Natuurkunde.nl - Een nanomotor met giga rendement.

Elk organisch lichaam, van een bacterie tot een walvis is opgebouwd uit cellen. Tot het begin van de jaren zestig zag men de cel als een zakje chemicaliën. Men dacht toen dat de precieze samenstelling van het mengsel ervoor zorgde dat elke cel op de juiste manier functioneerde. Nu weten we wel beter! Elke cel van een organisme heeft een complexe samenstelling, opgebouwd uit allerlei verschillende onderdelen, zoals het celmembraan, het Golgi-apparaat en de mitochondriën. Professor Cees Dekker, het hoofd van de vakgroep Moleculaire Biofysica aan de TU Delft, vergelijkt de cel zelfs met een ruimteschip! “Wanneer we de levende cel een miljard keer zouden vergroten, kunnen we de cel zien als een twintig kilometer groot complex dat oogt als een gigantisch ruimteschip.” Dekker beschrijft de cel met diverse mooie metaforen, zoals een bibliotheek, treinverbindingen, energiecentrales en industriegebieden waarin grote machines, opgebouwd uit eiwitten allerlei processen uitvoeren. Misschien klinkt deze vergelijking je een beetje vreemd in de oren, maar wellicht is ze minder vreemd dan je in eerste instantie zou denken. In dit artikel nemen we de werking van één van de machines in de cel onder de loep, het F₁-ATPase, een moeilijke naam voor een echte moleculaire motor.

Het F₁-ATPase is een deel van een eiwit dat voorkomt in de membranen van de mitochondriën. Het membraan is een klein zakje met allerlei poortjes, rondom het mitochondrion. De mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. Op onderstaande afbeelding zie je een schematische weergave van een cel, met twee mitochondrieën. In werkelijkheid kan een cel wel tussen de 500 en 2000 mitochondrieën bevatten! Daarnaast zie je een plaatje van een mitochondrion. Het membraan van het mitochondrion is aangevegen met een 2.

Links: Een schematische weergave van een cel, een ingewikkelde fabriek waarin allerlei complexe machines met elkaar samenwerken. Rechts: Een van de machines in de cel, het mitochondrion. Als de cel een fabriek is, is het mitochondrion haar energiecentrale!

In de mitochondrieën wordt de brandstof van de cel gemaakt. Alle onderdelen in de cel, zoals de celkern, worden hiermee van energie voorzien. Deze brandstof bestaat uit ATP moleculen. Zoals benzine de brandstof is voor een auto, zijn ATP moleculen de brandstof van een organisme! In het celmembraan van het mitochondrion bevinden zich heel veel kleine nano motors. Doordat deze motoren zich letterlijk in het celmembraan bevinden, staan ze zowel in contact met de binnenkant van een mitochondrion, als met de buitenkant. Al deze nano motors spelen een belangrijke rol bij de productie van ATP. We noemen deze nano motors F₁-ATPase moleculen. Ook al zijn ze dan heel klein, wetenschappers zijn er in geslaagd om het draaien van deze motoren “real time” waar te nemen. Voordat we zover zijn dat we kunnen begrijpen hoe ze dat gedaan hebben, moeten we nog wat meer te weten komen over deze F₁-ATPase moleculen.

ATP is de afkorting van adeninetrifosfaat, een adenine molecuul met drie fosfaat moleculen er aan vast. ATPase (ook ATP synthase genoemd) is een eiwit dat helpt bij de productie van ATP. F₁-ATPase is een deel van dit eiwit.

Het F₁-ATPase zit in de cel altijd vast aan een ander eiwit, F₀-ATPase. Samen vormen deze delen het eiwit F₀F₁-ATPase, of ATP synthase. ATP synthase maakt ATP moleculen van twee andere moleculen, ADP (adenosinedifosfaat) en P_i (inorganisch fosfaat). De reactievergelijking die hierbij hoort ziet er als volgt uit:

Dit is een omkeerbare reactie. Wanneer de reactie van links naar rechts gaat noemen we het ATP-synthese. Er wordt van ADP en P_iATP gemaakt, maar hiervoor is er ook energie nodig. Deze reactie vindt plaats als er genoeg ADP, P_i en energie is om een ATP molecuul te maken.Van rechts naar links wordt er ATP omgezet in ADP en P_i, hierbij komt energie vrij. Deze reactie kan plaatsvinden als er veel ATP aanwezig is, we noemen haar ATP-hydrolise. Om te begrijpen hoe F₀F₁-ATPase beide reacties tot stand kan brengen, bekijken we de structuur van het eiwit van dichtbij. In onderstaande figuur is een plaatje van een F₀F₁-ATPase eiwit op het membraan van een mitochondrion weergegeven.

In bovenstaande figuur zie je een schematische weergave van het ATPase molecuul, ingebed in het membraan van een mitochondrion. Het ATPase molecuul ziet eruit als een champignon op een ronde schijf. De ronde schijf en steel van de champignon zitten aan elkaar vast en kunnen draaien ten opzichte van de hoed van de champignon, die vastzit aan het membraan, via het staafje rechts in de figuur. Copyright: Royal Swedish Academy of Sciences 1997, Nobel Prize for Chemistry Press Release

Originele website: Klik hier

Een kromme as

Het F₀ deel van ATP synthase zit vast in het membraan van een mitochondrion. De kleine bolletjes met staartjes vormen samen het membraan. Het F₁ deel bevindt zich in het mitochondrion en bestaat uit de α en β delen, en de γ-as. De α, β en γ delen zijn delen van het molecuul. Elk deel heeft een eigen taak, waardoor het zich van de andere delen onderscheidt. De chemische samenstelling van elk deel is verschillend, hierdoor hebben ze elk een andere ruimtelijke vorm. Ter vereenvoudiging worden de α en β delen afgebeeld alsof ze er hetzelfde uitzien.

Aan de buitenkant van het mitochondrion bevinden zich veel meer waterstof ionen (H⁺) dan aan de binnenkant. Waterstof ionen zijn positief geladen waterstof atomen, in de figuur aangegeven met H⁺. Doordat verschillende andere onderdelen op het membraan van het mitochondrion (die zie je niet in het plaatje) met elkaar samenwerken om zoveel mogelijk H⁺ atomen buiten het mitochondrion te houden, zijn er buiten veel meer H⁺ atomen dan aan de binnenkant. Het F₀ deel bestaat uit een ring, die is opgebouwd uit moleculen die in de figuur zijn aagegeven met de letter ‘c’ en een deel van de arm, het staafje dat je rechts op in de figuur het membraan in ziet steken. Deze arm zit stevig vast in het membraan en zit niet vast aan de ring c-moleculen. De γ-as van het F₁ deel zit stevig vast aan de ring met c-moleculen.

Het F₀ deel vormt een poortje, enkel doorlaatbaar voor H⁺ ionen. Omdat er aan de buitenkant meer ionen zijn dan aan de binnenkant, stromen er H⁺ ionen naar binnen (dit proces noem je met een moeilijk woord osmose). De H⁺ ionen zorgen er bij het passeren voor dat het F₀-ATPase deel meer positief geladen wordt. Omdat het F₀-ATPase deel omringt is met het negatief geladen membraan, vervormd het op precies zo’n manier dat het rond gaat draaien, in de richting van de witte pijl. Deze ring zit stevig vast aan de centrale as, aangegeven met γ. Deze draait tussen de α en β delen, die samen met de γ-as het F₁-ATPase vormen.

De α en β delen worden vast gehouden door de arm die je rechts in de figuur ziet. Omdat de γ-as een beetje krom is, vervormt hij bij het draaien de α en β delen. De α en β delen vervormen tot een mal, waar de ADP en P_i moleculen precies in passen. Omdat er veel ADP en P_i moleculen aanwezig zijn in het mitochondrion, vallen ze altijd op hun plek in de mal. Vervolgens draaien de α en β delen een stukje verder, vervormen en brengen hierbij de ATP-synthese reactie tot stand. Een ATP molecuul is het resultaat! Dit proces herhaald zich de hele tijd, zolang als er buiten meer H⁺ ionen dan binnen zijn en er veel ADP en P_i moleculen aanwezig zijn in het mitochondrion. De Duitse professor Wolfgang Junge heeft dit proces weergegeven in een leerzaame animatie. De uitleg bij de animatie is in het engels!

In deze animatie is de werking van het F₀F₁-ATPase schematisch weergegeven. In het mitochondrion zijn ADP (aangegeven met App) en P_i (p) moleculen aanwezig. Er is een H⁺ (⊕) concentratie verschil over het membraan. De γ-as gaat draaien en vervormt de α en β delen zodanig, dat er precies één ADP en één P_i molecuul samen in passen. De ATP synthese reactie vindt plaats, er wordt een ATP (Appp) molecuul gemaakt.
Copyright: Wolfgang Junge

Originele website: Klik hier

Omkeerbaar

De omgekeerde reactie is ook mogelijk. Deze reactie treedt normaal niet op in de mitochondriën, maar kan in een laboratorium worden uitgevoerd. Wanneer we met een chemische methode één F ₀F ₁-ATPase eiwit uit een mitochondrion halen, ergens op vast plakken en de concentratie ATP aan de F ₁ zijde hoog genoeg maken, treedt de ATP hydrolise reactie op. Nu wordt de γ-as in beweging gezet door de vervorming van de α en β delen. Het F ₀ deel en de H ⁺ ionen zijn overbodig geworden om de γ-as te laten draaien.

Draaiend staafje

De Japanse onderzoekers Kinosita en Yoshida hebben in een serie experimenten in 1997 en 1998 als eerste de γ-as direct zien draaien. Ze hebben eerst het F ₀F ₁-ATPase uit de cel gehaald. Daarna hebben ze met een chemische methode het F ₁-ATPase deel los gemaakt van het F ₀ deel en bevestigd op een plaatje, zoals weergegeven in onderstaande figuur.

Links: Het F1-ATPase molecuul zoals de onderzoekers Kinosita en Yoshida dat hebben vastgeplakt op een bevestigingsplaatje. De afmetingen zijn ook aangegeven. De onderdelen zijn niet op schaal, in werkelijkheid is het zwaaistaafje tweehonderd keer zo lang als het F1-ATPase! De motor zelf, F1-ATPase is maar 10nm hoog. Rechts: Een vakantiefoto van professor Kinosita. Copyright: Kazuhiko Kinosita

Originele website: Klik hier

Laten we even stil staan bij de grootte van het F₁-ATPase. Stel dat je een balletje hebt, met de diameter van één nanometer. Als je dit balletje zou vergroten tot de grootte van een appel, zou de vergrotingsfactor (het aantal malen groter) dezelfde zijn als wanneer je die appel zou vergroten tot de grootte van de aarde!

De afmetingen van het F ₁-ATPase zijn zo klein, dat het niet zichtbaar is met een normale microscoop. Om de verdraaiing van de γ-as toch zichtbaar te maken, hebben de onderzoekers met een soort kauwgum molecuul een zwaai staafje vastgeplakt aan de γ-as. Dit staafje is wel groot genoeg om te kunnen worden gezien onder een microscoop. De onderzoekers hebben door de microscoop een filmpje gemaakt waarin het F ₁-ATPase het staafje laat draaien. Het resultaat zie je in het filmpje hieronder

Het draaiende staafje, aangedreven door de F1-ATPase motor. Het filmpje is in real-time. De vergrotingsfactor is ongeveer 20.000!
Copyright: Wolfgang Junge

Originele website: klik hier.

Dat professor Kinosita ook gevoel voor humor heeft kun je goed zien op zijn eigen website, waarop ondermeer onderstaand plaatje te vinden is.

Op zijn website schrijft Kinosita dat dit plaatje âfakeâ (nep) is, omdat hij het experiment helemaal niet zelf gedaan heeft! Zoals dat zo vaak gaat was het niet de professor zelf die achter de microscoop plaats neemt (zoals hier is afgebeeld) maar een van zijn jongere studenten. Het is gebruikelijk dat het onderzoeksresultaat wordt gepubliceert onder de naam van de professor. Copyright: Kazuhiko Kinosita.

Originele website: Klik hier

Hoog rendement

Door in een vergelijkbaar experiment bij verschillende concentraties ATP de draaisnelheid van het staafje te meten, konden de onderzoekers het rendement van deze moleculaire motor bepalen. Zij hebben berekend dat het rendement bijna 100% is! Ter vergelijking: in een normale verbrandingsmotor, is het rendement ongeveer 25%.

Draaisnelheid: 0.1 – 10 omwentelingen / seconde
Rendement: ~ 100 %
Afmetingen: ~ 10 x 10 x 10 nm³
Brandstof: ATP moleculen

Draaisnelheid: 0 - 250 omwentelingen / seconde
Rendement: ~ 25 %
Afmetingen: ~ 50 x 50 x 50 cm³
Brandstof: benzine, LPG, diesel

Fundamentele bouwstenen

Misschien kunnen F ₀F ₁-ATPase motoren in de toekomst wel worden gebruikt in eenvoudige nanomachines, of in moleculaire elektronica. Het voornaamste doel van veel onderzoekers in de moleculaire biofysica is echter niet om toepassingen te bedenken van moleculaire machines, maar om een beter begrip te krijgen van de natuurkunde van de fundamentele bouwstenen waaruit de levende natuur om ons heen is opgebouwd en hier van te leren.

Nieuwsgierig?

Ben je na het lezen van dit artikel nieuwsgierig geworden naar werk en studie in het veld van de moleculaire biofysica, dan kun je onder meer terecht op de website van de Moleculaire Biofysica groep van de TU Delft. Tijdens de studie Technische Natuurkunde aan de TU Delft, kun je jezelf voorbereiden op het doen van wetenschappelijk onderzoek in de moleculaire biofysica!