Вчені знайшли універсальну енергетичну валюту кожної форми життя на Землі

Все життя, яким ми її знаємо, використовує ту саму молекулу-носій енергії як свого роду «універсального клітинного палива». Тепер стародавня хімія може пояснити, як ця найважливіша молекула виявилася АТФ (аденозинтрифосфатом), повідомляється в новому дослідженні, опублікованому в PLOS Biology.

АТФ - це органічна молекула, що заряджається в результаті фотосинтезу або клітинного дихання (спосіб, яким організми розщеплюють їжу) і використовується в кожній окремій клітині. Щодня ми переробляємо власну вагу тіла на АТФ.

В обох вищезгаданих системах молекула фосфату додається до АДФ (аденозиндифосфату) за допомогою реакції, яка називається фосфорилюванням, внаслідок чого утворюється АТФ.

Реакції, які вивільняють той же фосфат (в іншому процесі, званому гідролізом), забезпечують хімічну енергію, яку наші клітини використовують для незліченних процесів, від сигналів мозку до руху і розмноження.

Як АТФ стала домінувати в метаболізмі замість багатьох можливих еквівалентів, було давньою загадкою біології та предметом дослідження.

«Наші результати показують… що поява АТФ як універсальна енергетична валюта клітини не була результатом «замороженого нещасного випадку», а виникла внаслідок унікальних взаємодій молекул фосфорилювання», — пояснює біохімік-еволюціоніст Нік Лейн з Університетського коледжу Лондона (UCL).

Той факт, що АТФ використовується всіма живими істотами, говорить про те, що вона існувала від початку життя і навіть раніше, за часів пребіотичних умов, що передували створенню живої матерії.

Але дослідники дивуються, як це могло статися, якщо АТФ має таку складну структуру, яка включає шість різних реакцій фосфорилювання та багато енергії для її створення з нуля.

"Немає нічого особливого у "високоенергетичних" (фосфорних) зв'язках в АТФ", - кажуть біохімік Сільвана Пінна, яка на той час працювала в UCL, та її колеги у своїй статті.

Але оскільки АТФ також допомагає створювати генетичну інформацію наших клітин, вона, можливо, використовувалася для використання енергії через цей інший шлях, зазначають вони.

Пінна та його команда підозрюють, що деякі інші молекули мали спочатку брати участь у складному процесі фосфорилювання. Тому вони уважно вивчили іншу фосфорилюючу молекулу, AcP, яка досі використовується бактеріями та археями в їх метаболізмі хімічних речовин, включаючи фосфати та тіоефіри — хімічні речовини, які, як вважається, були удосталь на початку життя.

У присутності іонів заліза (Fe3+) AcP може фосфорилювати АДФ у АТФ у воді. Перевіривши здатність інших іонів і мінералів каталізувати утворення АТФ у воді, дослідники не змогли відтворити це з іншими металами, що заміщають, або фосфорилюючими молекулами.

«Було дуже дивно виявити, що реакція настільки вибіркова щодо іонів металів, донорів фосфатів і субстратів з молекулами, які життя все ще використовує», — каже Пінна.

«Той факт, що це найкраще відбувається у воді за м'яких, сумісних із життям умов, справді має велике значення для походження життя».

Це говорить про те, що з AcP ці реакції накопичення енергії могли відбуватися в пребіотичних умовах, до того, як біологічне життя накопичило і підштовхнуло тепер цикл виробництва АТФ, що самовідтворюється.

Крім того, експерименти показують, що створення пребіотичного АТФ, швидше за все, відбувалося у прісній воді, де, наприклад, фотохімічні реакції та виверження вулканів могли забезпечити правильне поєднання інгредієнтів, пояснює команда.

Хоча це не повністю виключає його появу в морі, це натякає на те, що для зародження життя міг бути потрібний міцний зв'язок із сушею, зазначають вони.

"Наші результати показують, що АТФ стала універсальною енергетичною валютою в пребіотичному, мономерному світі на основі його незвичайного хімічного складу у воді", - пишуть Пінна та його колеги.

Більш того, градієнти pH у гідротермальних системах могли створити нерівномірне співвідношення АТФ та АДФ, дозволяючи АТФ керувати роботою навіть у добіотичному світі малих молекул.

"З часом, з появою відповідних каталізаторів, АТФ може в кінцевому підсумку витіснити АсФ як всюдисущого донора фосфатів і сприяти полімеризації амінокислот і нуклеотидів з утворенням РНК, ДНК і білків", - пояснює Лейн.

Фото: istockphoto.com