Sir John Walker (2013) - The Fuel of Life

So I'm a chemist who lapsed into biology and that magic number 35 years ago comes up again. And when I became interested in where biology gets its energy from and how it handles it. And of course the biological energy comes from the sun. But there is another source of biological energy and that's geothermal energy which the biological world at the bottom of the oceans receives from the thermal vents. I won't discuss that. So you're familiar with the idea of harvesting solar energy through solar panels and also through hydroelectric power stations because they also are harvesting solar energy. That the sun evaporates the oceans, it makes the clouds, rain falls on mountains and then it's collected in dams. And the potential energy of the water stored in the dams drives turbines to generate electricity. And that's actually quite a useful analogue for what happens in biology as you'll see in a moment. This process by which biology harvests energy is photosynthesis. And it's an incredibly complex process but consists of 2 separate reactions, the so-called light reaction where solar energy is used to split water and generate oxygen and reducing equivalents. And of course without this reaction there would be no life on Earth. So this is where the oxygen that we respire comes from. And then the reducing equivalents are used in the so-called dark reaction to fix carbon dioxide and generate high energy organic molecules which we consume as food stuffs. And so we harvest the products of photosynthesis on an industrial scale through agriculture and then consume the high energy compounds, the carbohydrates that are generated here in the form of corn which we then either consume directly or we feed to animals and then consume the energy in the form of fats and proteins from the animals. And the question I want to address is: Where do we convert energy in our bodies? So here you are on the left with your organs and each of these organs is made of cells. So here's a typical human cell. So all human cells look like this apart from red blood cells. They contain a nucleus where all the genetic, almost all the genetic information is kept. The cell is bounded by a hydrophobic membrane to contain the contents of the cell. And besides the nucleus in the cytoplasm of the cell are organelles, the Golgi apparatus which is kind of post office, the endoplasmic reticulum where proteins are made, lysosomes which are effectively recycling stations and the mitochondria. So it's the mitochondria I'm going to be talking about. They're the power stations of cells. And they have quite complex structures. So they actually have 2 membranes, not 1. So there's an outer membrane depicted in blue. And inside there's the inner membrane which you can see is highly folded. And it's in those highly folded membranes that the key steps in biological energy conversion in our bodies take place. Now the process as you'll see is complex but at the heart of it lies a very simple piece of chemistry. So if the sphere represents those highly folded membranes, the chemical energy that is being released from the food stuffs that you ingest by oxidative process effectively by controlled burning, that chemical energy is being used simply to transfer protons from the inside space to the outside space. And this builds up an excess of protons in the outside space. And this excess of protons is a source of potential energy. And it's referred to in bioenergetics as the proton motif force by analogy with the electron motif force in electricity. And effectively it is a voltage. And we generate across our inner membranes by this process a voltage of approximately -200 millivolts. And that energy store, that potential energy, can be coupled to other processes and made to do work. And so as I'll show you in a moment the packages of biological energy that come out of mitochondria. So this is the molecule adenosine triphosphate. It's a high energy molecule. It's produced by machines. And so there are the proton pumps that I've just depicted that harvest the energy and generate the proton motif force which is analogous to the dam of water in a hydroelectric power station. And then there's a turbine that converts this energy and uses it to drive the production of this useful fuel adenosine triphosphate. And then there has to be a transport system because the energy packets are being produced inside the mitochondrion. There has to be a transport system to deliver those energy packets to the cell, to supply the cell with the energy that it needs to do everything that it does, to produce proteins, to replicate DNA and so forth. So in a simplified form now this is...the grey box represents the inner membrane of the mitochondrion and embedded in that membrane are 3 proton pumps and they're called complexes 1, 3 and 4. And so the products of oxidative metabolism, the burning of sugars and fats, which I'm not going to describe produces redox energy in the form of the molecule NADH., nicotinamide adenine dinucleotide in its reduced form. And the reducing equivalents of electrons are fed into this extra-membranous arm of this huge complex here. So this is a protein complex built of 45 different proteins. They have a combined molecular mass of about 1 MDa. And the electrons are transferred through this membrane arm by quantum electron tunnelling events. And they arrive at a quinone that is bound in this region here. The quinone is bound in the oxidised form. It becomes reduced. So here's the reduced quinone. And then equilibrates into the hydrophobic membrane. And concomitant with this process of reduction of the quinone protons are ejected from the inside space to the outside space. This is a matter of very active research at the moment. And the precise mechanism by which proton translocation occurs is not yet elucidated. But we know that for each 2 electrons that pass one at a time through this extra-membranous arm transferred to the quinone, we know that for each 2 electrons 4 protons are ejected from the mitochondrion. And then the reduced quinone carries the electrons to the next proton pump. This is called complex 3 or the cytochrome bc1 complex which is made of another 11 proteins. It's actually a dimeric complex. You can see there's a plain of symmetry running through the middle here. And here we have a rather complete understanding of how the protons are pumped from the membrane to the quinone. Reduced quinone binds, transfers energy into this complex. I won't describe what happens in detail, there isn't time. But oxidised cytochrome c binds in this region here. So this is the space between the 2 membranes, the outside of the inner membrane. So oxidised cytochrome c interacts here, becomes reduced. It then loses its affinity for this complex and then carries the electrons to the third proton pump in this chain. So this is the terminal oxidase that Hartmut Michel is going to talk about in the next talk. And by the way this is the site at which cyanide would kill Schrödinger's cat. It would actually inhibit or not as the case may be. It would actually inhibit this complex. And what happens at this enzyme is that almost all the oxygen that we breathe in becomes reduced back to water. So oxygen is being produced by photosynthesis and in our mitochondria it's being converted back to water. And again concomitant with these events more protons are ejected from the inside space of the mitochondrion. And there's quite a complete understanding of how this enzyme works, but not a completely, not a totally complete understanding. So this briefly is how redox energy generated by oxidation of sugars and fats is converted into the proton motif force. So this is how the potential energy is built up. And then the potential energy is used by this device here that I'm going to describe in detail, which then generates adenosine triphosphate from adenosine diphosphate and inorganic phosphate. So the ATP is made here inside the mitochondrion and is then shuttled out by this protein here which is called ADP/ATP translocase. So it's exchanging internal ATP and taking it out and making fuel available in the cytoplasm and bringing back the spent fuel ADP to be reconverted back into ATP. And there's a related protein that brings back the phosphate. And so there's a very active cycle of generation of ATP and mitochondria being taken out into the cell, used up and then the spent fuel being back and regenerated. And from the amount of oxygen that we breathe in daily we can calculate how much ATP each of us is making by this process. And each of us makes about 60 kilograms of ATP in this way every day. So let me describe the turbine, the enzyme that's making adenosine triphosphate. These are pictures taken in the 1960s of inner membranes in mitochondria. And if you look carefully you can see that there are kind of lollypops attached to the surface. And this is the turbine, the ATP generating enzyme. So over the years my colleagues and I have built up this structural model of the turbine. So it's made of 30 proteins approximately. And the part shown in balls we've resolved to atomic resolution using mainly x-ray crystallography but also nuclear magnetic resonance. And so this is the catalytic part. You can see the ADP and phosphate molecules going into that interface there and then something happens. They're brought together. Chemistry happens and then ATP emerges. There are 3 such catalytic sites in that region. And the chemistry is driven by the rotation of this central shaft. This is going around at about 100 to 200 times a second driven by the proton motif force across the membrane. So protons go back through the interface between the rotating ring and the green protein here. This is a stator structure that's holding the catalytic part static relative to the rotation of the rotor. So the rotor itself contains 9 different proteins. And one of the things that I've been interested in recently is that this ring here in humans is made of 8 identical proteins. And I'll show you in a moment. It takes 8 protons to go through the membrane to generate 360 degrees of rotation. But this region here is stepping through 120 degree steps. And this is the stepping action. Each step brings about the synthesis of one ATP molecule. So how can this be that this has got 8-fold steps and this has got 3-fold steps? And of course what it means is that energy has to be stored transiently. It's somewhere in this structure and then released in a quantised fashion to bring about the 120 degree stepping action. And so this rotor that's driven around by the proton motif force has a number of elements that it's useful to think about derived from manmade machines. So there's a spring, we think, that's responsible for the transient storage of energy. And then there's a crank which you've just seen. So the asymmetric structure turning around in the middle of the catalytic part. This modulates the properties of the catalytic sites. In one state the sites are able to bind ADP and phosphate. In the second state they make ATP and in the third state they release the ATP. And so the chemistry is dependent upon this asymmetrical crank. And then there has to be a bearing which has friction in it in order to generate torque, in order to generate the 120 degree stepping action. So this is the way we think about this structure here. So the blue part is the catalytic part that I'm not going to describe in detail today. Here is the rotor and the ring in the membrane. So the ring driven by the proton motif force is responsible for torque generation. We think that the energy is stored transiently in this lower red part here. So it's like a fly wheel or a spring in this mechanical analogue, I've shown here on the right. And then this part is the crank or the cam which is revolving and pushing the pistons in this part here to make the chemistry happen. And here is the bearing with friction in it which has to hold at some point in order to generate the torque and the 120 degree stepping action. And so in this mechanical depiction here, here's the flywheel. This is the cam. And here are the pistons pushing against the catalytic parts of the enzyme to make the chemistry happen. So I'll try and explain to you how rotation is generated. So here is the ring in the membrane here, it's made of proteins. They're called C proteins. They're very simple proteins. They just have 2 transmembrane alpha helices linked by a loop in this region here. So the asymmetrical rotor is attached to the top of the ring. And the catalytic part is up here in the ceiling space. Now the most important property of this ring is that although this is a hydrophobic environment nonetheless there are carboxyl groups on each of the C proteins. And in this model here we've drawn it with 12 C proteins in the ring. So there are 12 carboxyl groups disposed around the circumference of the ring. And in this region here the green protein, the A protein, is closely associated with the blue ring. And the idea is that the A protein provides a half channel that allows protons to access negative charges in this region here. And once neutralised this negative charge is more hydrophobic and so it will simply move to this position here via Brownian motion. And that brings another negative charge here. Another proton goes in and so forth. And so the neutralised carboxyls carry the protons around the ring until they reach this point here which has the properties of making the carboxyl re-ionise, regenerate the negative charge and release the proton on the other side of the membrane. And the reason that the rotation is unidirectional is that there is as it were a tremendous pressure of protons in this direction because of the -200 millivolts across this structure. And so that pushes the ring around in the direction shown. Now one of the questions that I had been interested in is how many protons are required to make each ATP molecule. And in the example if there were 12 C proteins in the ring each 360 degrees of rotation would therefore consume 12 protons. That 360 degrees of rotation as I've mentioned briefly would generate 3 ATP molecules up here. And so in this model the cost of making each ATP would be the translocation of 4 protons. And so as it says here each 360 degrees generates 3 ATPs. A full rotation requires 1 proton per C protein. And therefore the proton-ATP ratio is the ring symmetry divided by 3. Now people expected that there would be one ring symmetry throughout the whole of biology. But biology is more complicated than that. And the ring symmetries differ on the one hand between multicellular life and on the other hand between unicellular life. And therefore this is not as people had supposed a universal number. And these are the cross sections of rings from the human enzyme depicted here. From saccharomyces cereviciae, brewer's yeast. This is from a bacterium that's got 11-fold symmetry. Here is 13-fold symmetry, this is the enzyme found in a bacterium. And so what this means is that the enzymes containing these different sizes of ring pay different energy costs. So this bacterium is paying 5 protons to make each ATP molecule whereas we pay 2.7 protons to make each ATP. So what these rings represent are different gears in the motor. This is the lowest gear, this is the highest gear. And the idea is that because we're able to generate -200 millivolts, we're able to drive this high gear and operate with higher efficiency. Whereas this organism lives in an energetically relatively deprived ecological niche, it is supposed and therefore it's not able to generate the -200 millivolts. It generates a lower potential and so the price it has to pay is then to drive a lower gear costing more energy to make each ATP molecule. Now I've been interested in the last 2 or 3 years to find out whether this C8 solution that we find in man persists throughout chordates. And we've produced evidence now that the C8 solution is found in birds, reptiles, mammals of course, amphibians, ray-finned fishes and cartilaginous fishes. We've not looked at tunicates yet. And so the C8 solution, 2.7 protons per ATP, obtains for 50,000 species of vertebrates. And we've latterly been looking at invertebrates. We looked at echinoderms, chordates I've mentioned, annelid worms, brachiopods, molluscs, crustaceans, insets and nematode worms. And in all these cases the C8 solution also obtains. We're currently looking at porifera, sponges. And my bet is that the C8 solution will also apply to the whole of multicellular life. And so this would be 2 million species in addition to the 50,000 species of vertebrates. Whereas we know that in the unicellular world, in yeast for example, they pay 10 divided by 3 protons to make each ATP. So this seems to be a solution for multicellular life and other solutions apply to unicellular life depending on the situation in which the animals live. To my mind this leaves a lot of unanswered questions. It opens up all kinds of other questions that I don't have time to discuss here. But I find it very surprising that the whole of multicellular life, given the diversity of niches, ecological niches in which those animals are found, that a single solution applies to all those animals. So at the end I just wanted to say a few more general things about this field of bioenergetics. About some of the...how we can apply our knowledge of bioenergetics to solve some of the challenges that you will be faced with. As we know we have an aging population and the process of aging itself is certainly related to processes that are linked to energy conversion in mitochondria. And as we age also there's an increase in the incidence of neurodegenerative diseases in the population. And again there's a link to the energy converting processes in mitochondria. I'll say a little bit more about this in a moment. We're also trying to use up knowledge of bioenergetics to generate new drug targets to combat this problem of drug resistance in relation to infectious disease. And in fact the only drug to be introduced against tuberculosis in the last 30 years is in fact an inhibitor of the ATP synthesising turbine in that microorganism. So, one can make drugs which will affect the ATP generating machine in the microorganism without affecting the ATP generating machine in our bodies. And then I also want to say 1 or 2 words about increasing demand for energy. So, I said at the beginning that almost all genetic information is in the nucleus of the cell. And the reason for that qualification is that the mitochondrion also contains a small amount of DNA, certainly 17 kilobases of DNA and 32 genes. Now that DNA molecule differs from the DNA in your nucleus in so far as it's derived entirely from your mother, there is no paternal component in there. And so any mutation in the mitochondrial DNA that leads to disease will be inherited in a matrilineal fashion, in a non-Mendelian fashion. And this is a characteristic of the so called mitochondrial diseases. They almost inevitably lead to neuromuscular disease. And these are diseases of early life. And in the western world about 1 in 6,000 of the population are affected by these diseases. But there's also, as I said a few moments ago, increasing evidence for the involvement of the dysfunctional mitochondria in Parkinson's disease, Alzheimer's disease and Huntington's disease, these scourges that are increasing in our population. In the case of familial Parkinson's disease where the disease is inherited there's no doubt whatever that that arises from dysfunction in the mitochondria. In the case of sporadic Parkinson's disease which is a more common form of it the links are not so clear yet. But there clearly are links. There's also, apart from the involvement of mitochondrial dysfunction in neurodegenerative disease, there's also involvement in cancer and involvement in aging. I don't have time to go into those topics. Now, you may have noticed in the last few days that the mitochondria have been in the headlines. And so I took this from the Daily Telegraph: "Britain could create the first "3-parent baby" through IVF." And then the same newspaper said: "Three parents: Sorry, but this is science gone mad." So this is the way of correcting those diseases where the mutations are in the human mitochondrial DNA. So what one does is to take a mother who is carrying the mutation, you fertilise the egg, you then take the nucleus from the fertilised egg and transfer it into a cellular background where you've removed the nucleus where the mitochondria still exist from a donor that is not carrying the mutation. And so that's where the third parent comes in. The 2 normal parents to make the fertilised egg. The third parent to provide the mitochondria. And this is a therapy that's been developed at Newcastle University in Britain. And there is now permission to go ahead with this and use it in a clinical setting. So finally I want to just mention something about the energy crisis. So, in 1950 the population of the world was 2.5 billion. Today it's 7 billion. And the population is increasing by a billion every 13 years. And not only is there a problem with the increase in the population but as this index, the human development index, that's defined here, it contains life expectancy, adult literacy, school enrolment and GDP per capita, as this index goes up so does the demand for energy. So it's not just a question of the population increasing, it's a question of demands from developing nations increasing as their development index goes up. And at the moment 85% of our energy comes from fossil fuels, mostly from oil and gas and coal. We require 15 terawatts of electricity. So that's 150 billion 100 watt bulbs, light bulbs burning continuously. And by 2050 that will have doubled to 30 terawatts. And you'll notice the United States consumes currently 3.5 terawatts. And alongside that increasing demand for energy is this relentless rise in atmospheric carbon dioxide. So this shows figures up to 2004. But it continues in the same fashion up to the current day. So, all that I was going to say at the end is that we can use our knowledge of bioenergetics to contribute to producing greener forms of energy. And that topic will be discussed here at this conference. So I end there and thank you very much. Applause.

Ich bin Chemiker, aber meine Leidenschaft gehört der Biologie. Für mich gibt es eine magische Zahl: 35. Vor 35 Jahren wurde mein Interesse daran geweckt, woher die Biologie ihre Energie bezieht und wie sie damit umgeht. Die biologische Energie kommt natürlich von der Sonne. Es gibt allerdings noch eine andere Quelle biologischer Energie – die geothermische Energie. Die biologische Welt auf dem Grund der Ozeane bezieht sie aus den Hydrothermalquellen. Darauf werde ich aber heute nicht eingehen. Sie sind vertraut mit der Idee, Sonnenenergie mittels Sonnenkollektoren zu gewinnen – oder aus Wasserkraftwerken, denn auch dort wird Sonnenenergie gewonnen. Die Sonne lässt die Ozeane verdunsten, sie erzeugt Wolken, Regen fällt auf die Berge und wird in Stauseen gesammelt. Die in den Stauseen gespeicherte potentielle Energie des Wassers treibt Turbinen an und erzeugt Elektrizität. Wie Sie gleich sehen werden, ist das eine sehr nützliche Analogie für das, was in der Biologie geschieht. Der Prozess, durch den die Biologie Energie gewinnt, ist die Photosynthese. Das ist ein unglaublich komplexer Prozess, der aus zwei Teilreaktionen besteht – einmal aus der sogenannten Lichtreaktion, bei der Sonnenenergie zur Spaltung von Wasser sowie zur Erzeugung von Sauerstoff und Reduktionsäquivalenten genutzt wird. Natürlich gäbe es ohne diese Reaktion kein Leben auf der Erde. Von ihr kommt der Sauerstoff, den wir atmen. Und die Reduktionsäquivalente dienen dann in der sogenannten Dunkelreaktion der Bindung von Kohlendioxid und der Erzeugung energiereicher organischer Moleküle, die wir als Nahrungsmittel verwenden. Durch die Landwirtschaft ernten wir die Produkte der Photosynthese in industriellem Maßstab und verbrauchen dann die energiereichen Verbindungen – die in Form von Getreide erzeugten Kohlenhydrate, die wir entweder unmittelbar konsumieren oder an Tiere verfüttern; wir konsumieren die Energie als tierische Fette und Proteine. Die Frage, mit der ich mich heute beschäftigen möchte, lautet: Wo wandeln wir Energie in unseren Körpern um? Hier, auf der linken Seite, sehen Sie Ihre Organe; jedes dieser Organe besteht aus Zellen. Hier haben wir eine typische menschliche Zelle. Abgesehen von roten Blutkörperchen sehen alle menschlichen Zellen so aus. Sie enthalten einen Kern, in dem die gesamte, fast die gesamte genetische Information gespeichert ist. Die Zelle wird von einer wasserabweisenden Membran umschlossen, die den Inhalt der Zelle zusammenhält. Außer dem Zellkern befinden im Zytoplasma der Zelle Organellen – der Golgi-Apparat, der so etwas ähnliches wie ein Postamt ist, das endoplasmatische Retikulum, wo die Proteine erzeugt werden, Lysosomen, die Recycling-Stationen ähneln und die Mitochondrien. Die Mitochondrien sind das Thema, über das ich sprechen werde. Sie sind die Kraftwerke der Zellen. Und sie weisen sehr komplexe Strukturen auf. So haben sie zwei Membranen, nicht eine. Es gibt eine äußere Membran, die hier blau dargestellt ist. Die innere Membran ist stark gefaltet, wie Sie sehen können. Diese stark gefalteten Membranen sind Schauplätze für die entscheidenden Schritte der biologischen Energieumwandlung in unserem Körper. Wie Sie sehen werden, handelt es sich um einen komplexen Prozess, dem aber ein sehr einfaches Stück Chemie zugrunde liegt. Der Kreis stellt diese stark gefalteten Membranen dar. Die chemische Energie, freigesetzt aus den Nahrungsmitteln, die man in einem oxidativen Prozess gewissermaßen durch kontrolliertes Verbrennen aufnimmt, diese chemische Energie wird einfach dazu verwendet, Protonen aus dem Innenraum in den Außenraum zu transferieren. Das führt zu einem Überschuss an Protonen im Außenraum. Dieser Protonenüberschuss ist eine Quelle potentieller Energie. Er wird in der Bioenergie protonenmotorische Kraft genannt, in Analogie zur elektronenmotorischen Kraft in der Elektrizität. Im Grunde handelt es sich um eine Spannung. Durch diesen Prozess erzeugen wir in unseren inneren Membranen eine Spannung von -200 Millivolt. Dieser Energiespeicher, die potentielle Energie, kann an andere Prozesse gekoppelt und zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden. Wie ich Ihnen gleich zeigen werde, sind die biologischen Energiepakete, die aus den Mitochondrien kommen… das ist das Molekül Adenosintriphosphat, ein sehr energiereiches Molekül. Es wird von Maschinen produziert. Die Protonenpumpen, die ich gerade beschrieben habe, gewinnen die Energie und erzeugen die protonenmotorische Kraft, die dem Stausee eines Wasserkraftwerks entspricht. Und es gibt eine Turbine, die diese Energie umwandelt und sie dazu verwendet, die Produktion dieses nützlichen Kraftstoffs Adenosintriphosphat anzutreiben. Dann muss es ein Transportsystem geben, denn die Energiepakete werden im Inneren des Mitochondriums produziert. Es muss ein Transportsystem geben, das diese Energiepakete an die Zelle liefert, das die Zelle mit der Energie versorgt, die sie für alles braucht, was sie tut – zur Produktion von Proteinen, zur Replikation von DNS und so weiter. In vereinfachter Form ist das… der graue Kasten stellt die innere Membran des Mitochondriums dar. In diese Membran sind drei Protonenpumpen eingebettet; sie werden Komplex I, III und IV genannt. Die Produkte des oxidativen Stoffwechsels, die Verbrennung von Zucker und Fett – worauf ich nicht eingehen werde – produzieren Redoxenergie in Gestalt des Moleküls NADH, Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid, in seiner reduzierten Form. Die Reduktionsäquivalente von Elektronen werden in den außerhalb der Membran liegenden Arm dieses riesigen Komplexes eingespeist. Es handelt sich dabei um einen Proteinkomplex aus 45 verschiedenen Proteinen, die zusammen eine Molekularmasse von etwa 1 MDa aufweisen. Die Elektronen werden mittels quantenelektronischer Tunnelprozesse durch diesen Membranarm transferiert, und sie gelangen zu einem Chinon, das in dieser Region gebunden ist. Das Chinon ist in oxidierter Form gebunden. Es wird reduziert. Hier ist das reduzierte Chinon. Und dann equilibriert es in die wasserabweisende Membran. Gleichzeitig mit diesem Prozess der Reduktion des Chinons werden Protonen vom Innenraum in den Außenraum ausgestoßen. Das ist derzeit Gegenstand einer sehr regen Forschungstätigkeit. Der genaue Mechanismus, durch den die Protonentranslokation durchgeführt wird, ist derzeit noch unklar. Wir wissen aber, dass für je zwei Elektronen, die einzeln diesen außerhalb der Membran befindlichen Arm passieren und zum Chinon übertragen werden... Wir wissen, dass für je zwei Elektronen vier Protonen aus dem Mitochondrium ausgestoßen werden. Dann transportiert das reduzierte Chinon die Elektronen zur nächsten Protonenpumpe, genannt Komplex III bzw. Cytochrom bc1-Komplex, die aus weiteren elf Proteinen besteht. Es handelt sich um einen dimeren Komplex; wie Sie sehen, läuft hier durch die Mitte eine Symmetrieebene. Wir haben ein ziemlich vollständiges Verständnis davon, wie die Protonen von der Membran zum Chinon gepumpt werden. Reduziertes Chinon bindet, überträgt Energie in diesen Komplex. Ich werde nicht im Einzelnen beschreiben, was da geschieht; die Zeit ist zu knapp. Doch oxidiertes Cytochrom c bindet in dieser Region. Das ist der Raum zwischen den zwei Membranen, die Außenseite der inneren Membran. Oxidiertes Cytochrom c tritt hier in Wechselwirkung, es wird reduziert. Dann verliert es seine Affinität für diesen Komplex und transportiert die Elektronen zur dritten Protonenpumpe in dieser Kette. Hierbei handelt es sich um die terminale Oxydase, über die Hartmut Michel im nächsten Vortrag sprechen wird. Übrigens ist das der Ort, an dem Zyanid Schrödingers Katze töten würde. Es würde diesen Komplex hemmen – oder auch nicht, je nachdem. An diesem Enzym geschieht Folgendes: Fast der gesamte Sauerstoff, den wir einatmen, wird wieder zu Wasser reduziert. Sauerstoff wird also durch die Photosynthese produziert, und in unseren Mitochondrien wird er wieder in Wasser umgewandelt. Und wieder werden gleichzeitig mit diesen Geschehnissen weitere Protonen aus dem Innenraum des Mitochondriums gestoßen. Es herrscht ein ziemlich vollständiges Verständnis davon, wie dieses Enzym arbeitet, aber das Verständnis ist nicht absolut vollständig. Das ist in aller Kürze die Art und Weise, wie die durch die Oxidation von Zucker und Fetten erzeugte Redoxenergie in die protonenmotorische Kraft umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die potentielle Energie aufgebaut. Genutzt wird die potentielle Energie dann von diesem Gerät hier, das ich ausführlich beschreiben werde. Es erzeugt Adenosin-Triphosphat aus Adenosin-Diphosphat und anorganischem Phosphat. Das ATP wird also hier, im Inneren des Mitochondriums, erzeugt; dann wird es von diesem Protein namens ADP/ATP-Translokase hinausgeschleust. Das Protein tauscht internes ATP aus, entnimmt es und stellt im Zytoplasma Treibstoff bereit, bringt den verbrauchten Treibstoff ADP zurück, um ihn wieder in ATP umzuwandeln. Und ein verwandtes Protein bringt das Phosphat zurück. Das ist ein äußerst aktiver Zyklus. In den Mitochondrien wird ATP erzeugt, hinaus in die Zelle transportiert und verbraucht; dann wird der verbrauchte Treibstoff zurückgebracht und regeneriert. Anhand der Sauerstoffmenge, die wir täglich einatmen, können wir berechnen, wieviel ATP jeder von uns durch diesen Prozess herstellt: Jeder von uns produziert auf diese Art und Weise jeden Tag ungefähr 60 Kilogramm ATP. Lassen Sie mich jetzt die Turbine beschreiben, das Enzym, das Adenosin-Triphosphat produziert. Das sind Bilder, die in den 1960ern von den inneren Membranen in Mitochondrien aufgenommen wurden. Wenn Sie genau hinsehen, erkennen Sie, dass an der Oberfläche etwas angebracht ist, das nach Lollys aussieht. Das ist die Turbine, das Enzym, das ATP erzeugt. Meine Kollegen und ich haben im Laufe der Jahre dieses Strukturmodell der Turbine erstellt. Es besteht aus ungefähr 30 Proteinen. Den in Kugeln dargestellten Teil haben wir bis zur atomaren Ebene aufgelöst, wobei wir hauptsächlich Röntgenkristallographie, aber auch kernmagnetische Resonanz eingesetzt haben. Das ist der katalytische Teil. Sie können sehen, wie sich das ADP sowie Phosphatmoleküle in diese Schnittstelle bewegen, und dann geschieht etwas. Sie werden zusammengebracht. Chemische Vorgänge laufen ab und ATP taucht auf. Es gibt drei derartige katalytische Orte in dieser Region. Die chemischen Vorgänge werden durch die Rotation dieser zentralen Welle angestoßen. Sie dreht sich etwa hundert- bis zweihundertmal in der Sekunde, angetrieben durch die protonenmotorische Kraft in der Membran. Protonen bewegen sich also zurück durch die Schnittstelle zwischen dem rotierenden Ring und dem grünen Protein. Das ist eine Statorstruktur; sie hält den katalytischen Teil relativ statisch zur Drehung des Rotors. Der Rotor selbst enthält neun verschiedene Proteine. Eines der Dinge, mit denen ich mich in letzter Zeit beschäftigt habe, ist die Tatsache, dass dieser Ring hier bei Menschen aus acht identischen Proteinen besteht. Ich zeige Ihnen das gleich. Für eine Drehung um 360 Grad müssen acht Protonen durch die Membran passieren. Doch diese Region hier bewegt sich in Schritten von 120 Grad. Das ist die schrittweise Drehung. Jeder Schritt bewirkt die Synthese von einem ATP-Molekül. Wie kann das sein – achtfache Schritte hier, dreifache Schritte dort? Das bedeutet natürlich, dass vorübergehend Energie gespeichert werden muss. Sie ist irgendwo in dieser Struktur, dann wird sie quantisiert freigesetzt, um die schrittweise 120-Grad-Drehung zu bewirken. Dieser durch die protonenmotorische Kraft bewegte Rotor hat viele Bestandteile, von denen man sich sinnvollerweise vorstellt, dass sie von menschlichen Maschinen abgeleitet sind. Es gibt eine Feder, so glauben wir, die für die vorübergehende Energiespeicherung verantwortlich ist. Dann gibt es eine Kurbelwelle, die Sie gerade gesehen haben. Die asymmetrische Struktur, die sich in der Mitte des katalytischen Teils dreht. Sie reguliert die Eigenschaften der katalytischen Orte. In einem Zustand sind die Orte in der Lage, ADP und Phosphat zu binden. Im zweiten Zustand stellen sie ATP her und im dritten Zustand setzen sie das ATP frei. Die chemischen Abläufe beruhen also auf dieser asymmetrischen Kurbelwelle. Dann muss es aber ein Lager geben, das Reibung aufweist, um ein Drehmoment zu erzeugen, um die schrittweise Drehung um 120 Grad zu bewirken. So stellen wir uns also diese Struktur vor. Der blaue Teil ist der katalytische Teil, auf den ich heute nicht im Einzelnen eingehen werde. Hier haben wir den Rotor und den Ring in der Membran. Der von der protonenmotorischen Kraft angetriebene Ring ist für die Erzeugung des Drehmoments verantwortlich. Wir glauben, dass die Energie in diesem unteren roten Teil vorübergehend gespeichert wird. Das ist wie ein Sprungrad oder eine Feder in dieser mechanischen Nachbildung, die Sie hier rechts sehen können. Dieser Teil ist die Kurbel- oder Nockenwelle; sie dreht sich und drückt auf die Kolben in dieser Gegend, um die chemischen Abläufe in Gang zu setzen. Und hier ist das Lager mit der Reibung, das an einem bestimmten Punkt anhalten muss, um das Drehmoment und die schrittweise 120-Grad-Drehung hervorzurufen. In dieser mechanischen Darstellung sehen Sie hier das Schwungrad. Das ist die Nockenwelle. Hier sind die Kolben; sie drücken gegen die katalytischen Teile des Enzyms, um die chemischen Abläufe in Gang zu setzen. Ich werde versuchen, Ihnen zu erklären, wie Rotation erzeugt wird. Hier ist der Ring in der Membran, er besteht aus Proteinen, C-Proteine genannt. Das sind sehr einfache Proteine. Sie haben nur zwei transmembrane Alpha-Helices, die durch eine Schleife in dieser Region verbunden sind. Der asymmetrische Rotor ist an der Spitze des Rings angebracht, und der katalytische Teil ist hier oben im Deckenraum. Die wichtigste Eigenschaft dieses Rings: Obwohl das eine wasserabweisende Umgebung ist – Sie erinnern sich, diese ganze Struktur ist in von einer Phospholipid-Doppelschicht umhüllt – befinden sich dennoch an jedem C-Protein Carboxylgruppen. Dieses Modell haben wir mit zwölf C-Proteinen im Ring gezeichnet. Rund um den Ring sind also zwölf Carboxylgruppen angeordnet. Und in dieser Region ist das grüne Protein, das A-Protein, eng mit dem blauen Ring verbunden. Man stellt sich vor, dass das A-Protein einen Halbkanal bildet, der den Protonen Zugang zu den negativen Ladungen in dieser Region verschafft. Ist diese negative Ladung neutralisiert, dann ist sie stärker wasserabweisend und wird sich mittels Brownscher Bewegung einfach in diese Position begeben. Das ruft hier eine weitere negative Ladung hervor, ein weiteres Proton kommt herein und so weiter. Die neutralisierten Carboxylgruppen transportieren die Protonen um den Ring herum, bis sie diesen Punkt hier erreichen, dessen Eigenschaften dafür sorgen, dass die Carboxylgruppen wieder ionisiert werden, die negative Ladung wiederhergestellt wird und die Protonen auf der anderen Seite der Membran freigesetzt werden. Der Grund dafür, dass die Rotation nur in eine Richtung geht, liegt darin, dass hier wegen der -200 Millivolt in der Struktur ein enormer Protonendruck in diese Richtung ausgeübt wird. Das dreht den Ring in die dargestellte Richtung. Eine der Fragen, die mich beschäftigt hatten, lautet: Wie viele Protonen benötigt man, um jeweils ein ATP-Molekül herzustellen? Wenn sich in dem Beispiel zwölf C-Proteine im Ring befinden würden, würde jede 360-Grad-Drehung zwölf Protonen verbrauchen. Diese 360-Grad-Drehung würde, ich habe das kurz erwähnt, hier oben drei ATP-Moleküle erzeugen. In diesem Modell würde also die Herstellung von je einem ATP die Translokation von vier Protonen kosten. Wie Sie hier lesen können, erzeugt also jede 360-Grad-Drehung drei ATP. Eine vollständige Drehung erfordert ein Proton pro C-Protein. Daher entspricht das Protonen-ATP-Verhältnis der Ringsymmetrie dividiert durch drei. Man erwartete, dass es in der ganzen Biologie nur eine Ringsymmetrie geben würde. Doch die Biologie ist komplizierter. Die Ringsymmetrien unterscheiden sich je nachdem, ob es sich um mehrzelliges Leben oder um einzelliges Leben handelt. Es handelt sich also nicht, wie man gedacht hatte, um eine universelle Zahl. Hier sehen Sie Querschnitte von Ringen – einmal vom menschlichen Enzym; dann von Saccharomyces cerevisiae, der Bierhefe; der hier ist von einem Bakterium, das eine elffache Symmetrie aufweist. Hier haben wir 13-fache Symmetrie, ein Enzym aus einem Bakterium. und schließlich 15-fache Symmetrie in einer Blaualge. Das bedeutet, dass die Enzyme, die diese verschiedenen Ringgrößen aufweisen, unterschiedlich hohe Energiekosten bezahlen. Dieses Bakterium bezahlt fünf Protonen für die Herstellung je eines ATP-Moleküls, während wir 2,7 Protonen für die Herstellung eines ATP bezahlen. Diese Ringe repräsentieren verschieden Gänge eines Getriebes. Das ist der niedrigste Gang, hier ist der höchste Gang. So stellt man sich das vor: Weil wir in der Lage sind, -200 Millivolt zu erzeugen, können wir in diesem hohen Gang fahren und effizienter handeln. Dieser Organismus dagegen lebt in einer energetisch relativ benachteiligten ökologischen, so nimmt man an, und ist deshalb nicht in der Lage, -200 Millivolt zu erzeugen. Er erzeugt ein niedrigeres Potential; der Preis, den er zu bezahlen hat, besteht darin, dass er in einem niedrigeren Gang fahren muss, was mehr Energie für die Herstellung jeweils eines ATP-Moleküls verbraucht. Ich den letzten zwei oder drei Jahren wollte ich herausfinden, ob sich diese C8-Lösung, die wir beim Menschen finden, bei den Chordatieren fortsetzt. Mittlerweile haben wir Beweise dafür erbracht, dass sich die C8-Lösung bei Vögeln findet, bei Reptilien, natürlich bei Säugetieren, bei Amphibien, Strahlenflossern und Knorpelfischen. Manteltiere haben wir noch nicht untersucht. Die C8-Lösung – 2,7 Protonen pro ATP – ist bei 50.000 Wirbeltierarten anzutreffen. In letzter Zeit haben wir auch Wirbellose untersucht – Stachelhäuter, Chordatiere habe ich schon erwähnt, Ringelwürmer, Armfüßer, Weichtiere, Krustentiere, Insekten und Fadenwürmer. In all diesen Beispielen ist die C8-Lösung ebenfalls anzutreffen. Derzeit untersuchen wir Porifera, also Schwämme. Und ich wette, dass die C8-Lösung für das gesamte vielzellige Leben gilt. Das wären zwei Millionen Arten neben den 50.000 Wirbeltierarten. Während wir wissen, dass man in der einzelligen Welt, zum Beispiel im Fall der Hefe, zehn geteilt durch drei Protonen zur Herstellung von je einem ATP bezahlt werden. Es gibt also anscheinend eine Lösung für vielzelliges Leben und andere Lösungen für einzelliges Leben – je nach den Umständen, in denen die Tiere leben. Meines Erachtens bleiben hierbei viele Fragen unbeantwortet. Außerdem werden alle möglichen weiteren Fragen aufgeworfen, auf die ich in der Kürze der Zeit nicht eingehen kann. Ich finde es allerdings sehr überraschend, dass das gesamte mehrzellige Leben – bedenkt man die Vielfalt der Nischen, der ökologischen Nischen, in denen diese Tiere anzutreffen sind... dass es für all diese Tiere nur eine Lösung gibt. Zum Schluss möchte ich noch einige allgemeinere Dinge über dieses Feld der Bioenergetik sagen. Darüber, wie wir unser Wissen über Bioenergetik anwenden können, um einige der Probleme zu lösen, die sich Ihnen stellen werden. Wie wir wissen, wird die Bevölkerung immer älter, und der Prozess des Alterns selbst ist sicherlich mit Prozessen verbunden, die mit der Energieumwandlung in Mitochondrien zu tun haben. In dem Maße, in dem wir immer älter werden, nehmen auch die neurodegenerativen Krankheiten in der Bevölkerung zu. Auch hier gibt es eine Verbindung zu den Energie umwandelnden Prozessen in Mitochondrien. Darauf werde ich gleich noch zurückkommen. Wir versuchen außerdem, unser Wissen über Bioenergetik zur Erzeugung neuer Wirkstoffziele einzusetzen, um das Problem der Arzneimittelresistenz bei Infektionskrankheiten zu lösen. Tatsächlich ist das einzige Arzneimittel gegen Tuberkulose, das in den letzten 30 Jahren auf den Markt gekommen ist, ein Hemmer der ATP synthetisierenden Turbine in diesem Mikroorganismus. Man kann also Arzneimittel herstellen, die die ATP erzeugende Maschine im Mikroorganismus beeinflussen, nicht jedoch die ATP erzeugende Maschine in unseren Körpern. Dann möchte ich noch ein oder zwei Worte zum steigenden Energiebedarf sagen. Zu Beginn hatte ich ausgeführt, dass sich fast die gesamte genetische Information im Zellkern befindet. Der Grund hierfür liegt darin, dass das Mitochondrium auch eine kleine Menge DNS enthält, bestimmt 17 Kilobasen DNS und 32 Gene. Dieses DNS-Molekül unterscheidet sich insofern von der DNS in Ihrem Zellkern, als es vollständig von ihrer Mutter stammt; es gibt darin keine väterliche Komponente. Jede Mutation in der mitochondrischen DNS, die zu einer Krankheit führt, wird also matrilinear vererbt, nicht nach den mendelschen Regeln. Das ist charakteristisch für die sogenannten mitochondrischen Krankheiten, die fast unausweichlich zu neuromuskulären Erkrankungen führen. Das sind Krankheiten, die im Kindesalter auftreten. In der westlichen Welt ist etwa eine von 6.000 Personen von einer dieser Krankheiten betroffen. Es gibt aber auch, wie gesagt, immer mehr Anzeichen für die Beteiligung dysfunktionaler Mitochondrien an Parkinson, Alzheimer und der Huntington-Krankheit – an diesen Geißeln der Menschheit, die sich in unserer Bevölkerung immer stärker ausbreiten. Im Fall eines familiärem Parkinson-Syndroms, bei dem die Krankheit vererbt ist, gibt es überhaupt keinen Zweifel daran, dass es von einer Dysfunktion in den Mitochondrien hervorgerufen wird. Im Fall eines sporadischen Parkinson-Syndroms, bei dem es sich um die weiter verbreitete Form handelt, sind die Verbindungen noch nicht so eindeutig. Doch es gibt natürlich Verbindungen. Mitochondrische Dysfunktionen sind nicht nur an neurodegenerativen Krankheiten beteiligt, sondern auch an Krebs und der Alterung. Ich habe leider keine Zeit, hierauf einzugehen. In den vergangenen Tagen haben Sie vielleicht mitbekommen, dass die Mitochondrien in den Schlagzeilen waren. Folgendes habe ich dem Daily Telegraph entnommen: „Großbritannien könnte durch IVF das erste Baby mit drei Eltern erzeugen.” Und in derselben Zeitung stand: „Drei Eltern. Tut mir leid, aber das ist verrückte Wissenschaft.“ Auf diese Art und Weise kann man jene Erkrankungen korrigieren, bei denen die Mutationen in der menschlichen mitochondrischen DNS liegen. Das geschieht folgendermaßen: Man hat eine Mutter, die die Mutation aufweist; man befruchtet das Ei; dann entnimmt man dem befruchteten Ei den Zellkern und überträgt diesen in einen zellulären Hintergrund, dem der Kern entnommen wurde, dessen Mitochondrien aber noch existieren. Diese Zelle stammt von einem Spender, der die Mutation nicht aufweist. So kommt der dritte Elternteil ins Spiel. Die zwei normalen Eltern erzeugen das befruchtete Ei. Der dritte Elternteil stellt die Mitochondrien zur Verfügung. Diese Therapie wurde in Großbritannien entwickelt, an der Newcastle University. Mittlerweile liegt die Genehmigung zur klinischen Anwendung vor. Zum Schluss möchte ich noch etwas zur Energiekrise anmerken. Im Jahr 1950 betrug die Weltbevölkerung 2,5 Milliarden Menschen. Heute sind es sieben Milliarden. Und die Weltbevölkerung wächst alle 13 Jahre um eine Milliarde Menschen. Dabei gibt es nicht nur ein Problem mit der Bevölkerungszunahme, sondern auch mit dem Human Development Index, dem Index der menschlichen Entwicklung, der nach dieser Definition die Lebenserwartung, die Alphabetisierung von Erwachsenen, die Einschulungsraten und das Pro-Kopf-BIP enthält: In dem Maße, in dem dieser Index ansteigt, steigt auch der Energiebedarf. Es ist also nicht nur eine Frage der Bevölkerungszunahme. Es geht darum, dass der Bedarf der Entwicklungsländer in dem Maße zunimmt, in dem ihr Entwicklungsindex ansteigt. Derzeit stammt unsere Energie zu 85 % aus fossilen Quellen, hauptsächlich Öl, Gas und Kohle. Wir benötigen 15 Terawatt Energie. Das sind 150 Milliarden 100-Watt-Birnen, Glühbirnen, die ständig brennen. Bis zum Jahr 2050 wird sich das auf 30 Terawatt verdoppeln. Und wie Sie sehen, verbrauchen die Vereinigten Staaten derzeit 3,5 Terawatt. Dieser zunehmende Energiebedarf geht einher mit einem unaufhörlichen Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre. Hier sehen Sie die Zahlen bis zum Jahr 2004, doch es geht auf dieselbe Weise bis zum heutigen Tag weiter. Ich begnüge ich mich mit der Schlussbemerkung, dass wir mit unserem Wissen über Bioenergetik zur Produktion grünerer Energieformen beitragen können. Dieses Thema wird hier bei dieser Konferenz diskutiert. Damit beende ich meine Ausführungen, vielen Dank. Beifall.

Sir John Walker (2013)

The Fuel of Life

Sir John Walker (2013)

The Fuel of Life

Abstract

The lecture will be devoted to the topic of how the biological world supplies itself with energy to make biology work, and what medical consequences ensue when the energy supply chain in our bodies is damaged or defective. We derive our energy from sunlight, which, via photosynthesis in green plants, provides high energy components in the foods that we ingest. We harvest that energy, effectively by “burning” (oxidising) the high energy components, releasing cellular energy in a controlled way to generate the fuel of life, in the form of the molecule known as adenosine triphosphate (or ATP for short). The key steps in this process take place in the mitochondria inside the cells that make up our tissues. They serve as biological “power stations” that contain millions of tiny molecular turbines, the ATP synthase, that rotate rather like man-made turbines churning out the cellular fuel in massive quantities, which is then delivered to all parts of our bodies to provide the energy to make them function. Each of us makes and expends about 60 kg of this fuel every day of our lives. Defects in the fuel supply process are increasingly being recognised as important components of complex human diseases such as cancer, neurodegeneration and neuromuscular diseases, and they may also be part of the process of ageing.
ATP synthase found in chloroplasts has many features in common with the ATP synthases found in eubacteria and mitochondria. Their overall architectures are similar, and they all consist of two rotary motors linked by a stator and a flexible rotor. When rotation of the membrane bound rotor is driven by proton motive force, the direction of rotation ensures that ATP is made from ADP and phosphate in the globular catalytic domain. When ATP serves as the source of energy and is hydrolysed in the catalytic domain, the rotor turns in the opposite sense and protons are pumped outwards through the membrane domain, and away from the catalytic domain. The lecture will describe the common features of their catalytic mechanisms. However, the ATP synthase from chloroplasts, eubacteria and mitochondria differ in several key features, in their mechanisms of regulation and most fundamentally in the energy cost that is paid to make an ATP molecule. The most efficient ATP synthase is found in the mitochondria from multicellular animals. The ATP synthases in unicellular organisms, and chloroplasts, pay various higher costs that seem to reflect the supply of available energy in the biological niches that they inhabit.

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT


Related Content