Die antike Chemie könnte erklären, warum Lebewesen ATP als universelle Energiewährung verwenden

ATP, Adenosintriphosphat, wird von allen Zellen als Energiezwischenprodukt genutzt. Während der Zellatmung wird Energie gewonnen, wenn dem ADP (Adenosindiphosphat) ein Phosphat zugesetzt wird, um ATP zu erzeugen. Durch die Spaltung dieses Phosphats wird Energie freigesetzt, die die meisten Arten von Zellfunktionen antreibt. Der Aufbau der komplexen chemischen Struktur von ATP von Grund auf ist jedoch energieintensiv und erfordert sechs separate ATP-gesteuerte Schritte; Während überzeugende Modelle eine präbiotische Bildung des ATP-Gerüsts ohne Energie aus bereits gebildetem ATP ermöglichen, deuten sie auch darauf hin, dass ATP wahrscheinlich recht knapp war und dass eine andere Verbindung in diesem Stadium möglicherweise eine zentrale Rolle bei der Umwandlung von ADP in ADP gespielt hat Evolution.

Der wahrscheinlichste Kandidat, glaubten Lane und Kollegen, sei die Zwei-Kohlenstoff-Verbindung Acetylphosphat (AcP), die heute sowohl in Bakterien als auch in Archaeen als Stoffwechselzwischenprodukt fungiert. Es wurde gezeigt, dass AcP in Gegenwart von Eisenionen ADP in Wasser zu ATP phosphoryliert. Nach diesem Nachweis blieben jedoch noch zahlreiche Fragen offen, darunter auch, ob andere kleine Moleküle möglicherweise ebenfalls funktionieren, ob AcP spezifisch für ADP ist oder stattdessen genauso funktionieren könnte gut mit Diphosphaten anderer Nukleoside (wie Guanosin oder Cytosin) und ob Eisen in seiner Fähigkeit, die ADP-Phosphorylierung in Wasser zu katalysieren, einzigartig ist.

In ihrer neuen Studie sind die Autoren all diesen Fragen nachgegangen. Sie stützten sich auf Daten und Hypothesen über die chemischen Bedingungen der Erde vor der Entstehung des Lebens und testeten die Fähigkeit anderer Ionen und Mineralien, die ATP-Bildung im Wasser zu katalysieren. Keines war annähernd so wirksam wie Eisen. Als nächstes testeten sie eine Reihe anderer kleiner organischer Moleküle auf ihre Fähigkeit, ADP zu phosphorylieren; Keines war so wirksam wie AcP, und nur eines (Carbamoylphosphat) hatte überhaupt eine signifikante Aktivität. Schließlich zeigten sie, dass keines der anderen Nukleosiddiphosphate ein Phosphat von AcP akzeptierte.

Durch die Kombination dieser Ergebnisse mit molekulardynamischer Modellierung schlagen die Autoren eine mechanistische Erklärung für die Spezifität der ADP/AcP/Eisen-Reaktion vor und gehen davon aus, dass der kleine Durchmesser und die hohe Ladungsdichte des Eisenions mit der Konformation des gebildeten Zwischenprodukts kombiniert werden Wenn die drei zusammenkommen, entsteht eine „genau richtige“ Geometrie, die es dem Phosphat von AcP ermöglicht, den Partner zu wechseln und so ATP zu bilden.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass AcP der plausibelste Vorläufer von ATP als biologischer Phosphorylator ist“, sagt Lane, „und dass die Entstehung von ATP als universelle Energiewährung der Zelle nicht das Ergebnis eines „eingefrorenen Unfalls“ war. ', sondern entstand aus den einzigartigen Wechselwirkungen von ADP und AcP. Mit der Entwicklung geeigneter Katalysatoren könnte ATP schließlich AcP als allgegenwärtigen Phosphatdonor verdrängen und die Polymerisation von Aminosäuren fördern und Nukleotide zur Bildung von RNA, DNA und Proteinen.

Die Hauptautorin Silvana Pinna fügt hinzu: „ATP ist für den Stoffwechsel so zentral, dass ich dachte, es könnte unter präbiotischen Bedingungen aus ADP gebildet werden. Ich dachte aber auch, dass mehrere Phosphorylierungsmittel und Metallionenkatalysatoren funktionieren würden, insbesondere solche, die im Leben konserviert werden.“ Es war sehr überraschend zu entdecken, dass die Reaktion so selektiv ist – im Hinblick auf das Metallion, den Phosphatspender und das Substrat – mit Molekülen, die das Leben noch nutzt. Die Tatsache, dass dies am besten in Wasser unter milden, lebensverträglichen Bedingungen geschieht, ist wirklich ziemlich bedeutsam für den Ursprung des Lebens.'