Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

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.

По крайней мере начиная с появления клеточных форм жизни – бактерий и архей – возможно проследить эволюцию этих путей методами сравнительной геномики по наличию и отсутствию соответствующих ферментов в реконструированных предковых геномах. Такой анализ был проведен (Braakman and Smith, 2012) и показал, что цикл Кальвина – довольно позднее изобретение цианобактерий. Два других пути фиксации СО2 оказались более древними: и восстановительный цикл Кребса, и восстановительный ацетил-КоА-путь были у общего предка всей клеточной жизни, давшего начало разным группам микроорганизмов[5]. Это необычный результат, так как ни один современный организм не сочетает в себе два эти пути фиксации СО2 – благодаря промежуточному метаболизму все необходимые вещества можно произвести, имея только один путь получения органики из СО2. Авторы статьи считают, что сочетание двух путей повышало надежность обмена веществ. В самом деле, автокаталитические свойства восстановительного цикла Кребса могут быть не только преимуществом, но и недостатком. С одной стороны, если, например, из-за сбоев в регуляции синтеза аминокислот запас кислот цикла Кребса падает, то и скорость фиксации СО2 тоже падает, и эффективность цикла может уменьшиться ниже порога самовоспроизводства. В этом случае восстановительный ацетил-КоА-путь может быть независимым источником органики, подпитывающим ослабленный цикл Кребса и дающим ему шанс на продолжение. С другой стороны, при возникновении проблем с синтезом коферментов для ацетил-КоА-пути восстановительный цикл Кребса, мало зависящий от коферментов, дает клетке шанс на выживание. Скорее всего, общий предок бактерий и архей уступал обеим линиям своих потомков как в совершенстве систем регуляции, так и в качестве изоляции своей внутренней среды от внешних условий – например, у него были более проницаемые клеточные мембраны (подробнее об этом будет рассказано в следующей части книги). В дальнейшем, когда у клеток появились совершенные мембраны и надежные регуляторные системы, поддерживать сразу два пути фиксации СО2 стало уже невыгодно. Ацетил-КоА-путь фиксирует СО2 без затрат АТФ, но зато его ключевой фермент, CODH/ацетил-KoA синтетаза, очень уязвим для кислорода и других окислителей. Поэтому потомки оставили себе один из двух бывших у предка путей – какой именно, зависело от условий их обитания.

Чтобы проследить более древнюю историю обмена веществ, нам придется рассмотреть реакции синтеза азотистых оснований. Эти реакции при детальном рассмотрении выглядят довольно беспорядочно. Азотистые основания строятся из аминокислот (глицин, глутамин, аспарагиновая кислота) и необычных одноуглеродных продуктов (Martin and Russell, 2007). Пуриновые основания (аденин и гуанин) собираются буквально по одному атому, как лоскутное одеяло (рис. 11.7).

В состав пуринового кольца входят остаток глицина (практически целиком) и атомы азота, позаимствованные у других аминокислот – глутамина и аспарагиновой кислоты (атомы 1, 3 и 9 на рисунке пуринового основания). Два из пяти углеродных атомов кольца, однако, включаются при синтезе в виде формильной группы формил-тетрагидрофолата (т. е. муравьиной кислоты на носителе, атомы 2 и 8 на рисунке), а еще один – из СО2 в виде карбоксил-фосфата, простого фосфатного эфира (атом 6). Пиримидиновое кольцо строится из аспарагиновой кислоты и карбамоил-фосфата – вещества, которое образуется в клетках из СО2, аммиака и фосфатной группы АТФ.

Иными словами, фиксация углекислого газа не является строгой монополией автотрофных растений и бактерий: даже в человеческом организме происходит фиксация небольшого количества СО2 при синтезе азотистых оснований. В каждой клетке вашего тела во многих нуклеотидах один атом углерода происходит из углекислого газа, зафиксированного вашими собственными ферментами!

Кроме карбамоил-фосфата и карбоксил-фосфата в синтезе азотистых оснований могут участвовать другие простые фосфатные эфиры (рис. 11.8). Муравьиная кислота у некоторых микробов, например Methanocaldococcus jannaschii, может включаться в пурины в виде формил-фосфата.

Фолатный путь восстановления одноуглеродных групп

В ацетил-КоА-пути фиксации углекислого газа у микробов-метаногенов и ацетогенов участвует фолиевая кислота (витамин В9). Ее активная форма называется тетрагидрофолат, или сокращенно ТГФ). Она участвует в переносе, окислении и восстановлении одноуглеродных фрагментов. Формы витамина В9 с присоединенными одноуглеродными фрагментами называются формил-тетрагидрофолат (ТГФ), метилен-ТГФ и метил-ТГФ. Однако витамин В9 необходим и в организме человека, хотя человек не обладает способностью к фиксации углекислого газа по ацетил-КоА-пути. Зачем витамин В9 нужен человеку и животным?

В обмене веществ животных одноуглеродные фрагменты тоже используются в некоторых реакциях. Например, метил-ТГФ служит источником метильных (СН3) групп для метилирования ДНК. Метилирование (присоединение метильных групп) азотистых оснований ДНК используется для включения и выключения генов. Поэтому самые тяжелые последствия недостаток витамина В9 в диете вызывает во время беременности – при этом часто возникают врожденные уродства плода.

Также в обмене веществ животных необходим формил-ТГФ, используемый, как и у микробов, для получения пуриновых азотистых оснований.

У микробов-метаногенов метил-ТГФ образуется в конечном счете из углекислого газа через муравьиную кислоту, формил-ТГФ и метилен-ТГФ (реакции 1, 2, 3, 4 на рисунке 11.9). У человека и животных нет ферментов для получения муравьиной кислоты из СО2, и источник формил-ТГФ и метил-ТГФ у них другой. Одноуглеродные фрагменты у них образуются при распаде аминокислоты серина. Серин сначала распадается на метилен-ТГФ и глицин, а затем глицин распадается на второй фрагмент метилен-ТГФ, углекислый газ и аммиак (реакции 5 и 6 на рис. 11.9). Серин образуется в несколько стадий из фосфоглицериновой кислоты (промежуточный продукт гликолиза) (реакция 7 на рис. 11.9).

Эти реакции, в которых атомы углерода окисляются, восстанавливаются и переносятся по одному, выглядят несколько чужеродными по сравнению с остальной биохимией. Гораздо чаще новые молекулы в клетках строятся не из отдельных углеродных субъединиц, а на основе более крупных блоков, таких как двухуглеродный ацетил-КоА и трехуглеродная пировиноградная кислота.

Фолатные реакции и взаимопревращения глицина и серина образуют отдельный модуль обмена веществ, который долго был незаслуженно обойден вниманием исследователей. Большинство аминокислот образуются из продуктов цикла Кребса: аланин, валин и лейцин – из пировиноградной; аспарагиновая, треонин, изолейцин и лизин – из щавелевоуксусной; глутаминовая, пролин и аргинин – из кетоглутаровой. Однако есть аминокислоты другого происхождения. Гистидин образуется из азотистых оснований (аденина), а глицин и серин связаны с обменом одноуглеродных групп… Молекула глицина может распадаться на метиленовый фрагмент на носителе-фолате, CO2 и NH3, а может быть собрана из двух метиленовых фрагментов и NH3. В разных частях этого цикла восстановление и окисление не всегда обратимо, поэтому при распаде возникает СО2, а при синтезе используются только метиленовые группы. Синтез и распад глицина (реакция 6 на рисунке) и превращение глицина в серин (реакция 5) полностью обратимы, так же как окисление и восстановление атомов углерода (на биохимическом жаргоне их называют С1-фрагменты) на фолате (реакции 3 и 4). Этот биохимический модуль может иметь разные соединения с другими путями метаболизма и внешней средой. В обмене веществ человека, животных и эволюционно молодых групп бактерий (например, протеобактерий, к которым относится кишечная палочка) есть путь синтеза серина из фосфоглицериновой кислоты (промежуточный продукт гликолиза) (реакция 7 на рис. 11.9). В этом случае глицин образуется из серина, метилен-ТГФ – из глицина, а фолатный путь работает от середины к двум концам – к формил-ТГФ и метил-ТГФ. Часть метиленовых групп окисляется до формильных для синтеза пуринов, а другие восстанавливаются в метильные для реакций метилирования. У растений и цианобактерий мы видим другую связь одноуглеродного метаболизма с остальным – через глицин. И формил-ТГФ, и метил-ТГФ, и серин у них образуются из глицина. Глицин, в свою очередь, образуется путем аминирования глиоксиловой кислоты (реакция 8). Глиоксиловая кислота у них образуется в нежелательной побочной реакции рибулозо-бифосфата с кислородом и должна как-то утилизироваться. В этом случае фолатный путь работает так же, как у животных: от середины к обоим концам.