Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

Включение углекислого газа в обмен веществ

Существует несколько биохимических путей включения СО2 в метаболизм (это называют фиксацией СО2). У растений фиксация СО2 происходит в цикле Кальвина. Когда школьникам говорят, что «растения поглощают углекислый газ и синтезируют глюкозу», речь идет именно о цикле Кальвина, но это сильно упрощенная правда. Строго говоря, в цикле Кальвина образуется трехуглеродный фосфоглицериновый альдегид, а затем из него в несколько этапов получается глюкоза (рис. 11.2). На первый взгляд, схема реакций цикла Кальвина очень сложна, однако большинство этих реакций – такие же перестройки сахаров, как и в пентозофосфатном цикле. Все они происходят по одному механизму альдольной конденсации, как и реакция Бутлерова, и катализируются родственными ферментами. Для фиксации СО2 в цикле Кальвина к пентозофосфатному циклу надо добавить только три реакции:

• перенос фосфатной группы с АТФ на рибулозо-5-фосфат с образованием рибулозо-1–5-бифосфата;

• присоединение СО2 к рибулозо-бифосфату с образованием двух молекул фосфоглицериновой кислоты;

• восстановление фосфоглицериновой кислоты до фосфоглицеринового альдегида.

Последняя реакция из этих трех, кстати, уже есть в соседнем пути метаболизма – глюконеогенезе.

Все остальные реакции в этой устрашающей схеме нужны только для того, чтобы из части фосфоглицеринового альдегида получить обратно рибулозо-1–5-бифосфат для следующего оборота цикла.

Микроорганизмы используют другие пути фиксации СО2. Например, у ацетогенов и метаногенов есть так называемый восстановительный ацетил-КоА-путь. Эти организмы получают энергию за счет восстановления СО2 водородом до метана или до уксусной кислоты. И этот путь восстановления СО2 в органику у них во многом пересекается с путем восстановления СО2 для получения энергии.

Кофермент А участвует во многих важных биохимических процессах (в том числе и в цикле Кребса, и в цикле Кальвина). Его задача – переносить остатки органических кислот на другие молекулы, например, ацетат (в главе 10 нам уже попадалось наименование этого соединения – «ацетил-КоА»). В восстановительном ацетил-КоА-пути одна молекула углекислого газа восстанавливается до муравьиной кислоты, связывается с коферментом тетрагидрофолатом (производное витамина В9) и восстанавливается далее до метильной группы (CH3). Другая молекула СО2 восстанавливается другим ферментом до угарного газа (СО) и присоединяется к метильной группе и коферменту А с образованием ацетил-КоА (рис. 11.3). Этот ацетил-КоА через цикл Кребса и другие метаболические пути становится источником углерода для всех веществ в клетке.

Цикл Кальвина и восстановительный ацетил-КоА-путь представляют собой достаточно независимые «модули», которые подключаются к остальному метаболизму через одну промежуточную ступень, которую представляет либо глицеральдегид-фосфат, либо ацетил-КоА (рис. 11.4).

Кроме этих путей известен вариант фиксации СО2, который вписан в самый центр обмена веществ у некоторых микробов. Как мы помним, в цикле Кребса происходит распад уксусной кислоты до СО2 и водорода. Оказывается, есть организмы, которые проводят реакции цикла Кребса в обратную сторону, фиксируя с его помощью углекислый газ (рис. 11.5). Это зеленые серобактерии и некоторые другие фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии. Поскольку обычный цикл Кребса идет с выделением энергии, для проведения его реакций в обратную сторону необходимо затрачивать энергию в виде АТФ.

Существует гипотеза, согласно которой восстановительный цикл Кребса шел при помощи минеральных катализаторов еще до появления РНК и белков и, с побочными реакциями, создал аминокислоты и нуклеотиды из СО2 (Smith and Morowitz, 2004). Она основана на следующих фактах:

• обратный цикл Кребса является автокаталитической реакцией. С учетом ветви, в которой уксусная кислота превращается в щавелевоуксусную, за один оборот цикла из одной молекулы щавелевоуксусной кислоты и четырех молекул СО2 образуется две молекулы щавелевоуксусной кислоты. Следовательно, цикл может наращивать массу своих промежуточных веществ, потребляя СО2 и восстановитель из внешней среды;

• для реакций цикла Кребса не обязательны коферменты, кроме КоА, который в принципе можно заменить разными простыми сероорганическими веществами;

• все ферменты обратного цикла Кребса нуждаются только в одном металле (железе), водород поступает на носителе – ферредоксине (это простой белок с железосерными кластерами, о них подробнее было в главе 7), следовательно, есть надежда провести все реакции обратного цикла Кребса на поверхности какого-нибудь железосодержащего минерала;

• все реакции обратного цикла Кребса не требуют встречи двух молекул органических кислот друг с другом, следовательно, цикл устойчив к разбавлению своих реагентов.

К сожалению, пока не удалось в эксперименте подобрать условия, в которых все эти реакции будут проходить на минеральных катализаторах с достаточной скоростью и выходом, чтобы цикл действительно стал автокаталитическим. На сегодняшний день экспериментально удалось провести только шесть из одиннадцати реакций восстановительного цикла Кребса, причем не на железосодержащих минералах, а на кристаллах сульфида цинка при освещении (рис. 11.6, Guzman, Martin, 2009.).

Организмы с другими путями фиксации СО2 могут использовать часть реакций восстановительного цикла Кребса. Например, метаногены и ацетогены с восстановительным ацетил-КоА-путем имеют часть ферментов этого цикла. Они могут, присоединяя СО2, превращать ацетил-КоА в пировиноградную, щавелевоуксусную и далее в кетоглутаровую кислоты, используя их для построения аминокислот. Реакций от кетоглутаровой до лимонной кислоты у них не происходит, цикл остается незамкнутым.

Порядок возникновения реакций обмена веществ

Если обмен веществ строился постепенно, начиная с фиксации СО2, то очевидно, что восстановительный цикл Кребса является лучшим кандидатом на роль самого древнего способа восстановления СО2 и включения его в органику, потому что с него начинаются синтезы аминокислот, сахаров и жиров. Использование восстановительного цикла Кребса позволяет обойтись меньшим количеством реакций и ферментов, чем в случае цикла Кальвина и восстановительного ацетил-КоА-пути. В таком случае цикл Кальвина и восстановительный ацетил-КоА-путь могли возникнуть позже, как более упорядоченные и специализированные способы фиксации углекислого газа. В самом деле, в восстановительном цикле Кребса есть четыре разные реакции включения СО2 в органику, в ацетил-КоА-пути – две, в цикле Кальвина – только одна. Поэтому цикл Кальвина проще оптимизировать для работы при малых концентрациях СО2, чем другие пути, и он преобладает в современной биосфере, где содержание СО2 в тысячи раз меньше, чем во времена зарождения жизни. Ацетил-КоА-путь, в отличие от других способов фиксации СО2, обходится без затрат АТФ и поэтому оптимален для организмов, сидящих на скудном энергетическом пайке, как метаногены.

Однако если обмен веществ строился с другой стороны – со стороны синтеза компонентов РНК для нужд РНК-мира, то обратный цикл Кребса уже не кажется удачным выбором. От кислот цикла Кребса что до рибозы, что до азотистых оснований в карте метаболизма нужно пройти очень много «шагов» – химических реакций. Цикл Кальвина в этом случае подходит лучше, так как он сразу дает рибозу. Более того, у некоторых микроорганизмов известен вариант цикла Кальвина, который начинается с нуклеотида аденозин-монофосфата (АМФ), что еще сильнее подчеркивает его связь с РНК-миром (Sato et al., 2007). Но непонятно, как связать цикл Кальвина с синтезом азотистых оснований.

Кроме того, как мы видели в предыдущих главах, древнейший обмен веществ РНК-мира строил сахара и азотистые основания из таких простых предшественников, как формальдегид, цианид и формамид. Хотя эти вещества в конечном итоге получались из СО2, необходимые для этого реакции были далеко разнесены в пространстве. Серпентинизация производила метан в толще земной коры при высокой температуре, а формальдегид и цианид получались из метана высоко в атмосфере, чтобы потом выпасть с дождем и оказаться в распоряжении РНК-организмов. Переход с питания формальдегидом и цианидом на восстановление СО2 своими силами мог произойти достаточно поздно, когда какие-то из современных путей метаболизма уже сложились. Как минимум для этого требовалось освоить синтез нескольких витаминов.