K otázce vzniku života: prebiotická syntéza koenzymu?
| 5. 7. 1995Základním pilířem moderní biochemie a molekulární biologie je triáda DNA — RNA — protein (viz Vesmír 73, 365, 1994/7 a Vesmír 73, 369, 1994/7). Genetická informace je kódována v molekulách DNA, přepisována do RNA a v ribozomech překládána do pořadí aminokyselin v bílkovině, které je kolineární s pořadím (triplety) purinových a pyrimidinových bází jako součástí polynukleotidu DNA. Na otázku nikoli nepodobnou té, bylo-li dříve vejce nebo slepice, neboli zda DNA předcházela při vzniku života prvním bílkovinám či naopak, anebo zda obě tyto třídy biomakromolekul existovaly současně, dávají určitou odpověď nálezy o funkci RNA nadané katalytickými vlastnostmi. T. R. Cech na počátku 80. let skutečně objevil u prvoka Tetrahymena thermophila prekurzorovou ribozomální RNA, která katalyzuje sestřih své vlastní molekuly. Katalytická a sestřihem oddělená část (intron) této RNA byla nazvána ribozym. Ribozymy byly pak nalezeny i u jiných druhů a v mechanizmu jejich působení se zjistily zajímavé souvislosti, které ukazují na vývojové trendy od nižších organizmů k vyšším. Mnohé další pokusy umožnily modelovat jakousi darwinovskou evoluci ribozymu in vitro, tj. v přítomnosti mutagenních oligonukleotidů dosáhnout adaptace ribozymu na substráty (ionty) v médiu, které obsahovalo jen enzymy nutné pro zpětnou transkripci na DNA, amplifikaci a selekci. Jako selekčního principu využil G. F. Joyce skutečnosti, že pro zpětnou transkripci v nebuněčném prostředí byly vhodné jen takové mutantní molekuly ribozymu, které označily samy sebe oligonukleotidem rozpoznatelným jako primer pro reverzní transkriptázu. Tedy jen katalyticky účinné molekuly se mohly stát podkladem pro selekci a amplifikaci. Z toho lze vyvodit závěr, že genotyp a fenotyp mohly v evoluci existovat na jediné molekule RNA, a že tedy svět RNA předcházel světu DNA. Přitom adaptace např. na změnu iontů v médiu bylo dosaženo pokusně již v osmi cyklech mutageneze, amplifikace a selekce in vitro, což poněkud koriguje výrok F. Hoyleho, že “spontánní vznik života je pravděpodobný asi stejně jako sestavení Boeingu 747 tornádem procházejícím skladištěm odpadů″.
Některá pozorování však ukazují na to, že aminokyseliny a hydroxykyseliny aktivované jako thioestery mohou být východiskem pro spontánní syntézu některých peptidových antibiotik, aniž k tomu je zapotřebí ribonukleových kyselin, a že tedy svět thioesterů mohl v evoluci předcházet světu RNA. V této souvislosti je zvláště zajímavá otázka vývoje koenzymu A, který se podílí v metabolizmu na tzv. aktivaci organických kyselin, potřebné k endergonické (energii vyžadující) biosyntéze makromolekul a pro další přeměnu a účast acylových zbytků v energeticky náročných metabolických krocích. Thioesterové anhydridy tak plní metabolickou úlohu obdobnou funkci fosfátových anhydridů typu ATP nebo ADP, tj. slouží jako přenašeče chemické energie v živých soustavách.
Koenzym A se skládá ze složky adenozindifosfátové (ADP) a z pantetheinu. Pantethein je tvořen zbytkem kyseliny pantothenové a zbytkem cysteaminu. Pantothenová kyselina je vitaminovým prekurzorem koenzymu a patří ke komplexu vitaminů B. Je tedy nezbytným faktorem výživy vyšších organizmů a skládá se z kyseliny pantoové, což je dihydroxykyselina, a z aminokyseliny β-alaninu.
Pantethein je vlastně koenzym A zbavený ADP. Mohl být prekurzorem tohoto koenzymu a sám je připojen v aktivním místě mnoha enzymů prostřednictvím serinfosfátu. Všechny jeho komponenty jsou dobře rozpustné, mohly se vyskytovat v prebiotickém prostředí (“prapolévce″) v účinných koncentracích a jejich syntéza není energeticky příliš náročná. Alanin β byl nalezen v některých meteoritech, cysteamin mohl vzniknout v primitivním oceánu bohatém na thiolové sloučeniny reakcí síry s ethylenem či ethylenaminu s H2S a rovněž dihydroxykyselina pantoová je poměrně snadno syntezována adicí molekul formaldehydu a HCN na izobutyraldehyd nebo α-ketoisovalerovou kyselinu. Pantothenová kyselina se mohla utvořit z pantoyllaktonu a βalaninu. Připojení ADP pro vznik koenzymu A je energeticky náročnější a je asi pozdější vývojovou etapou za možného přispění ribozymu.
A. D. Keefe, G. L. Newton a S. L. Miller popsali nedávno spontánní syntézu pantetheinu z ekvimolární směsi pantoyllaktonu, β-alaninu a cysteaminu po odpaření vodného rozpouštědla ve vakuu při 25 °C a zahříváním za anaerobních podmínek při 40 °C. Napodobili tak podmínky, které mohly nastat v odpařujících se mořských zálivech primitivních oceánů a v podmínkách anaerobní atmosféry primitivní Země. Zjištění, že amidické vazby se mohly spontánně vytvořit in vitro při tak nízké teplotě 40 °C, která ještě nevede k rozkladu organických sloučenin, je podporou pro hypotézu, že pantethein a koenzym A mohly být významnými sloučeninami v prvních metabolických systémech živých soustav. Relativní snadnost spontánní syntézy pantetheinu také vysvětluje, proč k aktivaci organických kyselin v metabolizmu byl vyvinut tento mechanizmus směřující až ke koenzymu A, i když stejnou funkci aktivace karboxylových skupin by mohly zastat prakticky všechny thiolové sloučeniny. (Nature 373, 683, 1995)
Hypotézy o původu života
Většina hypotéz spadá do jedné z následujících skupin:
- Život je výsledkem nadpřirozené události, kterou není možné popsat prostředky fyziky ani chemie.
- Život – alespoň v jeho nejjednodušších formách – vzniká spontánně a neustále z neživé hmoty dnes právě tak jako v minulosti.
- Život existuje stejně jako hmota věčně, tj. nemá počátek; na Zemi se dostal při jejím vzniku nebo krátce poté.
- Život na Zemi vznikl řadou chemických reakcí. Že tyto reakce nastanou je buď pravděpodobné, anebo to vyžaduje jednu nebo více velice nepravděpodobných chemických událostí.
Naivnější absolventy “vumlu″ možná překvapí, že hypotéza 1 ve své nejobecnější podobě není v rozporu se současnými vědeckými poznatky (viz např. Britannicu 3, vol. 22, p. 992). Hypotéza 2 převládala po mnohá staletí. Až v renesanci se však začala ukazovat jako neudržitelná. Připomeňme ještě spor Louise Pasteura s F. A. Pouchetem v padesátých letech 19. století, v němž Pasteur triumfálně ukázal, že i nejmenší organizmy pocházejí ze zárodků, které létají ve vzduchu. Koncem 19. století začaly převládat hypotézy 3. skupiny, zejména poté, co švédský chemik S. A. Arrhenius prosazoval hypotézu panspermie, podle níž mikroorganizmy nebo spory putují díky tlaku záření prostorem od planety k planetě. Je velmi nepravděpodobné, že by jakýkoli mikroorganizmus takovýto transport prostorem přežil. Pasteurova práce odradila mnoho vědců od zkoumání původu života, řada jiných se nechtěla pustit do tohoto problému proto, aby neurážela náboženské cítění.
Z vědeckého hlediska nejzajímavější hypotézu 4 zastávali velmi rozhodně už britský biolog T. H. Huxley (ve spise z r. 1869 Protoplasm, the Physical Basis of Life) a fyzik John Tyndall (roku 1874 v přednášce v Belfastu), přestože tehdy o tom, jak by z anorganických chemikálií mohl vzniknout život, mohli mít jen velmi mlhavou představu. Pojem “organické molekuly″ implikuje, že existuje třída molekul jednoznačně biologického původu, přestože již od r. 1828 byly rutinně produkovány organické molekuly z anorganických látek.
Ve 20. letech tohoto století si J. B. S. Haldane a A. I. Oparin povšimli, že nebiologická produkce organických molekul v oxidační atmosféře Země je velmi nepravděpodobná, ale jestliže Země někdy měla redukční podmínky (v tomto kontextu bohaté na vodík), byla by nebiologická produkce organických molekul mnohem pravděpodobnější.
První experimentální simulaci primitivních podmínek provedl pod vedení vynikajícího chemika H. C. Ureye jeho doktorand S. L. Miller. V experimentálním tanku nechal probíhat elektrický koronový výboj ve směsi metanu, amoniaku, vodní páry a vodíku, která probublávala vodou. Analýza ukázala, že i v takto jednoduchém uspořádání vznikne řada aminokyselin. Tento pokus byl mnohokrát opakován. Americký astrofyzik Carl Sagan ukázal, že ve směsi metanu, amoniaku, vody a sirovodíku ozařované ultrafialovým zářením rovněž vznikají aminokyseliny.
Od jednoduchých organických molekul a aminokyselin je však ještě velmi spletitá cesta k polymerům, polynukleotidům, katalytickým reprodukujícím pochodům. Přesto v nejstarších litosférických deskách byly identifikovány bakterie a sinice staré přes 3 miliardy let. Protože Země je stará kolem 4,5 miliardy let, musel se život na ní objevit již po několika stech milionů let. Mezi argumenty pro biologickou produkci organických molekul v nejstarších sedimentech (a tedy pro raný vznik života) patří optická aktivita organických molekul (v živých systémech se přednostně vyskytuje L–konfigurace, viz rovněž Vesmír 72, 397, 1993/7), obohacení izotopem 12C a výskyt uhlovodíků s lichým počtem uhlíků.
K této problematice se rovněž váže exobiologie – termín prosazovaný americkým biologem J. Lederbergem pro studium mimozemského života. Tato disciplína je považována za vědu, přestože vlastně zatím nemá co popsat! Její spekulace však mají hluboký význam, i kdyby nikdy nebyl mimozemský život objeven.
Slovníček
amplifikace genová – zvýšení počtu kopií příslušného genu
koenzym – nebílkovinná, účinná, teplem se neměnící složka enzymu
prekurzor – výchozí látka, z níž vzniká chemickou přeměnou výsledný produkt
primer – krátký oligonukleotid, od jehož 3'-konce začíná na matricovém řetězci syntéza polynukleotidového řetězce
reverzní transkripce – přepisování genetické informace z RNA do DNA (je katalyzována enzymem reverzní transkriptázou)
ribozym – katalytická molekula RNA; katalyzuje štěpení a ligaci oligonukleotidových substrátů
O autorovi
Jiří Kraml
Doporučujeme
Přírodovědec v ekosystému vědní politiky 
Od krytí k uzavření rány
