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La chimica antica potrebbe spiegare perché gli esseri viventi usano l’ATP come valuta energetica universale

La chimica antica potrebbe spiegare perché gli esseri viventi usano l'ATP come valuta energetica universale

Simulazione della dinamica molecolare dell’ADP e dell’acetilfosfato. Credito: Aaron Halpern, UCL (CC-BY 4.0, creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Un semplice composto a due atomi di carbonio potrebbe essere stato un attore chiave nell’evoluzione del metabolismo prima dell’avvento delle cellule, secondo un nuovo studio pubblicato il 4 ottobre sulla rivista ad accesso aperto Biologia PLOSdi Nick Lane e colleghi dell’University College di Londra, Regno Unito. La scoperta potrebbe far luce sulle prime fasi della biochimica prebiotica e suggerire come l’ATP sia diventato oggi il carburante universale di tutta la vita cellulare.

L’ATP, l’adenosina trifosfato, è utilizzato da tutte le cellule come intermedio energetico. Durante la respirazione cellulare, l’energia viene acquisita quando un fosfato viene aggiunto all’ADP (adenosina difosfato) per creare ATP; La scomposizione di questo fosfato rilascia energia per alimentare la maggior parte dei tipi di funzioni cellulari. Ma costruire da zero la complessa struttura chimica dell’ATP è ad alta intensità energetica e richiede sei fasi separate guidate dall’ATP; Mentre modelli convincenti consentono la formazione prebiotica dello scheletro di ATP senza energia dall’ATP già formato, suggeriscono anche che l’ATP era probabilmente piuttosto scarso e che altri composti potrebbero aver svolto un ruolo centrale nella conversione dell’ADP in ADP in questa fase potrebbero evolversi.

Il candidato più probabile, secondo Lane e colleghi, era il composto a due atomi di carbonio acetil fosfato (AcP), che ora funge da intermedio metabolico sia nei batteri che negli archaea. È stato dimostrato che AcP fosforila l’ADP in ATP in acqua in presenza di ioni ferro, ma dopo questa dimostrazione sono rimaste una serie di domande, incluso se anche altre piccole molecole potrebbero funzionare, se AcP è specifico per l’ADP o potrebbe invece funzionare proprio come bene con difosfati di altri nucleosidi (come guanosina o citosina) e se il ferro è unico nella sua capacità di catalizzare la fosforilazione dell’ADP in acqua.

Gli autori hanno studiato tutte queste domande nel loro nuovo studio. Utilizzando dati e ipotesi sulle condizioni chimiche sulla Terra prima dell’inizio della vita, hanno testato la capacità di altri ioni e minerali di catalizzare la formazione di ATP nell’acqua; nessuno era efficace quasi quanto il ferro. Successivamente, hanno testato un pannello di altre piccole molecole organiche per la loro capacità di fosforilare l’ADP; nessuno era potente come AcP e solo un altro (carbamoil fosfato) aveva un’attività significativa. Infine, hanno dimostrato che nessuno degli altri difosfati nucleosidici accettava un fosfato da AcP.

Combinando questi risultati con la modellazione della dinamica molecolare, gli autori propongono una spiegazione meccanicistica per la specificità della reazione ADP/AcP/ferro ipotizzando che il piccolo diametro e l’elevata densità di carica dello ione ferro formato in combinazione con la conformazione dell’intermedio diventano quando i tre si uniscono, fornendo una geometria “giusta” che consente al fosfato di AcP di cambiare partner e formare ATP.

“I nostri risultati suggeriscono che AcP è il precursore più plausibile dell’ATP come fosforilatore biologico”, afferma Lane, “e che l’emergere dell’ATP come valuta energetica universale della cellula non è stato il risultato di un ‘incidente congelato’, ma è nato da le interazioni uniche di ADP e AcP. Nel tempo, con l’avvento di catalizzatori adatti, l’ATP potrebbe eventualmente sostituire AcP come donatore di fosfato onnipresente e promuovere la polimerizzazione di amminoacidi e nucleotidi per formare RNA, DNA e proteine.

L’autrice principale Silvana Pinna aggiunge: “L’ATP è così centrale per il metabolismo che ho pensato che potesse essere possibile formarlo dall’ADP in condizioni prebiotiche. Ma ho anche pensato che avrebbero funzionato diversi agenti fosforilanti e catalizzatori a ioni metallici, specialmente quelli che si conservano in vita. È stato molto sorprendente scoprire che la reazione è così selettiva – nello ione metallico, nel donatore di fosfato e nel substrato – con le molecole che la vita usa ancora. Il fatto che ciò avvenga meglio in acqua in condizioni miti e favorevoli alla vita è davvero abbastanza significativo il origine della vita».


L’acqua di mare potrebbe aver fornito il fosforo necessario per la vita nascente


Maggiori informazioni:
Una base prebiotica per l’ATP come valuta energetica universale. Biologia PLoS (2022). DOI: 10.1371/journal.pbio.3001437

Fornito dalla Biblioteca Pubblica della Scienza

Citazione: La chimica antica può spiegare perché gli esseri viventi usano l’ATP come valuta energetica universale (4 ottobre 2022) Estratto il 5 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-ancient-chemistry-atp-universal- energy. html

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