Михаил Никитин - Происхождение жизни. От туманности до клетки
Итак, мы можем быть уверены, что из разнообразия порфиринов LUCA могли быть сирогем, участвующий в окислении серы, и витамин В12, работающий, среди прочего, в восстановительном ацетил-КоА-пути фиксации углекислого раза (см. главу 11). О древности других порфиринов мы не можем судить так же достоверно. Гемы a и b участвуют во множестве окислительно-восстановительных реакций, и у нас нет четких аргументов ни за, ни против их присутствия у LUCA. Хлорофиллы или промежуточные продукты их синтеза (протохлорофиллиды) могли быть у LUCA в качестве защитных пигментов. Нельзя исключать, что эту же функцию защиты от ультрафиолета могли выполнять какие-нибудь другие порфирины, которые не сохранились до нашего времени.
Разнообразие и эволюция хинонов
В разных группах бактерий и архей для переноса электронов в мембранах используются химически разные хиноны: убихинон, пластохинон, менахинон, кальдареллахинон и другие (рис. 17.4). Кроме того, существуют бактерии и археи, не имеющие хинонов вовсе: это ацетогены из клостридий[18] и большинство групп архей-метаногенов. В электрон-транспортной цепи электроны передаются с более слабого окислителя на более сильный. Единственный окислитель, доступный метаногенам, CO2, слишком слаб, чтобы принимать электроны с хинонов. Лишь у архейного семейства метаногенов Methanosarcinales есть аналоги хинонов – метанофеназины, которые по своему редокс-потенциалу могут отдавать электроны на CO2.
Если посмотреть распределение разных хинонов по филогенетическому дереву бактерий и архей, то легко можно увидеть, что большинство хинонов появились в эволюции после расхождения основных групп бактерий. Убихинон возник у протеобактерий, пластохинон – у цианобактерий, а кальдареллахинон – у архей Sulfolobales. Менахинон же распространен у самых разных групп бактерий и архей. Обладатели уби-, пласто– и кальдареллахинона обычно используют кислород либо устойчивы к нему, а организмы с менахиноном, как правило, строгие анаэробы. Менахинон реагирует с кислородом, образуя ядовитую перекись водорода, поэтому с появлением кислорода в атмосфере разные группы бактерий и архей независимо друг от друга нашли ему безопасную замену. Менахинон в настоящее время найден у самых разных групп анаэробных бактерий и архей, в том числе древних. Вероятно, он был еще у LUCA либо возник вскоре после разделения бактерий и архей.
Разнообразие электрон-транспортных цепей
В предыдущих главах мы познакомились с двумя самыми распространенными вариантами электрон-транспортных цепей, работающими в аэробном дыхании и в кислородном фотосинтезе. На самом деле разнообразие гораздо шире, потому что бактерии и археи используют множество разных окислителей и восстановителей (см. главу 16). Кроме упомянутых в прошлой главе окислителей (кислород, сульфат, нитрат, нитрит) разные бактерии могут использовать серу, хлорат, перхлорат, арсенат, селенат, растворенное трехвалентное железо (в кислой среде), твердые оксиды Fe2O3 и MnO2, хлорорганические соединения и другие вещества. В качестве восстановителей может использоваться такая экзотика, как фосфит, арсенит, соединения сурьмы и даже урана. Более того, существуют разные неродственные варианты ферментных комплексов для одной и той же реакции. Например, для окисления железа у разных микробов известно четыре разных ферментных системы. Описание всего этого разнообразия заняло бы целую книгу, поэтому мы ограничимся здесь разбором двух электрон-транспортных цепей: денитрификации и сульфатного дыхания/окисления серы. Первая интересна тем, что некоторые ее ферменты эволюционно родственны ферментам кислородного дыхания, а вторая, по-видимому, одна из древнейших.
В ходе денитрификации нитрат восстанавливается до азота в четыре стадии:
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2.
Каждая из четырех реакций катализируется своим ферментом. Типичная дыхательная цепь денитрификации похожа на цепь, работающую в аэробном дыхании: в ее составе тоже есть комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) и комплекс III (цитохромный комплекс bc1, в состав которого входят цитохромы b и с), между которыми электроны переносятся при помощи хинонов. Однако если аэробная дыхательная цепь линейна, то дыхательная цепь денитрификации разветвляется в двух местах. Хиноны в ней переносят электроны не только к цитохрому bc1, но и к нитрат-редуктазе, а после цитохрома bc1 подвижный малый цитохром с доставляет электроны по трем разным адресам: на нитрит-редуктазу, NO-редуктазу и N2O-редуктазу (рис. 17.5).
Из-за разветвления дыхательная цепь денитрификации нуждается в тонком управлении распределения тока. Например, нитрит-редуктаза производит ядовитый оксид азота NO. В норме его концентрация очень мала, потому что NO-редуктаза быстро превращает NO в безопасный N2O. Но если NO-редуктазе не хватит электронов, клетка отравит сама себя оксидом азота. Поэтому дыхательная цепь денитрификации качает меньше протонов, чем могла бы, – меньшая эффективность оказывается платой за безопасность. Кроме изображенного на рисунке варианта существуют более простые денитрификационные дыхательные цепи, в которых нет комплекса III, а все четыре редуктазы получают электроны прямо с хинона. Они проще в управлении, но переносят меньше протонов через мембрану.
Все известные варианты дыхательных цепей денитрификации, аммонификации и других окислительно-восстановительных превращений соединений азота используют компоненты, возникшие в эволюции после LUCA: цитохромы c и медьсодержащие ферменты. Медь входит в состав активного центра N2O-редуктазы и вспомогательных субъединиц NO-редуктазы. Так что их появление в эволюции, видимо, произошло уже после возникновения основных групп бактерий.
Восстановление сульфата, как и нитрата, происходит в несколько этапов. Поскольку сульфат – очень слабый окислитель, то он нуждается в активации с помощью АТФ. Сульфат превращается в аденозил-фосфосульфат, который далее восстанавливается до сульфита, серы и сероводорода:
SO42- → аденозил-фосфо-SO4- → SO32- → S → H2S.
Аденозил-фосфосульфат-редуктаза (Apr) получает электроны не от обычных переносчиков, а от белкового комплекса-партнера, который называется Qmo (рис. 17.6). Даже с учетом активации АТФ сульфат – слишком слабый окислитель, чтобы принимать электроны с хинона. Поэтому комплекс Qmo объединяет в один ток электроны из двух источников с разным напряжением: от хинона (слабый восстановитель) и от ферредоксина (сильный восстановитель). Благодаря этому Apr может восстановить сульфат до сульфита. Работа комплекса Qmo называется «электронная конфуркация».
Дальше работает диссимиляторная сульфит-редуктаза (DsrAB), которая восстанавливает сульфит до серы, перенося четыре электрона. В клетках сера из активного центра сульфит-редуктазы выходит при помощи вспомогательного белка DsrC, молекула которого имеет длинную «ручку» с двумя остатками цистеина. Сера реагирует с этими цистеинами, превращаясь в H2S, а цистеины окисляются в дисульфидный мостик. Другой ферментный комплекс, гетеродисульфид-редуктаза (DsrMKJOP), восстанавливает этот дисульфидный мостик обратно, получая электроны с хинона. У многих бактерий эта система работает в обратном направлении, окисляя сероводород и серу до сульфита, например, в процессах фотосинтеза и диспропорционирования серы.
Комплексы сульфатного дыхания устроены достаточно однотипны у разных организмов, кроме того, сульфатное дыхание – признак нескольких древних, рано ответвляющихся групп архей и бактерий. Оно обходится без меди и обычно без цитохромов c. Субъединицы одного из его ферментов, сульфит-редуктазы DsrAB, судя по филогенетическому дереву, появились при дупликации генов еще до LUCA. Все это говорит о большой древности этого пути метаболизма.
Модульная структура окислительно-восстановительных ферментов
Изучение большого разнообразия дыхательных цепей показывает, что множество ферментных комплексов, работающих с разными веществами, строятся из небольшого набора субъединиц, как в конструкторе LEGO (Baymann et al., 2003). В простейшем случае дыхательная цепь состоит из двух комплексов, перенос электронов между которыми осуществляется хиноном. Каждый из двух комплексов включает как минимум три блока:
• каталитическая субъединица получает электроны от восстановителя;
• мембранная субъединица отдает электроны на хинон;
