הקדמונים שעבדו את השמש וראו בה אל כל יכול, חשו כנראה באופן
אינטואיטיבי את מה שידוע לנו היום: השמש היא אכן המקור לאנרגיה
הדרושה לקיומו ולפעולתו של כל תא חי, החל מחיידקים ועד לצמחים
ולבעלי-חיים, לרבות בני-אדם. ללא האנרגיה הזאת לא ייתכנו תהליכי חיים.
יש מערכות חיות שמסוגלות לקלוט ישירות את אנרגיית השמש
ולהשתמש בה לייצור חומרים עתירי אנרגיה. אלה הן מערכות
פוטוסינתטיות, והן מצויות בצמחים, באצות ובמספר מינים של חיידקים
פוטוסינתטיים. במערכות חיות כאלה מתחיל התהליך של התמרת אנרגיית
השמש בפגיעה של פוטון (חלקיק אור) בעלה הצמח (או באצה, או
בחיידק). הפוטון נקלט בצמד מולקולות כלורופיל שמצויות בכלורופלסט
(שהוא אברון תוך תאי המצוי בתאי צמחים). קליטת הפוטון גורמת לעירורן
של צמד מולקולות הכלורופיל. המערכת ששואפת "להיפטר" מאנרגיית
העירור העודפת, פולטת אלקטרון מעורר ומעבירה אותו בין מולקולות
שונות.
בסופו של תהליך ארוך ורב שלבים מושקעת אנרגיית העירור של
האלקטרון (שמקורה באנרגיית השמש) בייצורו של אדנוזין טריפוספט,
המכונה בקיצור ATP. חומר זה מורכב מהבסיס האורגני אדנין הקשור
לחד-סוכר ריבוז ולשלוש מולקולות של חומצה זרחתית.
בצמחים מפעיל ה- ATP גם את תהליך ההתמרה של פחמן דו-חמצני
לסוכר, שהוא החומר שבעלי-חיים משתמשים בו ל"מימון" תהליכי הצמיחה
שלהם וכן לתהליכי העברת החומרים בגופם (כלומר, להפעלת כל פעולות
החיים). כלומר, בעלי-חיים נושמים (כגון האדם) ניזונים מצמחים
שמכילים סוכרים (שנוצרו בתהליך הפוטוסינתזה שמונע באנרגיית השמש),
או משומנים של בעלי-חיים אחרים. בשלב זה מתחולל בהם תהליך של המרת
האנרגיה הגלומה בחומרי המזון לחומרים עתירי אנרגיה עצמיים. סופו של
התהליך הזה מתבצע באברון תוך תאי הקרוי מיטוכונדריון. שם, בסיועו של
החמצן הננשם, מתחוללות תגובות כימיות אחדות שגם הן מובילות לייצור
ATP.
מכל אלה אפשר להבין שה- ATP הוא שלב חיוני בהתמרת ובהפקת אנרגיה
בחיידקים פוטוסינתטיים, בצמחים, ובבעלי-חיים נושמים כאחד. כלומר,
משק האנרגיה של כל עולם החי משתמש למעשה ב- ATP כבמטבע עובר לסוחר,
מעין שלב ביניים אחיד שבאמצעותו אפשר "לתרגם" ולהמיר צורות שונות של
אנרגיה בצורות אחרות לפי הצורך הייחודי של כל מערכת חיה. מין "כסף"
אנרגטי המאפשר החלפה, קנייה ומכירה של סחורות ושירותים על-פי בסיס
קבוע. לדוגמה, אדם שגופו מצוי במצב מנוחה, זקוק לצורך קיומו בחיים
לכ-40 ק"ג ATP ליממה.
כיצד מיוצרה המטבע הסטנדרטי האנרגטי הזה? הניסיון לענות על
השאלה הזאת נמשך כבר כמה עשורי שנים, ועדיין לא הסתיים. ידוע
שה- ATP מיוצר באמצעות אנזים הקרוי ATP סינתז. אנזים זה הוא ענק
מולקולרי המורכב מתשע יחידות משנה. למעשה, זהו האנזים הגדול ביותר
שזוהה עד כה.
ה- ATP סינתז נחלק לשני חלקים עיקריים. החלק האחד משמש מעין
תושבת הנתונה ומקובעת בקרום המיטוכונדריון, או בקרום הכלורופלסט.
החלק השני מחובר לתושבת ובולט אל תוך הציטופלסמה הממלאה את חללו
הפנימי של התא. חלק זה בנוי משתי שלישיות של יחידות משנה שאפשר
לראותן כמעין שישה פלחים, דמויי פלחי תפוז, ומשלוש יחידות משנה
נוספות, המשמשות מעין "גבעול" שעליו מתנוסס ה"תפוז".
על שלושה מבין ששת פלחי ה"תפוז" מצויים אתרי קישור שהם למעשה
אתרי הייצור שבהם מיוצר ATP. ה- ATP מופק באמצעות קשירת פוספט נוסף,
שלישי, למבנה של אדנוזין די-פוספט (אדנוזין שקשור לשני פוספטים).
בתהליך ההרכבה הזה משתפים פעולה שלושת אתרי הקישור שעל "פלחי"
האנזים PTA סינתז.
בראשית התהליך נקשר אדנוזין די-פוספט לצדו האחד של אחד משלושת
אתרי ופוספט בודד נקשר לצדו השני. בשלב השני "נסגר" האתר ודוחק את
שני המרכיבים הקשורים אליו, זה לעומת זה. בשלב זה נוצר הקשר ביניהם,
כלומר, נוצר ATP. בשלב השלישי נפתח האתר שוב, משחרר את ה- ATP
לחללו הפנימי של התא וחוזר לראשית התהליך.
התהליך המעגלי הזה מתבצע מכוחה של תנועה מעגלית שמתחוללת בין
החלק החיצוני של האנזים ATP סינתז לבין הגבעול הנתון בתושבת
הממוקמת בקרום הכלורופלסט או המיטוכונדריון. כלומר, האנזים מתפקד
כמעין גלגל מסתובב, או מנוע, שכל אחד ממכללי המשנה שלו מבצעים
פעולות שונות, בהתאם למקומם על היקף הסיבוב של הגלגל עצמו. כלומר,
בכל רגע נתון מבצעת המכונה – באמצעות מכללי משנה שונים – את כל
שלבי התהליך.
התנועה המעגלית של המנוע נובעת מזרימה של פרוטונים שנצברו בחלל
הפנימי של המיטוכונדריון או הכלורופלסט אל מרכז המכונה המולקולרית.
בכלורופלסטים, מקורם של הפרוטונים האלה הוא תהליך הפוטוסינתזה. תוך
שלבי העברת האלקטרון (שהחלו, כזכור, בפגיעה של פוטון בצמד מולקולות
הכלורופיל), משתחררים הפרוטונים ונכנסים לחללו הפנימי של הכלורופלסט.
פרוטונים אלה נעים אל המנוע המולקולרי וגורמים לסיבובו.
במיטוכונדריון (המצוי בתאיהם של בעלי-חיים נושמים) מתחולל
תהליך שראשיתו שונה: תוצרי הסוכר שמגיעים אל התאים ונשרפים בסיוע
חמצן, מפעילים תהליך של העברת אלקטרון תוך שחרור פרוטונים החודרים
אל חללו הפנימי של המיטוכונדריון ונעים כלפי המנוע המולקולרי
וגורמים לסיבובו. השימוש בפרוטונים כבכוח מניע לייצור ATP התגלה
על-ידי הפרופ' פיטר מיטצ'ל, שזכה על תגליתו זו בפרס נובל בכימיה
לשנת 1978.
על-אף שזהותו של הכוח המניע את המנוע המולקולרי ידועה, עדיין
אופפת תעלומה את מבנהו הפנימי ואת דרך פעולתו של המנוע עצמו. כדי
לענות על השאלות האלה מתנהל במקומות שונים בעולם מאמץ מחקרי שמטרתו
תיאור המבנה התלת-ממדי של האנזים כולו.
מדובר במבנה חלבוני גדול ומורכב מאוד, הכולל כ-3,500 מולקולות
של חומצות אמיניות שפענוח מבנהו התלת ממדי מחייב מחקר מורכב מאוד,
המבוצע בטכניקה הקרויה קריסטלוגרפיה בקרני ("רנטגן"). בטכניקה זו משגרים
אלומה רבת עוצמה של קרינת כלפי גביש מוצק של חומר , ולאחר מכן קולטים
ומנתחים את הקרינה המתפזרת ממנו. שיטות ניתוח שונות של הקרינה המתפזרת
עשויות ללמד על המבנה המולקולרי של החומר הגבישי המפזר את הקרינה.
השלב הראשון במחקר מסוג זה הוא יצירת גבישים של החומר הנחקר
(במקרה זה, האנזים ATP סינתז). כאן נתקלו החוקרים בשתי מכשלות
עיקריות. הראשונה קשורה בגודלו ובמורכבותו של האנזים. השנייה קשורה
בעובדה שבגביש שנוצר נכללות רק מולקולות זהות לחלוטין. אבל המכונה
המולקולרית של ה- ATP סינתז יכולה להימצא בשלושה מצבים שונים, שבכל
אחד מהם צורתה התלת ממדית נראית שונה. כך, למעשה, עשויים להיווצר
גבישים שונים של ATP סינתז, שמייצגים מבנים תלת-ממדיים שונים.
עד כה הוצעו כמה תפיסות עיקריות (לא שלמות ולא מפורטות דיין)
באשר למבנהו המדויק ולאופן פעולתו של המנוע המולקולרי. לפי תפיסה
אחת, החלק החיצוני של המנוע מסתובב כנגד החלק הנראה כמעין "גבעול",
המחבר את החלק החיצוני אל התושבת הממוקמת בקרום הכלורופלסט או
המיטוכונדריון. לפי תפיסה אחרת, החלק החיצוני נותר קבוע, בעוד
שהגבעול מסתובב כנגדו. ההכרעה בוויכוח הזה תתאפשר רק עם גילוי המבנה
התלת ממדי המדויק של האנזים כולו.
מהידע שהצטבר עד כה באשר למבנהו ולהרכבו של האנזים הענק נראה שהוא
אחד מהמבנים המולקולריים השמורים ביותר באבולוציה. כלומר, ה- ATP
סינתז המצוי בחיידקים דומה מאוד במבנהו ובהרכבו לגרסת האנזים המצויה
בצמחים ובבעלי-חיים עילאיים. משמעות הדמיון הזה היא, שה- ATP סינתז
הוא אחד מהגורמים הבסיסיים ביותר להתפתחות החיים בכדור-הארץ.
