№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Все формы жизни на Земле получают энергию благодаря одной и той же молекуле

Фото: Unsplash

И вот почему.

Вся жизнь, какой мы ее знаем, использует одну и ту же молекулу-носитель энергии в качестве своего рода «универсального клеточного топлива». В новом исследовании, в котором использовались данные древней химии, объясняется, как аденозинтрифосфат (АТФ) стал источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах, в частности – для образования ферментов.

АТФ (формула C10H16N5O13P3) – это органическая молекула, заряжаемая в результате фотосинтеза или клеточного дыхания (способ, которым организмы расщепляют пищу) и используемая в каждой отдельной клетке. Молекула фосфата добавляется к АДФ (аденозиндифосфату) посредством реакции, называемой фосфорилированием, в результате чего образуется АТФ.

Реакции, которые высвобождают тот же самый фосфат (в другом процессе, называемом гидролизом), обеспечивают химическую энергию, которую наши клетки используют для бесчисленных процессов, от сигналов мозга до движения и размножения.

Фото: Wikimedia Commons
Аденозинтрифосфорная кислота (сокр. АТФ)

Биологи давно задаются вопросом, каким образом АТФ стала доминировать в метаболизме – ведь было множество других возможных эквивалентов. Это они и выяснили в новом исследовании.

«Наши результаты показывают, что появление АТФ в качестве универсальной "энергетической валюты" клетки не было результатом случая, а возникло в результате уникальных взаимодействий молекул фосфорилирования», – Ник Лейн, биохимик из Университетского колледжа Лондона.

Тот факт, что АТФ используется всеми живыми существами, говорит о том, что вещество существовало с самого начала жизни и даже раньше, во времена пребиотических условий, предшествовавших созданию живой материи.

Но ученые не понимали, как это могло случиться, если АТФ имеет такую ​​сложную структуру: она включает шесть различных реакций фосфорилирования и для ее создания с нуля требуется немало энергии.

Учёные считают, что некоторые другие молекулы должны были изначально участвовать в сложном процессе фосфорилирования. Поэтому они внимательно изучили другую фосфорилирующую молекулу – кислую фосфотазу (AcP), которая до сих пор используется бактериями и археями в их метаболизме химических веществ, включая фосфаты и тиоэфиры. Эти вещества, как считается, были изобилии в начале жизни на Земле.

В присутствии ионов железа (Fe3+) AcP может фосфорилировать АДФ в АТФ в воде. Проверив способность других ионов и минералов катализировать образование АТФ в воде, исследователи не смогли воспроизвести это с другими замещающими металлами или фосфорилирующими молекулами.

«Было очень удивительно обнаружить, что реакция настолько избирательна – в отношении ионов металлов, доноров фосфатов и субстратов. Тот факт, что процесс лучше всего протекает в воде при мягких, совместимых с жизнью условиях, действительно имеет большое значение для происхождения жизни», – Сильвана Пинна, ведущий автор исследования.

Этот факт говорит о том, что с AcP эти реакции накопления энергии могли происходить в пребиотических условиях: до того, как биологическая жизнь накопила и подстегнула теперь самовоспроизводящийся цикл производства АТФ.

Кроме того, эксперименты показывают, что создание пребиотического АТФ, скорее всего, происходило в пресной воде, где, например, фотохимические реакции и извержения вулканов могли обеспечить правильное сочетание ингредиентов. Хотя это не полностью исключает его появление в море, это намекает на то, что для зарождения жизни могла потребоваться прочная связь с сушей.

«Наши результаты показывают, что АТФ стала универсальной энергетической валютой в пребиотическом, мономерном мире благодаря его необычному химического состава в воде. Более того, разница pH в гидротермальных системах могли создать неравномерное соотношение АТФ и АДФ, позволяя АТФ существовать даже в пребиотическом мире малых молекул.

Со временем, с появлением подходящих катализаторов, АТФ может в конечном итоге вытеснить AcP в качестве вездесущего донора фосфатов и способствовать полимеризации аминокислот и нуклеотидов с образованием РНК, ДНК и белков», – объясняет Лейн.