Древняя химия может объяснить, почему живые организмы используют АТФ как универсальную энергетическую валюту

Простое двухуглеродное соединение могло играть ключевую роль в эволюции метаболизма до появления клеток. К такому выводу пришло новое исследование, опубликованное 4 октября в журнале PLOS Biology Ником Лейном и коллегами из Университетского колледжа Лондона.

АТФ (аденозинтрифосфат) используется всеми клетками как энергетический посредник. Однако построение его сложной структуры с нуля энергозатратно. Модели предполагают, что на заре эволюции АТФ, вероятно, был дефицитен, и его роль в фосфорилировании АДФ (аденозиндифосфата) могло выполнять другое соединение.

Наиболее вероятным кандидатом, по мнению авторов, был ацетилфосфат (AcP) — двухуглеродное соединение, которое и сегодня служит метаболическим промежуточным продуктом у бактерий и архей. Ранее было показано, что AcP может фосфорилировать АДФ до АТФ в воде в присутствии ионов железа. Новое исследование проверило специфичность этой реакции.

Ключевые результаты исследования:

• Катализатор: Среди протестированных ионов и минералов только железо эффективно катализировало образование АТФ в воде.
• Донор фосфата: Из панели малых органических молекул только AcP эффективно фосфорилировал АДФ. Лишь один другой донор (карбамоилфосфат) показал какую-либо значимую активность.
• Субстрат: AcP не фосфорилировал дифосфаты других нуклеозидов (например, гуанозина или цитидина) — реакция была специфична именно для АДФ.

Молекулярное моделирование позволило предложить механистическое объяснение этой специфичности. Уникальное сочетание малого диаметра и высокой плотности заряда иона железа с конформацией промежуточного комплекса создаёт «идеальную» геометрию для переноса фосфата с AcP на АДФ.

Значение для понимания происхождения жизни

• AcP — наиболее вероятный предшественник АТФ как биологического фосфорилирующего агента.
• Появление АТФ в роли универсального энергоносителя — не случайность, а следствие уникального взаимодействия АДФ и AcP.
• Со временем, с появлением подходящих катализаторов, АТФ смог вытеснить AcP и способствовать полимеризации аминокислот и нуклеотидов.

«Я думала, что несколько фосфорилирующих агентов и ионов-катализаторов будут работать... Было очень удивительно обнаружить, что реакция настолько селективна», — отмечает ведущий автор Сильвана Пинна.