Πώς η ATP τροφοδοτεί με ενέργεια όλες τις μορφές ζωής στον πλανήτη

Ακούστε το άρθρο στο Spotify:

Αν υπάρχει ένα πράγμα που οι περισσότεροι θυμούνται ακόμη απ’ το μάθημα της Bιολογίας στο γυμνάσιο, αυτό είναι ότι τα μιτοχόνδρια αποτελούν τα «εργοστάσια παραγωγής ενέργειας του κυττάρου». Ο λόγος είναι το γεγονός ότι εντός των οργανιδίων αυτών, παράγεται η τριφωσφορική αδενοσίνη, ένα οργανικό μόριο με δεσμούς υψηλής ενέργειας που προσδίδει σε κάθε μορφή ζωής στη Γη, συμπεριλαμβανομένου φυσικά και του ανθρώπου, την ενέργειά της.

Μια απλή ένωση δύο ατόμων άνθρακα ενδέχεται να αποτέλεσε καθοριστικό παράγοντα στην εξέλιξη του μεταβολισμού, προτού καν κάνουν την εμφάνισή τους τα πρώτα κύτταρα της ζωής, σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 4 Οκτωβρίου στο επιστημονικό περιοδικό ελεύθερης πρόσβασης PLOS Biology, από τον Νικ Λέιν και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστημιακό Κολλέγιο του Λονδίνου (UCL, University College London) στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Τα ευρήματα ρίχνουν φως στα πρώτα στάδια της Προβιοτικής Βιοχημείας και υποδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο η τριφωσφορική αδενοσίνη – ακόμη και στην Ελλάδα γνωστότερη απλώς ως ATP (Adenosine triphosphate) – κατέληξε να είναι το παγκόσμιο μέσο μεταφοράς ενέργειας όλων των κυττάρων, και κατ’ επέκτασιν όλων των οργανισμών στον πλανήτη σήμερα.

Η ATP χρησιμοποιείται από όλα τα κύτταρα για την παροχή ενέργειας, προκειμένου να εκπληρωθεί ένα σύνολο βιοχημικών αντιδράσεων ζωτικής σημασίας. Κατά την κυτταρική αναπνοή, η ενέργεια συλλέγεται όταν προστίθεται ένα φωσφορικό άλας στη διφωσφορική αδενοσίνη (Adenosine diphosphate, ADP) προς δημιουργία ΑΤΡ – η διάσπαση του συγκεκριμένου φωσφορικού άλατος, η οποία στην πραγματικότητα λαμβάνει χώρα μέσω υδρόλυσης, απελευθερώνει ενέργεια που καθίσταται άμεσα διαθέσιμη για την τροφοδοσία των περισσότερων τύπων κυτταρικών λειτουργιών. Όμως, η δημιουργία της πολύπλοκης χημικής δομής της ΑΤΡ από το μηδέν είναι ενεργοβόρα και απαιτεί έξι επιμέρους βήματα, ενώ τα μοντέλα που επιτρέπουν τον προβιοτικό σχηματισμό του σκελετού της ΑΤΡ χωρίς ενέργεια από την ήδη σχηματισμένη ΑΤΡ, υποδηλώνουν κι αυτά ότι η ΑΤΡ ήταν πιθανότατα ιδιαίτερα σπάνια, καθώς και ότι κάποια άλλη ένωση ενδεχομένως να διαδραμάτιζε καθοριστικό ρόλο στη μετατροπή της ADP σε ΑΤΡ σε αυτό το στάδιο της εξέλιξης.

Ο Λέιν και οι συνεργάτες του πίστευαν ότι ο πιο πιθανός υποψήφιος ήταν η ένωση με δύο άτομα άνθρακα γνωστή ως φωσφορικό ακετύλιο (AcP), το οποίο λειτουργεί σήμερα τόσο στα σύγχρονα βακτήρια, όσο και στα αρχαία (προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί χωρίς κυτταρικό πυρήνα, χωρίζονται σε πολλές συνομοταξίες), ως μεταβολικό ενδιάμεσο. Το φωσφορικό ακετύλιο έχει αποδειχθεί ότι φωσφορυλιώνει τη διφωσφορική αδενοσίνη σε τριφωσφορική αδενοσίνη στο νερό παρουσία ιόντων σιδήρου.

Εντούτοις, πολλαπλά ερωτήματα παρέμεναν αναπάντητα μετά απ’ τη συγκεκριμένη επίδειξη, όπως το εάν άλλα μικρά μόρια θα μπορούσαν να λειτουργήσουν εξίσου αποδοτικά, εάν το φωσφορικό ακετύλιο είναι ειδικό συγκεκριμένα για τη διφωσφορική αδενοσίνη, εάν θα μπορούσε να λειτουργήσει εξίσου καλά με διφωσφορικά άλλων νουκλεοσιδίων – όπως η γουανοσίνη ή η κυτοσίνη – και εάν ο σίδηρος είναι μοναδικός στην ικανότητά του να καταλύει τη φωσφορυλίωση της ADP στο νερό.

Στη νέα τους μελέτη, λοιπόν, οι συγγραφείς διερεύνησαν τα εν λόγω ερωτήματα και βασιζόμενοι σε δεδομένα και υποθέσεις σχετικά με τις χημικές συνθήκες που επικρατούσαν στη Γη πριν από την εμφάνιση της ζωής, εξέτασαν την ικανότητα άλλων ιόντων και ορυκτών να καταλύουν το σχηματισμό τριφωσφορικής αδενοσίνης στο νερό. Από την εξέταση προέκυψε ότι κανένα ιόν ή ορυκτό δεν πλησίαζε ούτε στο ελάχιστο την αποτελεσματικότητα του σιδήρου. Εν συνεχεία, δοκίμασαν μια ομάδα μικρών οργανικών μορίων ως προς την ικανότητά τους να φωσφορυλιώνουν την ADP – κανένα δεν ήταν τόσο αποτελεσματικό όσο το AcP. Έδειξαν, ακόμα, ότι κανένα από τα άλλα διφωσφορικά νουκλεοσιδικά δεν δέχονταν στη δομή τους φωσφορικό άλας από το AcP.

Συνδυάζοντας αυτά τα αποτελέσματα με μοριακή-δυναμική μοντελοποίηση, οι συγγραφείς προτείνουν μια μηχανιστική εξήγηση για την ιδιαιτερότητα της αντίδρασης μεταξύ ADP, AcP και σιδήρου, διατυπώνοντας την υπόθεση ότι η μικρή διάμετρος και η υψηλή πυκνότητα ηλεκτρικού φορτίου των ιόντων σιδήρου, σε συνδυασμό με τη διαμόρφωση του ενδιάμεσου προϊόντος που σχηματίζεται όταν τα τρία συναντώνται, παρέχουν μια κατάλληλη (μοριακή) γεωμετρία που επιτρέπει στο φωσφορικό άλας του AcP να αλλάξει εταίρο, σχηματίζοντας ΑΤΡ.

«Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι το φωσφορικό ακετύλιο συνιστά τον πιο πιθανό πρόδρομο της ΑΤΡ ως βιολογικός φωσφορυλιωτής», αναφέρει ο Λέιν, «και ότι η εμφάνιση της ΑΤΡ ως το παγκόσμιο ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου δεν ήταν αποτέλεσμα ενός “παγωμένου ατυχήματος” (σ.σ. μία θεωρία του Μοριακού Βιολόγου Φράνσις Κρικ, ο οποίος αναφέρθηκε στο “παγωμένο ατύχημα” ως μία αδυναμία του γενετικού κώδικα να δεχθεί νέες παραλλαγές ή διαφοροποιήσεις ), αλλά προέκυψε από τις μοναδικές αλληλεπιδράσεις της ADP και του AcP. Με την πάροδο του χρόνου και με την εμφάνιση των κατάλληλων καταλυτών, η ΑΤΡ θα μπορούσε τελικά να εκτοπίσει το AcP ως πανταχού παρόντα δότη φωσφορικών και να προωθήσει τον πολυμερισμό των αμινοξέων και των νουκλεοτιδίων για τον σχηματισμό RNA, DNA και πρωτεϊνών», καταλήγει ο Λέιν.

Η ΑΤΡ είναι τόσο σημαντική για τον μεταβολισμό που θεώρησα ότι θα ήταν δυνατόν να σχηματιστεί από την ADP υπό προβιοτικές συνθήκες. Αλλά σκέφτηκα, επίσης, ότι θα μπορούσαν να λειτουργήσουν διάφοροι φωσφορυλιωτικοί παράγοντες και καταλύτες μεταλλικών ιόντων, ιδίως αυτοί που διατηρούνται στη ζωή. Ήταν μεγάλη έκπληξη να ανακαλύψω ότι η αντίδραση είναι τόσο επιλεκτική -στο μεταλλικό ιόν, στον φωσφορικό δότη και στο υπόστρωμα- με μόρια που η ζωή εξακολουθεί να χρησιμοποιεί. Το γεγονός ότι αυτό συμβαίνει αποδοτικότερα στο νερό υπό ήπιες, συμβατές με τη ζωή συνθήκες, είναι πραγματικά πολύ σημαντικό για την προέλευση της ζωής.

 

Σιλβάνα Πίννα, Επικεφαλής συγγραφέας της έρευνας

Σχετικά Άρθρα

ΤΕΛΕΥΤΑΙΑ ΑΡΘΡΑ