Żonglujące protonami białka rządzą planetą
Pompy protonowe to białka występujące w błonach wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych. Transportują protony z jednej strony na drugą – przeciwnie do ich gradientu stężenia, niejako pod prąd. Wymaga to więc energii, pozyskiwanej z rozkładu podstawowego i uniwersalnego biologicznego akumulatora, jakim jest ATP (trójfosforan adenozyny). Białka te zalicza się więc do enzymów nazywanych ATPazami (adenozynotrifosfatazami). Ponieważ zaś protony to jony wodorowe, tę grupę nazywa się ATPazami zależymi od jonów wodorowych (H+-ATPazami).
Nagromadzenie w danej przestrzeni przetransportowanych protonów skutkuje jej zakwaszeniem. Komórki i całe organizmy mogą ten stan wykorzystać do różnych celów. ATPazy zależne od jonów wodorowych i potasowych lub tylko wodorowych są na przykład aktywne w nerkach. Ich działanie utrzymuje równowagę i odpowiedni poziom tych jonów w płynach ustrojowych i moczu, zapobiegając kwasicy. To dzięki nim zakwaszenie krwi, którym straszą różnego rodzaju szarlatani, pozostaje jedynie niezwykle rzadkim stanem. Zresztą, płyny ustrojowe zwykle są kwaśne – ich alkalizacja może być zabójcza.
Drapieżnik gospodarzem
U ludzi pompy protonowe są też powszechne w komórkach żołądka. Jedną z najskuteczniejszych metod zwalczania nadkwaśności jest więc stosowanie inhibitorów pomp protonowych. Jedna z nich – H+-ATPaza typu V (VHA) – jest też wykorzystywana w trawieniu pokarmu przez organizmy jednokomórkowe w fagocytozie. Polega to na wchłonięciu pokarmu do pęcherzyka wewnątrzkomórkowego, lizosomu. Jego wnętrze zakwasza się, co ułatwia rozkład połkniętej ofiary.
W historii życia ofiarom zdarzało się jednak przechytrzyć łowców. Jakieś 200–250 mln lat temu pewien krasnorost połknięty przez jednokomórkowego pierwotniaka nie uległ strawieniu, przynajmniej nie całkowicie. Zachował swoją błonę komórkową, a przede wszystkim chloroplasty, zamieszkując w lizosomie. Niedoszły drapieżnik okazał się gospodarzem. A nowa forma organizmu dała początek grupie glonów zwanej okrzemkami. Podobny mechanizm leżał też u początków innej grupy – haptofitów. Obecnie te dwie grupy są najliczniejszymi przedstawicielami oceanicznego fitoplanktonu, a i wodach śródlądowych mają pewne znaczenie.
Kwas uniwersalny
Kwas może być przydatny nie tylko w żołądku. Zwłaszcza gdy się go nie ma, jak rurkoczułkowce z rodzaju Osedax. Żyją one na dnie oceanu i mimo braku żołądka czy zębów żywią się kośćmi opadającymi z wyższych warstw toni. Kwas, który wydzielają przy pomocy VHA, rozpuszcza tworzący kości fosforan wapnia i uwalnia z nich tłuszczowce i kolagen. Z kolei ślimaki Nucella lamellosa w ten sposób wytrawiają otwory w muszlach swoich ofiar. Wydaje się też, że w podobny sposób działają niektóre gąbki, drążąc jamki w wapiennym podłożu.
Pompy działają po obu stronach błon. Gdy jedna się zakwasza, druga się alkalizuje. Lądowy skorupiak o nazwie prosionek wykorzystuje VHA do usuwania protonów z tych regionów nabłonka, które chce wzbogacić w wapń. Podczas linienia natomiast odzyskuje zawarty w pancerzu wapń, również odpowiednio wykorzystując pompę. Podejrzewa się, że podobne mechanizmy wykorzystują też inne organizmy tworzące wapienne szkielety, np. koralowce.
Glon włodarzem
Jedną z konsekwencji zakwaszenia roztworu wodnego są przemiany rozpuszczonego w nim węgla nieorganicznego. W zależności od odczynu przyjmuje on formę cząsteczkowego CO2 lub jonów HCO3-. Odpowiednia praca pomp protonowych w różnych segmentach ciała sprawia, że te formy mogą w siebie wzajemnie przechodzić. Formy te jednak nie mają identycznych właściwości – inaczej się rozpuszczają, inaczej przenikają przez błony – to ostatecznie ma wpływ na ich transport.
Organizmy oddychające tlenowo mogą wykorzystywać ten proces do usuwania dwutlenku węgla. Organizmom fotosyntetyzującym gaz ten jest jednak potrzebny. Dla dawnych krasnorostów, które stały się chloroplastami okrzemek, zakwaszone wnętrze lizosomu okazało się bardzo sprzyjające. Dawna jego błona stała się kolejną zewnętrzną błoną chloroplastu, ale nie przestała wydzielać VHA – pompa posłużyła pośrednio do transportu dwutlenku węgla do wnętrza organizmu.
Niedawno badacze zbadali aktywność fotosyntetyczną kilku gatunków glonów – tych, których chloroplasty pochodzą bezpośrednio od symbiotycznych sinic (zielenic i krasnorostów) oraz tych, których chloroplasty przeszły kolejne symbiozy (okrzemek, bruzdnic i haptofitów). Zmierzyli ilość wydzielanego tlenu w warunkach kontrolnych i po dodaniu konkamycyny. U zielenic i krasnorostów dodanie tego antybiotyku, działającego jako inhibitor pomp protonowych, nic nie zmieniło. Natomiast u pozostałych ilość ta spadła o kilka do kilkudziesięciu procent.
Można wnioskować, że działalność VHA w chloroplastach tych glonów odpowiada za zauważalny (według badaczy co najmniej 7-procentowy) udział w całej fotosyntezie. Biorąc zaś pod uwagę, że dotyczy to najliczniejszych grup glonów, ma istotny wkład w całkowitą produkcję tlenu na Ziemi i prawdopodobnie odpowiada jeden z jej skoków przed setkami milionów lat.
Jednocześnie VHA pochłania analogiczną ilość dwutlenku węgla. A ponieważ okrzemki oraz większość haptofitów i bruzdnic ma skorupki sprawiające, że po śmierci opadają na dno oceanu, to związanie może trwać kolejne setki milionów lat.