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¿Por qué los organismos vivos usan ATP como moneda de energía universal?

Según una nueva investigación, un compuesto simple de dos carbonos puede haber jugado un papel fundamental en el desarrollo del metabolismo antes de que surgieran las células.

Un primer paso en la evolución metabólica allanó el camino para el surgimiento del ATP como transportador universal de energía.

El compuesto simple de dos carbonos puede ser un actor crítico en el desarrollo del metabolismo antes de que surjan las células. Esto es según un nuevo estudio realizado por Nick Lane y sus colegas en el University College London, Reino Unido, y publicado en la revista Open Access. Biología Plus el 4 de octubreEl décimo. Este descubrimiento puede proporcionar información clave sobre las primeras etapas de la bioquímica prebiótica. Además, los resultados indican que el ATP (trifosfato de adenosina) se ha convertido en el portador universal de energía para toda la vida celular en la actualidad.

El trifosfato de adenosina (ATP) es un compuesto orgánico que proporciona energía para impulsar muchos procesos en las células vivas, como la propagación de los impulsos nerviosos, la contracción muscular, la disolución del condensado y la síntesis química. El ATP se encuentra en todas las formas de vida conocidas y, a menudo, se lo conoce como la «unidad monetaria monetaria» para transportar energía dentro de las células.

Todas las células utilizan ATP como medio energético. Durante la respiración celular, la energía se captura cuando se agrega fosfato al ADP (difosfato de adenosina) para generar ATP. La escisión de este fosfato libera energía para ejecutar la mayoría de los tipos de funciones celulares.

Sin embargo, construir la estructura química compleja del ATP desde cero requiere una energía significativa y requiere seis pasos separados que son impulsados ​​por ATP. Si bien los modelos convincentes permiten la formación prebiótica del esqueleto de ATP sin energía del ATP ya formado, también indican que el ATP probablemente era muy escaso. Esto significa que algunos otros compuestos pueden haber jugado un papel clave en la conversión de ADP a ATP en este punto del desarrollo.

Lin y sus colegas creen que el candidato más probable es el fosfato de acetilo compuesto de dos carbonos, que hoy en día funciona tanto en bacterias como en arqueas como mediador metabólico. Se ha demostrado que la AcP fosforila el ADP en ATP en agua en presencia de iones de hierro, pero después de esta demostración quedaron varias preguntas, entre ellas, si otras moléculas pequeñas podrían actuar también y si la AcP es específica para el ADP o no. funcionan igual de bien con otros nucleósidos difosfatos (como la guanosina o la citosina), y si el hierro es único en su capacidad para catalizar la fosforilación de ADP en el agua.

Simulaciones dinámicas moleculares de ADP y acetil fosfato

Simulaciones de dinámica molecular de ADP y fosfato de acetilo Crédito: Aaron Halpern, UCL (CC-BY 4.0)

Los autores exploran todas estas preguntas en su nuevo estudio. Basándose en datos e hipótesis sobre las condiciones químicas de la Tierra antes de que surgiera la vida, probaron la capacidad de otros iones y minerales para estimular la formación de ATP en el agua; Ninguno fue tan efectivo como el hierro. A continuación, probaron un panel de otras moléculas orgánicas pequeñas para determinar su capacidad para fosforilar ADP. Ninguno de ellos fue tan efectivo como AcP, y solo otro (fosfato de carbamoilo) tuvo alguna actividad significativa. Finalmente, demostraron que ninguno de los otros nucleósidos difosfatos aceptaba fosfato de AcP.

Combinando estos resultados con modelos moleculares dinámicos, los autores proponen una explicación mecánica para la especificidad de la interacción ADP/AcP/hierro, asumiendo que el diámetro pequeño y la alta densidad de carga del ion de hierro, combinados con la conformación intermedia formada cuando los tres se encuentran juntos, proporcionan una geometría «absolutamente correcta» que permite que la compañía de fosfato AcP cambie de socios, formando ATP.

«Nuestros resultados indican que AcP es el precursor más plausible de ATP como biofosforilado, y que la aparición de ATP como la moneda de energía universal de la célula no fue el resultado de un ‘accidente de congelación’, sino que surgió de las interacciones únicas entre ADP y AcP», dice Lin. , ATP puede eventualmente reemplazar a AcP como un donante de fosfato ubiquitinado, promoviendo la polimerización.[{» attribute=»»>amino acids and nucleotides to form RNA, DNA, and proteins.”

Lead author Silvana Pinna adds, “ATP is so central to metabolism that I thought it might be possible to form it from ADP under prebiotic conditions. But I also thought that several phosphorylating agents and metal ion catalysts would work, especially those conserved in life. It was very surprising to discover the reaction is so selective – in the metal ion, phosphate donor, and substrate – with molecules that life still uses. The fact that this happens best in water under mild, life-compatible conditions is really quite significant for the origin of life.”

Reference: “A prebiotic basis for ATP as the universal energy currency” by Silvana Pinna, Cäcilia Kunz, Aaron Halpern, Stuart A. Harrison, Sean F. Jordan, John Ward, Finn Werner and Nick Lane, 4 October 2022, PLOS Biology.
DOI: 10.1371/journal.pbio.3001437

Funding: We are grateful to the Biotechnology and Biological Sciences Research Council to NL, FW and JW (BB/V003542/1) and HR (LIDo Doctoral Training Program), to Gates Ventures (formerly bgc3) to NL, and to the Natural Environment Research Council to AH and NL (2236041). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.

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