad effektivisering i energiomvandlingen i högre organismer för att mininimera energislöseri. Resultatet av dessa experiment kommer att hjälpa oss att förstå energiomvandlingsprocessernas kemiska och fysiska principer i cellen. Vikten av dessa processer avspeglas av deras universalitet i alla livsformer. I människan kodar alla de kvarvarande generna i mitokondriellt DNA för proteiner som krävs för energiomvandling, 5 av 13 gener kodar för delar av ATPsyntas och cytokromoxidas. Mutationer i den mitokondriella DNA sekvensen resulterar i svåra sjukdomar som härstammar från obalans i energiomvandlingsprocessen. Dessutom har intresse återfåtts för de bakteriella membranproteiner som är inblandade i energi transportet då de kan vara mål för ny antibiotika. Att förstå det enzymatiska samspelet kommer att vara ett viktigt steg på väg mot nya behandlingsmetoder. Tillslut, i nano-teknologiska applikationer är transport av molekyler förmedlad av ATP-drivna molekylära motorer. Den beskrivna energicellen kan möjligtvis fungerar som ett bränslesystem för sådana anordningar.

Last updated on 2017-31-03 at 12:56