Коферменты и обмен веществ в РНК-мире

КАКИЕ РИБОЗИМЫ МОГЛИ БЫТЬ ПЕРВЫМИ?
Катализ любого шага на пути синтеза РНК был выгоден РНК-миру

Известны следующие метаболические рибозимы:
Нуклеозид-синтазы (из основания и фосфорибозил-пирофосфата)
Нуклеозид-киназы (за счет неорганических полифосфатов)
Альдолазы (ускоряют реакцию Бутлерова)
Самый маленький известный рибозим — аминоацил-РНК-синтетаза (5 нукл)
Экзонуклеазы могли повышать точность и скорость абиогенной репликации
КАКИЕ РИБОЗИМЫ МОГЛИ БЫТЬ ПЕРВЫМИ?

МИР РНК - КОФЕРМЕНТОВ
Витамины появились в мире РНК!
FAD
(витамин В2
+ аденин)
NAD
(витамин PP
+ аденин)
Коэнзим А
(витамин В5
+ аденин)

РИБОЗИМЫ С КОФЕРМЕНТАМИ
Реакции, катализируемые известными рибозимами с коферментами:
Алкоголь-дегидрогеназа с НАД
Декарбоксилаза с витамином B1
Ацил-КоА-синтаза с КоА
Рибозим для конденсации Клайзена с КоА (ключевой шаг синтеза жирных кислот)
Пероксидазы с гемом
Фотолиаза с серотонином
Нуклеаза с гистидином
Катализ любого шага на пути синтеза РНК был выгоден РНК-миру
Короткие положительно заряженные пептиды (c Arg и Lys) повышают стабильность и активность большинства рибозимов

ФОТОХИМИЯ ФЛАВИНА И ПТЕРИНА
Фотолиаза — фермент современных бактерий
Восстанавливает тиминовые димеры в ДНК
Кофакторы – ФАД и птерин
Фермент активен только при освещении
ФАД поглощает синий свет и восстанавливает тиминовый димер за счет энергии возбуждения
Птерин работает вспомогательным пигментом, поглощает ближний УФ и передает возбуждение на ФАД
Птерин (входит в состав витамина В9)
Тиминовый димер
(Вы знали их как переносчиков водорода и метильных групп)

АБИОГЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ НА ОСНОВЕ ФЛАВИНА И ПТЕРИНА
(Критский, Телегина, Колесников)
Квантовый выход фотофосфорилирования - до 20% !
Сухую смесь аминокислот (Glu, Ala, Gly, Lys) запечь в духовке (180 'C, 6 часов)
Запеченую массу растворить в воде с добавлением силикатов
Образуются микросферы из случайных полипептидов длиной 50-100 а.к в комплексе с силикатами, флавином и птерином (2-3% пигментов)
При освещении синим светом и ближним УФ микросферы катализируют фосфорилирование АДФ до АТФ
Те же пигменты в растворе или на поверхности минералов — не работают!
Желательно наличие окислителей (Fe3+, H2O2 и т.д.)

РНК ИСПОЛЬЗУЕТ СВЕТ И БЕЗ КОФЕРМЕНТОВ
G-квадруплекс может утилизировать энергию света в химические реакции, а не рассеивать в тепло
Получен рибозим-фотолиаза без кофакторов

ЭВОЛЮЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
Лекция 8

ОБЩАЯ СХЕМА ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
Катаболизм: распад сложных молекул
Анаболизм: синтез сложных молекул
Промежуточный метаболизм:
Позволяет сделать нужные вещества из тех, что есть в наличии

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 СОВРЕМЕННЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
Цикл Кальвина (растения, водоросли, цианобактерии, часть хемосинтетиков) – участвуют сахарофосфаты, механизм похож на реакцию Бутлерова, ферменты содержат Mg и Zn
Обратный цикл Кребса (зеленые серобактерии, часть архей, некоторые водоросли) – участвуют карбоновые кислоты, находится в центре метаболизма, ферменты содержат Fe (один – Mn), проблемы со специфичностью катализа
Ацетил-КоА – путь (метаногенные археи и ацетогенные бактерии) – простой, короткий, не требует АТФ, ферменты содержат Ni, Fe, Mo, Co.
Могли ли современные пути фиксации СО2 появиться в доклеточную эпоху на минеральных катализаторах?

ЦИКЛ КАЛЬВИНА
Выглядит страшно?
Но реакций только 3 типа
Много общего с реакцией Бутлерова

АЦЕТИЛ-КоА ПУТЬ
Простой путь, не требует АТФ, но использует экзотические катализаторы – Ni, Mo, Co

ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ КРЕБСА
Реакций только 11. Но все разные!

МЕСТА ФИКСАЦИИ СО2 В МЕТАБОЛИЗМЕ

ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ КРЕБСА
НА КРИСТАЛЛАХ ZnS

ФОЛАТНЫЙ ПУТЬ И С1-МЕТАБОЛИЗМ

АРХЕЙНЫЙ ВАРИАНТ ЦИКЛА КАЛЬВИНА
Рибулозо-бифосфат образуется у них из АМФ

СХЕМА ПРОМЕЖУТЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА

3HP ЦИКЛ ФИКСАЦИИ СО2

RD-4HB И 3HP-4HB ЦИКЛЫ ФИКСАЦИИ СО2
Общие детали с циклом Кребса и друг с другом

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗНЫХ ПУТЕЙ ФИКСАЦИИ СО2
(Braakman and
Smith, 2013)

ИСТОЧНИКИ С И N В СИНТЕЗЕ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ

МЕТИЛОТРОФИЯ — ПУТЬ К ФИКСАЦИИ СО2?
HCOOH, CH2O и CH3OH используются проще, чем СО2

ЭВОЛЮЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

ЭВОЛЮЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

ЭВОЛЮЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

ЭВОЛЮЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

ЭВОЛЮЦИЯ ПУТЕЙ ФИКСАЦИИ СО2
(Braakman and Smith, 2013)

СВЯЗИ КОФАКТОРОВ И ГИСТИДИНА С СИНТЕЗОМ КОФАКТОРОВ

ФОРМАМИДНЫЙ ПРОТОМЕТАБОЛИЗМ

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ БИОХИМИЯ:
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ БИОХИМИЯ:
КРЕМНИЙ
Образует цепи и кольца сравнимо с углеродом
Не образует двойных связей
Очень прочные связи с кислородом, которые невозможно ослабить

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ БИОХИМИЯ:
Образует цепи и кольца
Крайне редок во Вселенной по сравнению с углеродом и кремнием
БОР
АЗОТ
Образует сложные молекулы при сверхвысоких давлениях

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ РАСТВОРИТЕЛИ:
АММИАК (в смеси с водой)
СО2 под давлением

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ БИОХИМИЯ:
СВЯЗИ МЕЖДУ МОНОМЕРАМИ

АЛЬТЕРНАТИВЫ РНК: ТРИОЗЫ, ТЕТРОЗЫ И АМИНОСАХАРА ВМЕСТО РИБОЗЫ

АЛЬТЕРНАТИВЫ РНК:
ДРУГИЕ ПАРЫ ОСНОВАНИЙ

АЛЬТЕРНАТИВЫ РНК: ПЕПТИДОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ