Текст книги "Происхождение жизни. От туманности до клетки"

Коферменты – это разнородная группа веществ, которые выполняют особые функции в биохимии и не относятся ни к одному из основных классов веществ живых организмов (белки, нуклеиновые кислоты, сахара, липиды). Организм человека не способен производить большинство коферментов из простых предшественников, поэтому мы должны получать их «заготовки» с пищей, в виде витаминов. Коферменты НАД и ФАД переносят атомы водорода и участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Кофермент А (КoA) работает в реакциях, связанных с переносом ацетильных групп (-CO-CH₃) и других кислотных остатков. Тиаминпирофосфат принимает участие в реакциях карбоксилирования и декарбоксилирования (присоединения и отщепления углекислого газа). Цианкобаламин служит для переноса метильных (CH₃) групп.

Многие важнейшие коферменты имеют в своем составе адениновый нуклеотид: у кофермента А (КoA) к нему присоединена молекула витамина В₅, у НАД – витамин РР, у ФАД – витамин B₂ (рис. 10.3). Адениновый нуклеотид также входит в состав аденозил-кобаламина – активной формы витамина В₁₂. Более того, у коферментов НАД и ФАД молекула в целом выглядит как два соединенных нуклеотида, где одно азотистое основание – обычный аденин, а в роли второго выступает никотинамид или флавин. Аденин в составе коферментов никак не участвует в их работе и служит только для узнавания коферментов белками. Скорее всего, это наследие РНК-мира, в котором витамины были пришиты к рибозимам для расширения их каталитических возможностей.

В опытах по искусственному отбору рибозимов были получены рибозимы, катализирующие часть этапов синтеза коферментов, а именно присоединение пантетеина, никотинамид-мононуклеотида и флавин-мононуклеотида к АТФ с образованием КoA, НАД и ФАД соответственно (Jadhav, Jarus, 2002). Также известны рибозимы, которые специфически пришивают НАД, ФАД или КoA к концу своей собственной молекулы или к другой РНК.

Коферменты НАД и ФАД переносят атомы водорода от одной молекулы к другой и необходимы в клетке для проведения окислительно-восстановительных реакций. Хотя в клетках они работают совместно с белками, в экспериментах были получены рибозимы, которые прочно и избирательно связывали НАД и с его помощью окисляли спирт в альдегид (рис. 10.4), – в клетках эту реакцию проводит НАД-содержащий белковый фермент алкоголь-дегидрогеназа (Tsukiji et al., 2004). Для никотинамида, ключевого компонента НАД, обнаружен простой путь синтеза, не требующий никаких ферментов и вполне реальный в условиях древней Земли. В нем простой сахар (диоксиацетон-фосфат) реагирует с аспарагиновой кислотой (одна из обычных аминокислот в составе белков) в водном растворе при температуре 60–100 °C (Cleaves, Miller, 2001). РНК, в которых на 5' конце находится НАД вместо обычного нуклеотида, обнаружены и в современных клетках: у кишечной палочки такой модификации подвергается до 15 % малых регуляторных РНК (sRNA) (Cahova et al., 2014), хотя функция НАД в составе этих РНК пока неизвестна.

Кофермент А тоже прекрасно ладит с рибозимами. Очень впечатляет работа Вазанта Ядхава и Михаэля Яруса (Jadhav и Yarus, 2002). Они создали набор рибозимов, проводящих в одном опыте три последовательные химические реакции: пришивание КoA к концу РНК, активацию органической кислоты при помощи АТФ (при этом получается ацил-аденилат) и перенос кислотного остатка ацил-аденилата на КoA в составе рибозима. Затем другая команда химиков получила рибозим, который использует ацетил-КоА и малонил-КоА для реакции конденсации Клайзена (Ryu et al., 2006). В этой реакции – а она является ключевым шагом в построении длинных молекул жирных кислот – соединяются два остатка органических кислот.

Еще один кофермент, который удалось заставить работать вместе с рибозимом, – это тиаминпирофосфат, активная форма витамина В₁. Он используется в обмене веществ там, где надо присоединить или отщепить молекулу углекислого газа. Канадские химики Пол Чернак и Дипанкар Сен получили рибозим, который прочно связывает тиаминпирофосфат и с его помощью отщепляет СО₂ от пировиноградной кислоты и ее аналогов (Cernak, Sen, 2013). Эта реакция очень важна в обмене веществ, через нее проходит «сгорание» всех потребляемых нами сахаров (подробнее в главе 11). Воспроизведение ее при помощи рибозима, а не белкового фермента – существенное доказательство возможности сложного обмена веществ до появления белков.

В той же лаборатории под руководством Дипанкара Сена рибозимы «подружились» и с гемом. Этот кофермент входит в состав гемоглобина крови, придавая ей красный цвет и способность переносить кислород. Кроме того, гем входит в состав цитохромов – большой группы белков, участвующих в самых разных окислительно-восстановительных реакциях.

РНК, отобранные на прочное связывание гема, заодно проводили две химические реакции: окисление разных веществ перекисью водорода при помощи гема и вставку цинка и меди в протопорфирин IX (подобная реакция происходит на последней стадии сборки гема) (Sen and Poon, 2011).

Как мы помним, еще до возникновения жизни компоненты РНК прошли отбор на устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Главный механизм этой устойчивости заключается в том, что азотистые основания очень быстро превращают энергию поглощенного ультрафиолета в тепло. Для запуска этого механизма поглощенная порция энергии должна быть достаточно велика. Азотистые основания поглощают ультрафиолет с длиной волны 240–280 нм (УФС), который сейчас задерживается озоновым слоем и не доходит до поверхности Земли. Более длинноволновый ультрафиолет (УФА и УФВ) азотистые основания не поглощают, и возбуждение соседних молекул, вызванное поглощением УФА или УФВ, не снимают. Следовательно, если мы хотим создать рибозим, который будет делать что-то полезное при помощи света, надо дать ему «антенну» – какую-то вспомогательную молекулу, чтобы она поглощала свет. И поглощать она должна видимый свет или УФА, чтобы азотистые основания не могли растратить его энергию в тепло. Примерно так рассуждали в лаборатории Дипанкара Сена, когда начали работу по созданию рибозима-фотолиазы.

Обычная фотолиаза – это фермент, который чинит тиминовые димеры, один из типов повреждений ДНК, возникающих под воздействием ультрафиолета (рис. 10.5). Фотолиаза содержит кофермент ФАД и работает только при освещении синим светом. Для расщепления очень прочного четырехчленного кольца тиминового димера обычного восстановительного потенциала ФАД недостаточно, и в реакцию вступает его возбужденная синим светом форма (о возбужденных состояниях и их химических свойствах рассказывалось в главе 6).

Фотолиаза сохраняет некоторую активность и без ФАД. В этом случае ей нужен не синий свет, а ближний ультрафиолет (УФА), который поглощается аминокислотой триптофаном в составе белковой цепи. В норме триптофан передает возбуждение на ФАД, но без ФАД может и напрямую восстанавливать кольцо тиминового димера.

Аспиранты Дипанкара, зная эти детали, в эксперименте по отбору рибозимов-фотолиаз взяли в качестве антенны серотонин – производное триптофана. Серотонин работает в качестве сигнальной молекулы в нашей нервной системе, но ни в каких особых отношениях со светом замечен не был, хотя он хорошо поглощает УФА. В эксперименте было получено несколько разных рибозимов-фотолиаз, лишь немного уступающих по активности белку-фотолиазе. Подробное изучение показало, что один из этих рибозимов, названный UV1C, прекрасно обходится без серотонина (Chinnapen, Sen, 2004)! Он поглощает более коротковолновый ультрафиолет, чем рибозимы с серотонином (300 нм против 320), работает менее эффективно, но тоже неплохо. Как оказалось, за поглощение света и его использование в UV1C отвечает G-квардуплекс – особая структура из четырех гуанинов, связанных водородными связями в большое плоское кольцо (рис. 10.6). Такая структура взаимодействует со светом как единое целое. Квадруплекс поглощает более длинные волны, чем одиночный гуанин или пара G-C, и не рассеивает их в тепло. Такие четверки образуются в ДНК и РНК, богатых гуанином, и важны для поддержания устойчивости концевых частей хромосом в наших клетках. Они же, как оказалось, нужны для связывания гема рибозимами.

Та же фотолиаза вдохновила на исследования и Михаила Критского из Института биохимии имени А. Н. Баха в Москве. Его группа изучала взаимодействие со светом кофермента ФАД. Этот кофермент участвует во многих окислительно-восстановительных реакциях как переносчик водорода и электронов, но играет и другие роли. Кроме фотолиазы ФАД поглощает свет в криптохромах – белках, регулирующих суточные ритмы животных и растений. На основе ФАД-содержащих криптохромов у животных возникли также системы восприятия магнитного поля.

Критский с сотрудниками обнаружили, что флавин можно получить очень просто, запекая сухую смесь аминокислот (глутамат, глицин, лизин) при температуре 180 °C без доступа воздуха. При растворении запеченной смеси в воде с силикатами образуются микросферы из неупорядоченных пептидов, силикатов и флавина. Эти микросферы при освещении поглощают синий свет и за счет его энергии способны синтезировать АТФ из АДФ и неорганического фосфата, осуществляя фотореакцию с неплохой эффективностью – одна молекула АТФ на пять поглощенных квантов света (Kritsky et al., 2007). Реакция идет лучше в присутствии окислителей: воздуха, перекиси водорода или солей трехвалентного железа. Точный механизм флавиновых фотореакций неизвестен, но он включает какие-то промежуточные окислительно-восстановительные шаги. Силикатный матрикс микросфер, видимо, необходим для удержания реагирующих молекул в правильной ориентации друг к другу – просто раствор флавинов в воде не способен производить АТФ на свету (Telegina et al., 2013).

В РНК-мире возможны и другие пути использования энергии Солнца. Например, тиоацетат (серное производное уксусной кислоты) разрушается при облучении ультрафиолетом. Но в присутствии урацила и фосфатов он при этом превращается в ацетил-фосфат – богатое энергией соединение, которое может отдавать фосфатную группу, активируя нуклеотиды и способствуя синтезу РНК (Hagan, 2010).

Если рибозимы легко могут использовать коферменты для получения новых химических способностей, то можно предположить, что они могли также использовать аминокислоты. Из 20 стандартных аминокислот, входящих в состав белков, меньше половины бывают ключевыми элементами активных центров ферментов: гистидин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, лизин, аргинин, тирозин, серин, цистеин. Даже среди этих восьми аминокислот есть две пары относительно взаимозаменяемых: аспарагиновая-глутаминовая кислоты и лизин-аргинин. Иными словами, пять-шесть видов аминокислот, вставляемых в рибозимы, могут приблизить их к белкам по химическому разнообразию и возможностям катализа.

Отдельные свободные аминокислоты и короткие пептиды из них могут ускорять химические реакции, подобно ферментам. Например, двух аминокислот – гистидин и цистеин – достаточно для превращения глюкозы в пировиноградную кислоту в три шага (через глюконовую кислоту и кетодезоксиглюконовую кислоту) (Shimizu et al., 2008). Эта последовательность реакций может быть простым аналогом гликолиза, где глюкоза тоже превращается в пировиноградную кислоту, но более сложным путем и с запасанием энергии в АТФ (о месте и значимости этой реакции в обмене веществ будет подробнее рассказано в главе 11). Две соединенные аминокислоты, серин и гистидин (такая связка называется дипептидом), могут расщеплять пептиды на аминокислоты и РНК на нуклеотиды, а в условиях недостатка воды этот же дипептид ускоряет обратную реакцию сборки РНК из нуклеотидов (Adamala et al., 2014).

В составе рибозима те же аминокислоты могут проявлять более высокую каталитическую активность и специфичность, потому что рибозим образует «карман» активного центра вокруг каталитической аминокислоты. Молекулы, не подходящие по форме к «карману», не смогут связаться с аминокислотой и прореагировать. Те молекулы, которые по форме соответствуют «карману», будут реагировать в нем быстрее, чем в растворе, потому что «карман» ориентирует их нужной стороной друг к другу. К сожалению, получению рибозимов, использующих аминокислоты, уделялось недостаточно внимания по сравнению, скажем, с поисками рибозимов-полимераз. Известен один пример рибозима, использующего гистидин. Этот рибозим расщепляет РНК и ДНК и, в отличие от других рибозимов с такой активностью, не нуждается в солях магния (Roth и Breaker, 1998).

Есть и другой способ применить пептиды для повышения эффективности рибозимов. Пептиды с положительным электрическим зарядом (в водной среде такой заряд пептидам придают аргинин и лизин) могут прочно связываться с РНК и стабилизировать ее укладку. Примеры такой помощи мы видим в рибосоме. Рибосомная РНК (крупная РНК, проводящая сборку белков из аминокислот, подробнее в главе 13) содержит много необычных элементов укладки нуклеотидной цепи, не похожих на стандартные двуспиральные петли – шпильки. Эти укладки устойчивы только благодаря тесному взаимодействию с рибосомными белками, богатыми лизином и аргинином и несущими заметный положительный заряд. В меньшем масштабе подобное взаимодействие используют вирусы. Например, у вируса иммунодефицита человека в РНК имеется особый участок, называемый TAR; он состоит из чередования двойных спиралей и шпилек. Этот участок TAR приобретает стабильную форму только при связывании с белком Tat. Контакты с РНК образуют девять идущих подряд аминокислот в белке Tat, и этот небольшой фрагмент прекрасно связывается с РНК безо всей остальной белковой молекулы. Более того, оказалось, что его можно сократить практически до полутора аминокислот – аргинин-амид тоже хорошо связывается с TAR и стабилизирует ее форму (Noller et al., 2004). 9-аминокислотный пептид из Tat в экспериментах хорошо связывался с разными рибозимами, стабилизировал их укладку и повышал их активность в десятки раз (Robertson et al., 2004).

Мы видим, что рибозимы могут использовать коферменты, аминокислоты и пептиды для расширения своих возможностей. С помощью этих дополнительных молекул рибозимы проводят многие основные типы реакций, необходимые для обмена веществ, и даже могут использовать энергию света. Судя по всему, рибозимы с коферментами могут проводить все химические реакции на пути от простых молекул до нуклеотидов.

Глава 11
Происхождение современных путей обмена веществ

В прошлой главе мы подошли к разнообразным биохимическим реакциям, которые должен был освоить РНК-мир с помощью витаминов, аминокислот и микроэлементов. Теперь пора рассмотреть обмен веществ современных клеток и возможный путь к нему от древнего обмена веществ РНК-мира.

В школьных и университетских учебниках обмен веществ рассматривается на примере самых простых и важных для человека реакций. Самый известный путь обмена веществ – это гликолиз. В процессе гликолиза происходит превращение глюкозы в пировиноградную кислоту с запасанием небольшого количества энергии в виде АТФ. Гликолиз особенно важен для бактерий и дрожжей, осуществляющих брожение. В разных видах брожения он дополняется несколькими дополнительными реакциями, в результате конечными продуктами могут быть молочная кислота, этиловый спирт или уксусная кислота. В организме человека гликолиз особенно активно идет в мышцах при большой нагрузке, когда кровь не успевает доставлять достаточное количество кислорода. В этой ситуации в мышцах накапливается молочная кислота, от которой они болят после очень интенсивных тренировок.

Обмен веществ (метаболизм) делится на катаболизм (распад сложных веществ до более простых с выделением энергии), анаболизм (образование сложных веществ из простых с затратой энергии) и промежуточный метаболизм (превращение друг в друга нескольких универсальных промежуточных веществ; связующее звено между катаболизмом и анаболизмом). Путем обмена веществ называется цепочка последовательных превращений вещества, проводимая несколькими ферментами по очереди, как на конвейере. Гликолиз относится к путям катаболизма.

В центре обмена веществ большинства клеток находится цикл Кребса, еще называемый циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот. В этой последовательности реакций уксусная кислота (в виде ацетил-КоА) присоединяется к щавелевоуксусной кислоте, давая лимонную кислоту. Лимонная кислота, в свою очередь, последовательно теряет две молекулы СО₂ и восемь атомов водорода, превращаясь обратно в щавелевоуксусную. В итоге уксусная кислота разлагается до углекислого газа и водорода на носителе (НАД или ФАД), который используется для получения энергии в реакции с кислородом.

Из кислот цикла Кребса строятся три основных класса веществ в клетках – сахара (из пировиноградной кислоты), жирные кислоты (из ацетил-КоА) и аминокислоты (из щавелевоуксусной, альфа-кетоглутаровой и пировиноградной кислот). Пути распада этих веществ для получения энергии – гликолиз, бета-окисление жирных кислот и дезаминирование аминокислот – приводят в конечном итоге к циклу Кребса (рис. 11.1).

Пути обмена веществ имеют модульную структуру и соединяются друг с другом через немногие универсальные промежуточные продукты. Например, обмен сахаров подключается к циклу Кребса через пировиноградную кислоту. Кроме гликолиза (распад глюкозы до пировиноградной кислоты) есть еще глюконеогенез – обратный путь от пировиноградной кислоты к глюкозе с затратами энергии. Благодаря глюконеогенезу, который происходит в основном в печени, молочная кислота в нашем организме может быть переработана обратно в глюкозу.

Кроме шестиуглеродных (глюкоза, фруктоза) и трехуглеродных сахаров (глицеральдегид, диоксиацетон) клетки умеют производить и расщеплять пятиуглеродные сахара, такие как рибоза, необходимая для построения ДНК и РНК. Для этого используется пентозофосфатный цикл – это сеть взаимопревращений всех классов сахаров, включая семиуглеродные (седогептулоза), шестиуглеродные, пятиуглеродные (рибоза, рибулоза и ксилулоза), четырехуглеродные (эритроза), и трехуглеродные (глицеральдегид). Цикл может работать в разных направлениях, например, производя из глюкозы рибозу для РНК и эритрозу для синтеза некоторых витаминов или, наоборот, превращая полученную с пищей рибозу в глицеральдегид для сжигания в цикле Кребса.

Клетки человека способны строить из веществ промежуточного метаболизма не все им необходимое. Они могут произвести основные сахара, такие как глюкоза, галактоза и рибоза, половину набора аминокислот, нуклеотиды и жиры. Более сложные аминокислоты (такие как лизин, метионин и триптофан) и витамины должны поступать с пищей. Другие организмы более самостоятельны. Например, кишечная палочка может построить все аминокислоты и витамины, имея в своем распоряжении только глюкозу и минеральный источник азота (нитратные или аммонийные соли). Но и человек, и кишечная палочка нуждаются в готовой органике и в конечном итоге разрушают ее. Для существования биосферы необходимы автотрофные организмы, такие как растения, которые могут производить все необходимые органические вещества из углекислого газа и азота (в форме аммиака или нитратов).

Существует несколько биохимических путей включения СО₂ в метаболизм (это называют фиксацией СО₂). У растений фиксация СО₂ происходит в цикле Кальвина. Когда школьникам говорят, что «растения поглощают углекислый газ и синтезируют глюкозу», речь идет именно о цикле Кальвина, но это сильно упрощенная правда. Строго говоря, в цикле Кальвина образуется трехуглеродный фосфоглицериновый альдегид, а затем из него в несколько этапов получается глюкоза (рис. 11.2). На первый взгляд, схема реакций цикла Кальвина очень сложна, однако большинство этих реакций – такие же перестройки сахаров, как и в пентозофосфатном цикле. Все они происходят по одному механизму альдольной конденсации, как и реакция Бутлерова, и катализируются родственными ферментами. Для фиксации СО₂ в цикле Кальвина к пентозофосфатному циклу надо добавить только три реакции:

• перенос фосфатной группы с АТФ на рибулозо-5-фосфат с образованием рибулозо-1–5-бифосфата;

• присоединение СО₂ к рибулозо-бифосфату с образованием двух молекул фосфоглицериновой кислоты;

• восстановление фосфоглицериновой кислоты до фосфоглицеринового альдегида.

Последняя реакция из этих трех, кстати, уже есть в соседнем пути метаболизма – глюконеогенезе.

Все остальные реакции в этой устрашающей схеме нужны только для того, чтобы из части фосфоглицеринового альдегида получить обратно рибулозо-1–5-бифосфат для следующего оборота цикла.

Микроорганизмы используют другие пути фиксации СО₂. Например, у ацетогенов и метаногенов есть так называемый восстановительный ацетил-КоА-путь. Эти организмы получают энергию за счет восстановления СО₂ водородом до метана или до уксусной кислоты. И этот путь восстановления СО₂ в органику у них во многом пересекается с путем восстановления СО₂ для получения энергии.

Кофермент А участвует во многих важных биохимических процессах (в том числе и в цикле Кребса, и в цикле Кальвина). Его задача – переносить остатки органических кислот на другие молекулы, например, ацетат (в главе 10 нам уже попадалось наименование этого соединения – «ацетил-КоА»). В восстановительном ацетил-КоА-пути одна молекула углекислого газа восстанавливается до муравьиной кислоты, связывается с коферментом тетрагидрофолатом (производное витамина В₉) и восстанавливается далее до метильной группы (CH₃). Другая молекула СО₂ восстанавливается другим ферментом до угарного газа (СО) и присоединяется к метильной группе и коферменту А с образованием ацетил-КоА (рис. 11.3). Этот ацетил-КоА через цикл Кребса и другие метаболические пути становится источником углерода для всех веществ в клетке.

Цикл Кальвина и восстановительный ацетил-КоА-путь представляют собой достаточно независимые «модули», которые подключаются к остальному метаболизму через одну промежуточную ступень, которую представляет либо глицеральдегид-фосфат, либо ацетил-КоА (рис. 11.4).

Кроме этих путей известен вариант фиксации СО₂, который вписан в самый центр обмена веществ у некоторых микробов. Как мы помним, в цикле Кребса происходит распад уксусной кислоты до СО₂ и водорода. Оказывается, есть организмы, которые проводят реакции цикла Кребса в обратную сторону, фиксируя с его помощью углекислый газ (рис. 11.5). Это зеленые серобактерии и некоторые другие фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии. Поскольку обычный цикл Кребса идет с выделением энергии, для проведения его реакций в обратную сторону необходимо затрачивать энергию в виде АТФ.

Существует гипотеза, согласно которой восстановительный цикл Кребса шел при помощи минеральных катализаторов еще до появления РНК и белков и, с побочными реакциями, создал аминокислоты и нуклеотиды из СО₂ (Smith and Morowitz, 2004). Она основана на следующих фактах:

• обратный цикл Кребса является автокаталитической реакцией. С учетом ветви, в которой уксусная кислота превращается в щавелевоуксусную, за один оборот цикла из одной молекулы щавелевоуксусной кислоты и четырех молекул СО₂ образуется две молекулы щавелевоуксусной кислоты. Следовательно, цикл может наращивать массу своих промежуточных веществ, потребляя СО₂ и восстановитель из внешней среды;

• для реакций цикла Кребса не обязательны коферменты, кроме КоА, который в принципе можно заменить разными простыми сероорганическими веществами;

• все ферменты обратного цикла Кребса нуждаются только в одном металле (железе), водород поступает на носителе – ферредоксине (это простой белок с железосерными кластерами, о них подробнее было в главе 7), следовательно, есть надежда провести все реакции обратного цикла Кребса на поверхности какого-нибудь железосодержащего минерала;

• все реакции обратного цикла Кребса не требуют встречи двух молекул органических кислот друг с другом, следовательно, цикл устойчив к разбавлению своих реагентов.

К сожалению, пока не удалось в эксперименте подобрать условия, в которых все эти реакции будут проходить на минеральных катализаторах с достаточной скоростью и выходом, чтобы цикл действительно стал автокаталитическим. На сегодняшний день экспериментально удалось провести только шесть из одиннадцати реакций восстановительного цикла Кребса, причем не на железосодержащих минералах, а на кристаллах сульфида цинка при освещении (рис. 11.6, Guzman, Martin, 2009.).

Организмы с другими путями фиксации СО₂ могут использовать часть реакций восстановительного цикла Кребса. Например, метаногены и ацетогены с восстановительным ацетил-КоА-путем имеют часть ферментов этого цикла. Они могут, присоединяя СО₂, превращать ацетил-КоА в пировиноградную, щавелевоуксусную и далее в кетоглутаровую кислоты, используя их для построения аминокислот. Реакций от кетоглутаровой до лимонной кислоты у них не происходит, цикл остается незамкнутым.