Evolution des Energieerzeugungssystems in Mitochondrien

ZUSAMMENFASSUNG DER ANTWORTEN

Als Effizienzkriterium der Mitochondrien gilt die Ausbeute an ATP pro oxidiertem Kohlenhydratmolekül über die Elektronentransportkette und oxidative Phosphorylierung. Experimentelle Werte hierfür sind für Hefe und Menschen ähnlich, während theoretische Werte, die sich aus Unterschieden in den Strukturen der ATP-Synthasen ableiten, tatsächlich einen höheren Ertrag für Mitochondrien von Säugetieren implizieren.

Es sei nicht verwunderlich, dass der Unterschied in den Generationszeiten nicht zu dem vom Poster erwarteten Ergebnis geführt habe. Erstens ist der Zeitraum nach der Trennung von Eukaryoten von Prokaryoten nicht länger als der Zeitraum zwischen dem Ursprung der Eukaryoten und dem der aeroben Bakterien, aus denen ihre Mitochondrien hervorgegangen sind. Zweitens wäre das Stadium erreicht worden, in dem es mechanistische Einschränkungen für weitere Effizienzsteigerungen dieses komplexen Systems gab. Wenn die Unterschiede zwischen ATP-Synthasen von Säugetieren und Hefebakterien real sind (und eine noch „schlechtere“ Ausbeute für Bakterien, die eine noch kürzere Generationszeit haben), deutet dies darauf hin, dass der evolutionäre Hauptdruck auf dieses System zwischen den Organismen variiert und nicht einfach ist um die ATP-Ausbeute zu maximieren.

AUSARBEITUNG DER ANTWORTEN

Kriterium der Effizienz

Die Hauptfunktion der Mitochondrien ist die Verwendung von molekularem Sauerstoff zur Oxidation von NADH und FADH ₂ über die Elektronentransportkette und die oxidative Phosphorylierung zur Herstellung von ATP. Ein geeignetes und allgemein akzeptiertes Maß für die Effizienz – das an von Menschenhand hergestellte mechanische Geräte erinnert – wäre der Prozentsatz der Energie dieser Oxidation, der in ATP umgewandelt wird (und nicht als Wärme freigesetzt wird). Jedem Leser, der mit der Biochemie dieses Systems nicht vertraut ist, wird empfohlen, die Fußnote* zu lesen, bevor er fortfährt.

Gibt es einen Unterschied?

Die herkömmliche Art und Weise, wie die Ausbeute an ATP bei der oxidativen Phosphorylierung gemessen wurde, ist das P/O-Verhältnis (das Verhältnis von produziertem ATP zu verbrauchtem Sauerstoff). Die im Laufe der Jahre erzielten Ergebnisse waren aufgrund technischer Probleme unterschiedlich – siehe Übersicht von Hinkle (2005) . Wie kürzlich (2010) von SJ Ferguson zusammengefasst , ging es bei der historischen Kontroverse nicht um Unterschiede zwischen Arten – sie waren keine Hinweise auf Unterschiede, nicht einmal zwischen Bakterien (den Vorläufern von Mitochondrien , die in ihrem Zwischenmembranraum oxidative Phosphorylierung durchführen ) – sondern lediglich um das Wahre Wert des P/O-Verhältnisses.

Wie Ferguson weiter ausführt, führte die allmähliche Aufklärung der Struktur der ATP-Synthase und die Aufklärung ihres Mechanismus zu der Annahme, dass Ableitungen daraus ein verlässlicherer Hinweis auf die Stöchiometrie seien als die experimentellen Messungen. Insbesondere eine 360°-Rotation der F0-Komponente der ATP-Synthase führte zur Synthese eines ATP-Moleküls, und dies erforderte ein Wasserstoffion, das an jede seiner c - Untereinheiten gebunden ist ( siehe Diagramm aus dem Wikipedia-Artikel unten). ).

Er beschreibt die Ergebnisse mit Hefe wie folgt:

Die Röntgenkristallographie der Hefe-ATP-Synthase zeigte einen Ring von c-Untereinheiten, die an F1 gebunden waren, sogar in Abwesenheit anderer Untereinheiten des F0-Sektors (9). Diese Arbeit legt nicht nur nahe, dass a und b nicht mit c verzahnt sind, sondern offenbart auch die überraschende Stöchiometrie von c10. Die C-terminale Helix der Haarnadel-c-Untereinheit befindet sich an der Außenseite des Rings und enthält einen essentiellen Aspartat- oder Glutamatrest. Es wird angenommen, dass dieser Rest ein H ⁺ aufnimmt und sich von einer Wechselwirkung mit der α-Untereinheit wegdreht. Somit sollten 10 Protonen eine 360°-Rotation des c -Rings antreiben, der strukturell mit γ verbunden ist, was die Synthese von 3 ATPs ergibt, wenn γ innerhalb von F1 um 360° rotiert; das H ⁺/ATP-Verhältnis wäre 10/3 = 3,3. Das P/O-Verhältnis für NADH wäre 10/(3,3 + 1) = 10/4,3 ≈ 2,3 und bewegt sich damit unterhalb des direkt ermittelten Wertebereichs.

Es wurde angenommen, dass andere ATP-Synthasen als Hefe ebenfalls 10 c-Untereinheiten haben würden, aber überraschenderweise, obwohl bakterielle ATP-Synthasen auch 10 Untereinheiten haben, hat die Rinder- (und andere Wirbeltier-) Untereinheit nur 8 , was auf ein höheres P/O-Verhältnis als Hefe hindeutet — größere, nicht schlechtere Effizienz.

Mitochondriale Evolution im Kontext

Unabhängig von den tatsächlichen P/O-Verhältnissen bei verschiedenen Aeroben zeigen die sich schneller teilenden Arten in dieser Hinsicht keine deutliche Effizienzsteigerung. Ich schlage vor, dass in dieser Hinsicht die unten gezeigte evolutionäre Zeitskala (adaptiert von The Cell: A Molecular Approach ) berücksichtigt werden sollte.

Klar ist, dass die Zeit für eine Verbesserung der Effizienz der Energieerzeugung zwischen der Divergenz von Hefe und Tieren (A) viel kürzer ist als die zwischen dem Zeitpunkt, an dem der erste aerobe Eukaryot Mitochondrien von Bakterien erworben hat (B– A). Beachten Sie auch die lange Zeit, in der sich das System in dem aeroben Bakterium entwickeln musste, das die Mitochondrien hervorbrachte (C–B). Mein Argument ist, dass das System zum Zeitpunkt des Auftretens von Mitochondrien Zeit hatte, sich bis zu dem Optimum zu entwickeln, das mechanistische Überlegungen erlauben würden. Andernfalls hätte man erwartet, dass diese Bakterien ein System weiterentwickeln, das Hefen oder Säugetieren auf der C-B-Zeitskala weit überlegen ist.

Andere Aspekte der Evolution des mitochondrialen Energieerzeugungssystems

Es sollte beachtet werden, dass es im Laufe der Evolution Veränderungen im mitochondrialen Energieerzeugungssystem gegeben hat. Zum Beispiel wird im Cytochromoxidasesystem derselbe Satz von Kernuntereinheiten in Prokaryoten und Eukaryoten gefunden. Bei Primaten wurden jedoch zusätzliche Untereinheiten erworben . Anstatt sich mit der katalytischen Effizienz des Systems zu befassen, wird angenommen, dass diese zusätzlichen Untereinheiten mit der Regulierung befasst sind.

Bessere Systeme zur Untersuchung der Auswirkung der Teilungszeit auf die Evolution der eukaryotischen „Effizienz“?

Da die Mitochondrien bei ihrer Anschaffung wahrscheinlich eine optimale mechanistische Effizienz bei der Energiegewinnung erreicht hatten, scheinen sie keine gute Wahl für Studien der Art zu sein, die das Poster vorsieht. Vielleicht könnte er etwas besser machen, das mit Kernen zu tun hat, die in Bakterien nicht vorhanden sind. Allerdings gibt es Interpretationsprobleme. Wenn sich zum Beispiel herausstellte, dass ein Aspekt der DNA-Replikationsmaschinerie in Hefe diesen Prozess schneller ablaufen ließ als in Säugetieren, könnte man daraus schließen, dass dies auf die kürzere Generationszeit von Hefe zurückzuführen ist? NEIN! Man könnte ebenso argumentieren (und es scheint mir wahrscheinlicher), dass die kürzere Generationszeit aus einem evolutionären Druck für eine schnellere DNA-Replikation resultierte, ein Druck, der bei den sich langsamer teilenden Säugetieren nicht existiert.

FUSSNOTE *

ATP in Mitochondrien (und der inneren Membran aerober Bakterien) wird aus ADP unter Verwendung der freien Energie synthetisiert, die durch die Oxidation der reduzierten Cofaktoren NADH und FADH _{2 freigesetzt wird}(erzeugt aus der Oxidation bestimmter Kohlenhydrate), durch molekularen Sauerstoff. Der Mechanismus dafür beinhaltet, anstatt einfache gekoppelte chemische Reaktionen zu beinhalten, die Bewegung von Wasserstoffionen durch eine Membran, in der es einen Konzentrationsgradienten gibt (ausschließlich durch eine Protonenantriebskraft, zu der auch die Membranladung beiträgt), unter Verwendung einer ATP-Synthase, a molekulare Maschine, deren Struktur eindeutig die Stöchiometrie der eingegebenen Wasserstoffionen zum synthetisierten ATP anzeigt. Der Wasserstoffionengradient resultiert aus drei Stufen in der Elektronentransportkette (Komplexe I, III und IV), wo ein Wasserstoffion in den inneren mitochondrialen Zwischenmembranraum transloziert wird. Dies ist in Standardlehrbüchern der Biochemie wie Berg et al. .