Основа жизни. Раскрыт секрет универсального источника энергии

МОСКВА, 14 окт — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. 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.

© Public domain

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.

CC BY 4.0 / Aaron Halpern, UCL /

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.