http://elementy.ru/news?newsid=431293

Вопрос о том, что появилось раньше — гликолиз или глюконеогенез, — важен для понимания ранних этапов развития жизни. Если первые живые существа были гетеротрофами и питались абиогенно синтезированной органикой («первичным бульоном»), логично предположить, что гликолиз древнее глюконеогенеза. Если первые организмы были автотрофами, ситуация должна быть обратной.

У большинства организмов имеется именно тот вариант гликолиза, который показан на рисунке (он называется «путь Эмбдена–Мейергофа–Парнаса»), но у архей, которых многие считают самыми примитивными (архаичными) живыми существами, наблюдается большое разнообразие гликолитических путей и ферментов. Многие археи используют для расщепления глюкозы менее эффективные «обходные» пути (см.: Entner–Doudoroff pathway), при которых не образуется фруктозо-1,6-бисфосфат (FBP) и другие промежуточные соединения, характерные для классического гликолиза. Между тем глюконеогенез у архей, по-видимому, идет обычным, «классическим» путем (как на рисунке, только в обратную сторону). Сторонники хемоавтотрофной теории происхождения жизни усматривают в этом аргумент в пользу большей древности глюконеогенеза по сравнению с гликолизом.

Впрочем, до сих пор было не совсем ясно, каким образом вообще осуществляется глюконеогенез у архей, потому что в их геномах отсутствует ген одного из ключевых ферментов этого процесса — FBP-альдолазы. Этот фермент катализирует реакцию, обозначенную на рисунке цифрой 4: обратимое превращение глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата в FBP. FBP-альдолаза ускоряет как прямую, так и обратную реакцию. Поэтому она необходима и для гликолиза, и для глюконеогенеза.

Несмотря на отсутствие FBP-альдолазы, данная реакция у архей все-таки происходит. Правда, идет она обычно только в одну сторону — от трёхуглеродных молекул к FBP (что характерно для глюконеогенеза). Биохимики из Фрайбургского университета (Германия) решили выяснить, что же катализирует эту реакцию у термофильных архей, если у них нет FBP-альдолазы. Опыты проводились с археями Ignicoccus hospitalis, Metallosphaera sedula и Thermoproteus neutrophilus, которые живут при температуре 65–85°C.

Результат оказался неожиданным. Выяснилось, что функцию FBP-альдолазы у этих архей выполняет другой фермент, который до сих пор был известен как «архейная FBP-фосфатаза типа IV». FBP-фосфатазы есть у большинства живых существ. Они катализируют следующий шаг глюконеогенеза — превращение FBP в фруктозо-6-фосфат (реакция 3 на рисунке). В свете новых данных архейный фермент пришлось переименовать в «FBP-альдолазу/фосфатазу». Интересно, что ранее этот фермент довольно тщательно изучался, была расшифрована даже его трехмерная кристаллическая структура. При этом одна из двух его функций до сих пор ускользала от внимания исследователей.

Благодаря совмещению в одном ферменте двух функций FBP-альдолаза/фосфатаза быстро превращает свои субстраты (трёхуглеродные глицеральдегидфосфат и диоксиацетонфосфат) сначала в FBP, а затем сразу в стабильную молекулу фруктозо-6-фосфата. Это делает процесс практически необратимым: у FBP не остается шансов распасться обратно на две трёхуглеродные молекулы. Такой ускоренный и однонаправленный ход глюконеогенеза можно рассматривать как адаптацию к высоким температурам. Дело в том, что трёхуглеродные субстраты, образующиеся в результате фиксации CO₂, при высоких температурах неустойчивы: их «период полураспада» при 80°C составляет около четырех минут. Быстрое их превращение в устойчивый фруктозо-6-фосфат позволяет эффективно осуществлять глюконеогенез в горячей воде вулканических источников.

Авторы проанализировали известные на сегодняшний день геномы архей и бактерий и обнаружили, что FBP-альдолаза/фосфатаза имеется у большинства архей, а также у многих бактерий, относящихся к наиболее архаичным эволюционным линиям. Распределение микробов, имеющих этот фермент, на эволюционном дереве свидетельствует в пользу большой древности FBP-альдолазы/фосфатазы. По-видимому, этот фермент появился существенно раньше, чем многие ферменты классического гликолиза.

Среди микробов, имеющих FBP-альдолазу/фосфатазу, многие являются термофилами — обитателями горячих источников, но есть среди них и мезофилы, предпочитающие более низкие температуры. Авторы выделили фермент из нескольких бактерий и архей и изучили его свойства при разных температурах. Оказалось, что даже у холодолюбивых микробов данный фермент обладает повышенной термоустойчивостью. Например, FBP-альдолаза/фосфатаза археи Cenarchaeum symbiosum (симбионта морской губки) отлично работает при 70°C. Это говорит о том, что данный фермент, скорее всего, впервые возник у термофильных микробов, а впоследствии некоторые его обладатели приспособились к жизни в более прохладной среде.

По мнению авторов, свойства FBP-альдолазы/фосфатазы и ее распределение на эволюционном дереве хорошо согласуются с хемоавтотрофной теорией происхождения жизни. Хемоавтотрофы могли себе позволить необратимый глюконеогенез, потому что глюкоза для них, как правило, не является важным источником энергии и используется в основном для различных второстепенных нужд. Незначительная роль углеводного обмена в энергетическом метаболизме характерна для большинства архей, чем они резко отличаются от многих бактерий и всех высших организмов. Для утилизации глюкозы в разных эволюционных линиях архей впоследствии независимо развились различные «альтернативные» варианты гликолиза.

На основе полученных результатов авторы предполагают, что термоустойчивая FBP-альдолаза/фосфатаза появилась у древнейших автотрофных микроорганизмов, зародившихся в горячих вулканических источниках. Приобретение этого фермента было непосредственно связано с появлением глюконеогенеза — биохимического пути синтеза глюкозы из трёхуглеродных продуктов фиксации CO₂. Археи и примитивные бактерии, возможно, унаследовали этот фермент от общего предка. Не исключено, что некоторые бактерии позаимствовали его от архей путем горизонтального переноса. Классический гликолиз, представляющий собой обращенный вспять глюконеогенез, появился гораздо позже. Возможно, это было связано с появлением эффективных фотосинтетиков (таких как цианобактерии), которые впервые стали производить глюкозу в «промышленных» количествах, что создало предпосылки для бурного развития гетеротрофов (потребителей готовой органики).

Еще одно интересное свойство новооткрытого фермента — удивительная легкость, с которой можно отключить одну из его функций, оставив в целости вторую. Авторы экспериментировали с белком, выделенным из уже упоминавшейся морской археи Cenarchaeum symbiosum. Оказалось, что если заменить в активном центре фермента одну-единственную аминокислоту (вместо лизина в 232-й позиции поставить аргинин), то фермент полностью теряет свою FBP-альдолазную активность. FBP-фосфатазная активность при этом не только сохраняется, но даже усиливается. Замена другой ключевой аминокислоты (тирозина в 348-й позиции фенилаланином) дала обратный результат: альдолазная активность сохранилась, а фосфатазная исчезла.

Помимо теоретического значения для понимания ранних этапов эволюции, новый фермент может пригодиться в биоинженерии. При определенных условиях он может обеспечить более эффективный синтез углеводов, чем классические FBP-фосфатазы и FBP-альдолазы.

Источник: Rafael F. Say, Georg Fuchs. Fructose 1,6-bisphosphate aldolase/phosphatase may be an ancestral gluconeogenic enzyme // Nature. Advance online publication 28 March 2010.

См. также:

1) У архей обнаружен необычный способ фиксации углерода, «Элементы», 21.02.2007.

2) Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006.

Александр Марков

Пара комментариев.

"Фиксация CO2 у автотрофных организмов приводит к образованию трёхуглеродных молекул, таких как фосфоенолпируват и 3-фосфоглицерат, из которых затем синтезируется глюкоза".

В настоящее время известно 6 путей автотрофной фиксации СО2, и 3-фосфоглицерат участвует только в одном из них, в цикле Кальвина. У обсуждаемых в статье организмов функционируют либо ацетил-СоА путь, либо дикарбоксилатный/4-гидроксибутиратный цикл, либо 3-гидроксипропионатный/4-гидроксибутиратный цикл. Оставьте только РЕР, он в любом случае при автотрофии так или иначе образуется.

"Впрочем, до сих пор было не совсем ясно, каким образом вообще осуществляется глюконеогенез у архей, потому что в их геномах отсутствует ген одного из ключевых ферментов этого процесса - FBP-альдолазы".

Не совсем верно - в геномах многих архей отсутствует, но не у всех.

"Биохимики из Фрайбургского университета (Германия) решили выяснить, что же катализирует эту реакцию у термофильных архей, если у них нет FBP-альдолазы".

Альдолаза у них есть, как следует из самого названия статьи. Правильнее было бы сказать - что за фермент катализирует образование фруктозобисфосфата из глицеральдегидфосфата и диоксиацетонфосфата. И, к слову, авторы статьи - не биохимики, а микробиологи))

А вообще - отличное изложение статьи, спасибо!

А как быть с эпохой SnowBall в истории Земли? Тогда вся планета полностью была покрыта льдом. Очевидно, что выжить в таких условиях смогли лишь те бактерии, которые адаптировались жить в горячих источниках вулканов. А сами первые клетки могли возникнуть в более прохладныхь условиях.

По крайней мере, такой сценарий тоже возможен.

А откуда взялись более прохладные условия? Судя по всему, либо активная вулканическая деятельность, метеоритные бомбардировки и образование Луны, либо snowball. Так что в этом плане у термофильных теорий есть небольшая фора - вулканическая деятельность была всегда, и разного рода черные курильщики и лост сити тоже. Хотя условия жизни первых живых организмов не известны, так же как и реальный тогдашний климат. Все это лишь теории))