La química antigua puede explicar por qué la vida en la Tierra usa ATP como moneda de energía universal

Simulación dinámica molecular de ADP y acetil fosfato CRÉDITO Aaron Halpern, UCL (CC-BY 4.0)

Un compuesto simple de dos carbonos puede haber jugado un papel crucial en la evolución del metabolismo antes del advenimiento de las células, según un nuevo estudio publicado el 4 de octubre en la revista de acceso abierto PLOS Biology, por Nick Lane y colegas de la ‘Universidad Universidad de Londres, Reino Unido. .

El descubrimiento potencialmente arroja luz sobre las primeras etapas de la bioquímica prebiótica y sugiere cómo el ATP se convirtió en el portador de energía universal para toda la vida celular en la actualidad.

El ATP, trifosfato de adenosina, es utilizado por todas las células como intermediario energético. Durante la respiración celular, se captura energía cuando se agrega un fosfato al ADP (difosfato de adenosina) para generar ATP; la escisión de este fosfato libera energía para impulsar la mayoría de los tipos de funciones celulares. Pero construir la estructura química compleja de ATP desde cero consume mucha energía y requiere seis pasos distintos impulsados ​​por ATP; Aunque modelos convincentes permiten la formación prebiótica del esqueleto de ATP sin energía del ATP ya formado, también sugieren que el ATP probablemente era bastante raro y que otro compuesto pudo haber jugado un papel central en la conversión de ADP a ADP en esta etapa. de evolución

Según Lane y sus colegas, el candidato más probable era el compuesto de dos carbonos acetil fosfato (AcP), que hoy en día funciona en bacterias y arqueas como intermediario metabólico. Se ha demostrado que AcP fosforila ADP a ATP en agua en presencia de iones de hierro, pero quedaron muchas preguntas después de esta demostración, incluso si otras moléculas pequeñas también podrían funcionar, si AcP es específico para ADP o podría funcionar igual de bien. . bien con los difosfatos de otros nucleósidos (como guanosina o citosina), y si el hierro es único en su capacidad para catalizar la fosforilación de ADP en agua.

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En su nuevo estudio, los autores exploraron todas estas preguntas. Con base en datos y suposiciones sobre las condiciones químicas de la Tierra antes de la aparición de la vida, probaron la capacidad de otros iones y minerales para catalizar la formación de ATP en el agua; ninguno fue tan efectivo como el hierro. A continuación, probaron un panel de otras moléculas orgánicas pequeñas por su capacidad para fosforilar ADP; ninguno fue tan efectivo como AcP, y solo otro (fosfato de carbamoilo) tuvo una actividad significativa. Finalmente, demostraron que ninguno de los otros nucleósidos difosfatos aceptaba un fosfato AcP.

Combinando estos resultados con modelos de dinámica molecular, los autores proponen una explicación mecanicista de la especificidad de la reacción ADP/AcP/hierro, con la hipótesis de que el pequeño diámetro y la alta densidad de carga del ion hierro, combinados con la conformación del intermediario formado cuando los tres se unen, proporcionan una geometría «perfecta» que permite que el fosfato de AcP cambie de pareja, formando ATP.

«Nuestros resultados sugieren que AcP es el precursor más plausible de ATP como fosforilador biológico», dice Lane, «y que la aparición de ATP como la moneda de energía universal de la célula no fue el resultado de un «accidente congelado», sino surgió de las interacciones únicas de ADP y AcP. Con el tiempo, con la aparición de catalizadores adecuados, el ATP eventualmente podría reemplazar a AcP como un donante de fosfato ubicuo y promueve la polimerización de aminoácidos y nucleótidos para formar ARN, ADN y proteínas.

La autora principal, Silvana Pinna, agrega: “El ATP es tan central para el metabolismo que pensé que sería posible formarlo a partir de ADP en condiciones prebióticas. Pero también pensé que varios agentes fosforilantes y catalizadores de iones metálicos funcionarían, especialmente los conservados en vida. Fue muy sorprendente descubrir que la reacción es tan selectiva -en el ion metálico, el donante de fosfato y el sustrato- con moléculas que aún utiliza la vida. El hecho de que esto suceda mejor en agua bajo condiciones blandas y compatibles con la vida es realmente muy importante para el origen de la vida.

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Cita: Pinna S, Kunz C, Halpern A, Harrison SA, Jordan SF, Ward J, et al. (2022) Una base prebiótica para el ATP como moneda energética universal. PLoS Biol 20(10): e3001437. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001437

Astrobiología,

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