Поиск по сайту
Проект публикации книги «Познай самого себя»
Узнать, насколько это интересно. Принять участие.

Короткий адрес страницы: fornit.ru/6229
Список основных тематических статей >>
Этот документ использован в разделе: "Список теоретических статей"Распечатать
Добавить в личную закладку.

Реликтовые составляющие современного метаболизма. С чего он мог начаться?

Проанализирована блочная схема современного метаболизма, в которой вычленены предположительно наиболее древние части.

Относится к разделу Молекулярная биология

Эта статья опубликована автором самостоятельно с помощью автопубликатора, отражает личное мнение автора и может не соответствовать мировоззренческой направленности сайта Fornit. Оценка публикации может даваться в виде голосования (значок качества) или обосновано в обсуждении. Ссылки на обе эти возможности есть внизу статьи.

" Если эволюция метаболических путей шла путем последовательного добавления новых ферментативных реакций к существовавшим ранее, то, подобно самым старым годовым кольцам на срезе ствола, наиболее древние реакции должны находиться ближе всего к центру "метаболического древа" — там, где синтезируются наиболее существенные молекулярные "кирпичики"".

(Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, К. Робертс, Дж. Уотсон. "Молекулярная биология клетки", 2-е издание, "Мир", 1994) 


Данная статья является одновременно кратким ликбезом по основам биохимии и введением в анализ древнейших биосинтетических путей.

Метаболизм представлен противоположными, но и взаимосвязанными процессами. Во-первых, происходит распад сложных питательных веществ на более простые, при этом происходит окисление органических молекул и выделяется энергия (рис. 1).

 

Катаболизм

Рис. 1. Процессы, сопряжённые с катаболизмом.

 

Это звено метаболизма называется катаболизмом. У многих прокариот вместо катаболизма эта часть метаболизма представлена автотрофным типом энергетического обмена). Во-вторых, происходит превращение простых веществ в ходе реакций промежуточного обмена в более сложные низкомолекулярные соединения, из которых далее синтезируются полимерные макромолекулы. Это второе звено метаболизма называется анаболизмом и сопровождается восстановлением органического субстрата и поглощением энергии (рис. 2).

Анаболизм

 

 

 


Рис. 2 Процессы, сопряжённые с анаболизмом.



Принципиально, что в метаболизме любого организма мы увидим много черт универсальности в механизмах совершенно различных биохимических реакций.

В чём выражается эта универсальность?

Во-первых, в использовании универсальной энергетической валюты. Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии ("энергетических валют"), а именно: в форме АТР (свободно в растворе), а также двух видов, связанных с клеточной мембраной: в виде протонного и натриевого потенциала. Эти три вида валюты могут взаимно превращаться друг друга («конвертироваться») и непосредственно обеспечивать все виды полезной работы (механическая, химический синтез, создание осмотического давления и т.д.). Любая живая клетка всегда располагает как минимум двумя "энергетическими валютами": водорастворимой (АТФ ) обязательно и хотя бы одной связанной с мембраной, но могут быть и все три вида.

Примечательно, что АТР является фосфорилированным рибонуклеотидом, то есть компонентом РНК и безусловно была также ключевым компонентом живых систем на стадии РНК-мира.

Как выразился Скулачёв В.П., «клетка предпочитает "денежное" обращение, а не бартер» (подробнее о законах биоэнергетики см. статью Скулачёва В.П. «Законы биоэнергетики»).

Во-вторых универсальными являются переносчики водорода и электронов - проводники окислительно-восстановительных реакций:

К ним относятся никотинаденин (NAD), никотинаденидинуклеотидфосфат (NADP) и флавинадениндинуклеотид (FAD), которые состоят из чисто функциональной части и аденинового нуклеотида (рис. 3). Принципиально, что нуклеотидная часть в реакциях участие не принимает. Почему же она прустутсвтует? Можно предположить, что эти вещества - своеборазные осколки древнего мира РНК, который предопределил современный метаболим, а нуклеотидная часть кофактора выполняла не функциональную роль в осуществлении химических реакций, а ФУНКЦИЮ УЗНАВАНИЯ нуклеотидами из каких-то молекул РНК в период РНК или РНК-белкового мира.

 Универсальные переносчики электронов и водорода

 

 


Кофермент А Рис. 3 Строение универсальных переносчиков электронов и атомов водорода.

В третьих, существует универсальный переносчик ацильной группы, служащий для построения большого количества веществ (аминокислот, липидов, компонентов цикла Кребса) - кофермент А:


 Рис. 4. Строение универсального переносчика ацильных групп - кофермента А.

Как и в случае универсальных переносчиков электронов и атомов водорода, кофермент А имеет фукнкиональную часть и нуклеотидную, что мы также можем рассматривать как след метаболизма, контролируемого молекулами РНК.

Таким образом, разнонаправленность двух взаимосвязанных процессов окисления-восстановления субстратов, выделение-запасание энергии и синтез-распад органических биомолекул можно суммировать в виде следующей схемы:

Блочная структура метаболизма 

 Рис. 5. Блочное разделение клеточного метаболизма по характеру синтезируемых веществ. Третий блок соответствует промежуточному метаболизму.Цикл Кребса

 Рис. 6. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты или цикл Кребса).

Взглянем на эту схему и зададимся вопросом, какие из этих метаболических блоков должны быть более древними? Ключевым подходом для данного анализа должен стать принцип - синтез сложных молекул должен был возникнуть позднее синтеза более простых. Известно, что ключевые компоненты живых систем - белки и нуклеиновые кислоты синтезируются из мономеров - нуклеотидов и аминокислот. Сами нуклеотиды могут синтезироваться только из аминокислот и сахаров, соответствующих второму блоку на данной схеме. Но и эти мономеры, в свою очередь не могут рассматриваться как составные части первых метаболических путей, поскольку они синтезируютс из ещё более простых предшественников - так называемых промежуточных метаболитов. Вещества, стоящие по синтетической сложности выше, могут синтезироваться (если они не поступают в готовом виде у гетеротрофов) только из промежуточных метаболитов: все липиды - из ацетата (точнее его активной формы - ацетила-СоА), сахара - из пирувата или 3-фосфоглицерата, все аминокислоты - из кетокислот, как стартового материала, нуклеотиды - из аминокислот и т.д.



Поэтому наиболее древней частью метаболизма мы можем считать только ту часть метаболизма, которая относится к синтезу промежуточных метаболитов - пировиноградную кислоту (пируват), ацетил-коэнзим А и все компоненты так называемого цикла трикарбоновых кислот, или цикла Кребса.

В дальнейшем все модели происхождения жизни будут базироваться на этом важном положении: 

 

Именно промежуточный метаболизм должен был стоять у истоков жизни. 

 

Суммарное уравнение цикла Кребса: 



CH3C(O)SСoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2Н2О → 2СО2+3NADН+FADН2+GTP+ 3Н++CoASH

После конвертирования в АТФ в электрон-транспортной цепи получим следующее соответствие:

1 NADH = 3 ATP

1 FADH2 = 2 ATP

1 GTP = 1 ATP



Итого, 12 АDP и 12 Pi в реагентах и 12 АТФ в продуктах.

Казалось бы, ЦТК не имеет отношения к аэробному дыханию, однако отсутствие кислорода у аэробов подавлет его. Почему? Дело в том, что синтезированные в ходе ЦТК NADH и FADH2 далее претерпевают превращения на клеточных мембранах (внутренних или наружных): отдельно переносят положительно заряженные ионы Н+ и отрицательно заряженные электроны на так называемую электроннотранспортную дыхательную цепь, состоящую из набора переносчиков, и восстанавливают молекулярный кислород до воды (или у анаэробов могут быть и другие акцепторы электронов СО2, NO3-, SO42-,SO32- и другие). Образуемый электрохимический градиент сам по себе является уже универсальным клеточным горючим, и он превращается в АТР.

Таким образом, преобразования веществ в данном цикле носят окислительный характер.

Можно представить, что этот цикл действительно был древним, а в исходно анаэробных условиях использовались акцепторы электронов, отличные от кислорода. Однако ещё одим недостатком этого цикла является то, что при нём расходуются атомы углерода, входящие в состав органических молекул. Тогда требование первичности этого цикла автоматически означает доступность восстановленных атомов углерода в органических молекулах в условиях его формирования.

В середине 60-х годов прошлого века было открыто множество анаэробных микроорганизмов, в которых цепь превращений интермедиатов или включала те же вещества, что и в ЦТК, или имела дополнительные звенья цепи, но направленность процессов превращений была обратной: вместо последовательного окисления, интермедиаты подвергались последовательному восстановлению, при этом, происходило связывание углекислого газа, сопряжённое с затратами энергии [Evans M.C., Buchanan B.B., Arnon D.I. 1966]. Поэтому этот цикл получил название восстановительного цикла трикарбоновых кислот (ВЦТК), или восстановительного цикла Кребса, или цикла Арнона. Укороченный вариант цикла с синтезом ацетата представляет собой по существу обращенный цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) (рис. 7). Таким образом, 10 компонентов окислительного цикла Кребса и ВЦТК являются универсальными для всех известных форм жизни.

Об эволюционном родстве этих циклов говорит также тот факт, что большинство реакции восстановительного и окислительного варианта ЦТК обратимы и могут катализироваться соответствующими ферментами в обоих направления. Исключение составляют только три реакции, которые и предопределяют направление цикла в восстановительную или окислительную сторон: превращение цитрата в оксалоацетат, конверсия фумарата в сукцинат и превращение 2-кетоглутарата в изоцитрат.

В пользу родства этих циклов также говорит от факт, что некоторые из ферментов (но не все) ВЦТК являются гомологичными ферментам из его окислительного аналога.

Примечательно, что у одного и того же вида было показано наличие как восстановительного, так и окислительного ЦТК: Thermoproteus tenax и Pyrobaculum islandicum.

 ВЦТК

Рис. 7. Восстановительный цикл трикарбоновых кислот (ВЦТК, цикл Арнона). В качестве условного обозначения доноров водорода использовали обозначение "Н2", но фактически донором водорода является ферредкоксин.



Эти организмы получают энергию из окислительно-восстановительной пары, которую они получают из внешней среды, и, таким образом, являются хемоавтотрофами. Донорами электронов у них могут быть H2, NH4+, NO2-, H2S, S2O32-, Fe2+ и др., а акцепторами - СО2, NO3-, SO42-,SO32- и другие. К ним относятся таксономически очень разные организмы из двух разных доменов жизни - бактерий и архей, являющиеся как термофилами, так и мезофилами.Встречается он также и у зелёных водорослей.

В результате одного оборота цикла происходит фиксация СО2 в четырех реакциях, две из которых идут при участии восстановленного ферредоксина. При этом из 4 молекул углекислоты и восстановителя с затратой АТФ синтезируется 1 молекула лимонной кислоты. Ферредоксин - это железосодержащий белок, выполняющий аналогично NADH и FADH2 фукции переноса электронов (и соответственно сопряжённого с ним переноса ионов водорода): в реакциях восстановления степень окисления железа превращается из +2 в +3.

Нетривиальным фактом является то, что ферредоксины функционируют как раз в такого рода окислительно-восстановительных реакциях, которые связаны с изменением степени окисления атомов в неорганических веществах - углекислого газа, водорода и других. Этот факт по-видимому указывает на исключительную древность такого рода фермента (подробнее об этом будет описано в другой статье).

Один из вариантов суммарного уравнения ВЦТК (молекула АТР заменена на эквивалентное количество Н2):

цитрат + 6СО2 + 9Н2 → 2 цитрат + 5Н2О

Принципиально, что данный цикл является автокаталитическим - в нём, в отличие от окислительного ЦТК в результате одного оборота цикла количество реагентов, в том числе акцепторов СО2, увеличивается, а не уменьшается, как в цикле Кребса (о роли автокаталитических реакций в формировании метаболизма будет подробнее написано в отдельной статье).

Немаловажно также, что все реакции в нём первого порядка - это уменьшает ограничения для возможных диффузных барьеров, увеличивающих скорость реакций.

Кроме свойства автокаталитичности, данный цикл является ещё и сетевым, то есть может иметь анастомоз, потенциально повышающий устойчивость этого цикла к внешним воздействиям. В поиске древнего прообраза этого автокаталитического анаболического цикла также можно учитывать возможность появления анастомозов.

Одним из возможных вариантов, обеспечивших энергией древний прообраз ВЦТК могла быть окислительно-восстановительная пара Н2/СО2, наличие которой считается очень правдоподобным согласно данным соверменной геохимии [Wächtershäuser G. 1990, 1992]. Другим источником энергии могут служить фотохимические процессы. Так, сравнительно недавно было показано, что 5 реакций ВЦТК могут катализироваться на поверхности минерала сфалерита (ZnS) фотохимически, то есть с поглощением энергии света [Xiang V. Zhang, Scot T. 2006]. При этом катализируются обе реакции укороченного варианта восстановительного цикла лимонной кислоты, в которой происходит фиксация углекислого газа.Не смотря на то, что в настоящее время известно несколько альтернативных путей фиксации СО2 - три циклических и один нециклический (см. для обзора [Кондратьева Е.Н. 1996], и с учётом новых находок, [Tabita R.F. 2009]) - ВЦТК является лучшим канидатом на роль наиболее древнего цикла фиксации неорганического углерода.

Именно у хемоавтотрофах ВЦТК является стартовой точкой для всех путей биосинтеза. Поэтому одним из вариантов моделирования происхождения первых метаболических путей может служить рассмотрение гипотетических предковых вариантов ВЦТК, в котором имелся какой-то примитивный источник энергии (не обязательно представленный органическими веществами).

Данный факт говорит не столько о первичности самого ВЦТК (хотя его первичность не исключается) в просхождении метаболизма, сколько о необходимости его возникновения уже до стадии биосинтеза аминокислот, а, следовательно, и генетического кода.

Подробнее ключевая роль ВЦТК в эволюции ГК рассмотрена в двух статьях: Древний дублетный генетический код был предопределён путями синтеза аминокислот  и Биохимическая (коэволюционная) модель эволюции генетического кода.

Не исключено, что сам ВЦТК мог возникнуть на основе других метаболических циклов, что более подробно рассматривается в статье   Как мог  выглядеть архаичный метаболиз?

 

 Литература.




Кондратьева Е.Н. Автотрофные прокариоты. - М.: Изд-во МГУ. 1996. - 312 с.

Alber B.E., Olinger M., Rieder A., Kockelkom D., Jobst B., Hugler M., Fuths G. Malonyl-coenzyme A reductase in the modified 3-hydroxypropionate cycle for autotrophic carbon fixation in archaeal Metallosphaera and Sulfolobus spp. // J. Bacteriol. 2006. V.188. P.8551–8559.

Berg, I.A. Kockelkorn D., Fuchs G. A 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon dioxide assimilation pathway in Archaea. // Science. 2007. V.318. P.1782–1786.

Evans M.C., Buchanan B.B., Arnon D.I. A new ferredoxin-dependentcarbon reduction cycle in a photosynthetic bacterium. // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1966. V.55. P.928–934.

Hügler M., Huber H., Stetter K.O., Fuchs G., Autotrophic CO2 fixation pathways in archaea (Crenarchaeota). // Arch. Microbiol. 2003a. V.179. P.160–173.
Hügler M., Krieger R.S., Jahn M., Fuchs G. Characterization of acetyl-CoA/propionyl-CoA carboxylase in Metallospaera sedula. // Eur. J. Biochem. 2003b. V.270. P.736–744.

Ishii M., Miyake T., Satoh T., Sugiyama H., Oshima Y., Kodama T., Igarushi Y. Autotrophic carbon fixation in Acidianus brierleyi. // Arch. Microbiol. 1997. V.166. P.368–371.
Ishii M., Chuakrut S., Arai H., Igarashi Y. Occurrence, biochemistry and possible biotechnological application of the 3-hydroxypropionate cycle. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2004. V.64. P.605–610.

Klatt C.G., Bryant D.A., Ward D.M. Comparative genomics provides evidence for the 3-hydroxypropionate autotrophic pathway in filamentous anoxygenic phototrophic bacteria and in hot spring microbial mats. // Environ. Microbiol. 2007. V.9. P.2067–2078.

Morowitz H.J., Kostelnik J.D., Yang J., Cody G.D. The origin of intermediary metabolism. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. V.97. P.7704-7708.

Pereto J.G., Velasco A.M., Becerra, A., Lazcano, A. Comparative biochemistry of CO2 fixation and evolution of autotrophy. // Int. Microbiol. 1999. V.2. P.3–10.

Russell M.J., Martin W. The rocky roots of the acetil-CoA pathway. // Trends Biochem. Sci. 2004. V.29. P.358–363.

Smith E., Morowitz H.J. Universality intermediary metabolism. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004. V.101. P.13168-13173.

Svetlitchnyi V. et al. A functional Ni-Ni-[4Fe4S] cluster in the monomeric acetyl-CoA synthase from Carboxydothermus hydrogenoformans. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004. V.101. P.446–451

Tabita R.F. The hydroxypropionate pathway of CO2 fixation: Fait accompli. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. V.106. P.21015–21016.

Wächtershäuser G. Evolution of the first metabolic cycles. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990. V.87. P.200–204.


Wächtershäuser G. Grandworks for an evolutionary biochemistry: the iron-sulphur world. // Prog. Biophysl. Mol. Biol. 1992. V.58. P.85–201.

Xiang V. Zhang, Scot T.M. Driving parts of Krebs cycle in reverse through mineral photochemistry. // J. Am. Chem. Soc. 2006. V.12. P.16032–16033.

Zarzycki J., Brecht V., Müller M., Fuchs G. Identifying the missing steps of the autotrophic 3-hydroxypropionate CO2 fixation cycle in Chloroflexus aurantiacus. // Proc.Natl. Acad. Sci. USA 2009. V.106. P.21317–21322.




Статьи, связанные с темой:

Автотрофное термофильное происхождение жизни

Биохимическая (коэволюционная) модель эволюции генетического кода

Древний дублетный генетический код был предопределён путями синтеза аминокислот

Как мог  выглядеть архаичный метаболиз?

К вопросу о происхождении жизни

Что было первым: метаболизм или ген? Могла ли жизнь начаться как циклическая химическая реакция неполимерных молекул?




Автор LUCA
Список публикаций >>

Обсуждение Сообщений: 4. Последнее - 13.03.2012г. 15:33:55
Оценить работу >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)

Об авторе: Статьи на сайте Форнит активно защищаются от безусловной веры в их истинность, и авторитетность автора не должна оказывать влияния на понимание сути. Если читатель затрудняется сам с определением корректности приводимых доводов, то у него есть возможность задать вопросы в обсуждении или в теме на форуме. Про авторство статей >>.

Тест: А не зомбируют ли меня?     Тест: Определение веса ненаучности

Поддержка проекта: Книга по психологии
В предметном указателе: Возможные концепции бессмертия в современной культуре | Кавитационные и вихревые теплогенераторы. Проблема измерения кпд. Свободная энергия. Современный вечный двигатель. Perpetuum Molibe | Мистическое влияние в современном обществе | Опыт Майкельсона-Морли в современной версии | Отчет по проекту Механизмы формирования толерантности к старению в условиях современной России | П.Гаряев. Жизненный путь. Взгляд современника. | Православное мировоззрение и современное естествознание | Приятие Творца современной наукой | РОЛЬ ЭКСПЕРИМЕНТА В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ | С. Соловьев. Современная жрица Изиды. Стр. 47-55
Последняя из новостей: Обзор эволюционного появления субъективных моделей действительности: Субъективные модели действительности.

Нейроны и вера: как работает мозг во время молитвы
19 убежденных мормонов ложились в сканер для функциональной МРТ и начинали молиться или читать священные тексты. В это время ученые наблюдали за активностью их мозга в попытке понять, на что похожи религиозные переживания с точки зрения нейрологии. Оказалось, они похожи на чувство, которое испытывает человек, которого похвалили.
 посетителейзаходов
сегодня:22
вчера:55
Всего:37735031

Авторские права сайта Fornit
Яндекс.Метрика