В прошлой статье посвященной АТФ "Аденозинтрифосфат - эволюция полифосфатных цепей" - мной было рассмотрено несколько важнейших фактов об эволюции полифосфатных цепей и окружающей среды древней Земли, которые, по всей видимости, диктовали условия для использования именно АТФ в виде универсальной энергетической валюты.
И вот сейчас, через 6 месяцев после публикации моей статьи, на этот же самый фундаментальный вопрос попыталась ответить группа под руководством британского биохимика Ника Лейна (автор таких замечательных книг по биологии, как: "Лестница жизни: десять величайших изобретений эволюции" и "Вопрос жизни: энергия, эволюция и происхождение сложности").
Кратко напомню, что большие надежды на разрешение вопроса об оптимальной энергетической валюте возлагались на теорию "первичного РНК-мира", но, к сожалению, данная теория не смогла ответить на этот вопрос и ученые были вынуждены искать ответы иными путями. Огромный пласт трудностей составляет тот факт, что АТФ - это совсем не уникальная молекула, т.е. аналогов очень большое количество и, если внимательно присмотреться, то кажется, что некоторые из аналогов и вовсе были бы предпочтительнее на роль универсальной энергетической единицы: например тиоэфиры или креатинфосфаты.
И так, еще 4 года назад команда Ника Лейна обнаружила, что для сборки такой сложносоставной молекула, как АТФ - требуется много этапов. Это сразу же навело на мысль о том, что в прошлом у молекулы были более простые предшественники. В качестве кандидата на эту роль был выбран Ацетилфосфат (рис.1).
Ацетилфосфат даже сейчас используется некоторыми бактериями и археями как способ израсходовать ацетил-КоА без цикла Кребса и дыхательной цепи. Фермент фосфотрансацетилаза синтезирует ацетилфосфат из ацетил-КоА и неорганического фосфата, а дальше ацетаткиназа переносит фосфорильную группу на АДФ с образованием АТФ. Это, прямо скажем, совсем неэффективно и затратно, но быстро и удобно, ведь кислорода при этом совсем не требуется.
Такие химические преобразования совершенно точно могли происходить в предбиологических условиях: как синтез ацетилфосфата, так и перенос фосфорильной группы на АДФ (рис. 2).
Данная схема взята из оригинальной статьи S. A. Harrison, N. Lane, 2018. Life as a guide to prebiotic nucleotide synthesis.
Но все эти данные были известны еще в 2018 году, что же нового команда Ника Лейна приготовила нам в конце 2022 года? В последней работе, ради которой и пишется эта статья, команда Лейна исследовала последнюю реакцию - синтез АТФ из ацетилфосфата. Они надежно установили, что данная реакция способна происходить в слабокислой среде с уровнем pH 5,5 - 6 и с присутствием ионов железа Fe(3+). Авторы сделали вывод, что железо связывалось с реагентами и играло роль катализаторов, за меняя собой еще не существующие ферменты. Сделан этот вывод был на основе выделенной зависимости скорости реакции от концентрации реагентов - эта зависимость была сходной с графиком уравнения Михаэлиса-Ментен.
Конечно авторы исследования не остановились на этом и попытались синтезировать таким же методом, что-нибудь отличное от молекулы АТФ (например, ЦТФ или ИТФ). И вот тут оказалось, что соответствующие дифосфаты нуклеотидов совсем не вступали в реакцию в таких условиях. Выходило так, что в реакцию с Ацетилфосфатом вступала только молекула АДФ, а ЦДФ, ИДФ, УДФ и даже ГДФ оказались полностью бесполезными.
После, методом компьютерного моделирования, ученые провели анализ связывания Ацетилфосфата, ионов железа и АТФ методом молекулярной динамики. Было показано, что ион железа в этой реакции, по всей видимости, изначально связывается с атомом азота N7 пуринового кольца АДФ, одновременно «подтягивая» к нему ацетилфосфат. В случае с ГТФ этому мешают другие атомы азота в пуриновом кольце — ион железа начинает взаимодействовать с ними, что нарушает всю конфигурацию, и катализ становится невозможным.
Если допустить, что во времена Древней Земли все происходило именно так, как показали авторы исследования, то выбор АТФ в качестве универсальной и оптимальной энергетической валюты понятен и детально смоделирован. Но этим исследованием нельзя закрыть все вопросы и бреши, так как в теории становления АТФ все еще остаются нерешенные вопросы, но эти вопросы уже совершенно другого качественного уровня. Команда Ника Лейна уже сейчас сделало крайне весомый вклад в теорию становления АТФ в статусе универсального энергетического транспорта и мы надеемся, что они на этом не остановятся, как не остановимся и мы.
Источники: Silvana Pinna, Cäcilia Kunz, Aaron Halpern, Stuart A. Harrison, Sean F. Jordan, John Ward, Finn Werner, Nick Lane. A prebiotic basis for ATP as the universal energy currency // PLOS Biology. 2022.