МОЛОДЁЖНЫЙ ПРОЕКТ ДЛЯ ТЕХ, КТО ДЕЛАЕТ ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКЕ
 |  |
 |
/components/bitrix/system.auth.form/auth_alm/images/login.gif)
Войти /components/bitrix/system.auth.form/auth_alm/images/register.gif)
Регистрация
Войти в корпоративную почту как автор/член редколлегии/рецензент журнала
2016. Том 11. Выпуск 1. Система планета Земля / 'The Earth Planet System / System Planet Erde
БИОСФЕРА / BIOSPHERE / BIOSPHÄRE
Marakushev S.A., Belonogova O.V.
The Origin of Bioenergetics on Earth: The Emergence of Phosphoric Metabolism in Ancient Hydrothermal Systems
Sergey A. Marakushev, D.Sc. (Biology), Leading Researcher, Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Russia
ORCID 0000-0001-6078-4650
E-mail: marak@cat.icp.ac.ru; sergey-a-marakushev@j-spacetime.com; shukaram@yandex.ru
Olga V. Belonogova, Ph.D. (Chemistry), Scientific Researcher, Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, RussiaORCID 0000-0002-9625-7657
E-mail: olga-v-belonogova@j-spacetime.com
The origin of phosphorus metabolism is one of the central problems in the context of the emergence of life on Earth. In our article, it has been shown that the C–H–O primitive metabolic system can be transformed into a four-component C–H–O–P system with the formation of a gluconeogenesis path in a possible Achaean hydrothermal condition under the influence of a phosphorus chemical potential. This system became the energy supply basis for protometabolism, and facilitated the formation of a new CO2 fixation cycle (the reductive pentose phosphate pathway).
The modular design of central metabolism in the C–H–O–P system is derived from the parageneses (associations) of certain substances, and the emerging modules in turn associate with each other in certain physical and chemical hydrothermal conditions. The assembly of malate, oxaloacetate, pyruvate, and phosphoenolpyruvate is a reversible ‘turnstile-like’ mechanism with a switching of reaction direction that determines the trend of specific metabolic systems development. Thus, there is a natural selection of emerging metabolic systems.
Keywords: origin of metabolism energetic, Achaean eon, ancient hydrothermal systems, autocatalytic cycles, gluconeogenesis, CO2 fixation, chemical potentials.
Cite MLA 7:
Marakushev, S. A., and O. V. Belonogova. "The Origin of Bioenergetics on Earth: The Emergence of Phosphoric Metabolism in Ancient Hydrothermal Systems." Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time 11.1(‘The Earth Planet System’) (2016). Web. <2227-9490e-aprovr_e-ast11-1.2016.31>. (In Russian).
Маракушев С.А., Белоногова О.В.
Происхождение биоэнергетики на Земле: зарождение фосфорного метаболизма в древних гидротермальных системах
Маракушев Сергей Алексеевич, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, Московская область ORCID 0000-0001-6078-4650
E-mail: marak@cat.icp.ac.ru; sergey-a-marakushev@j-spacetime.com; shukaram@yandex.ru
Белоногова Ольга Васильевна, кандидат химических наук, научный сотрудник, Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, Московская областьORCID 0000-0002-9625-7657
E-mail: olga-v-belonogova@j-spacetime.com
Зарождение фосфорного метаболизма является одной из центральных проблем возникновения жизни на Земле. Показано, что в гидротермальных условиях Архея под воздействием химического потенциала фосфора примитивная метаболическая система С-Н-О преобразовывалась в четырехкомпонентную систему С-Н-О-Р с формированием системы глюконеогенеза, ставшей основой снабжения протометаболизма энергией, и образования нового цикла фиксации СО2 (восстановительного пентозофосфатного пути). Модулярные конструкции центрального метаболизма системы С-Н-О-Р формируются из парагенезисов (ассоциаций) определенных веществ, а формирующиеся модули в свою очередь находятся в парагенезисе друг с другом в определенных физико-химических гидротермальных условиях. Малат, оксалоацетат, пируват и фософенолпируват представляют собой обратимый «турникет–подобный» механизм переключения направления реакций, определяющий тренд развития конкретных метаболических систем. Таким образом, происходит естественный отбор зарождающихся метаболических систем.
Ключевые слова: зарождение энергетики метаболизма, автокаталитические циклы, фосфорный метаболизм, глюконеогенез, фиксация СО2, эра Архея, древние гидротермальные системы.
Цитирование по ГОСТ Р 7.0.11—2011:
Маракушев, С. А., Белоногова, О. В. Происхождение биоэнергетики на Земле: Зарождение фосфорного метаболизма в древних гидротермальных системах [Электронный ресурс] / С.А. Маракушев, О.В. Белоногова // Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. — 2016. — Т. 11. — Вып. 1: Система планета Земля. — Стационарный сетевой адрес: 2227-9490e-aprovr_e-ast11-1.2016.31.
Список литературы / References
References / Список литературы
Alberty R.A. "Effect of Temperature on Standard Transformed Gibbs Energies of Formation of Reactants at Specified pH and Ionic Strength and Apparent Equilibrium Constants of Biochemical Reactions." J. Phys. Chem. B 105 (2001): 7865—7870.
Amend J.P., Shock E.L. "Energetics of Overall Metabolic Reactions of Thermophilic and Hypertermophilic Archaea and Bacteria." FEMS Microbiol. Rev. 25 (2001): 175—243.
Braakman R., Smith E. "The Emergence and Early Evolution of Biological Carbon—Fixation." PLoS Comput. Biol. 8 (2012): 1—16.
Braakman R., Smith E. "The Compositional and Evolutionary Logic of Metabolism." Phys. Biol. 10(2013): 1—63.
Brazhkin V.V. "Metastable Phase and ‘Metastable’ Phase Diagrams." J. Phys. Condens. Matter 18(2006): 9643—9650.
Clune J., Mouret J.B., Lipson H. "The Evolutionary Origins of Modularity." Proc. R. Soc. B 280 (2013): 20122863—20122886.
Cody G.D. “Primordial Carbonylated Iron-Sulfur Compounds and the Synthesis of Pyruvate.” Science 289 (2000): 1337—1340.
Desiraju G.R. "Cryptic Crystallography." Nat. Mater. 1(2002): 77—79.
Ferry J.G., House C.H. "The Stepwise Evolution of Early Life Driven by Energy Conservation." Mol. Biol. Evol. 23 (2006): 1286—1292.
Fu Q., Socki R.A., Niles P.B. "Evaluating Reaction Pathways of Hydrothermal Abiotic Organic Synthesis at Elevated Temperatures and Pressures Using Carbon Isotopes." Geochim. Cosmochim. Acta 154 (2015): 1—17.
Fuchs G. "Alternative Pathways of Carbon Dioxide Fixation: Insights into the Early Evolution of Life?." Ann. Rev. Microbiol. 65 (2011): 631—658.
Gibbs J.W. "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances." Transact. Connect. Acad. Arts & Sci. 3 (1878): 108—248, 343—524.
Helgeson H.C., Knox A.M., Owens C.E., Shock E.L. "Petroleum, Oil Field Waters, and Authigenic Mineral Assemblages. Are They in Metastable Equilibrium in Hydrocarbon Reservoirs?." Geochim. Cosmochim. Acta 57 (1993): 3295—3339.
Hugler M., Sievert S. M. “Beyond the Calvin Cycle: Autotrophic Carbon Fixation in the Ocean.” Ann. Rev. Mar. Sci 3(2011): 261—289.
Keller M.A., Turchyn A.V., Ralser M. "Non-enzymatic Glycolysis and Pentose Phosphate Pathway-like Reactions in a Plausible Archean Ocean." Molec. Syst. Biol. 10 (2014): 725—736.
Keller M.A., Piedrafita G., Ralser M. "The Widespread Role of Non-Enzymatic Reactions in Cellular Metabolism." Curr. Opin. Biotechn. 34 (2015): 153—161.
Konhauser K.O., Lalonde S.V., Amskold L., Holland H.D. "Was There Really an Archean Phosphate Crisis?." Science 315 (2007): 1234.
Korzhinsky D.S. Physicochemical Basis of the Analysis of the Paragenesis of Minerals. New York: Consultants Bureau, 1959.
Korzhinsky D.S. "On Thermodynamics of Open Systems and Phase Rule." Geochim. Cosmochim. Acta 30 (1966): 829—836.
Kun A., Papp B., Szathmary E. "Computational identification of obligatorily autocatalytic replicators embedded in metabolic networks." Genome Biol. 9 (2008): R51.1—R51.11.
Li W., Czaja A.D., Van Kranendonk M.J., Beard B.L., Roden E.E., Johnson C.M. "An Anoxic, Fe(II)-Rich, U-Poor Ocean 3.46 Billion Years Ago." Geochim. Cosmochim. Acta 120 (2013): 65—79.
Lindahl P.A. "Stepwise Evolution of Nonliving to Living Chemical System." Orig. Life Evol. Biosph. 34 (2004): 371—389.
Marakushev A.A., Marakushev S.A. "PT Facies of Elementary, Hydrocarbon, and Organic Substances in the C—H—O System." Dokl. Earth Sci. 406 (2006): 141—147.
Marakushev S.A., Belonogova O.V. "The Paragenesis Thermodynamic Analysis of Chemoautotrophic СО2 Fixation Archaic Cycle Components, Their Stability and Self-organization in Hydrothermal Systems." J. Theoret. Biol. 257 (2009): 588—597.
Marakushev S.A., Belonogova O.V. "Evolution of Carbon Dioxide Archaic Chemoautotrophic Fixation System in Hydrothermal Systems." Dokl. Biochem. Biophys. 433 (2010): 168—174.
Marakushev S.A., Belonogova O.V. "Emergence of the Chemoautotrophic Metabolism in Hydrothermal Environments and the Origin of Ancestral Bacterial Taxa." Dokl. Biochem. Biophys. 439 (2011): 161—166.
Marakushev S.A., Belonogova O.V. “Divergence and Natural Selection of Autocatalytic Primordial Metabolic Systems.” Orig Life Evol Biosph 43(2013): 263—281.
Mavrovouniotis M.L. "Estimation of Standard Gibbs Energy Changes of Biotransformations." J. Biol. Chem. 266 (1991): 14440—14445.
McDermott J.M., Seewald J.S., German C.R., Sylva S.P. "Pathways for Abiotic Organic Synthesis at Submarine Hydrothermal Fields." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112 (2015): 7668— 7672.
Morowitz H.G., Kostelnik J.D., Yang J., Cody G.D. "The Origin of Intermediary Metabolism." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97 (2000): 7704—7708.
Oelkers E.H., Helgeson H.C., Shock E.L., Sverjensky D.A., Johnson J.W., Pokrovskii V.A. “Summary of the Apparent Standard Partial Molal Gibbs Free Energies of the Formation of Aqueous Species, Minerals, and Gases at Pressures 1 to 5000 Bars and Temperatures 25 to 1000°C." J. Phys. Chem. Ref. Data 24 (1995): 1401—1560.
Pasek M.A., Harnmeijer J.P., Buick R., Gull M., Atlas Z. "Evidence for Reactive Reduced Phosphorus Species in the Early Archean Ocean." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110 (2013): 10089—10094.
Pereto J. "Out of Fuzzy Chemistry: From Prebiotic Chemistry to Metabolic Networks." Chem. Soc. Rev. 41 (2012): 5394—5403.
Pitsch S., Eschenmoser A., Gedulin B., Hui S., Arrhenius G. "Mineral Induced Formation of Sugar Phosphates.” Orig. Life Evol. Biosph. 25 (1995): 297 — 334.
Ronimus R.S., Morgan H.W. "Distribution and Phylogenies of Enzymes of the Embden-Meyerhof-Parnas Pathway from Archaea and Hyperthermophilic Bacteria Support a Gluconeogenic Origin of Metabolism." Archaea 1 (2003): 199—221.
Say R.F., Fuchs G. "Fructose 1,6-Bisphosphate Aldolase/Phosphatase May Be an Ancestral Gluconeogenic Enzyme." Nature 464 (2010): 1077—1081.
Shibuya T., Komiya T., Nakamura K., Takai K., Maruyama S. "Highly Alkaline, High-Temperature Hydrothermal Fluids in the Early Archean Ocean." Precambrian Res. 182 (2010): 230—238.
Shock E.L. "Geochemical Constraints on the Origin of Organics Compounds in Hydrothermal Systems." Orig. Life Evol. Biosph. 20 (1990): 331—367.
Shock E.L. "Chemical Environment of Submarine Hydrothermal System." Orig. Life Evol. Biosph. 22 (1992): 67—107.
Shock E.L., McCollom T., Schulte M.D. "Geochemical Constraints on Chemolithoautotrophic Reaction in Hydrothermal Systems." Org. Life Evol. Biosph. 25 (1995): 141—159.
Shock E.L., Schulte M.D. "Organic Synthesis during Fluid Mixing in Hydrothermal Systems." J. Geophys. Res. 103 (1998): 28513—28527.
Shock E.L., Canovas P., Yang Z., Boyer G., Johnson K., Robinson K., Fecteau K., Windman T., Cox A. "Thermodynamics of Organic Transformations in Hydrothermal Fluids." Rev. Mineral. Geochem. 76 (2013): 311—350.
Smith E., Morowitz H.G. "Universality in Intermediary Metabolism." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101 (2004): 13168—13173.
Srinivasan V., Morowitz H.G. "Analysis of the Intermediary Metabolism of a Reductive Chemoautotroph." Biol. Bull. 217 (2009): 222—232.
Stincone A., Prigione A., Cramer T., Wamelink M.M.C., Campbell K., Cheung E., Olin-Sandoval V., Grüning N.-M., Krüger A., Tauqeer Alam M., Keller M.A., Breitenbach M., Brindle K.M., Rabinowitz J.D. Ralser M. "The Return of Metabolism: Biochemistry and Physiology of the Pentose Phosphate Pathway." Biol. Rev. 90 (2015): 927—963.
Stüeken E.E., Anderson R.E., Bowman J.S., Brazelton W.J., Colangelo-Lillis J., Goldman A.D., Som S.M., Baross J.A. "Did Life Originate from a Global Chemical Reactor?." Geobiology 11 (2013): 101—126.
Van Cappellen P., Ingall E.D. "Redox Stabilization of the Atmosphere and Oceans by Phosphorus-Limited Marine Productivity." Science 271 (1996): 493 — 496.
Wächtershäuser G. "Before Enzymes and Templates: Theory of Surface Metabolism." Microbiol. Rev. 52 (1988): 452—484.
Wächtershäuser G. "Evolution of the First Metabolic Cycles." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87 (1990): 200—204.
Wachtershauser G. "On the Chemistry and Evolution of the Pioneer Organism." Chem. Biodiver. 4 (2007): 584—602.
Zachar I., Szathmary E. "A New Replicator: A Theoretical Framework for Analysing Replication." BMC Biol. 8 (2010): 21—47.
Читать статью / Read more
