Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности

Метаногены используют протонные градиенты, чтобы преодолеть этот барьер. (Я постараюсь доказать, что этот прием был характерен для общего предка.) Как бы то ни было, метаногены и ацетогены растут лишь за счет реакции H₂ и CO₂: это их единственный источник углерода и энергии. Этим путь Вуда – Льюнгдаля выгодно отличается от остальных пяти способов фиксации углерода. Как заметил геохимик Эверетт Шок, “это бесплатный завтрак, за который тебе еще и платят”. Может, завтрак этот довольно скуден, зато в гидротермальных источниках его подают целый день.

И это еще не все плюсы. В отличие от других, путь Вуда – Льюнгдаля короткий и прямой. Он позволяет за небольшое число стадий перейти от простых неорганических молекул к веществу, в котором сосредоточен метаболизм клетки: маленькой и очень активной молекуле ацетил-кофермента А. Это универсальный “крючок”, который удерживает молекулы, чтобы они могли быть обработаны ферментом. Сам “крючок” не столь важен – важно то, что он держит: в данном случае это ацетильная группа. В слове “ацетил” тот же корень, что в слове “ацетат”. Ацетаты – соли уксусной кислоты, простой двухуглеродной молекулы, центральной в биохимии всех клеток. Будучи присоединенной к коферменту А, ацетильная группа находится в активированном состоянии (“активированный ацетат” – активированная уксусная кислота), что позволяет ей легко вступать в реакции с другими органическими молекулами и так участвовать в процессах биосинтеза.

Таким образом, в рамках пути Вуда – Льюнгдаля из CO₂ и H₂ за небольшое число шагов активированные молекулы синтезируются до тех пор, пока энергия не выделится в количестве, достаточном для того, чтобы обеспечить не только образование нуклеотидов и других молекул, но и их объединение в длинные цепи: ДНК, РНК, белки и т. д. В состав ферментов, катализирующих первые несколько стадий, входят неорганические кластеры, содержащие железо, никель и серу, которые участвуют в переносе электронов на CO₂, в результате чего образуются активные ацетильные группы. Эти неорганические кластеры, по сути, являются минералами, более или менее идентичными по структуре железосерным минералам, которые осаждаются в гидротермальных источниках (рис. 11). Геохимия щелочных источников настолько сходна с биохимией метаногенов и ацетогенов, что язык не поворачивается назвать ее “аналогичной”. Аналогия подразумевает лишь поверхностное сходство, а здесь сходство настолько глубоко, что речь идет скорее о гомологии (когда одна форма дает начало другой). В ходе плавного превращения неорганики в органику из геохимии выросла биохимия. По словам Дэвида Гарнера, “неорганические вещества породили органические”[57].

Но, наверное, главное преимущество ацетил-кофермента А заключается в том, что он – перекресток путей углеродного и энергетического метаболизма. На важную роль ацетил-кофермента А в происхождении жизни указал в начале 90-х годов Кристиан де Дюв, правда, рассуждая о “первичном бульоне”, а не о щелочных источниках. Ацетил-кофермент А не только обеспечивает органический синтез, но и способен реагировать непосредственно с фосфатом с образованием ацетилфосфата. Хотя сейчас ацетилфосфат не так важен в энергетическом плане, как АТФ, он до сих пор широко используется живыми организмами и может выполнять почти все те же функции, что и АТФ. Как замечено выше, АТФ не просто высвобождает энергию: он осуществляет реакции дегидратации, в которых одна молекула воды отщепляется от двух аминокислот или других “строительных блоков”, скрепляя их в цепь. Проблема дегидратации аминокислот в растворе та же самая, что и в случае выжимания белья под водой, но именно этим и занимается АТФ. В лаборатории мы показали, что ацетилфосфат может выполнять ту же функцию, потому что его химические свойства в основе такие же. Это означает, что древний метаболизм углерода и энергии мог осуществляться за счет другого простого тиоэфира – ацетил-кофермента А.

Но так ли он прост? Двухуглеродная ацетильная группа, может, и простая, но кофермент А – сложная молекула, которая, несомненно, является продуктом естественного отбора, а значит, появилась довольно поздно. Впрочем, существуют простые “абиотические” эквиваленты ацетил-кофермента А. Высокая активность ацетил-кофермента А обусловлена тиоэфирной связью (между атомом серы и атомом углерода, который, в свою очередь, связан с кислородом):

R – S – CO – CH₃

Здесь R – это радикал (остаток) молекулы, в данном случае кофермент А. CH₃ – метильная группа. Но в качестве R не обязательно выступает кофермент А. Вместо него может быть какая-нибудь простая группа, например метильная (CH₃). Тогда получится небольшая молекула – метилтиоацетат:

CH₃–S – CO – CH₃

Это активный тиоэфир, аналогичный по химическим свойствам ацетил- коферменту А, но достаточно простой, чтобы его можно было получить в результате реакции H₂ и CO₂ в гидротермальных источниках – и действительно, он был получен Клаудией Хубер и Гюнтером Вехтерсхойзером, в качестве исходных веществ взявших лишь CO и CH₃SH. Более того, метилтиоацетат, как и ацетил-кофермент А, должен быть способен непосредственно реагировать с фосфатом, образуя ацетилфосфат. Таким образом, этот активный эфир через образование ацетилфосфата теоретически мог обеспечивать синтез новых органических молекул, а также их полимеризацию с образованием сложных цепей, например белков и РНК. Эту гипотезу мы сейчас проверяем при помощи настольного реактора (нам действительно удалось получить ацетилфосфат, хотя и в низкой концентрации).

Внутри микропор щелочных гидротермальных источников примитивный вариант пути Вуда – Льюнгдаля, в принципе, может дать все, что нужно для возникновения примитивных клеток. Я предположил бы три стадии. На первой стадии протонные градиенты на тонких неорганических перегородках, содержащих каталитические железосерные минералы, обусловили образование небольших органических молекул (рис. 14). Органические вещества концентрировались внутри более прохладных пор посредством термофореза и, в свою очередь, улучшали каталитические свойства минералов (гл. 3). Так зародилась биохимия: непрерывное образование и концентрирование активированных предшественников