Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

Как у животных, так и у растений одноуглеродный метаболизм питается от основного. У микробов с ацетил-КоА-путем фиксации углекислого газа, наоборот, практически весь обмен веществ питается через одноуглеродный метаболизм.

Удивительный результат Браакмана и Смита состоит в том, что у многих микроорганизмов нет никаких связей между одноуглеродным блоком и остальным обменом веществ. У них нет ни ферментов окислительного серинового пути (реакция 7), ни глиоксилат-трансаминазы, превращающей глиоксиловую кислоту в глицин (реакция 8). Зато фермент формат-дегидрогеназа, проводящий реакцию 1, оказался очень широко распространен в разных группах микроорганизмов, использующих как различные пути фиксации СО2, так и питающихся готовой органикой. Это означает, что фолат-глицин-сериновый модуль метаболизма у многих микробов вообще не соединен с остальным обменом веществ и работает с углеродом, полученным только из внешней среды! Такое странное устройство обмена веществ наводит на мысль, что связи одноуглеродного метаболизма с остальным неоднократно возникали и исчезали в ходе эволюции.

Питаться муравьиной кислотой и угарным газом проще, чем углекислым газом

Почему, собственно, мы пытаемся восстановить эволюцию обмена веществ начиная с фиксации СО2? Углекислый газ – устойчивое вещество, и его восстановление без хороших катализаторов и при умеренных температурах идет очень медленно. В цикле Кальвина это проявляется в том, что восстановление углерода и включение СО2 в органику происходит на разных шагах. В ацетил-КоА-пути для восстановления СО2 используются сложные ферменты, содержащие молибден (формат-дегидрогеназа, с ее помощью получается муравьиная кислота) или никель (СО-дегидрогеназа, с ее участием производится, как видно из наименования, угарный газ). При абиогенных способах восстановления высокий энергетический порог активации этой реакции преодолевается с помощью ультрафиолета (в цинковом мире), высокой температуры (серпентинизация) или обходится через реакцию с сероводородом, дающую карбонилсульфид (железосерный мир). Однако, где бы ни существовал РНК-мир, строящий все более сложный обмен веществ, ему помимо СО2 были доступны и другие, более активные одноуглеродные вещества – например, муравьиная кислота, формальдегид и угарный газ. Муравьиная кислота на суше образуется в результате фотосинтеза на сульфиде цинка, а в море – за счет фотохимических реакций СО2 с растворенным железом; кроме того, она выносится геотермальными источниками из толщи земной коры, где образуется при реакциях горячей воды с базальтами. Формальдегид падает с неба с дождями, где он возникает при фотолизе метана. Угарный газ выделяется в составе вулканических газов и образуется в большом количестве при сгорании метеоритов в углекислотной атмосфере. Участие муравьиной кислоты в синтезе пуринов позволяет предположить, что этот биохимический путь сложился еще до появления ферментов фиксации СО2, когда жизнь довольствовалась муравьиной кислотой и формальдегидом. Гипотеза, что фиксация формальдегида и муравьиной кислоты предшествовала фиксации СО2, не нова – ее высказали еще в 1978 году Род Квэйл и Томас Ференци (Quayle and Ferenci, 1978).

Организмы, способные питаться восстановленными одноуглеродными соединениями (метаном, метанолом, метиламином, метилмеркаптаном, формальдегидом и муравьиной кислотой), существуют и сегодня. Это метилотрофные бактерии. В природе им чаще всего достаются метан и метанол, но в лаборатории они могут жить и на формальдегиде, и на муравьиной кислоте. Включение всех этих веществ в метаболизм метилотрофов происходит несколькими способами. Сначала все одноуглеродные вещества связываются с тетрагидрофолатом с затратой энергии АТФ. Получается формил-тетрагидрофолат. Затем возникают различия. Одни метилотрофы используют ацетил-КоА-путь. В нем, напомню, метил-ТГФ, полученный из метана и метанола, реагирует с угарным газом и коферментом А, давая ацетил-КоА. Другие метилотрофы окисляют метил-ТГФ до метилен-ТГФ; формил-ТГФ (из муравьиной кислоты) восстанавливается до того же метилен-ТГФ. После этого метилен-ТГФ распадается, высвобождая формальдегид (реакция 10 на рис. 11.9).

Затем включается рибулозо-монофосфатный цикл. Входящим веществом этого цикла служит формальдегид: попадая в рибулозо-фосфатный цикл, он превращается в сахара (рис. 11.10). Рибулозо-фосфатный цикл похож на пентозофосфатный цикл и цикл Кальвина и фактически представляет собой упорядоченную реакцию Бутлерова.

Есть и еще один вариант метилотрофного обмена веществ, в котором свободный формальдегид не участвует, а вместо этого метилен-ТГФ реагирует с глицином, образуя серин (реакция 5 на рис. 11.9) (Rothschild, 2008). Дальнейшие превращения серина обратно в глицин с вводом углерода в центральный обмен веществ (сериновый цикл) сложны. Судя по данным сравнительной геномики, сериновый цикл возник довольно поздно и заимствовал ферменты из многих других биохимических путей. Рибулозо-монофосфатный и сериновый циклы представляют собой еще два варианта связи между одноуглеродным и основным метаболизмом.

Выбор между разными способами включения углерода в обмен веществ у метилотрофов диктуется условиями среды. В анаэробных условиях выгоднее ацетил-КоА-путь, потому что он обходится без высвобождения ядовитого формальдегида (формалин, 4 %-ный водный раствор формальдегида, используется как дезинфицирующее средство). Но ключевой фермент ацетил-КоА-пути уязвим к кислороду, поэтому в аэробных условиях приходится использовать рибулозо-монофосфатный и сериновый циклы. Рибулозо-монофосфатный и сериновый циклы появились как приспособление метилотрофного образа жизни к кислородной среде, несовместимой с ацетил-КоА-путем. Однако рибулозо-монофосфатный цикл, питаемый свободным формальдегидом, может быть похож на древнейшие пути синтеза сахаров, которые возникли из упорядочения реакции Бутлерова и тоже использовали формальдегид.

Становление обмена веществ

Современный обмен веществ появился не сразу. Скорее всего, его становление прошло через много последовательных стадий. Мы можем попробовать восстановить путь развития обмена веществ начиная от мира РНК и до клеточных организмов современного типа, таких как бактерии.

Обмен веществ должен делать нужные для организма вещества из тех, что есть в наличии. Для организмов РНК-мира были нужны прежде всего нуклеотиды и их компоненты – рибоза и азотистые основания. Круг веществ, которые были доступны для РНК-организмов во внешней среде, мы уже очертили в главах 6 и 7: это углекислый газ, формальдегид, муравьиная кислота, формамид, синильная кислота и ее производные (цианамид и цианоацетилен) и, скорее всего, аммиак (NH3) и угарный газ (СО).

Для получения рибозы из этого списка лучше всего подходит формальдегид, легко вступающий в реакцию Бутлерова. В современных клетках взаимные превращения сахаров (в цикле Кальвина и пентозофосфатном цикле) происходят по тому же механизму альдольной конденсации, что и стадии реакции Бутлерова. Более того, у ряда метилотрофных микробов мы встречаем рибулозо-монофосфатный цикл, производящий сахара непосредственно из формальдегида. Скорее всего, у РНК-организмов действовал какой-то примитивный вариант рибулозо-монофосфатного цикла под контролем рибозимов.

Азотистые основания нуждаются в других веществах-предшественниках. До появления жизни они могли строиться из цианида или формамида, как было рассказано в главе 7. В клетках для построения азотистых оснований используются аминокислоты (глицин и аспарагиновая кислота), муравьиная кислота (в форме формил-ТГФ или формил-фосфата), углекислый газ и карбамоил-фосфат. Кроме того, часть азота для пуриновых оснований поступает в составе третьей аминокислоты – глутамина, но его можно заменить просто достаточным количеством аммиака. Муравьиная кислота, СО2 и аммиак доступны в среде. Карбамоил-фосфат похож на формамид, соединенный с фосфатной группой, и возможно, занял место формамида в древнейшем обмене веществ. Глицин образуется в глициновом цикле, например, из муравьиной кислоты и аммиака.

Сложнее определить источник аспарагиновой кислоты. В клетках она образуется из щавелевоуксусной кислоты и аммиака. Щавелевоуксусная кислота является промежуточным продуктом цикла Кребса. Щавелевоуксусная и другие кислоты цикла Кребса образуются, например, из СО2 на кристаллах сульфида цинка при освещении, или из формамида на кристаллах оксида титана, или из синильной кислоты при чередовании освещения и нагревания в темноте. Иными словами, в среде, где есть кристаллы сульфида цинка, формамид или синильная кислота, какое-то количество аспарагиновой кислоты неизбежно получится. РНК-организмы могут при помощи рибозимов ускорять и стабилизировать любой из этих путей получения аспарагиновой кислоты.