Мне очень нравится этот вопрос, так как он является такой фундаментальной основой всей жизни на планете, но существует так мало фактической информации о ее происхождении и о том, почему отбор вознаградил использование АТФ над чем-либо еще. Здесь я говорю в общем, поскольку не существует конкретных исследований по сравнению ATP с другими кандидатами.

Большая часть приведенной ниже информации взята из относительно старой статьи, упомянутой в комментариях TomD, в которой обсуждается: «Почему природа выбрала фосфаты». Вестхаймер, 1987 г. Статья очень влиятельна и с момента публикации была процитирована более тысячи раз. Еще одна статья, вышедшая в том же году, когда был задан этот вопрос «Почему природа действительно выбрала фосфат». Камерлин и др., 2013 г.

Некоторые из приведенных ниже аргументов более убедительны, чем другие, но все они должны учитываться при попытке ответить на этот вопрос.

Резюме.

• АТФ имеет наследственное доминирование. Большинство других причин вытекают из этого.

• Альтернативные фосфатные группы или другие молекулы могут не обеспечивать достаточного количества энергии.

• Альтернативы могут быть токсичными.

• Другие молекулы, особенно фосфаты, используются для неэффективных всплесков высокой энергии.

• Пи - "хорошая" уходящая группа.

• Фосфаты в принципе можно регулировать с помощью электростатических манипуляций.

• АТФ-синтаза может эффективно присоединять Pi к АДФ.

• Много Пи доступно организмам из-за его наследственного доминирования («если оно не сломано, зачем его чинить?» в игре).

• АТФ может дать больше энергии, если это необходимо; это масштабируется в зависимости от ситуации. (АДФ становится AMP + Pi)

• Легко усваивается различными белками.

Почему АТФ?

АТФ является эффективной и относительно легко биосинтезируемой молекулой, которая может выполнять множество биохимических функций. У клеток действительно есть альтернативные носители энергии, некоторые из которых выполняют более специализированную роль, однако АТФ присутствует повсеместно в наших клетках и межклеточных пространствах. Существует не так много ресурсов, объясняющих, почему АТФ лучше, чем другие соединения, однако есть множество причин, по которым необходимы фосфаты.

Почему не альтернативы?

Лимонные кислоты и их производные являются хорошими кандидатами, с вычитаемыми группами и высокой биодоступностью, но они просто не дают достаточно энергии для стабилизации генетического материала.

Другим трехосновным кандидатом является мышьяковая кислота. Однако это принципиально токсичное соединение, которое не особенно полезно для живых существ.

Есть и другие фосфаты, и они используются во многих организмах. В биологии они имеют специфические функции и не используются как общий энергоноситель. Например, креатинтрифосфат обеспечивает высокоэнергетическую фосфоангидридную связь, которая часто используется для быстрой и анаэробной регенерации АТФ, полезной во время высокоскоростной мышечной активности для сокращения.

ГТФ структурно очень похож на АТФ. ГТФазы больше используются для инициации клеточных сигнальных путей. Иногда используется как источник энергии. Это хороший пример альтернативного энергоносителя.

С годами многие белки приобрели определенную форму, и этот шанс является основной причиной того, что АТФ важнее ГТФ. Другими словами, выбор АТФ по сравнению с ГТФ в первую очередь зависит от клеточных предпочтений молекулярной формы. Один из них должен был стать более широко используемым, и именно АТФ «победила».

Эффективность и простота.

Когда-то считалось, что эта реакция представляет собой относительно простое нуклеофильное замещение. Из газеты 2013 года:

... эта простота обманчива, поскольку даже в водном растворе низколежащие d-орбитали атома фосфора допускают восемь различных механистических возможностей, прежде чем даже представить сложности реакций, катализируемых ферментами.

Традиционно учат, что АТФ является таким химически эффективным способом хранения и транспортировки энергии. Это связано с реакцией гидролиза АТФ-> АДФ и Pi. Фосфатные группы в АТФ полны отрицательных зарядов, и они отталкиваются друг от друга. Это означает, что третий фосфат представляет собой большую уходящую группу, и разрыв фосфоангидридной связи является благоприятной реакцией. ...

...Но история намного сложнее. Приведенное выше объяснение на самом деле неудовлетворительно, потому что те же силы отрицательного заряда отталкивают нуклеофил, который пытается завершить АТФ-> АДФ и Pi. Более полное объяснение могло бы идти следующим образом: «хотя между нуклеофилом белка и фосфатом существует отталкивание отрицательного заряда, этот высокий энергетический барьер можно преодолеть с помощью электростатических манипуляций». Это позволяет «включать-выключать» гидролитическую реакцию, настраивая электростатическую среду. Это еще один отличный регулирующий инструмент, который обеспечивают фосфаты. Эта регуляторная функция важна для сигнальных и метаболических/катаболических каскадов.

Когда дело доходит до «повторного связывания» Pi с ADP, это довольно легко, поскольку ADP редко ковалентно связывается с чем-либо, что потребует много энергии для восстановления ADP. Это также помогает биодоступности свободного АДФ к АТФ-синтазе , невероятно эффективному ферменту, который использует мембранный протонный градиент для стимулирования производства АТФ. Говорить о реальных цифрах здесь сложно, так как имеются данные только по гепатоцитам крыс. Кто сказал, что млекопитающие являются представителями всех организмов? Оценки энергии гидролиза колеблются от ΔG˚ = -48 кДж моль-1 до -30,5 кДж моль-1 .. Обратите внимание, что это значительные, но не исключительные значения, поэтому многим различным белкам, которые не обязательно должны быть очень специализированными, легко разорвать связь по всему телу. Я даже не смог найти числа для синтазной реакции на АТФ, но одна АТФ-синтаза может производить до 600 АТФ в минуту.

Конечным пунктом этой эффективности является то, что элементы в АТФ очень распространены и укоренились в биосфере, что делает его легко доступным. Это делает фосфаты удобной биомолекулой.

Многофункциональность.

АТФ присутствует в организме повсеместно, но в некоторых случаях требуется больше энергии, чем доступно АТФ. В эти трудные времена АТФ можно использовать для производства большего количества энергии, разрывая другую фосфоангидридную связь и превращаясь в AMP+2Pi. Однако AMP обычно представляет собой сигнальную молекулу.

Из-за низкой энергии активации, необходимой для разрыва фосфоангидридной связи, множество ферментов, которых слишком много, чтобы перечислять их здесь, могут использовать АТФ, чтобы получить энергию для энергии активации для многих других функций.

Мне не нравятся такого рода вопросы, потому что я не думаю, что на них действительно можно ответить, и я очень подозрительно отношусь к аргументам, которые, кажется, утверждают, что АТФ является единственным или даже лучшим решением проблемы. Как правило, природа показывает, что существует несколько способов убить кошку, но если один из способов работает адекватно, вам не всегда нужно искать другой.

Это, конечно, не обязательно так, если мы рассмотрим пример из постулируемого мира РНК — который я сейчас приведу — катализ с использованием РНК в большинстве случаев был вытеснен катализом с использованием белков. Таким образом, иногда лучшее решение обеспечивает эволюционное преимущество, а иногда, если все работает достаточно хорошо, оно сохраняется, поскольку ограничивающий фактор находится в другом месте.

Так что я склоняюсь к мнению, что АТФ сработала, поэтому и прижилась. Вероятно, это был не GTP, CTP или UTP, поскольку они работают как источники энергии при передаче сигналов, синтезе фосфолипидов и синтезе гликогена соответственно.

Но при этом возникает вопрос о функции или необходимости пуринового или пиримидинового кольца в нуклеозидтрифосфатах. Насколько я вижу, ответ заключается в том, что это не выполняет никакой незаменимой функции. (Конечно, он связывается с ферментами, но на это способны все виды других структур.) Итак, я хотел бы запустить следующего воздушного змея (который должен был запускаться раньше, хотя я не знаю ссылки).

Нуклеотидтрифосфат (АТФ) стал предпочтительным источником энергии в метаболизме после того, как развился механизм синтеза РНК, использующий НТФ в качестве субстратов.

Когда синтез РНК развился, чтобы использовать свободную энергию гидролиза «дифосфорилированного расширения» ее структурного строительного блока (NMP), система использования родственного гидролиза была распространена на метаболизм. Обратите внимание, что я говорю «связанный», поскольку синтез РНК (как и другие макромолекулярные синтезы) гидролизует альфа-бета-фосфодиэфирную связь (высвобождая пирофосфат), тогда как в метаболизме обычно гидролизуется бета-гамма-связь (высвобождая ортофосфат).

Гидролиз АТФ мог бы вытеснить то, что, как считается, было системой (системами) производства энергии до репликации, потому что, по-видимому, это было бы лучше и позволило бы интегрированный энергетический метаболизм. (Энергозатраты на репликацию были бы велики.) Но это не значит, что это лучший из мыслимых методов — могло быть достаточно, чтобы он хорошо работал и был удобным.

Сноска

Хотя это и не является частью моего аргумента, есть еще одна ключевая молекула в метаболизме, которая имеет то, что можно считать «бесполезным» аденозиновым компонентом — НАД (и НАДФ). Окислительно-восстановительными внутренностями этого является никотинамидное кольцо. Развился ли он из формы, которая изначально была частью рибозима — возможно, участвовала в образовании дезоксирибозы, когда геном РНК был вытеснен геномом ДНК?

Предисловие

Я уже давал ответ на этот вопрос, касаясь одного его аспекта: почему нуклеотидтрифосфат — а не любая другая молекула — был выбран в качестве носителя энергии. В этом ответе я предполагаю, что выбор АТФ, а не каких-либо GTP, CTP или UTP, был чистой случайностью.

Этот второй вопрос действительно был задан , но был расценен — на мой взгляд, неправильно — как дубликат. Недавно мне стало известно об исследовании, которое подсказывает мне возможную причину предпочтения АТФ по сравнению с другими НТФ, и, поскольку оно не зависит от моего предыдущего ответа, я хотел бы представить его как отдельный ответ.

Почему ATP, а не другие NTP?

Я исхожу из предположения о мире РНК , в котором некий вид генома РНК развил способность к репликации и проявлению ферментативной активности. Рибосомы и особенно рибосомальные РНК можно рассматривать как окаменелости такого мира. Гарри Ноллер в обзоре этой темы в журнале Science за 2005 год рассматривает основания, участвующие в спаривании оснований во многих двойных спиральных петлях РНК, и те, которые в таких петлях не спарены. Многие из последних участвуют в тройных взаимодействиях в рРНК, имеющей в целом белковоподобную структуру. Существенным фактом, который он упоминает о непарных основаниях в спиральных вторичных структурах, является их асимметричное распределение:

«Однако непарные основания не распределены равномерно среди четырех оснований. В 16S рРНК Escherichia coli , например, пропорции неспаренных оснований для G, C и U составляют 31%, 29% и 33% соответственно, тогда как 62% As неспарены, тенденция, которая распространяется и на другие функциональные РНК. . ”

Выясняется, что многие из этих «непарных As» участвуют в так называемых взаимодействиях A-минорных нуклеозидов типа II, которые проиллюстрированы на рис. 3 этой статьи ниже:

В легенде к этой фигуре Ноллер указывает, что:

Эти точные взаимодействия малой бороздки типа замок-ключ между (обычно) аденозином и парой оснований Уотсона-Крика широко обнаруживаются в 16S и 23S рРНК. Впервые они были обнаружены в кристаллической упаковке рибозима «головка молотка» и в домене Р4-Р6 рибозима группы I. Взаимодействия A-минор играют важную функциональную роль в мониторинге взаимодействия кодон-антикодон рибосомой благодаря их уникальному стереохимическому соответствию парам оснований Уотсона-Крика.

Из этого я делаю вывод, что аденин обладает уникальными структурными свойствами, которые позволяют ему формировать более точное и сильное взаимодействие с парами оснований в рибозимной РНК, чем три других основания. Одной из особенностей любого рибозима, участвующего в использовании NTP для управления химическими реакциями, было бы связывание NTP. (Мы видим это в современных белках с укладкой Россмана , которая связывает аденин.)

Большая пригодность аденина АТФ для этой роли может быть причиной того, что он, а не ГТФ, ЦТФ или УТФ, стал основным (я бы предположил, первоначальным) выбором в качестве энергоносителя.