Ryc. 1. Struktura adenozynokobalaminy. W ramkach elementy pochodzące z RNA: α-rybazol (ramka czerwona) i adenozyna (ramka niebieska). Źródło: Wikipedia, domena publiczna.
Co stało się miliardy lat temu?
W poprzednim wpisie napisałem, jak skomplikowana jest synteza witaminy B12 czyli kobalamina. Jej synteza u bakterii wymaga skoordynowanej akcji kilkudziesięciu enzymów. Bakterie używają kobalaminy w licznych procesach metabolicznych, ale rośliny i większość grzybów jej nie potrzebują. U zwierząt kobalamina jest wprawdzie niezbędna, ale w odróżnieniu od innych witamin, nie bierze udziału w procesach o dużym znaczeniu dla metabolizmu. I tak, bez witaminy B1 (tiaminy) nie jesteśmy w stanie przeprowadzać cyklu Krebsa, a bez witaminy B3 (niacyny) nie działa transport elektronów. Witamina B6 (pochodne pirodoksalu) wchodzi w skład ponad 150 enzymów odgrywających ważną rolę w metabolizmie. Na tym tle rola witaminy B12 (tylko dwa drugorzędne enzymy) wygląda dość skromnie, ale jej brak grozi anemią lub zaburzeniami w działaniu układu nerwowego. I o ile pozostałe witaminy wchłaniają się bez problemu, to prawidłowe przyswojenie witaminy B12 wymaga 13 białek. Dlaczego ewolucja stworzyła tak dziwny i niewydajny system?
Bakterie używają enzymów zawierających kobalaminę do rozkładu małych cząsteczek, takich jak glikol propylenowy, etanoloamina czy niektóre aminokwasy. W tym celu wypracowały system produkcji i dystrybucji kobalaminy składający się z ponad 30 białek. Dotyczy to zwłaszcza tych bakterii, które mogą żyć w warunkach beztlenowych. Przykładowo Salmonella enterica Typhi (dawna nazwa: Salmonella typhimurium), bakterie powodujące zatrucia pokarmowe, mają 63 geny kodujące białka związane z syntezą witaminy B12, co stanowi ok. 1% jej genomu. Jest to spory wydatek energetyczny, ale dzięki nim bakterie te są w stanie przeżyć w warunkach bez dostępu tlenu. Głównym źródłem energii są wtedy małe cząsteczki rozkładane w procesie zwanym fermentacją. Fermentacja jest to pozyskiwanie energii z rozkładu małych cząsteczek bez udziału zewnętrznych akceptorów elektronów (takim akceptorem elektronów jest właśnie tlen). Dzięki fermentacji organizmy uzyskują energię w postaci adenozynotrifosforanu (ATP), a produktem ubocznym jest np. alkohol, kwas mlekowy czy kwas propionowy. Wszyscy znamy fermentację alkoholową polegającą na rozkładzie glukozy z wytworzeniem etanolu i dwutlenku węgla, albo fermentację mlekową, gdzie glukoza zostaje przekształcona w kwas mlekowy. W ten sposób drożdże produkujące piwo lub bakterie z rodzaju Lactobacillus zakwaszające mleko czerpią energię z rozkładu małych cząsteczek.
Wspinaczka na szczyt nieprawdopodobieństwa
Wielką zaletą fermentacji jest to, że proces ten nie wymaga tlenu, czyli może zachodzić w warunkach beztlenowych. Takie warunki panowały na Ziemi jeszcze ok. 2,5 miliarda lat temu, i właśnie fermentacja była wtedy głównym procesem zasilającym ówczesne organizmy. Istnieje duża zgodność poglądów, że pierwszą cząsteczką, dzięki której procesy fermentacji mogły mieć miejsce, była właśnie kobalamina. W jaki sposób tak skomplikowana cząsteczka mogła wyewoluować?
Na to pytanie można odpowiedzieć cytatem z książki Richarda Dawkinsa „Wspinaczka na szczyt nieprawdopodobieństwa” (Climbing Mount Improbable). Cząsteczka kobalaminy mogła być taką właśnie „górą nieprawdopodobieństwa”, czyli czymś, co z punktu widzenia rachunku prawdopodobieństwa wcale nie powinno powstać, ale jednak powstało. Wystarczy, żeby liczba „podejść” czyli prób syntezy, była dostatecznie duża. Nie wiadomo jak wiele przypadkowych reakcji musiało zajść, i ile nieudanych wersji kobalaminy powstało, żeby w końcu pojawiła się substancja, która umożliwiała pozyskiwanie energii na drodze fermentacji. Prawdopodobnie była podobna do dzisiejszej kobalaminy i na pewno zawierała uroporfirynogen III, który jest podstawą jej budowy. Ten sam pierścień stanowi podstawę innych cząsteczek niezbędnych do życia dla dzisiejszych organizmów: sirohemu, hemu i chlorofilu.
Sirohem wchodzi w skład enzymów redukujących siarczany i azotany, a hem jest przenośnikiem elektronów, umożlwiającym oddychanie z udziałem tlenu. Oba związki zawierają żelazo. Chlorofil (który zawiera magnez) umożliwia przemianę energii świetlnej w energię chemiczną (w postaci ATP), a jako produkt uboczny wytwarza tlen. Czy kobalamina mogła być przodkiem tych związków? Wydaje się, że tak. Było to jeszcze w czasach, kiedy nie istniały jeszcze komórki, czyli w tzw. świecie prebiotycznym (ok. 3,5 miliarda lat temu). Na Ziemi zaczęły pojawiać się pierwsze organiczne cząsteczki. Przełomem było pojawienie się RNA, który może zarówno powielać się jak i katalizować (czyli ułatwiać) reakcje chemiczne. Rybozymy, czyli cząsteczki RNA które mogą katalizować reakcje chemiczne, są przykładem takich cząsteczek. Prawdopodobnie przodkowie dzisiejszych rybozymów „stworzyli” przodka dzisiejszej kobalaminy.
Są dwie przesłanki sugerujące, że kobalamina była częścią dawnego świata RNA. Jej synteza w bakteriach (także dziś) rozpoczyna się od tRNA (czyli transportującego RNA) związanego z kwasem glutaminowym. Jest to rzadki przypadek, w którym tRNA nie służy do syntezy białka (czyli translacji), ale powstaje z niego cząsteczka, która białkiem nie jest. Po drugie, cząsteczka witaminy B12 zawiera dwie cząsteczki będące rybonukleotydami lub pochodzą z rybonukleotydów (czyli części składowych RNA): α-rybazol i adenozynę (Ryc. 1). Powstanie witaminy B12 mogło mieć więc wielkie znaczenia dla „świata RNA”, bo umożliwiło rozkład prostych substancji z pozyskaniem energii. Można powiedzieć, że cała ścieżka syntezy urporfirynogenu została „wynaleziona” przez ewolucję w celu syntezy witaminy B12 jako katalizatora prostych reakcji chemicznych.
Modyfikacje kobalaminy (a ściśle enzymów, które ją wytwarzały), spowodowały powstanie sirohemu, który wchodzi w skład enzymów katalizujących rozkład siarczanów i azotanów. Dzięki kolejnym zmianom w strukturze kobalaminy wyeowoluował chlorofil, który umożliwił otrzymywanie tlenu w wyniku rozkładu wody. W atmosferze zaczęło pojawiać się coraz więcej tlenu, a kiedy w wyniku kolejnych zmian powstał hem, życie na Ziemi przybrało formę, którą znamy dziś. Fotosynteza i oddychanie umożliwiły powstanie roślin i zwierząt, które syntetyzowały niezbędne do tego związki już we własnym zakresie. Tak więc kobalamina była cząsteczką o fundamentalnym znaczeniu dla ewolucji. Ale po powstaniu współczesnych form życia wykorzystujących chlorofil i hem, kobalamina nie utraciła swoich zdolności katalitycznych. Zwłaszcza w przypadku zwierząt, katalizowane przez nią reakcje znalazły się jednak na marginesie głównego nurtu metabolizmu. Nie znaczy to jednak, że organizmy należące do tych grup mogą się bez niej obejść. U roślin i grzybów powstały mechanizmy wymiany grup metylowych bez udziału pierścienia zawierającego kobalt, który pozwala produkcję metioniny z dużą wydajnością. U zwierząt mechanizm wytworzony przed miliardami lat dalej wymaga równie antycznej cząsteczki, której organizmy te nie produkują. Dlatego do dziś musimy przyjmować kobalaminę w pokarmie, mimo że wiąże się to z kosztami w postaci syntezy licznych dodatkowych białek.
Zostaliśmy z tą witaminą B12 jak Himilsbach z angielskim.
