Gamle kemi kan forklare, hvorfor levende ting bruger ATP som den universelle energivaluta

En simpel to-carbon-forbindelse kan have været en afgørende aktør i udviklingen af ​​metabolisme før fremkomsten af ​​celler, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort den 4. oktober i open access-tidsskriftet PLOS Biology , af Nick Lane og kolleger fra University College London, U.K. Fundet kaster potentielt lys over de tidligste stadier af præbiotisk biokemi og antyder, hvordan ATP kom til at være den universelle energibærer af alt cellulært liv i dag.

ATP, adenosintrifosfat, bruges af alle celler som et energimellemprodukt. Under cellulær respiration opfanges energi, når et fosfat tilsættes ADP (adenosin diphosphat) for at generere ATP; spaltning af det fosfat frigiver energi til at drive de fleste typer cellulære funktioner. Men at bygge ATP's komplekse kemiske struktur fra bunden er energikrævende og kræver seks separate ATP-drevne trin; mens overbevisende modeller tillader præbiotisk dannelse af ATP-skelettet uden energi fra allerede dannet ATP, tyder de også på, at ATP sandsynligvis var ret knap, og at en anden forbindelse kan have spillet en central rolle i omdannelsen af ​​ADP til ATP på dette stadium af udvikling.

Den mest sandsynlige kandidat, mente Lane og kolleger, var to-carbonforbindelsen acetylphosphat (AcP), som i dag fungerer i både bakterier og arkæer som et metabolisk mellemprodukt. AcP har vist sig at phosphorylere ADP til ATP i vand i nærvær af jernioner, men en lang række spørgsmål stod tilbage efter den demonstration, herunder om andre små molekyler kunne fungere lige så godt, om AcP er specifik for ADP eller i stedet kunne fungere som godt med diphosphater af andre nukleosider (såsom guanosin eller cytosin), og om jern er enestående i sin evne til at katalysere ADP-phosphorylering i vand.

I deres nye undersøgelse udforskede forfatterne alle disse spørgsmål. Ved at trække på data og hypoteser om Jordens kemiske forhold, før livet opstod, testede de andre ioners og mineralers evne til at katalysere ATP-dannelse i vand; ingen var nær så effektive som jern. Dernæst testede de et panel af andre små organiske molekyler for deres evne til at phosphorylere ADP; ingen var så effektive som AcP, og kun én anden (carbamoylphosphat) havde nogen signifikant aktivitet overhovedet. Endelig viste de, at ingen af ​​de andre nukleosid-diphosphater accepterede et fosfat fra AcP.

Ved at kombinere disse resultater med molekylær-dynamisk modellering foreslår forfatterne en mekanistisk forklaring på specificiteten af ​​ADP/AcP/jern-reaktionen, idet de antager, at jernionens lille diameter og høje ladningstæthed kombineret med konformationen af ​​det mellemprodukt, der dannes, når de tre kommer sammen, giver en "lige rigtige" geometri, der gør det muligt for AcP's fosfat at skifte partner og danner ATP.

"Vores resultater tyder på, at AcP er den mest plausible forløber for ATP som en biologisk phosphorylator," siger Lane, "og at fremkomsten af ​​ATP som cellens universelle energivaluta ikke var resultatet af en 'frossen ulykke', men opstod. fra de unikke interaktioner mellem ADP og AcP. Over tid, med fremkomsten af ​​egnede katalysatorer, kunne ATP i sidste ende fortrænge AcP som en allestedsnærværende fosfatdonor og fremme polymeriseringen af ​​aminosyrer og nukleotider til dannelse af RNA, DNA og proteiner."

Hovedforfatter Silvana Pinna tilføjer, "ATP er så centralt for stofskiftet, at jeg troede, det kunne være muligt at danne det fra ADP under præbiotiske forhold. Men jeg troede også, at flere fosforyleringsmidler og metalionkatalysatorer ville virke, især dem, der bevares i livet. Det var meget overraskende at opdage, at reaktionen er så selektiv - i metalionen, fosfatdonoren og substratet - med molekyler, som livet stadig bruger. Det faktum, at dette sker bedst i vand under milde, livskompatible forhold, er egentlig ret væsentligt for livets oprindelse." + Udforsk yderligere

Havvand kunne have leveret fosfor, der kræves til nye liv