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La alquimia puede explicar por qué la vida en la Tierra usa ATP como moneda energética global

Simulaciones dinámicas moleculares de ADP y acetil fosfato CRÉDITO Aaron Halpern, UCL (CC-BY 4.0)

El compuesto simple de dos carbonos puede ser un actor fundamental en el desarrollo del metabolismo antes de que surjan las células, según un nuevo estudio publicado el 4 de octubre en la revista de acceso abierto PLOS Biology, por Nick Lane y sus colegas del University College London, Reino Unido. .

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

Todas las células utilizan ATP, trifosfato de adenosina, 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. Pero construir la estructura química compleja de ATP desde cero requiere mucha energía 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 sugieren que el ATP era muy escaso y que algunos otros compuestos pueden haber jugado un papel central en la conversión de ADP en ADP 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.

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En su nuevo estudio, los autores exploran todas estas preguntas. 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. El ATP puede eventualmente reemplazar a AcP como un donante de fosfato ubiquitinado y promover la polimerización de aminoácidos y nucleótidos para formar ARN, ADN y proteínas.

La autora principal, Silvana Pena, agrega: «El ATP es un componente tan esencial del metabolismo que pensé que podría ser posible sintetizarlo a partir de ADP en condiciones prebióticas. Pero también pensé que muchos agentes de fosforilación y catalizadores de iones metálicos funcionarían, especialmente aquellos conservados en vida.» Fue muy sorprendente descubrir que la reacción es muy selectiva – en el ion metálico, el donante de fosfato y el sustrato – con las moléculas que la naturaleza muerta lo usa. El hecho de que esto suceda mejor en agua bajo condiciones suaves y biocompatibles condiciones es realmente 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. Plus Biol 20 (10): e3001437. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001437

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