Tek Bir Kimyasal Bağ, Hayat ve Ölüm Arasındaki Hücreleri Nasıl Dengeler?
Bir hücrenin mekanizması üzerindeki ufak değişiklikler, yaşayıp yaşamadığını veya programlanmış hücre ölümü olarak bilinen doğal sürecin başlayıp başlamadığını belirler. Bakterilerden insanlara kadar birçok yaşam biçiminde, sitokrom c adı verilen bir proteindeki tek bir kimyasal bağ bu çağrıyı yapabilir. Bağ bozulmadığı sürece, protein solunum yoluyla enerji üretmek için gerekli olan elektronları aktarır. Bağ bozulduğunda, protein düzen değiştirir ve hücrenin faaliyetlerine etki eden yapılar olan mitokondrinin parçalanmasını tetikler.
İlk defa, bilim adamları sitokrom c’nin o bölgedeki bağın korunması için dayanacağı gücün yettiği bir durumda gereken enerjiyi ölçtü ancak hücrenin ömrü sona erdiğinde kırılmaya yetecek kadar kolay.
Enerji Bakanlığı SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki Linac Tutarlı Işık Kaynağı (LCLS) X-ışını serbest elektron lazeri ve Stanford Sinkrotron Radyasyon Işık Kaynağı (SSRL) adlı iki tesisten yoğun X-ışınları kullandılar. Stanford Üniversitesi’nde kimya profesörü ve SLAC’da foton bilimi bulunan Edward Solomon’un biraraya geldiği bu işbirliği sonuçlarını bugün Science’da yayınladı.
LCLS personel bilimcisi ve araştırmanın birlikte yazarı olan Roberto Alonso-Mori, “Bu, biyokimyada çok genel ve son derece önemli bir süreç ve bir röntgen lazeri ile artık bu düzenlemenin nasıl yürüdüğüne dair bir kavrayışa sahibiz” dedi. “Bunlar bedenimizde milyonlarca ve yaşamımızın her yerinde devam eden süreçlerdir.”
Stanford Üniversitesi’nde Michael Mara, çalışmanın baş yazarı ve eski doktora sonrası araştırmacı, şu anda Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley çalışmanın kimseye sitokrom c molekülünün katı yapısı demir ve protein işleri de gerçekleştirmek için yeterince güçlü bir bağ kurduğu entatik bir durum olarak bilinen kükürt atomlar arasındaki bu önemli bağı nasıl desteklediğini deneysel olarak ölçmek mümkün olmuştur ilk olma özelliğini taşıyor ” dedi.
Solomon, “Bağın zayıf olduğunu ve protein kısıtlamaları olmadan oda sıcaklığında bulunmaması gerektiğini gösterdiğimiz için bu önemliydi” dedi. “Fakat protein elektron transferi için bu bağın bozulmadan tutulması için enerji katkısı yapabiliyor. Bu LCLS deneyinde, proteinin geri kalan kısmının bağın korunmasına ne kadar katkıda bulunduğunu tam olarak belirledik: bitişik bir hidrojen bağ ağından türetilen yaklaşık 4 kcal / mol. ”
“Bu sistemin özelliklerin temel düzeyde ne kadar doğal olarak ayarlandığını ve iki veya daha fazla işlev gerçekleştirdiğini gösterebildik” diyor Mara. “Sitokrom c’nin enerji katkısı gerçekten hoş bir noktadadır. Bu, diğer protein sistemlerinde ne gibi etkilerle karşılaşabileceğinizi merak ediyor, ufukta heyecan verici yeni bilim olduğunu da fark etmemizi sağlıyor “dedi.
Ultra Hızlı Değişiklikler
Sitokrom c, çok çeşitli yaşam biçimlerinde bulunur ve hücrenin solunumuna ve programlanmış hücre ölümüne, yani bir hücrenin yaşam döngüsünün doğal ucuna giden yola katkıda bulunur. Bağın durumunun bu iki işlevle nasıl ilişkilendiği henüz tam olarak gösterilmemiştir veya belirtilmemiştir.
Bilim adamları daha önceki araştırmalardan belirli bir demir-sülfür bağının anahtar olduğunu biliyordu. Protein içindeki demir, proteinin amino asit yapım bloklarından birinde bulunan sülfüre bağlandığında, sitokrom c elektron transferine katılır. Elektronları transfer ederek, proteinin ömrünü koruyan biyolojik işlemler için gerekli enerjiyi üretmeye yardımcı olur.
Ancak sitokrom c, hücrenin mitokondrinin zarında bulunan bir lipit olan karbondioksit ile karşılaştığında demir-sülfür bağları koparır ve protein, programlanmış hücre ölümünde ilk adım olan mitokondrianın dış zarında delikler oluşturan bir enzim haline gelir.
Bu değişiklikler, inanılmaz derecede hızlı, 20 pikosaniyeden daha kısa bir sürede gerçekleştiğinden, deney, LCLS tarafından üretilen çok-hızlı X-ışını darbesinin prosesin anlık görüntüsünü almak için gerekli olmasını sağladı.
Alonso-Mori, “LCLS X-ışını darbeleriyle farklı zaman gecikmelerine tabi tutmadan önce ultra hızlı bir lazerle demir içermeyen zengin bir bileşeni içeren protein aktif alanındaki demir atomlarını resimledik” diyor.
Her 50-femtosaniyelik lazer darbesi heme’yi birkaç yüz derece ısıtır. LCLS’den gelen röntgen palsları, ısı demirden proteinin diğer parçalarına doğru ilerledikçe neler olduğunu izledi. 100 femtosaniyeden sonra, demir-kükürt bağı kopar, ancak numune soğutulduktan sonra tekrar oluşmaya başlar. Bu süreci izlemek, bilim insanlarının gerçek zamanlı olarak enerji dalgalanmalarını ölçmesine ve bu kritik bağın nasıl oluştuğunu ve koptuğunu daha iyi anlamasına imkan verdi.
Entatik durum kavramı gerçekten ilginç, ancak bunu göstermek ve ölçmek için yaratıcı yollar bulmanız gerekiyor “diyen Argonne Ulusal Laboratuvarında bir Enrico Fermi Bursu üzerine eski Stanford Üniversitesi’nden bir doktora öğrencisi olan Ryan Hadt, danışmanı Profesör Solomon, deney fikrini ortaya attı ve ilk öneriyi, LCLS’nin ilk kez 2009’da çevrimiçi hale geldiği zaman birlikte yazdı.
“Araştırma grubumuz bu yeni enstrüman hakkında heyecanlıydı ve bunu kesin bir deney yapmak için kullanmak istiyordu” diye ekliyor Hadt.
Daha Önceki Çalışma Tarafından Gündeme Getirilen Bir Soru
Bu deney, demir-sülfür bağının oldukça zayıf olduğunu bulan SSRL’de yapılan daha önceki bir çalışmayı temel alıyor, diyor SSRL’deki personel bilim insanı ve önceki çalışmanın baş editörüo olan Thomas Kroll.
En son yapılan çalışma, SSRL’deki spektroskopi LCLS pompa-prob deneyi için çerçeve de oluşturdu. Bilim adamlarına, molekülün başlangıçta nasıl göründüğünü, sıcaklık yükseldiğinde nasıl değiştiğini karşılaştırmasını sağladı.
Kroll, “Bu proteinlerin nasıl çalıştığını anlamak önemlidir,” dedi. “Çünkü nasıl çalıştıklarını anlamazsan, daha iyi ilaçlar bilgili ve kontrollü bir şekilde nasıl oluşturulabilir?”
Bakteri ve bitkilerde kritik öneme sahip bir protein olduğundan, sitokrom c’nin fonksiyonu hakkında bilgi de biyoenerji ve çevre bilimi alanlarında önemlidir.
Ulusal Sağlık Enstitüleri Genel Tıp Bilimleri Bilim DOE Ofis ve Ulusal Enstitüsü bu araştırmayı desteklemiştir. SSRL’deki Yapısal Moleküler Biyoloji programı, DOE Bilim Ofisi ve Ulusal Ulusal Tıp Bilimler Enstitüsü Ulusal Sağlık Enstitülerince finanse edilmektedir. LCLS ve SSRL DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisleri’dir.
Kaynak : rdmag.com
