Древняя химия: Почему живые организмы используют АТФ в качестве универсальной энергетической валюты
Согласно новым исследованиям, простое двухуглеродное соединение могло сыграть решающую роль в эволюции метаболизма еще до появления клеток.
Ранний этап метаболической эволюции заложил основу для появления АТФ как универсального энергоносителя.
Простое двухуглеродное соединение могло сыграть решающую роль в эволюции метаболизма до появления клеток. Об этом говорится в новом исследовании Ника Лейна и его коллег из Университетского колледжа Лондона (Великобритания), опубликованном 4 октября в журнале с открытым доступом PLOS Biology. Это открытие может дать ключ к пониманию самых ранних стадий пребиотической биохимии. Кроме того, открытие позволяет предположить, как АТФ (аденозинтрифосфат) стал универсальным носителем энергии для всех современных клеток.
Аденозинтрифосфат (АТФ) — это органическое соединение, обеспечивающее энергией многие процессы в живых клетках, такие как распространение нервных импульсов, сокращение мышц, растворение конденсата и химический синтез. АТФ присутствует во всех известных формах жизни и часто называется «молекулярной валютной единицей» внутриклеточного переноса энергии.
АТФ используется всеми клетками в качестве промежуточного энергетического продукта. В процессе клеточного дыхания энергия захватывается при присоединении фосфата к АДФ (аденозиндифосфату), в результате чего образуется АТФ. При расщеплении этого фосфата высвобождается энергия, необходимая для выполнения большинства клеточных функций.
Однако построение сложной химической структуры АТФ с нуля требует больших затрат энергии и требует шести отдельных этапов образования АТФ. Хотя убедительные модели допускают возможность пребиотического формирования каркаса АТФ без использования энергии уже образовавшегося АТФ, они также указывают на то, что АТФ, скорее всего, был весьма дефицитным. Это означает, что на данном этапе эволюции центральную роль в превращении АТФ в АТФ могло играть какое-то другое соединение.
Наиболее вероятным кандидатом Лейн и его коллеги считали двухуглеродное соединение ацетилфосфат (AcP), которое сегодня функционирует как в бактериях, так и в археях в качестве метаболического промежуточного продукта. Было показано, что AcP фосфорилирует АДФ до АТФ в воде в присутствии ионов железа, однако после этой демонстрации осталось множество вопросов: могут ли другие малые молекулы работать так же, специфичен ли AcP для АДФ или он может работать так же хорошо с дифосфатами других нуклеозидов (например, гуанозина или цитозина), и уникальна ли способность железа катализировать фосфорилирование АДФ в воде.
Молекулярно-динамическое моделирование АДФ и ацетилфосфата Credit: Aaron Halpern, UCL (CC-BY 4.0)
Все эти вопросы авторы изучили в своем новом исследовании. Опираясь на данные и гипотезы о химических условиях на Земле до возникновения жизни, они проверили способность других ионов и минералов катализировать образование АТФ в воде; ни один из них не оказался столь же эффективным, как железо. Далее они проверили способность ряда других малых органических молекул фосфорилировать АДФ; ни одна из них не была столь же эффективна, как AcP, и только одна (карбамоилфосфат) вообще не проявляла значительной активности. Наконец, было показано, что ни один из других нуклеозидных дифосфатов не принимает фосфат от AcP.
Объединив эти результаты с молекулярно-динамическим моделированием, авторы предложили механистическое объяснение специфичности реакции ADP/AcP/железо, предположив, что малый диаметр и высокая плотность заряда иона железа в сочетании с конформацией промежуточного продукта, образующегося при соединении трех ионов, обеспечивают «правильную» геометрию, которая позволяет фосфату AcP поменять партнера, образуя АТФ.
«Наши результаты свидетельствуют о том, что AcP является наиболее вероятным предшественником ATP в качестве биологического фосфорилатора, — говорит Лейн, — и что появление ATP в качестве универсальной энергетической валюты клетки не было результатом «застывшей случайности», а возникло в результате уникального взаимодействия ADP и AcP. Со временем, с появлением подходящих катализаторов, АТФ может вытеснить AcP в качестве вездесущего донора фосфатов и способствовать полимеризации аминокислот и нуклеотидов с образованием РНК, ДНК и белков».
Ведущий автор Сильвана Пинна добавляет: «АТФ играет настолько важную роль в метаболизме, что я подумала, что его можно образовать из АДФ в пребиотических условиях. Но я также полагал, что для этого подойдут некоторые фосфорилирующие агенты и катализаторы в виде ионов металлов, особенно те, которые сохранились в жизни. Было очень удивительно обнаружить, что реакция протекает настолько избирательно — по иону металла, донору фосфата и субстрату — с молекулами, которые до сих пор используются жизнью. Тот факт, что эта реакция протекает в воде в мягких, совместимых с жизнью условиях, действительно имеет большое значение для происхождения жизни.
Ссылка: «Пребиотическая основа АТФ как универсальной энергетической валюты» (Silv ana Pinna, Cäcilia Kunz, Aaron Halpern, Stuart A. Harrison, Sean F. Jordan, John Ward, Finn Werner and Nick Lane, 4 October 2022, PLOS Biology . DOI: 10.1371/journal.pbio.3001437
Финансирование: Мы благодарны Совету по исследованиям в области биотехнологий и биологических наук (Biotechnology and Biological Sciences Research Council) — NL, FW и JW (BB/V003542/1) и HR (LIDo Doctoral Training Program), компании Gates Ventures (ранее bgc3) — NL, а также Совету по исследованиям окружающей среды (Natural Environment Research Council) — AH и NL (2236041). Финансирующие организации не принимали участия в разработке дизайна исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации и подготовке рукописи.
