Основа жизни. Раскрыт секрет универсального источника энергии

  • Энергетическая «валюта» клеток
  • Сложность — не помеха
  • Случайность исключена

Основа жизни. Раскрыт секрет универсального источника энергии

Британские биохимики выдвинули альтернативную гипотезу образования аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального источника энергии для всех биохимических процессов. Считалось, что это вещество синтезируется в клетках с помощью специального фермента. Как выяснилось, молекулы АТФ могли существовать в природе еще до возникновения жизни.

Энергетическая «валюта» клеток

Все организмы на Земле в качестве универсального клеточного топлива используют одну и ту же молекулу аденозинтрифосфата. У АТФ, кроме энергетической, есть другие важные функции. Это вещество служит исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот, в которых хранится генетическая информация. А кроме того, играет роль регулятора во многих физиологических процессах — от передачи сигналов между нейронами мозга до движения и размножения.

«В природе нет альтернативы АТФ, — объясняет доцент факультета биотехнологий Университета ИТМО Денис Байгозин. — Вещество состоит из трех радикалов: аденина и рибозы — это компоненты ДНК и РНК, а также цепочки из трех фосфатов — солей фосфорной кислоты, одной из важнейших в организме. Достаточно сказать, что наши кости и зубы сделаны из гидроксид-фосфата кальция, а стенки клеток — в основном из фосфолипидов. Получается, что АТФ собран из элементов, которые и так есть в любом живом организме».

Вещество образуется в результате фотосинтеза у растений или клеточного расщепления пищи у животных. В обоих случаях АТФ — продукт фосфорилирования, присоединения фосфатов к нуклеотиду аденозиндифосфату (АДФ). Это сложная многостадийная реакция, требующая притока энергии извне. При обратном процессе гидролиза АТФ те же самые фосфаты отделяются, энергия высвобождается и ее используют клетки.

Но это только химическая сторона вопроса. В живом организме все намного сложнее. Поступающие с пищей жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы расщепления, которые тесно связаны с дыханием. При этом выделяются положительно заряженные ионы водорода — протоны. Их поток в каналах клеточной мембраны создает электрохимический потенциал, преобразуемый в энергию АТФ.

Этот процесс, получивший название хемиосмоса, впервые описал английский биохимик Питер Митчелл, за что в 1978 году получил Нобелевскую премию по химии. Еще одну Нобелевку разделили в 1997-м английский химик Джон Уокер и его американский коллега Пол Бойер за открытие механизма действия АТФ-синтазы — фермента, синтезирующего аденозинтрифосфат.

Основа жизни. Раскрыт секрет универсального источника энергии

Структура аденозинтрифосфата (АТФ)

Сложность — не помеха

Множество химических реакций протекает с выделением энергии, но только одна из них стала универсальной. Биологи давно ищут ответ на вопрос, почему так получилось. Кто-то считает, что это случайность: аденозинтрифосфорная кислота существовала в пребиотических системах, то есть еще до возникновения жизни, потом ее начали использовать первые одноклеточные организмы, а дальше так и пошло. Те, кого не устраивает гипотеза «случайного выбора», пытаются найти скрытые преимущества, которые дает организмам данная схема.

Один из моментов, который смущает ученых, — слишком сложная структура АТФ. Чтобы она возникла «с нуля» из простых веществ, нужен целый каскад сложных реакций и много энергии. Недавно британские биохимики под руководством Ника Лейна из Университетского колледжа Лондона предположили, что на ранних стадиях пребиотической химии могло существовать какое-то соединение, которое играло ключевую роль в преобразовании АДФ в АТФ без участия АТФ-синтазы.

В клетках за синтез аденозинтрифосфата отвечают особые органеллы — митохондрии. Для этого им нужны продукты окисления углеводов, жиров и белков, полученных с пищей. Согласно теории симбиогенеза, которой придерживаются большинство биологов, митохондрии — это бывшие бактерии. Примитивные клетки — прокариоты — имели серьезные ограничения в развитии, потому что не могли использовать кислород для генерации энергии. Ранние бактерии научились это делать. На каком-то этапе возник симбиоз прокариот и бактерий, а затем микроорганизмы, вырабатывающие энергию, вообще вошли в состав клеток.

Британские исследователи внимательно изучили все молекулы, которые, во-первых, в своем метаболизме используют бактерии, а во-вторых, теоретически могут участвовать в сложном процессе фосфорилирования. Оказалось, что из всех подобных веществ переводить АДФ в АТФ способен только ацетилфосфат, причем особенно эффективно — в водной среде в присутствии ионов трехвалентного железа.

Основа жизни. Раскрыт секрет универсального источника энергии

Молекулярные модели АТФ и ацетилфосфата

Случайность исключена

Эксперименты подтвердили, что пребиотический аденозинтрифосфат, скорее всего, образовывался в неглубоких наземных водоемах с пресной водой. Это вполне согласуется с гипотезой Чарльза Дарвина о самозарождении жизни «в маленьком прудике». В качестве исходных компонентов могли выступать фосфаты и тиоэфиры, которых, как считают авторы, на ранней Земле было в изобилии. Дополнительный приток химических ингредиентов и тепла обеспечивали вулканы, весьма активные в то время.

Единственным возможным топливом для всех живых клеток, по мнению исследователей, АТФ стал не по счастливому стечению обстоятельств, а благодаря необычному химическому составу, возникшему в результате уникального сочетания молекул в процессе фосфорилирования. В пребиотических условиях в реакциях с накоплением энергии участвовал ацетилфосфат.

Затем, когда появился кислород, а с ним и подходящий катализатор в виде окисленного железа, на смену ацетилфосфату пришел аденозинтрифосфат. Это способствовало полимеризации аминокислот и нуклеотидов с образованием РНК, ДНК и белков. Если гипотеза ученых верна, получается, что роль АТФ еще важнее, чем считали раньше. Без этого вещества сложная жизнь на Земле вообще могла не появиться.

Основа жизни. Раскрыт секрет универсального источника энергии

Добавить комментарий

Adblock
detector