Pourquoi les êtres vivants utilisent l’ATP comme monnaie énergétique universelle

Une première étape de l’évolution métabolique a ouvert la voie à l’émergence de l’ATP en tant que vecteur énergétique universel.

Un simple composé à deux carbones a peut-être joué un rôle crucial dans l’évolution du métabolisme avant l’avènement des cellules. C’est selon une nouvelle étude de Nick Lane et ses collègues de l’University College de Londres, au Royaume-Uni, qui a été publiée dans la revue en libre accès PLOS Biologie le 4 octobre^e. Cette découverte pourrait fournir des informations clés sur les premières étapes de la biochimie prébiotique. En outre, la découverte suggère comment l’ATP (adénosine triphosphate) est devenu le vecteur énergétique universel de toute vie cellulaire aujourd’hui.

L’ATP est utilisé par toutes les cellules comme intermédiaire énergétique. Au cours de la respiration cellulaire, l’énergie est captée lorsqu’un phosphate est ajouté à l’ADP (adénosine diphosphate) pour générer de l’ATP. Le clivage de ce phosphate libère de l’énergie pour alimenter la plupart des types de fonctions cellulaires.

Cependant, la construction de la structure chimique complexe de l’ATP à partir de zéro consomme beaucoup d’énergie et nécessite six étapes distinctes pilotées par l’ATP. Bien que des modèles convaincants permettent la formation prébiotique du squelette de l’ATP sans énergie provenant de l’ATP déjà formé, ils indiquent également que l’ATP était probablement assez rare. Cela signifie qu’un autre composé peut avoir joué un rôle central dans la conversion de l’ADP en ATP à ce stade de l’évolution.

Selon Lane et ses collègues, le candidat le plus probable était le phosphate d’acétyle (AcP), composé à deux carbones, qui fonctionne aujourd’hui dans les bactéries et les archées comme intermédiaire métabolique. Il a été démontré que l’AcP phosphorylait l’ADP en ATP dans l’eau en présence d’ions de fer, mais une foule de questions subsistaient après cette démonstration, notamment si d’autres petites molécules pourraient également fonctionner, si l’AcP est spécifique de l’ADP ou pourrait plutôt fonctionner tout aussi bien. bien avec les diphosphates d’autres nucléosides (comme la guanosine ou la cytosine), et si le fer est unique dans sa capacité à catalyser la phosphorylation de l’ADP dans l’eau.

Simulation dynamique moléculaire de l’ADP et du phosphate d’acétyle Crédit : Aaron Halpern, UCL (CC BY 4.0)

Les auteurs ont exploré toutes ces questions dans leur nouvelle étude. S’appuyant sur des données et des hypothèses sur les conditions chimiques de la Terre avant l’apparition de la vie, ils ont testé la capacité d’autres ions et minéraux à catalyser la formation d’ATP dans l’eau ; aucun n’était aussi efficace que le fer. Ensuite, ils ont testé un panel d’autres petites molécules organiques pour leur capacité à phosphoryler l’ADP ; aucun n’était aussi efficace que l’AcP, et un seul autre (phosphate de carbamoyle) avait une activité significative. Enfin, ils ont montré qu’aucun des autres nucléosides diphosphates n’acceptait un phosphate d’AcP.

En associant ces résultats à une modélisation en dynamique moléculaire, les auteurs proposent une explication mécaniste de la spécificité de la réaction ADP/AcP/fer, en faisant l’hypothèse que le petit diamètre et la forte densité de charge de l’ion fer, combinés à la conformation de l’intermédiaire formé lors de les trois se rejoignent, fournissent une géométrie “juste” qui permet au phosphate d’AcP de changer de partenaire, formant l’ATP.

“Nos résultats suggèrent que l’AcP est le précurseur le plus plausible de l’ATP en tant que phosphorylateur biologique”, déclare Lane, “et que l’émergence de l’ATP en tant que monnaie énergétique universelle de la cellule n’était pas le résultat d’un” accident gelé “, mais est survenu des interactions uniques de l’ADP et de l’AcP. Au fil du temps, avec l’émergence de catalyseurs appropriés, l’ATP pourrait éventuellement remplacer l’AcP en tant que donneur de phosphate omniprésent et favoriser la polymérisation de