Происхождение жизни: Холмс, как стартовала первая метаболическая цепочка? — Элементарно, Ватсон…

Вынесенный в заголовок вопрос является одним из важнейших в проблеме происхождения жизни (второй - как возникла репликация). В это статье мы постараемся подобраться к ответу на него.

Логично предположить, что поиски имеет смысл сосредоточить в путях запасения энергии и синтеза органических молекул у наиболее архаичных организмов. Первым кандидатом на таковой можно считать путь ацетогенов, он же, путь Вуда-Люндгаля ^[1]. Практически все известные реконструкции указывают, что он был уже у LUCA ^[2]. В классическом варианте данного пути из двух молекул углекислого газа и водорода на коферменте A ^[3](CoA) синтезируется молекула Ацетил-КоА ^[4] (Acetyl-CoA). Она потом может участвовать в большом количестве метаболических процессов таких как, например, цикл Кребса ^[5], синтез жирных кислот ^[6], ацетилирование ^[7] белков, синтез коферментов ^[8], сборка терпенов ^[9] и многих других реакциях, происходящих в клетке. Кроме того, тиоэфирная ^[10] связь, которой ацетил ^[11] связан с коферментом А, содержит большое количество свободной энергии (даже немного, чем фосфоэфирная связь, образующаяся при классическом фосфорилировании ^[12]), которую тоже можно при необходимости использовать.

Тем не менее, общий баланс энергии без учета мембранного комплекса прокачки атомов натрия через мембрану, который имеет довольно сложное устройство, и вряд ли появился уже на ранних этапах эволюции, околонулевой, так как в процессе восстановления одной из молекул CO₂ до муравьиной кислоты расходуется одна молекула АТФ ^[13]. Но ситуация кардинально меняется, если на вход цепочки подается угарный газ (CO). В этом случае реакция может идти уже без расхода АТФ и мы получаем двойной профит - синтез органики одновременно с запасанием энергии, как образно выразился один из ученых - это как если бы вас пригласили на бесплатный ужин, за участие в котором еще бы и приплачивали. Хотя в настоящее время в атмосфере Земли CO очень мало, на других каменистых планетах солнечной системы, имеющих атмосферу (Марс и Венера), он составляет в ней долю, сравнимую с долей углекислого газа на Земле.

На рисунке, приведенном ниже, ниже видна удивительная схожесть последних этапов метаболического пути бактерий - ацетогенов и небиологических химических реакций, которые происходят на металлических кристаллических решетках при наличии в среде угарного газа и сероводорода.

Рассмотрим эти циклы более подробно. Как видно из рисунка, у бактерий синтез ацетильной группы −COCH₃ фактически осуществляется на чем то вроде фрагмента кристалла, содержащего атомы железа, серы и никеля. Минералы, в которых встречаются кристаллы подобного состава, носят общее название пентландиты ^[14], и они достаточно широко распространены в природе. Сама кристаллическая структура, играющая роль каталитического центра реакции, заключена у бактерий внутри протеинового комплекса, называемого acetyl-CoA synthase, сокращённо ACS. Соответственно, все фазы работы состоящего из неорганики каталитического центра изображены на рисунке вокруг надписи ACS.

Слева-внизу от неё показано исходное состояние наноразмерного "четырёхтактного двигателя". На первой фазе его работы к одному из атомов никеля присоединяется молекула угарного газа. В настоящее время его уже практически не осталось в атмосфере, поэтому, ацетогены вынуждены сами его синтезировать путём восстановления CO₂ в другом реакционном центре - CO дегидрогеназе с последующей передачей в каталитический центр ACS по специально выделенному "туннелю", соединяющему оба протеиновых комплекса (это нужно для того, что бы синтезированный отнюдь не без усилий угарный газ никуда не "сбежал", и не окислился по дороге, ненароком, обратно в CO₂). Однако, около четырех миллиардов лет назад угарного газа в атмосфере должно было быть гораздо больше, и он, скорее всего, мог черпаться из окружающей среды напрямую.

На второй фазе работы каталитического центра к тому же атому никеля на ещё одну пока свободную его валентность подвешивается метильная группа -CH₃, синтезированная ранее в другой цепочке реакций, и сданная "до востребования" на хранение атому кобальта (см. верхнюю-правую часть рисунка). Кстати, по странному, на первый взгляд, стечению обстоятельств, кобальт тоже является типичной минорной примесью всё того же пентландита, см., например, статью ^[15] про него в википедии на английском.

На третьем такте работы химического "двигателя" CO и CH₃ объединяются в ацетил, который по прежнему удерживается на атоме никеля (см. изображение соответствующего состояния коэнзима слева-вверху относительно надписи ACS). Наконец, в заключительной фазе цикла ацетил отсоединяется от никеля и присоединяется к коферменту А приводя, тем самым, систему в исходное состояние. Что же касается дальнейшей судьбы ацетила, то она может быть различной. Как правило, он либо участвует в синтезе жирных кислот и другой органики, либо окисляется до ацетата ^[16] с попутным запасанием клеткой энергии в форме АТФ.

На основе вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что важнейшую роль в заключительных реакциях метаболического цикла ацетогенов играют кобальт и объединенные в единую кристаллическую структуру атомы серы, железа и никеля. Как уже отмечалось выше, все перечисленные химические элементы встречаются вместе в минерале пентландит, обнаруживаемом в породах, образовавшихся в результате магматических извержений, а так же в метеоритах (в частности, он встречается в составе наделавшего в свое время много шума челябинского метеорита ^[17]). Таким образом, не лишено оснований предположение, что исходно данные реакции могли идти, пусть и с меньшим КПД, на поверхности минералов абиогенно, а появившиеся позже органические кофакторы и протеиновые комплексы просто позволили взять их под контроль и использовать с выгодой для живых организмов.

Возможность протекания абиогенного аналога реакции косвенно подтверждается и опытами Вэхтерсхойзера ^[18] в которых при пропускании CO и H₂S через воду, в которую был добавлен порошок, содержащий сульфиды железа и никеля, тоже образовывался ацетат. Как ещё один продукт реакции был зафиксирован метантиол ^[19], который может рассматриваться как простейший древний аналог кофермента А, ^[20] осуществляющего последнюю реакцию в обсуждаемой цепочке. Более того, в другом эксперименте ^[21] было показано, что в схожих условиях на сульфидах никеля в качестве катализатора при пропускании через них тех же CO и H₂S образуются так же этантиол (CH₃-CH₂-SH) и даже пропантиол (CH₃-CH₂-CH₂-SH).

Все три указанные молекулы можно рассматривать как закономерный ряд от самого примитивного (но, все же, не кастрированного) аналога CoA - метантиола ко все более продвинутым его аналогам, за счет постепенного наращивания его углеводородного "хвоста" (см. рисунок ниже). Этот хвост нужен, конечно, не для красоты, а для того, что бы протеинам было удобнее за него удерживать и распознавать сам кофермент. Таким образом, даже в абиогенных условиях хвост может постепенно наращивать свою длину, делая молекулу по мере удлинения более похожей на итоговый биологический "конечный продукт" - кофермент А.

Отдельная тема, как в абиогненном аналоге цепочки на атомах металлов могла появиться метильная группа. Один из вариантов - в результате отщепления от метантиола при его взаимодействии с атомами металлов, в частности, кобальта. При давлении в 100 атмосфер, что примерно соответствует глубине океана в 1 км., и температуре порядка 100C метилирование кобальта идет уже вполне активно. Потом, в какой-то подходящий момент, метильная группа, расположенная на кобальте в составе петландита, могла перемещаться на никель с уже удерживаемы им угарным газом, образовывая, таким образом, ацетильную группу. Кстати, насколько мне известно, перенос метильной группы с кобальта на никель в ацетатном цикле напрямую с одного металла на другой, вообще является уникальной для живых систем химической реакцией, что косвенно подтверждает, что это архаизм, оставшийся в наследство от первичного цикла, который шел прямо на минералах.

Следует отметить, что необходимые для осуществления рассматриваемых реакций угарный газ и сероводород обычно входят в состав газов, поднимающихся из активных вулканов. Много их и в подводных геотермальных источниках, в частности, в так называемых белых курильщиках, которые так же часто называют геотермальными источниками типа Lost City ^[22].

Но, оказывается, и это ещё не всё! В качестве бесплатного бонуса теории первичности ацетатного цикла можно рассматривать тот факт, что реакция образования ацетил-фосфата, являющаяся ключевой для синтеза АТФ на последнем этапе, существенным образом усиливается в присутствии калия, и, наоборот, подавляется в присутствии натрия ^[23]. Это может быть одним из возможных объяснений до сих пор во многом загадочного стремления любой клетки поддерживать в своей цитоплазме неестественное для неживой природы соотношение концентраций калия и натрия. Внутриклеточное превалирование калия над натрием может быть своеобразным "родимым пятном", доставшимся живым системам в наследство ещё от самых ранних этапов их эволюции!