Почему вся жизнь на Земле использует в качестве источника энергии специфическую молекулу?
АТФ — это органическая молекула, заряжаемая в результате фотосинтеза или клеточного дыхания (способ, которым организмы расщепляют пищу) и используемая в каждой отдельной клетке. Каждый день мы перерабатываем собственный вес тела в АТФ. В обеих вышеупомянутых системах 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.
Каким образом АТФ стала доминировать в метаболизме вместо многих возможных эквивалентов, было давней загадкой биологии и предметом исследования.
«Наши результаты показывают... что появление АТФ в качестве универсальной энергетической валюты клетки не было результатом "замороженного несчастного случая", а возникло в результате уникальных взаимодействий молекул фосфорилирования», — объясняет биохимик-эволюционист Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона (UCL).
Древняя молекула
Тот факт, что АТФ используется всеми живыми существами, говорит о том, что она существовала с самого начала жизни и даже раньше, во времена пребиотических условий, предшествовавших созданию живой материи. Но исследователи недоумевают, как это могло случиться, если АТФ имеет такую сложную структуру, которая включает шесть различных реакций фосфорилирования и много энергии для ее создания с нуля. Но поскольку АТФ также помогает создавать генетическую информацию наших клеток, она, возможно, использовалась для использования энергии через этот другой путь, отмечают они.
Биохимик Сильвана Пинна и ее команда подозревают, что некоторые другие молекулы должны были изначально участвовать в сложном процессе фосфорилирования. Поэтому они внимательно изучили другую фосфорилирующую молекулу, AcP, которая до сих пор используется бактериями и археями в их метаболизме химических веществ, включая фосфаты и тиоэфиры — химические вещества, которые, как считается, были в изобилии в начале жизни.
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 — с молекулами, которые все еще используют живые организмы», — призналась Пинна.
Это 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, отмечают исследователи. Более того, градиенты pH в гидротермальных системах могли создать неравномерное соотношение АТФ и АДФ, позволяя АТФ управлять работой даже в добиотическом мире малых молекул.
«Со временем, с появлением подходящих катализаторов, АТФ может в конечном итоге вытеснить АсФ в качестве вездесущего донора фосфатов и способствовать полимеризации аминокислот и нуклеотидов с образованием РНК, ДНК и белков», — объясняет Лейн.