Энергия жизни — АТФ…

АТФ стал универсальной «энергетической валютой» благодаря простоте пребиотического синтеза

Простая реакция образования АТФ из ацетилфосфата

Рис. 1. Эта простая реакция образования АТФ из ацетилфосфата и АДФ в присутствии трехвалентного железа (Fe3+) могла происходить в предбиологических условиях. Вполне возможно, именно она и определила будущую роль АТФ как основной энергетической молекулы живых клеток. Рисунок создан с помощью сервиса biorender.com

В организме человека существует с полдюжины фосфорилированных нуклеотидов со сходными строением и запасом энергии в молекуле. Но из них только аденозинтрифосфат (АТФ) является универсальным источником энергии в клетках. До недавнего времени было не очень понятно, почему эволюция выбрала именно АТФ для этих целей. Группа британского биохимика Ника Лейна показала, что возможная причина — простая реакция синтеза АТФ в предбиологических условиях, которая невозможна в случае других нуклеотидов.

Аденозинтрифосфат — это вещество, в виде которого запасается почти вся химическая энергия клетки, которую она получает в результате дыхания, фотосинтеза или других процессов. И он же «питает» почти все внутриклеточные реакции, где требуется энергия, — от работы ионных насосов на мембране до сокращения мышц. И эта энергетическая функция АТФ универсальна у всех живых организмов Земли.

Никакой биохимической уникальности у АТФ нет. Даже в современном живом организме, помимо него, найдутся соединения с большим «запасом» химической энергии в молекуле. Это, например, тиоэфиры. Или, например, креатинфосфат. А уж сколько похожих веществ могло образоваться в предбиологическом мире — даже сложно подсчитать.

Правда, у АТФ есть одно преимущество — АТФ является нуклеотидом и, помимо энергетического обмена, может участвовать в синтезе ДНК и РНК.

Вопрос, почему из всех этих нуклеотидов природа выбрала именно АТФ как основную энергетическую «валюту» клетки, — далеко не праздный. Природа явно пыталась воспользоваться как минимум еще одним нуклеотидом — ГТФ — как переносчиком энергии. У животных именно в нем запасается энергия в реакции цикла Кребса, катализируемой сукцинил-КоА-синтазой, — и ГТФ поставляет энергию, необходимую для биосинтеза белка. Он обменивается на АТФ (и обратно) ферментом нуклеозиддифосфаткиназой.

На этот вопрос взялась ответить группа под руководством британского биохимика Ника Лейна (Nick Lane). Он известен, в частности, своими книгами «Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности»«Лестница жизни. Десять великих изобретений эволюции» и некоторыми другими.

Еще в 2018 году эти исследователи заметили, что АТФ — слишком сложная молекула, для синтеза которой требуется много шагов. Скорее всего, у нее были более простые предшественники. На роль такого простого предшественника нашёлся очевидный кандидат — ацетилфосфат (Источником энергии для древнейшей жизни мог служить ацетилфосфат, «Элементы», 04.07.2018). Он и 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 очень расточительно и неэффективно, зато быстро и удобно! Да и кислорода для дыхания не надо.

В новой работе группа Лейна исследовала последнюю реакцию — синтез АТФ из ацетилфосфата. Прежде всего, они установили, что эта реакция способна идти в слабокислой среде (pH от 5,5 до 6) и в присутствии ионов железа (Fe3+). Причем зависимость скорости реакции от концентрации реагентов напоминала известный всем биохимикам график уравнения Михаэлиса — Ментен, из чего авторы заключили, что железо связывалось с реагентами и играло роль катализатора, заменяя собой фермент (которого еще не было).

Но самое интересное началось, когда авторы попробовали таким образом сделать чего-нибудь, кроме АТФ. Например, ЦТФ или ИТФ. Оказывается, соответствующие дифосфаты нуклеотидов никак не желали вступать в реакцию в таких условиях. В реакцию с ацетилфосфатом вступал только АДФ, а ЦДФ, ИДФ, УДФ и даже ГТФ были полностью бесполезны.

Рис. 3. Хроматограмма, показывающая выход нуклеотидтрифосфатов в эксперименте группы Ника Лейна

Рис. 3. Хроматограмма, показывающая выход нуклеотидтрифосфатов в эксперименте группы Ника Лейна. Синяя пунктирная линия — начало реакции, зеленая сплошная — состояние через 3 часа. Видно, что сколько-нибудь значимый прирост появляется, только если в качестве реагента используется АДФ — тогда образуется АТФ. Во всех остальных случаях трифосфаты не образуются. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLOS Biology

В попытках понять, откуда такая избирательность у небелкового катализатора, ученые провели компьютерное моделирование связывания ацетилфосфата, ионов железа и АТФ методом молекулярной динамики. Этот метод не позволяет смоделировать реакцию, но позволяет оценить силы нековалентного связывания и взаиморасположение молекул в растворе. Выяснилось, что ион железа в этой реакции, скорее всего, 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.

Рис. 4. Предполагаемый механизм реакции фосфорилирования АДФ ацетилфосфатом в присутствии ионов железа

Рис. 4. Предполагаемый механизм реакции фосфорилирования АДФ ацетилфосфатом в присутствии ионов железа. Видно, что катализатору, чтобы правильно расположить участников реакции друг относительно друга, нужно связаться с атомом N7 в пуриновом кольце АДФ. С ГДФ такой «номер» уже не пройдет — помешают другие атомы азота. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLOS Biology

Источник: 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. DOI: 10.1371/journal.pbio.3001437.

Георгий Куракин

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Solve : *
14 ⁄ 7 =