リン酸仮説：7.糖・有機酸代謝の発生

高エネルギーリン酸化合物産生システムの発生（== 現代の解糖系やペントースリン酸サイクル）の起源を論じる．
このシステムに含まれる酵素活性には，酸化還元活性，アルドラーゼ活性，イソメラーゼ活性が含まれる．
これらの反応は，ビルディングブロックからコンポーネントが生成する脱水縮合反応とは別物である．
酸化還元活性の補酵素 は NAD(P)H+ や FAD(P)H2 なので，少なくとも互換性のある分子が形成されていなくてはならい．

リン酸仮説ではビルディングブロック（糖，リン酸，核酸塩基，およびアミノ酸）を組み合わせて生命の発生を論じている．
ビルディングブロックの量が不変であるならば，その最小濃度のものがプロトセル（あるは初期の細胞）の量を規定してしまう．
不足分は中間代謝で供給されなければならない，というわけである．

Before : 6.ヌクレオチドの起源 Next : 8.時系列展開による要約

目次（ページ内リンク）

解糖系とペントースリン酸サイクルとの共通部分
糖・有機酸代謝の発生
その後の進化

解糖系とペントースリン酸サイクルとの共通部分

糖のリン酸エステルをインキュベートするだけで，解糖系やペントースリン酸サイクルの主要反応は，非酵素的に進行する．
また，Fe(II) 等の遷移金属存在下では，それらの反応が促進される．
これらの反応は化学進化の初期から利用されたのであろう．

現代の解糖系とペントースリン酸サイクルを参照する．下記の特徴を有する．

解糖系

解糖系を「降りていく」方向に列挙し，酵素その他を付け加えると下のようになる．

フルクトース-6-リン酸
    ATP ↓ 6-phosphofructokinase(EC 2.7.1.11) + ADP
フルクトース-1,6-ビスリン酸
    ↓ Fructose-bisphosphate aldolase(EC 4.1.2.13)
ジヒドロキシアセトンリン酸 + グリセルアルデヒド-3-リン酸
    NAD+ + Pi↓ Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(EC 1.2.1.12) + NADH
1,3-ビスホスホグリセリン酸
    ADP↓ Phosphoglycerate kinase(EC 2.7.2.3) + ATP
3-ホスホグリセリン酸

ペントースリン酸サイクル

一方，ペントースリン酸サイクルでは同じ経路を「登ってゆく」．

フルクトース-6-リン酸
    H2O ↑ Fructose-bisphosphatase(EC 3.1.3.11) + Pi
フルクトース-1,6-ビスリン酸
    ↑ Fructose-bisphosphate aldolase(EC 4.1.2.13)
ジヒドロキシアセトンリン酸 + グリセルアルデヒド-3-リン酸
    NADPH ↑ Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(EC 1.2.1.13) + NADP+ + Pi
1,3-ビスホスホグリセリン酸
    ATP ↑ Phosphoglycerate kinase(EC 2.7.2.3) + ADP
3-ホスホグリセリン酸

TCA サイクルとの関係

解糖系の「共通部分」から TCA サイクルからオキサロ酢酸に至るまでに，3 〜 4 段階ある．
ホスホエノールピルビン酸の利用については，炭酸を結合するか脱炭酸するかの経路がある．
TCA サイクルのコンポーネントであるオキサロ酢酸になると，リン酸誘導体ではなくなる．
これは TCA サイクルが，より遅い時代に発生したことを意味すると解釈しておく．

3-ホスホグリセリン酸
    ↓ Phosphoglycerate mutase(EC 5.4.2.12)
2-ホスホグリセリン酸
    ↓ Phosphopyruvate hydratase(EC 4.2.1.11) + H2O
ホスホエノールピルビン酸
    H2O + HCO3 ↓ Phosphoenolpyruvate carboxylase(EC 4.1.1.31) + Pi
オキサロ酢酸（TCA サイクルのコンポーネント）
あるいは
    ADP ↓ Pyruvate kinase(EC 2.7.1.40) + ATP
ピルビン酸（脱炭酸してオキサロ酢酸となると，TCA サイクルのコンポーネント）

糖・有機酸代謝の発生

上の情報を踏まえて，糖・有機酸代謝が発生した道筋を考える．

  1. 化学進化のごく初期には，高エネルギーリン酸結合として，環境に存在するポリリン酸を利用していた
  2. ポリリン酸が枯渇するようになると，有機酸のリン酸誘導体（1,3-ビスホスホグリセリン酸エステル，ホスホエノールピルビン酸）を利用してポリリン酸を合成するようになった
  3. これらが枯渇してくると，似た分子からこれらのリン酸誘導体を酵素的に変換して，ポリリン酸を合成するようになった

解糖系の高エネルギーリン酸化合物

高エネルギーリン酸化合物は，プロトポリマーやプロトリン脂質のリン酸エステルの形成に関与したであろう．
特に，PRPP 経由の N-グリコシド結合の生成反応（その互換反応）に必要だったと考える．
現在の解糖系その他を眺めて，高エネルギーリン酸化合物をリストアップしてみると，

化学進化の当初は，環境に存在していたと期待するポリリン酸などの高エネルギーリン酸化合物を利用していたはずである．
最終的に，上記の化合物を利用するようになったということだ．

最初の糖・有機酸代謝

環境の高エネルギーリン酸化合物が不足するような場合を想定すると，高エネルギーリン酸結合を保存できると有利である．
例えば，結合エネルギーの一部を代償にして，リン酸-エノールエステルをリン酸ーリン酸無水物に変換して保存する．
すなわち，

ホスホエノールピルビン酸
    X ↓ X-P（何らかの形で高エネルギーリン酸結合を保存．以下では，↓ ATP と記す）
ピルビン酸

代謝カスケードの発達 その 1

ホスホエノールピルビン酸が枯渇してくると，何らかの方法で調達せねばならない．

2-ホスホグリセリン酸
    ↓
ホスホエノールピルビン酸
    ↓ ATP
ピルビン酸

代謝カスケードの発達 その 2

上と同じ理由で，カスケードが延長する．
解糖系やペントースリン酸サイクルの起源につながるように描いた．
また，最初にリブロースを置いたのは，リボースの起源を想定しているからである．

リブロース-1,5-ビスリン酸
    ↓
3-ホスホグリセリン酸
    ↓
2-ホスホグリセリン酸
    ↓
ホスホエノールピルビン酸
    ↓ ATP
ピルビン酸

解糖系の起源

3-ホスホグリセリン酸調達の別経路．
ペントースリン酸サイクルの起源を論じる都合上，フルクトース-1,6-リン酸を出発物質とする，

フルクトース-1,6-ビスリン酸
    ↓
ジヒドロキシアセトンリン酸 + グリセルアルデヒド-3-リン酸
    ↓
1,3-ビスホスホグリセリン酸
    ↓ ATP
3-ホスホグリセリン酸
    ↓
2-ホスホグリセリン酸
    ↓
ホスホエノールピルビン酸
    ↓ ATP
ピルビン酸

ペントースリン酸サイクルの起源

上のフルクトース-1,6-ビスリン酸 〜 3-ホスホグリセリン酸は平衡反応である．
したがって，フルクトース-1,6-ビスリン酸からリブロース-1,5-ビスリン酸への変換が可能であれば，ペントースリン酸サイクルとなる．

3-ホスホグリセリン酸
    ↓
1,3-ビスホスホグリセリン酸
    ↓
ジヒドロキシアセトンリン酸 + グリセルアルデヒド-3-リン酸
    ↓
フルクトース-1,6-ビスリン酸
    ↓
    : 多段階のカスケード．このなかに，リボース-5-リン酸 → リブロース-5-リン酸の反応により，リボースが流入する部位がある
    ↓
リブロース-1,5-ビスリン酸
    ↓ ここで炭酸同化．光合成生物の分岐ポイントかも
3-ホスホグリセリン酸

リボースとリブロースの相互変換

上で想定している代謝カスケードのリブロース-1,5-ビスリン酸をホスファターゼとイソメラーゼで処理すれば，リボース-5-リン酸が生成する．
この逆反応は，リボース-5-リン酸がペントースリン酸サイクルに流入する経路である．

リブロース-1,5-ビス-リン酸
    ↓ リブロースビスホスファターゼ（未調査のため仮称．おそらく平衡反応）
リブロース-5-リン酸
    ↓ リボース-5-リン酸イソメラーゼ（未調査のため仮称．おそらく平衡反応）
リボース-5-リン酸

なお，リブロース-1,5-ビスリン酸とリボース-5-リン酸を，それぞれフルクトース-1,6-ビスリン酸とグルコース-6-リン酸に置き換えると解糖系の初期段階となる（流れは逆）．

仮想的な代謝マップ

仮想的な代謝マップ

以上の考察を代謝マップにまとめた．
この部分は，TCA サイクルの近くである．
ペントースリン酸サイクル内ではリブロースとリボースはイソメラーセにより相互変換可能なので，リボースも記しておいた．

(1) リブロース-1,5-ビスリン酸
(2) リボース-5-リン酸
(3) フルクトース-1,6-ビスリン酸
(4) 3-ホスホグリセリン酸
(5) 1,3-ビスホスホグリセリン酸
(6) グリセルアルデヒド-3-リン酸
(7) ジヒドロキシアセトンリン酸
(8) 2-ホスホグリセリン酸
(9) ホスホエノールピルビン酸
(10) ピルビン酸
(a) Ribulose-bisphosphate carboxylase
(b) Fructose-bisphosphate aldolase
(c) Phosphoglycerate kinase
(d) Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
(e) Triose-phosphate isomerase
(f) Phosphoglycerate mutase
(g) Phosphopyruvate hydratase
(h) Pyruvate kinase

解糖系は，3 → 6 + 7 → 5 → 4 → 8 → 9 → 10．
ペントースリン酸サイクルは，1 → 4 → 5 → 6 + 7 → 3 → 2 → 1．

煩雑になるので，この仮想的な代謝マップには FAD/FADH2 は記していない．
FADH2 の還元力は，NAD(P)+ の還元に利用される．
生成した FAD を還元する物質はシステイン（現在はリポ酸），ジスルフィド結合を還元する物質は Fe2+ あるいは Cu+ としておく．

その後の進化

煩雑になるので，高エネルギーリン酸結合の供給源を ATP と表す．
リン酸仮説では，N-グリコシド結合を形成するためには，リボースのヘミアセタール基がリン酸化されなければならないと仮定している．
ATP の導入により，N-グリコシドの生成と解糖系やペントースリン酸サイクルとが連結される．

  1. 有機酸-リン酸 + ADP ⇔ 有機酸 + ATP
  2. リボース + ATP → リボース 1-リン酸 + ADP
  3. リボース 1-リン酸 + アミノ化合物 → N-グリコシド + Pi

この経路を変異させると，CoA，GDP-糖，UDP-糖，CDP-コリン，PAPS（３’−ホスホアデノシン 5'−ホスホ硫酸）などの導入が可能かもしれない．