生態與演化 生物化學 科學報導

蛋白質出現以前:鐵離子催化檸檬酸循環

  在生命初始之時,生化反應就已經存在,不只因為化學反應即為生物的生存根本,更是為了支撐名為細胞膜的生命界線;生命的出現意味著必定要透過耗能的方式維持細胞膜內的秩序,然而在蛋白質與核酸系統尚未經過漫長演化建立之前,生命必須倚賴更隨機的方式完成能量獲取。檸檬酸循環 (citric acid cycle),一個真核細胞中最被保留的機制之一,仰賴粒線體上的電子傳遞練產生能量,並能有效地提取醣中的熱量,最早被認為從厭氧環境中的原核生物所演化而來,檸檬酸循環是現今細胞中最重要的能量提取方式之一。然而,現今為人所知的檸檬酸循環大量仰賴蛋白質與輔酶的耗能催化,例如催化丙酮酸 (pyruvate) 為草醯乙酸 (oxaloacetate)、琥珀酸還原為酮戊二酸 (α-ketoglutarate) 都需要耗費能量,那究竟有沒有蛋白質催化之外的可能性呢?

  為了探究檸檬酸循環的演化過程,Dr. Joseph Moran 與他的同事們[1]建立起模擬早期地球環境的系統,其中給予了能夠透過二氧化碳固定自然生成的丙酮酸或乙醛酸  (glyoxylate) 及攝氏七十度的高溫環境,並以氣相層析儀-質譜儀 (GC-MS) 測試不同金屬離子在其中的催化效果。有趣的是,亞鐵離子被發現能夠在三小時後催化出檸檬酸循環中數個代謝物,包含醋酸、蘋果酸 (malate)、延胡索酸 (fumarate)、琥珀酸、異檸檬酸 (isocitrate) 及烏頭酸 (aconitate),且若在系統中加入氮源,鐵原子將能催化產生四種胺基酸;儘管草醯乙酸沒有在系統中被偵測,然而卻有偵測到其還原態及氧化後的天門冬胺酸 (aspartate) 及丙二酸根 (malonate)。綜合而言,該合成系統能在有限的環境資源中形成循環十一個中間物中的九個,包含了最重要且最能被其他代謝系統利用的其中五個;進一步透過碳同位素 (13C) 標定可以發現類似結果,同時確認各個反應的先後順序與氧化還原步驟:不僅氧化還原反應於系統中同時進行,且透過鐵離子(三價)或是亞鐵離子(二價)及鐵原子能夠推動不同的步驟與氧化還原作用。

  「不需要酵素催化的生化反應」,透過單純的環境催化產生的產物與生物體中觀察到的代謝產物竟然相符,顯示鐵離子可能在檸檬酸循環的早期演化中扮演重要的催化角色。演化的同時,生物也將整個系統保留傳承,形成生物體中共通的能量獲取方式,更以此為基礎演化出無數華麗而複雜的代謝網絡;這另一方面也意味著,在現代的醫學研究中,或許更多的無酵素反應需要被關注。我們已經知道鐵離子與其他金屬離子在細胞中扮演重要的角色,而這次發現的催化過程雖然與生物體的環境設定不同,卻也可能進一步說明細胞高度調控離子濃度與運輸的另外一個原因。

透過鐵離子,環境有機物能夠反應產生與現代生物體相近的檸檬酸循環中間物,甚至氧化及還原反應能在同一個環境中進行。圖片來源:Muchowska, K. et al. (2019)

參考文獻:

1. Muchowska, K. B., Varma, S. J., & Moran, J. (2019). Synthesis and breakdown of universal metabolic precursors promoted by iron. Nature, 569(7754), 104. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1151-1

撰文|蔡宗霖
審稿|吳冠廷

About the author

蔡宗霖

蔡宗霖

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班,主要探討胸腺巨噬細胞與其代謝途徑在免疫恆定中扮演的角色。曾參與國際合成生物學競賽(iGEM),並於2018年前往廈門大學The Beulter Institute進修免疫學與遺傳學。一直相信自己學習到的,就有跟其他人分享的義務。希望在Investigator中認識更多人,一起創造生活刺激!

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