ATP合成酶:大師級製作的偉大分子機器

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發佈於:2021-11-29, 週一

ATP合成酶:大師級製作的偉大分子機器

布朗—托馬斯(Brian Thomas)(https://creation.com/article/7661

這篇文章來自Creation 31(4):21-23,2009年9月(https://creation.com/article/6894/

圖1:整個ATP合成酶的機器,有單獨製造的蛋白亞單元,每個亞單元都用希臘字母標示。如箭頭所示,H+離子(質子)流經ATP合成酶的一個特殊通道。這誘發了機械運動,迫使軸和基座像渦輪機一樣一起旋轉。在形成ATP分子的過程中,幾乎100%的旋轉動量被轉化為化學能!每產生10個質子,就會產生3個ATP。

(改編自Kanehisa實驗室:www.genome.jp/kegg

生命依賴於一個被稱為ATP合成酶的不可思議的酶,它是世界上最小的旋轉馬達。這種微小的蛋白體會製造富含能量的化合物—ATP(三磷酸腺苷)。人體14萬億個細胞中的每一個細胞每分鐘都會進行大約一百萬次這樣的反應。每天都有超過人體一半體重的ATP被製造和消耗!

所有的生物都需要製造ATP,它通常被稱為「生命的能量貨幣」。它是一個重任在身的小分子:為細胞機器提供立即可用的能量。ATP驅動的蛋白質機器為活細胞內的幾乎所有運行的事項提供動力,包括製造DNA、RNA和蛋白質,清理碎片,以及化學物質進出細胞以及細胞內的運輸。其他燃料來源不會為這些細胞蛋白質機器提供動力,原因與石油、風或陽光不會為汽油發動機提供動力一樣。

認真考慮一下汽車發動機,只有一個聰慧的人(有思想和意志)才能以達到移動汽車為目的去製造一台將能量從一種形式轉換為另一種形式的機器。機器顯示了有序的、非隨機的比例,並巧妙地使用了相互依賴的部件,這些部件具有合適的大小、形狀和強度,可以為一個整體的目的一起工作。由一個機器可推想到生產這台機器的製造者。同樣的道理,從「自然」中見到的機器也可推想到它們的創造者。大家都知道一幅畫出自一個畫家是因為這幅畫顯示了特定的複雜性,或者說是一種複雜的、可識別的模式,而這種模式並不是油漆的屬性。也就是說,油漆分子不會自發地組織成如蒙娜麗莎那樣的肖像。

www.rcsb.org/pdb/explore/images.do?structureId=2F43

圖2:ATP合成酶頭部的頂視圖的帶狀圖,稱為「F1—ATP酶」。它有六個蛋白亞單位,由三個活性位點組成,軸每轉一圈就會形成三個ATP分子。軸的最上端是可見的,靠在F1的右上方內壁上。細胞機械構建頭部,然後它自我組裝到基座上。(www.rcsb.org/pdb/explore/images.do?structureId=2F43)

ATP合成酶發生在細菌細胞的內膜上,以及線粒體和葉綠體的最內層膜上,後者是動物和植物細胞內的膜結構(見圖1)。

ATP合成酶從兩個較小的化學物質,即ADP和磷酸鹽中製造ATP。ATP合成酶非常小,它能夠一次一個地操縱這些小分子。ATP合成酶必須將一些其他形式的能量轉換成新的ATP。這種能量是以氫離子(H+)梯度的形式出現的,它是由與ATP合成酶不同的整個蛋白質系統產生的。氫離子像風吹過風車一樣湧過ATP合成酶。這構成一個帶正電的電流,與我們的電動馬達使用電子的負電流相反。

ATP合成酶是一個複雜的引擎,有必要用圖片來描述它。科學家們利用巧妙的技術來定位構成像ATP合成酶這樣的大分子的每一個原子的確切位置。這種蛋白質複合物至少包含29個單獨製造的亞單元,它們合為兩個主要部分:頭部(圖2)和基座(圖3)。基座被固定在一個平坦的膜上(圖1),就像襯衫上的紐扣(只不過紐扣是固定在一個地方,而ATP合成酶可以在其膜的平面上任意移動)。ATP合成酶的頭部形成一個管子(圖2)。它包括六個單元,分三對。這些形成了三組對接站,每個對接站將容納一個ADP和一個磷酸鹽。ATP合成酶包括一個定子(固定部分),它圍繞著結構的外部,幫助頭部固定在底座上(圖1)。

www.rcsb.org/pdb/explore/images.do?structureId=2CYD

圖3:ATP合成酶基座的帶狀圖(側視圖),稱為「F0」部分。它是由12個螺旋狀的蛋白質亞單位排列成一個圓圈,形成一個管壁。這個管子提供了一個穿越膜(未顯示)的隧道,它被固定在其中。(www.rcsb.org/pdb/explore/images.do?structureId=2CYD)

現在我們可以看看這個神奇的、高效的微型機器的工作方式了。請注意圖1中ATP合成酶中間有一條標有「γ」的螺旋軸。這條軸穿過ATP合成酶的頭部和基座的中心,就像一支鉛筆在衛生紙管內一樣。

這就是「神奇」之處。當一股微小的氫離子(質子)流經基座並從ATP合成酶的側面流出,穿過膜,它們迫使軸和基座旋轉。堅硬的中心軸推動六個頭蛋白的內壁,這些頭蛋白變得輕微變形並交替重組。你的以萬億計的細胞的每一個都有成千上萬個這樣的機器,以超過9,000轉/分的速度旋轉。

旋轉的軸導致頭部的擠壓運動,從而使ADP與磷酸鹽對接,形成ATP...一籮筐。許多其他細胞蛋白質機器使用ATP,將其分解為ADP和磷酸鹽。然後由ATP合成酶將ADP和磷酸鹽回收合成為ATP。《生物化學》一書的作者林波—史屈耶(Lubert Stryer)補充說:

「...這種酶的運作效率似乎接近100%…」。

圖4:Stock等人7的ATP合成酶轉子的整體3—D分子結構,減去定子。

這種馬達是令人難以置信的高科技納米設計。

進化科學家認為,ATP合成酶的頭部部分是從一類在DNA複製過程中用於解開DNA的蛋白質演變而來的。

然而,ATP合成酶怎麼可能從需要由ATP合成酶製造的ATP才能發揮作用的東西中「進化」出來?這個奇怪的看法突顯了我們的信念在我們如何解釋起源中所起的作用。進化論者常常被他們不承認的一個偏見所驅使:方法論自然主義。這是一種假設,即認為我們為了描述現象的起源所能做的就只能是解釋現象運行的過程。這種哲學通過獨斷(不是出於科學或理性)排除了神。

創造論科學家在研究同樣的ATP合成酶「現象」時也有一個偏見:在有神論宇宙中,超自然的起源是可能的。最大的問題是:誰的偏見是正確的?我認為,創造論的偏見顯然是正確的,因為根據因果關係的原則以及造物主本人的啟示,它是合理的。

我們還可以考慮,ATP合成酶的製造過程都需要ATP。例如用螺旋酶解開DNA螺旋,以允許轉錄,然後將編碼信息翻譯成構成ATP合成酶的蛋白質。為實現這一目標所需的100種酶或者機器的製造也需要ATP!而製造ATP合成酶所在的膜也需要ATP,但如果沒有膜,ATP就無法工作。對於進化論者來說,這真是一個惡性循環的解釋。

那麼,具有驚人能力設計ATP合成酶納米馬達的這位是怎樣的人物呢?請記住,一台機器越小,建造它所需的努力就越巧妙。

ATP合成酶見證了其創造者的智慧、智力、能力或理性,這些正是聖經中所揭示的神的一些屬性!當我們考察祂的手工藝時,我們不僅是遵從了祂在創世記1:28中關於「治理這地」的使命,我們也更有理由讚美和欣賞祂的遠見卓識。

https://youtu.be/W3KxU63gcF4

20納米的馬達(高度),ATP合成酶(一納米是一米的十億分之一)。線粒體(細胞的動力室)膜上的這些旋轉馬達隨著質子流(正電流)而轉動。馬達的旋轉將ADP分子與磷酸鹽轉化為細胞的燃料—ATP。

這篇文章翻譯自Brian Thomas的在線文章「ATP synthase: majestic molecular machine made by a mastermind」

 

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