Древняя химия может объяснить, почему живые существа используют АТФ в качестве универсальной энергетической валюты

АТФ, аденозинтрифосфат, используется всеми клетками в качестве промежуточного энергетического продукта. Во время клеточного дыхания энергия захватывается, когда фосфат добавляется к АДФ (аденозиндифосфату) для генерации АТФ; расщепление этого фосфата высвобождает энергию для обеспечения большинства типов клеточных функций. Но построение сложной химической структуры АТФ с нуля является энергоемким и требует шести отдельных шагов, управляемых АТФ; Хотя убедительные модели действительно допускают пребиотическое формирование скелета АТФ без использования энергии уже образовавшейся АТФ, они также предполагают, что АТФ, вероятно, был в достаточном дефиците и что какое-то другое соединение могло играть центральную роль в превращении АДФ в АДФ на этой стадии. эволюция.

Наиболее вероятным кандидатом, по мнению Лейна и его коллег, было двухуглеродное соединение ацетилфосфат (AcP), которое сегодня функционирует как у бактерий, так и у архей в качестве промежуточного продукта метаболизма. Было показано, что AcP фосфорилирует АДФ в АТФ в воде в присутствии ионов железа, но после этой демонстрации осталось множество вопросов, в том числе о том, могут ли другие небольшие молекулы действовать также, является ли AcP специфичным для АДФ или вместо этого может функционировать так же, как и ADP. хорошо с дифосфатами других нуклеозидов (таких как гуанозин или цитозин) и уникально ли железо по своей способности катализировать фосфорилирование АДФ в воде.

В своем новом исследовании авторы изучили все эти вопросы. Опираясь на данные и гипотезы о химическом состоянии Земли до возникновения жизни, они проверяли способность других ионов и минералов катализировать образование АТФ в воде; ни один из них не был столь же эффективен, как железо. Затем они протестировали группу других небольших органических молекул на способность фосфорилировать АДФ; ни один из них не был столь же эффективен, как AcP, и только один другой (карбамоилфосфат) вообще обладал какой-либо значительной активностью. Наконец, они показали, что ни один из других нуклеозиддифосфатов не принимает фосфат из AcP.

Объединив эти результаты с молекулярно-динамическим моделированием, авторы предлагают механистическое объяснение специфичности реакции ADP/AcP/железо, предполагая, что малый диаметр и высокая плотность заряда иона железа в сочетании с конформацией интермедиата, образующегося при все три собираются вместе, обеспечивая «правильную» геометрию, которая позволяет фосфату AcP переключаться между партнерами, образуя АТФ.

«Наши результаты показывают, что AcP является наиболее вероятным предшественником АТФ как биологического фосфорилатора, — говорит Лейн, — и что появление АТФ в качестве универсальной энергетической валюты клетки не было результатом «замороженной случайности». ', но возникла в результате уникальных взаимодействий ADP и AcP. Со временем, с появлением подходящих катализаторов, АТФ может в конечном итоге вытеснить AcP в качестве повсеместного донора фосфата и способствовать полимеризации аминокислот. и нуклеотиды для образования РНК, ДНК и белков».

Ведущий автор Сильвана Пинна добавляет: «АТФ настолько важна для метаболизма, что я подумала, что ее можно образовать из АДФ в пребиотических условиях. Но я также думала, что некоторые фосфорилирующие агенты и катализаторы на основе ионов металлов будут работать, особенно те, которые сохраняются при жизни. Было очень удивительно обнаружить, что реакция настолько избирательна – в отношении ионов металлов, доноров фосфатов и субстратов – с молекулами, которые до сих пор использует жизнь. Тот факт, что это происходит лучше всего в воде в мягких, пригодных для жизни условиях, действительно является фактом. весьма существенно для происхождение жизни».