گفته میشد برخی از دانشمندان در تمام جلسات اکسیداتیو فسفوریلاسیون دانشگاه شرکت میکردند زیرا می‌دانستند که دستاوردهای خوبی از آنها کسب خواهند کرد.
– جان پربل (John Prebble) ، از گروه علوم زیستی دانشگاه لندن
این مبحث به‌عنوان یکی از «تندترین و داغترین بحث‌های بیوشیمی در قرن بیستم»1 توصیف شده است که حل آن پیامدهای مهمی برای یک تناقض ایدئولوژیکی در پی خواهد داشت – منشأ حیات.
این بحثها و جدلها (که بعضا تا حد جنگ کشیده میشود) بیشتر در دههی 1960 و اوایل دههی 1970 اتفاق میافتاد. در آن زمان، بیوشیمی دانان در تلاش بودند تا مکانیسم مورد استفاده توسط میتوکندریها را برای تولید یک ترکیب پرانرژی به نام ATP (آدنوزین تری فسفات) از طریق فرآیندی به نام فسفوریلاسیون اکسیداتیو (به اختصار Ox Phos) رمزگشایی کنند. بسیاری از اجزای ساختار سلول، از ATP برای تامین انرژی مورد نیاز خود استفاده میکنند.
شکل 1: تصویر شماتیکی از چرخهی سنتز و تجزیه ATP و ADP. اعتبار تصویر: Shutterstock
بحث به قدری بالا گرفته بود که دانشمندان درگیر در این مناقشه، هنگام بحث عمومی دربارهی مکانیسم فسفوریلاسیون اکسیداتیو به درگیری فیزیکی نزدیک میشدند. بیشتر بحثها حول ایده‌ای به نام نظریهی شیمیاسموتیک (chemiosmotic) بود که توسط بیوشیمی‌دانی به نام پیتر میچل (Peter Mitchell) مطرح شده بود. او استدلال کرد که زنجیرهی انتقال الکترون یک افزایش پروتون در سراسر غشای داخلی میتوکندری ایجاد میکند و از این افزایش پروتون و از طریق فرآیند جفت‌گیری، برای هدایت سنتز ATP از ADP (آدنوزین دی فسفات) و فسفات معدنی بهره‌برداری میکند. (شکلهای 1 و 2 را ببینید). (این واکنش معکوس باعث آزاد شدن انرژی شیمیایی میشود که بسیاری از فرآیندهای بیوشیمیایی را هدایت میکند.)
شکل شماره 2: تصویر شماتیک از ساز و کار نظریهی شیمیاسموتیک. اعتبار تصویر: Shutterstock
در آن زمان، این ایده با شک و تردیدهای زیادی توسط بیوشیمی دانان مواجه شد، چون با اصولی که مشخصهی ابتدایی بیوشیمی کلاسیک است مطابقت نداشت. به عقیدهی بیوشیمی‌دانان درک ایده‌های میچل بسیار سخت و شخصیت او نابهنجار بود که هر دوی این عوامل منجر به عصبانیت آنها شد.
یک محقق منشأ حیات به نام لسلی اورگل (Leslie Orgel) از نظریهی شیمیو‌اسموتیک به عنوان یکی از غیر واقعیترین ایده‌هایی که تاکنون از زیست‌شناسی بیرون آمده است یاد کرد و آن را با ایده‌هایی که پایه‌های مکانیک کوانتومی و نظریهی نسبیت را تشکیل دادهاند مقایسه کرد.2
بسیاری از بیوشیمی دانان، تئوری شیمیایی فسفوریلاسیون اکسیداتیو را بر نظریهی شیمیو‌اسموتیکِ میچل ترجیح دادند. محققان تصور کردند که فسفات اضافه شده به ADP یکی از اجزای زنجیرهی انتقال الکترون است.برای حمایت از این ایده بسیاری از بیوشیمی‌دانان دیوانه‌وار به دنبال یک ماده به عنوان یک واسطهی شیمیایی و یک نوع فسفات پرانرژی بودند که بتواند سنتز ATP را تامین کند.
این تئوری شیمیایی مبتنی بر فرآیندی به نام فسفوریلاسیون پایه ریزی شده است و با دو واکنشی که در طی آنها گلیکولیز ATP را تشکیل میدهند همراه است. در یک واکنش، 3،1-دی فسفوگلیسرات یکی از گروههای فسفات خود را به ADP منتقل میکند تا ATP را تشکیل دهد. (در این واکنش، 3-دی فسفوگلیسرات به عنوان یک واسطه به عنوان یک نیمه فسفات پرانرژی عمل میکند.) در واکنش دوم، فسفوئنول پیرووات، یک گروه فسفات را به ADP منتقل میکند تا ATP را تشکیل دهد و فسفونول پیرووات به عنوان یک مادهیواسطه عمل میکند که دارای فسفاتی با انرژی بالاست. (شکل 3 را ببینید.)
همانطور که مشخص شد، هرگز در این واکنش واسطهای پیدا نشد و همین امر طرفداران نظریهی شیمیایی را مجبور کرد که مدل خود را کنار بگذارند. در نتیجه ایدهی پیتر میچل برندهی این دوئل شد و در سال 1978 جایزهی نوبل شیمی را به دلیل تحقیقاتش در درک مکانیسم فسفوریلاسیون اکسیداتیو دریافت کرد.
امروزه، بیوشیمی‌دانان اهمیت فرآیند افت حرارت پروتون و فرآیند شیمیو‌اسموتیک را بهتر درک میکنند. افت حرارت پروتون در سیستمهای زنده فراگیر است که میتوکندری در آن تنها نیست. در واقع کلروپلاستها در طول فرآیند فتوسنتز خود به افت حرارت پروتون متکی هستند. باکتریها و تک یاخته‌ها نیز در سراسر غشای پلاسمایی خود از افت حرارت پروتون برای به دست آوردن انرژی استفاده میکنند. در حقیقت سلولها از افت حرارت پروتون برای انتقال مواد در غشای سلولی استفاده میکنند و این افت حرارت حتی باعث انتقال نیرو به تاژک باکتریها میشود. اکنون که فسفوریلاسیون اکسیداتیو بهتر درک شده است،
برخی از زیست شناسان تکاملی و محققین منشأ حیات توجه خود را به دو سوال معطوف کردهاند: (1) کیمیوسموز چگونه به وجود آمد؟ و (2) چرا افت حرارت پروتون در عملیات بیوشیمیایی نقشی بسیار محوری دارد؟
فسفوریلاسیون اکسیداتیو و الگوهای تکاملی
برای بسیاری از زیست شناسان تکاملی، درک منشأ فسفوریلاسیون اکسیداتیو (و به طور کلی استفاده از افت حرارت پروتون) به دلیل نقش مرکزی که این فرآیند در برداشت انرژی در موجودات پروکاریوتی و یوکاریوتی ایفا میکند، جایگاه برجسته ای دارد. به عبارت دیگر، درک منشا فسفوریلاسیون اکسیداتیو (و استفاده از شیب پروتون) برای درک منشاء حیات و طراحی اساسی سیستمهای بیوشیمیایی ضروری است.
از آنجایی که استفاده از افت حرارت پروتون در سیستمهای زنده عجیب و غیرمعمول است، بسیاری از محققان منشأ حیات و زیست‌شناسان تکاملی در صدد یافتن این موضوع هستند که کیمیوسموز از لحاظ تاریخی منعکس‌کنندهی نوعی فرآیند تکاملی است که بر سیستم‌ها و طرح‌های موجود متکی است. این تحقیقات انجام شد و اصلاحاتی روی آن انجام گرفت. در واقع این تصور با تلاشهای یک محقق منشاء زندگی به نام نیک لِین (Nick Lane) به حقیقت نزدیکتر شد.
لین و همکارانش به این نتیجه رسیدند که افت حرارت پروتون باید یک اصل پایدار بیوشیمی LUCA (یک فرآیند مشترک همگانی) باشد، زیرا افت حرارت پروتون یک ویژگی تقریباً مشترک در ساختار تمام موجودات زنده است. اگر چنین است، پس واکنش افت حرارت پروتون باید در طول فرآیندهای منشأ حیات در زمان قبل از پیدایش LUCA هم وجود داشته باشد. لین به همراه گروه تحقیقاتی خود تا آنجا پیش رفتند که پیشنهاد کردند اولین سلولهای زنده در نزدیکی چشمه‌های گرمابی پوستهی زمین پدیدار شدند و از افت حرارت پروتونهای طبیعی موجود در این محیط‌ها به عنوان منبع انرژی خود استفاده کردند.3
هنگامی که این واکنشها شروع شد، این استراتژی همچنان در سلولهایی که از موجودات اولیهی پیش سلولی جدا شده بودند ادامه یافت و زنجیرهی انتقال الکترون از یک فرآیند ساده و طبیعی به یک فرآیند پیچیدهی واقع شده در موجودات پروکاریوتی و یوکاریوتی تکامل یافت. به عبارت دیگر، به نظر میرسد که ماهیت عجیب و غیرمعمول افت حرارت پروتونها، منعکس‌کنندهی تکامل شیمیایی سلولهاست و از زمانی آغاز شده که افت حرارت پروتونهای طبیعی در مراحل اولیهی تکامل شیمیایی قرار داشتهاند.
اما تحقیقات اخیر لین نشان میدهد که اگرچه استفاده از افت حرارت پروتونها برای بهرهوری از انرژی مورد نیاز برای ساخت ATP غیرقابل تصور است، اما این فرآیند منطقی است و ساز و کار مولکولی سلولهای زنده را به خوبی نشان میدهد.4 برای درک این دیدگاه، درک فرآیند فسفوریلاسیون اکسیداتیو، که با گلیکولیز glycolysis) ( و چرخهی کرِب Kreb’s cycle) ( شروع میشود میتواند مفید باشد.
گلیکولیز و چرخهی کرب
مسیر فرآیند گلیکولیتیک، مولکول سوخت گلوکز (یک قند 6 کربنی) را به دو مولکول پیرووات (pyruvate) (3 کربنی) تبدیل میکند. این فرآیند از طریق یازده واسطهی شیمیایی و دو شبکه از مولکولهای ATP (تولید شده از طریق فسفوریلاسیون در سطح بستر) و دو مولکول NADH (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید) انجام میشود. NADH الکترونهای پرانرژی تولید شده در نتیجهی انرژی آزاد شده از تجزیه و اکسیداسیون گلوکز را در خود جای میدهد. همانطور که مشخص است در هنگام تجزیهی یک مولکول قند، مولکولهای NADH نقش اصلی را در تولید بیشتر ATPی تولید شده بازی میکنند.
شکل 3: گلیکولیز. تصویر از: Shutterstock
پیرووات تولید شده توسط گلیکولیز، از طریق غشای داخلی میتوکندری به داخل ماتریکس اندامک منتقل میشود. در اینجا پیرووات به یک مولکول دی اکسید کربن و یک واسطهی 2 کربنی به نام اَسِتیل CoA تبدیل میشود. این فرآیند 2 مولکول اضافی NADH نیز تولید میکند.
چرخه کرب در حقیقت هر مولکول استیل CoA را به دو مولکول دی اکسید کربن تبدیل میکند. (در این واکنش خالص یک مولکول گلوکز 6 کربنی به 6 مولکول دی اکسید کربن تجزیه میشود.) در طول این فرآیند، تجزیهی هر مولکول CoA استیل، 1 مولکول ATP (از طریق فسفوریلاسیون در سطح بستر) و 3 مولکول NADH تولید میکند. علاوه بر این، 1 مولکول FADH2 هم تشکیل میشود که این مولکول هم مانند NADH دارای الکترونهای پر انرژی است. (شکل 4 را ببینید.)
شکل 4: چرخهی کرب. تصویر از: Shutterstock
زنجیره انتقال الکترون و فسفوریلاسیون اکسیداتیو
الکترونهای پر انرژی NADH و FADH2 به زنجیرهی انتقال الکترون که در غشای داخلی قرار گرفته است منتقل میشوند.
چهار کمپلکس پروتئینی (به نامهای I، II، III و IV) زنجیره انتقال الکترون را تشکیل میدهند. الکترونهای پرانرژی NADH و FADH2 از یک کمپلکس پروتئینی به کمپلکس دیگر منتقل میشوند و در هر انتقال مقداری انرژی آزاد میکنند که برای انتقال پروتونها از ماتریکس میتوکندری در غشای داخلی استفاده میشود و افت حرارت پروتون را ایجاد میکند. (شکل 5 را ببینید.) اکسیژن، گیرندهی نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون است. الکترونهای منتقل شده به اکسیژن منجر به تشکیل یک مولکول آب میشود.
از آنجایی که پروتونها دارای بار مثبت هستند، ناحیهی بیرونی و خارج از غشای داخلی دارای بار مثبت و غشای داخلی دارای بار منفی است. این غیر همسانی در بارهای متفاوت ایجاد شده توسط فرآیند افت حرارت پروتون، مشابه یک باتری عمل کرده و غشای داخلی آن مانند یک خازن عمل میکند.
شکل 5: زنجیرهی انتقال الکترون. تصویر از: Shutterstock
فرآیند تبدیل افت حرارت پروتون به پیوند ATP در اثر جریان پروتونهای با بار مثبت، از طریق جزء F0 یک مجموعهی پروتئینی به نام F1-F0ATPase (که در غشای داخلی میتوکندری تعبیه شده است) رخ میدهد. F1-F0ATPase از این شار برای تبدیل انرژی الکتروشیمیایی به انرژی مکانیکی استفاده میکند که از آن به نوبهی خود برای ایجاد ATP از ADP و فسفات معدنی استفاده میشود.
منطق مولکولی افت حرارت پروتونها
بنابراین، چرا کیمیوسموز و فرآیند افت حرارت پروتون ویژگیهای مشترک سیستمهای زنده هستند؟ آیا آنها از نظر تاریخی نتیجهی یک فرآیند تکاملی هستند؟ یا عوامل دیگری دخیل هستند؟
حتی اگر افت حرارت پروتون در نگاه اول غیرمعمول به نظر برسد، استفاده از این فرآیند برای تولید ATP و سایر فرآیندهای سلولی نشان دهندهی نوعی هوشمندی عمیق و منطق عالی مولکولی است. تحقیقات نشان میدهد افت حرارت پروتونها به سلول این اجازه را میدهد که تا حد ممکن انرژی حاصل از تجزیهی گلوکز (و سایر مواد غذایی بیوشیمیایی) را استخراج کند.5 از سوی دیگر، اگر ATP منحصراً از طریق فسفوریلاسیون در سطح سلول و با استفاده از انرژی بالا توسط یک واسطهی شیمیایی تولید میشد، بخش زیادی از انرژی آزاد شدهی ناشی از تجزیه گلوکز، در قالب گرما از بین میرفت.
برای درک بهتر این موضوع به این مثال توجه کنید. فرض کنید افراد یک جامعهی خاص، سهم آب مصرفی روزانهی خود را در یک سطل 10 لیتری دریافت میکنند. آبی که هر روز دریافت میکنند با یک سطل 12 لیتری از یک مخزن برداشت میشود و سپس به سطل آنها منتقل میشود. در این فرآیند، دو لیتر آب از دست میرود. حال، فرض کنید آب به وسیلهی یک سطل 12 لیتری از مخزن برداشت میشود و به یک مخزن ثانویه که یک شیر آب دارد ریخته میشود. شیر آب باعث میشود که هر سطل 10 لیتری بدون از دست دادن و هدر رفتن دو گالن پر شود. اگرچه این روش غیر مستقیم و سختتر به نظر میرسد، اما استفاده از مخزن ثانویه برای توزیع مناسب آب در دراز مدت کارآمدتر است. در سناریوی اول، 60 لیتر آب (که توسط 5 سطل 12 لیتری منتقل میشود) تنها میتواند پنج سطل 10 لیتری را پر کند. در صورتی که در روش دوم، همان مقدار آب منتقل شده از مخزن میتواند شش سطل 10 لیتری را پر کند. در واقع تا زمانی که آب کافی برای پر کردن سطلهای 10 لیتری وجود داشته باشد، با هر بار انتقال دو لیتر آب در مخزن ذخیره میشود.
به همین شکل با فسفوریلاسیون در سطح سلول، هنگامی که فسفات برای تشکیل ATP از یک مادهی میانی پرانرژی به ADP منتقل میشود، انرژی اضافی آزاد شده در طول انتقال در قالب گرما از دست میرود. در واقع برای تشکیل ATP از طریق افزودن یک گروه فسفات به ADP ، 7 کیلوکالری بر مول انرژی مورد نیاز است. بهتر است بگوییم زمانی که یک پیوند فسفات پرانرژی در یک واسطهی شیمیایی فرضی شکسته میشود و انرژی معادل 10 کیلو کالری در مول آزاد میکند، سه کیلو کالری در مول انرژی آن از دست میرود.
از سوی دیگر، استفاده از زنجیرهی انتقال الکترون در فرآیند افت حرارت پروتون، مانند مخزن دوم در مثال بالاست. این مخزن اجازه میدهد که سه کیلو کالری/مول انرژی اضافی در پروتون ذخیره شود. می‌توانیم F1-F0ATPase را شبیه به یک شیر آب در نظر بگیریم. این ماده وقتی پروتونها در کانال‌های آن جریان می‌یابند و ۷ کیلوکالری بر مول انرژی آزاد میشود، این انرژی آزاد شدهی حاصل از تشکیل ATP از ADP و فسفات معدنی را هدایت میکند. انرژی استفاده نشدهی ناشی از فرآیند افت حرارت پروتون، تا زمانی که انرژی کافی برای تشکیل یک مولکول ATPی دیگر تامین شود به انباشته شدن ادامه میدهد. بنابراین، در این سناریوی فرضی اگر سلول از فسفوریلاسیون سطح لایهی فرعی برای ساخت ATP استفاده کند، از 70 مولکول واسطهی پرانرژی، 70 مولکول ATP بعلاوهی 210 کیلوکالری بر مول انرژی آزاد شده در قالب گرما تولید میکند. اما در فرآیند افت حرارت پروتون با استفاده از زنجیرهی انتقال الکترون، 100 مولکول ATP بدون هیچ انرژی از دست رفتهای در قالب گرما تولید میشود.
نظریهی شیمیاسموتیک و ارتباط آن با خلقت
با وجود منطق مولکولی دقیقی که زیربنای استفاده از فرآیند افت حرارت پروتون برای تولید و تامین انرژی در ساختار سلولی است، بعید به نظر میرسد این ساز و کار بیوشیمیایی نتیجهی فرآیندی باشد که به تازگی اتفاق افتاده است. در واقع این فرآیند به مجموعهای از اصول اشاره میکند که زیربنای ساختار و عملکرد سیستمهای بیوشیمیایی است، اصولی که به نظر میرسد از آغاز جهان وجود داشتهاند.
واضح‌ترین و مستقیم‌ترین راه برداشت انرژی برای اولین پروتوسل‌ها، ظاهراً شامل نوعی مکانیسم است که شبیه فسفوریلاسیون سطح سلول است، نه یک مکانیسم غیرمستقیم و پیچیده که بر افت حرارت پروتونها متکی باشد. اگر منشأ کیمیوسموز و استفاده از فرآیند افت حرارت پروتونها، در واقعیت یک پیامد احتمالی تاریخی بوده است – به این دلیل که اولین پروتوسل‌ها از افت حرارت طبیعی پروتون استفاده میکنند تقریباً غیر منطقی است که فکر کنیم فرآیندهای تکاملی به صورت اتفاقی خود به خود به وجود آمدهاند و بعداً به یک فرآیند دقیق و کارآمد در زمینهی تولید و استفاده از انرژی خود تبدیل شدهاند. فرآیندهایی که برای امکان پذیر شدن زندگی پیشرفته در زمین ضروری است.
اگر فرآیند کیمیوسموز نبود، بعید بود که سلولهای یوکاریوتی (سلولهایی که اجزای بدن جانداران پیچیده مانند حیوانات، گیاهان و قارچ‌ها را تشکیل میدهند) به وجود میآمدند. در واقع فسفوریلاسیون سطح سلول، در زمینهی تامین انرژی مورد نیاز موجودات یوکاریوتی به اندازهی کافی کارآمد نیست.
همچنین دشوار است تصور کنیم که چگونه فرآیندهای طبیعی افت حرارت پروتون مورد استفاده در اولین پروتوسل‌ها می‌توانستند مفید باشند و سپس به اجزای پیچیدهی زنجیره انتقال الکترون و مکانیسم F1-F0ATPase که در سلولهای قبل از LUCA مورد استفاده قرار میگرفتند، تکامل یافته باشند. نه تنها اجزای زنجیرهی انتقال الکترون پیچیده هستند، بلکه آنها باید به شیوه ای یکپارچه با هم کار کنند تا فرآیند افت حرارت پروتون را در سراسر غشای میتوکندری (و غشای پلاسمایی باکتریها و آرکیاها) ایجاد کنند. بدون وجود F1-F0ATPase (یا مکانیسم دیگری)، فرآیند افت حرارت پروتون بهسنتز ATP کارایی نخواهد داشت. در واقع منشاء زنجیرهی انتقال الکترون و F1-F0ATPase باید منطبق با یکدیگر باشند.
از سوی دیگر، ساز و کار هوشمندانهی افت حرارت پروتون و این ساختار منظم و منطقی مولکولی که دلیل استفادهی تمام سیستمهای زندهی دنیا از آنهاست، دقیقاً ویژگی‌هایی هستند از یک ذهن زنده و خلاق سرچشمه می‌گیرد و انتظار هم میرفت که اینگونه باشد. علاوه بر این، عملکرد مجموعهی I و F1-F0ATPase نیز به باور این واقعیت می‌افزاید. این دو کمپلکس مانند موتورهای مولکولی هستند که شباهت خیره کنندهای به ماشینهای ساخت بشر دارند و استدلالی به نام ساعت ساز (Watchmaker) را برای وجود خدا به وجود میآورند.
همانطور که اشاره شد، استفاده از افت حرارت پروتون به مجموعهای از اصول عمیق و اساسی اشاره دارد که از ماهیت خود جهان ناشی میشود و شیوهی زندگی را یادآوری میکند. منطق مولکولی که زیربنای استفاده از افت حرارت پروتون و وقوع تقریباً مشترک آنها در موجودات زنده است، نشان میدهد که این فرآیند یکی از ویژگیهای ضروری در موجودات زنده است.به عبارت دیگر، بدون استفاده از انرژی و هدایت فرآیندهای سلولی در فرآیند افت حرارت پروتون، حیات پیشرفته ممکن نخواهد بود. یا بهتر است اینگونه بیان کنیم که اگر حیات در مکان دیگری از جهان هم کشف میشد همچنان باید از فرآیند افت حرارت پروتون برای بهره بردن از انرژی استفاده میکرد.
نکتهی مهم این است که باور داشته باشیم فرآیند افت حرارت پروتونها که مظهر قوانین طبیعت هستند، دقیقاً همان سیستمی هستند که حیات پیشرفته به آن نیاز دارد. یکی از راه‌های تفسیر این اصل مهم این است که بپذیریم این فرآیند عنوان شاهدی است که جهان ما برای یک هدف طراحی شده است.
و این تصور، باوری را قویاً در من به عنوان یک مسیحی طنین اندار میکند که زندگی از یک عامل باهوش یعنی خداوند تجلی یافته است.
