אבולוציה של יוני מתכת במערכות ביולוגיות

טקסט=LifeTimeline|ממוזער|ציר הזמן של החיים**האבולוציה של יוני מתכת במערכות ביולוגיות** עוסקת בהתפתחות תהליכי חדירת יוני מתכת שונים לתאי בעלי חיים וקשירתם לחלבוני התא, למשל אנזימים ונשאי מתכות. היא עוסקת גם בשינויים האבולוציוניים של חילוף החומרים במערכות ביולוגיות שונות בעקבות חדירה זו. מתכות אלה מכונות ביו-מתכות  והן כוללות ריכוזים גבוהים של יוני המתכות ברזל, מנגן, מגנזיום, אבץ, וריכוזים נמוכים יחסית של נחושת, קובלט, ניקל, סלניום, מוליבדן, כרום וטונגסטן.

המתכות נקשרות לחלבוני תא המכונים מטאלופרוטאינים באתרים נקודתיים ועל ידי כך מייעלות את זיקתם של החלבונים למצעים שונים (סובסטרטים). 30% מחלבוני התא הם חלבונים קושרי מתכות. תפקיד המתכות לשמש כקואנזימים המזרזים את הפעילות האנזימטית התוך-תאית באופן משמעותי בהשוואה לראקציות נטולות מתכות. מעל ל-40% מן הראקציות האנזימטיות מערבות יוני מתכת. תפקיד נוסף של מטלופרוטאינים הוא שינוע ברזל ונחושת באמצעות הנסיוב.

חשיפת יתר למתכות עלולה להוביל לתופעות של רעילות. חדירת המתכות לתאים והוצאת כמויות עודפות מן התאים מתבצעת על ידי מערכות אנזימטיות מורכבות. במהלך האבולוציה נוצר איזון בין האנזימים המייבאים את המתכות אל התאים, לבין אלה המייצאים את המתכות מן התאים לסביבה החיצונית, כמו גם תהליכים של הסתגלות התאים למתכות השונות.
## תקופת האטמוספירה הפרביוטית
התקופה הפרביוטית נחשבת לתקופה האבולוציונית השנייה של כדור הארץ. בתקופה זו, לפני 4 מיליארד שנים, שררו על פני כדור הארץ תנאים של חוסר חמצן. האטמוספירה  הייתה מורכבת מפחמן דו-חמצני, חנקן, וכמויות מזעריות של גזים מחזרים: מתאן, אמוניה ומימן וכמויות אפסיות של חמצן.
## השערת עולם ה-RNA

על פי התאוריה של "עולם ה־RNA" שהתפתחה בשנים המאוחרות של המאה העשרים על ידי מרק נבה ושותפיו חומצות הגרעין מקבוצת ה-RNA הופיעו ראשונות ביקום, לפני הופעת ה-DNA ולפני החלבונים. לפי השערה זו, מולקולות ה-RNA נוצרו ראשונות וקדמו לפפטידים קושרי-המתכות. הפפטידים הראשונים המוגדרים כשרשראות קצרות של חומצות אמינו היו מעורבים בקשירת מתכות ובהולכת אלקטרונים קדמו לחלבונים הקדמוניים שהם שרשראות ארוכות יותר של חומצות אמינו. קשרים אלה נוצרו לפני יותר מ-3.8 מיליארד שנים. הפפטידים בעלי היכולת לקשור מתכות וה-RNA הובילו להתפתחות חלבונים מורכבים יותר.

## התהוות המטלופרוטאינים

[שמאל|ממוזער|250x250 פיקסלים|מבנה [המוגלובין הכולל ברזל (4 נקודות אדומות)]]
ראשית החיים קשורה ליכולת של מקטעי חלבונים ראשוניים ליצור קשרים כימיים עם מתכות. המפגש בין החלבונים למתכות התאפשר לפני כארבעה מיליארד שנים בסביבה המכונה "המרק הקדום" שהייתה סביבה מימית, עשירה במולקולות אורגניות ומינרלים הניחה את התשתית להיווצרות חלבונים רבים. חוקרים טוענים שהתרכובות הקדומות האלה אפשרו את התפתחותם של החלבונים האחראים להובלת אלקטרונים בין אטומים, שהפך לתהליך חיוני לקיומם של החיים עצמם. בתקופה הקדם-ביוטית, הקרקע על פני כדור הארץ הייתה עשירה במימן גופרי. הסביבה החומצית של "המרק הקדום" אפשרה המסה של ברזל בהשואה למתכות האחרות שהיו נוכחות בקרקע וקשירת יוני הברזל לחלבונים, בהתאם למודל של Irving–Williams series  בסביבה המחזרת ששרתה בתקופה הקדם-ביוטית ויצירת מולקולות של חד-תחמוצת-הפחמן מדו-תחמוצת-הפחמן ויצירת הידרוציאניד מחנקן אטמוספירי, התאפשרה הודות למתכות המעבר.

## האטמוספירה ב"אסון החמצן"
לפני 2.4 מיליארדי שנים החל תהליך של פליטת חמצן לאטמוספירה של כדור הארץ. תקופה זו מכונה "אסון החמצן" וקרויה גם "אירוע החמצן הגדול". תקופה זו קרתה בעקבות התפתחות חיידקים השייכים למערכת הציאנובקטריה,  אלו החיידקים בעלי יכולת לבצע פוטוסינתזה שבה יש פליטה של מולקולות חמצן לאטמוספירה. העשרת האטמוספירה בחמצן הובילה לזירוז חמצון הגופרית לגופרות ולתחמוצת הגופרית. כתוצאה מכך חל זירוז המסת המתכות המצויות בקרקע: אבץ, נחושת, ניקל וקובלט והפיכתן לתחמוצות במי "המרק הקדום" ועל ידי כך, העלאת זמינותן למערכות הביולוגיות של התאים.

## האבולוציה של קשירת המתכות לחלבוני התא
[טקסט=מבנה מולקולרי של פורפירין|ממוזער|מבנה סכמטי של טבעת ה[פורפירין]]חיוניות המתכות לתהליכים המטבוליים של התא מחיבת מנגנוני קשירה ואגירה במערכות תוך-תאיות. תהליך זה מבטיח יכולת אגירה וזמינות לאורך זמן. מחקרים שנעשו בחלבונים קושרי המתכות ברזל, נחושת וניקל התמקדו באתרים המצויים בחלבוני התא. באתרים אלה זוהתה קבוצה קטנה של פפטידים בעלי מבנה דומה, על אף השוני של החלבונים עצמם. נמצא שאתרים קושרי מתכות מורכבים לרוב מיחידות מבניות קטנות החוזרות על עצמן. אותן אבני בניין נמצאו גם באזורים אחרים בחלבונים, ולא רק באזורים קושרי מתכות וגם בחלבונים רבים נוספים. על סמך ניתוח המבנה של פפטידים שהתגלו כאופייניים לאזורים קושרי מתכות בחלבון, הסיקו החוקרים שהפעילות הביולוגית הראשונה של חלבונים הייתה כנראה הולכת אלקטרונים על ידי אותם הפפטידים קושרי המתכות.

שאר התפקידים שהחלבונים ממלאים בתא החי התפתחו בשלבים מאוחרים יותר. יונים של מתכות מצויים ברקמות של בעלי-חיים וממלאים תפקידים מגוונים במערכות ביולוגיות. חלקם הגדול משתייך לקבוצת מתכות המעבר בטבלה המחזורית, כגון, מגנזיום, מנגן, ברזל, אבץ, נחושות, ניקל וקובלט. המטלואנזימים מעורבים במחזוריות האלמנטים בטבע.

### מגנזיום
טקסט=סכמה של כלורופיל a|ממוזער|מבנה סכמטי של כלורופיל A (קשירת מגנזיום)
מגנזיום מצוי בשפע בעולם החי והצומח כקטיון דו-ערכי, בעיקר בציטופלזמה, בעצמות ובכלורופלסטים, מיעוטו נמצא גם בנסיוב. ברקמות המגנזיום מצוי בצורה של מגנזיום-ATP, ומשמש כאחראי על מעברי האנרגיה בתפקיד של קו-פקטור ל-300 אנזימים האחראים על מגוון רחב של פעילויות ביוכימיות ברקמות החי והצומח. למגנזיום חשיבות רבה בתהליכים הביולוגיים של האורגניזם: פעילות שרירים ועצבים, ויסות לחץ הדם, ויסות ריכוז הגלוקוז בדם, סינתזה של חלבונים, גלוטטיון, DNA ו-RNA ובתהליכי הפקת האנרגיה בפוספורילציה אוקסידטיבית וגליקוליזה. יוני המגנזיום אחראים על ויסות המעבר הפעיל של יוני סידן ואשלגן בקרומי התא, בעל תפקיד מרכזי בתהליכי בניית השלד ואחראי על קצב פעילות הלב. באורגניזמים השייכים לעל-ממלכת הפרוקריוטה ובצמחים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה, המגנזיום הוא יון מרכזי במבנה הכלורופיל. הכלורופיל הוא פיגמנט המאורגן במבנים הקרויים טילוקואידים  המצויים בכלורפלסטים. הכלורופיל הבקטריאלי  מצוי בחיידקים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה.

### מנגן
[טקסט=מבנה של קומפלקס גבישי בתא צמחי |ממוזער|מבנה סכמטי של ה[קומפלקס (כימיה)|קומפלקס הגבישי Mn4O5Ca בכלורופלסטים]]
המנגן כקטיון דו-ערכי הוא קו-פקטור חשוב בתהליכי הפוטוסינתזה. ההשערה היא שכבר בתחילת האבולוציה של תהליכי הפוטוסינתזה כשהאטמוספירה הייתה נטולת חמצן, יוני המנגן היוו מקור לאלקטרונים. בשלב התחלתי זה, התפתחה היכולת לנצל את אנרגיית השמש ליצירת חומרים אורגניים אשר היוו נידבך ביצירת אורגניזמים קדומים שקדמו לציאנובקטריה. בשלב האבולוציוני הבא התפתחו בחיידקי הציאנובקטריה מבנים המכונים תילקואידים, שהם מרכזים אנרגטיים לביצוע תהליכי הפוטוסינתזה. תהליך זה הוביל להעשרת האטמוספירה בחמצן. האווירה על פני כדור הארץ הפכה מאל-אווירנית לאווירנית. היצורים הפרוקריוטים, נושאי הטילקואידים נבלעו על ידי יצורים אאוקריוטים בתהליכי אנדוסימביוזה. האנדוסימביוזה אפשרה את העברת תהליך הפוטוסינתזה מיצורים פרוקריוטים פשוטים ליצורים אאוקריוטים מורכבים, כגון אצות וצמחים מפותחים. המנגן המשמש כקו-פקטור באנזימים רבים ניתן להחלפה על ידי קטיונים דו-ערכיים אחרים, כגון, סידן, קובלט, נחושת, מגנזיום או אבץ. אולם, בתהליך הפוטוסינתזה, יוני המנגן המייצרים את הקומפלקס (Mn4O5Ca)אינם ניתנים להחלפה על ידי מתכות אחרות.

תהליך הפוטוסינתזה שבו משתחררות מולקולות של חמצן גרם להופעת אורגניזמים המכונים ROS , בעלי מנגנונים אנזימטיים המנטרלים את האפקט הרעיל של המטבוליטים: מימן על-חמצני, על-תחמוצת ורדיקל הידרוקסיל  הנחשב לרדיקל חופשי. המנגן הוא קו-פקטור לאנזימים Mn-Dismutase וקטאלז הממוקמים בכלורופלסטים, במיטוכונדריה בפראוקסיזומים ובקרום התא. אברונים אלה התפתחו בשלבים המוקדמים של אבולוציית התאים.

אנזימים אלה מנטרלים תוצרים רעילים הנוצרים בתהליכים המטבוליים של התא ועל ידי כך מנטרלים את היכולת לגרום לנזקים בלתי הפיכים למרכיבי תא חיוניים על ידי פגיעה בחלבונים, בחומצות הגרעין ובליפידים ותמותת תאים.

### ברזל
הברזל נחשב לאחת המתכות החשובות ביותר לקיום התהליכים המטבוליים התאיים. הברזל הוא קו-פקטור עיקרי בכל שלבי הנשימה התאית במעבר אלקטרונים בין ברזל דו-ערכי לתלת-ערכי וההפך.

הקומפלקסים של ברזל-גופרית המתקשרים לחלבונים, נחשבים למטלופרוטאינים הראשונים שנוצרו בתהליכי האבולוציה של הפוטוסינתזה. הם נוצרו מהתקשרות של פפטידים עם משקעים של מלחי Fe2(SO4)3(H2O)n. הפיכת הברזל הדו-ערכי לברזל תלת-ערכי הכרחיים לתהליכים ביולוגיים ומחזור הברזל בטבע.

הברזל מהווה מרכיב חשוב במערכות ביולוגיות שונות: ציטוכרומים המצויים בקרום המיטוכונדריה, הקטאלזות האחראיות לפרוק מי-חמצן, המיוגלובין כנושא החמצן העיקרי בשרירים, ההם-פראוקסידזה  המעורב בקשירת החמצן להמוגלובין, האנזים סינטאזה NOS המצוי באנדותל , האחראי ליצירת תחמוצת החנקן מארגינין, ומשמש כמולקולת איתות בעל- ממלכותפרוקריוטה ואאוקריוטה, והפריטין, חלבון נושא ברזל המצוי בציטופלזמה, המווסת את ריכוז הברזל בתאים ומבטיח ריכוזים נאותים באורגניזם במטרה למנוע מחסור בברזל או נזקים כתוצאה מעודף ברזל.
קובץ:Heme Group.jpg|מבנה סכמטי של קבוצת הם Heme בהמוגלובין לקשירת ברזל
קובץ:PDB 4blc EBI.jpg|טקסט=מבנה האנזים קטאלזה|מבנה סכמטי של האנזים קטלאזה, בעל ארבע מולקולות של הם
קובץ:Structure of the FeMo cofactor.png|מבנה של קו-אנזים FeMo המשמש לקשירת יוני ברזל ומוליבדן

### ניקל וקובלט
הניקל שריכוזו נמוך בקרקע, מהווה גורם חשוב בהתפתחות הקדומה של צורות חיים על פני כדור הארץ. הטבעת הפורפירינית בעלת יכולת לקשור את המתכות ברזל, מגנזיום, ניקל וקובלט וליצור קו-אנזימים אחראים על מגוון רחב של תהליכים אנזימטיים בתא החי. יוני המתכות ניקל וקובלט מעורבים ביצירת מטלופרוטאינים. הניקל יוצר עם טבעת הפורפירין קומפלקס הקרוי , קו-אנזים מתיל רדוקטאזה  המשתתף בתהליך האנזימטי של שחרור גז המתאן. התוצאה של קשירת הקובלט לטבעת הפורפירין היא יצירת קו-אנזים בעל חשיבות מטבולית גבוהה בשם ציאנקובלאמין  ההופך לוויטמין B<sub>12</sub> שהוא ויטמין חיוני לגוף לתפקוד מערכת העצבים וייצור DNA.
קובץ:CoenzymeB12.png|טקסט=קואנזים B12|מבנה סכמטי של קו אנזים B12 -קשירת יוני קובלט
קובץ:Coenzyme F430.svg|טקסט=Coenzyme F430 – Theorized as the first occurrence of nickel in biological systems|מבנה סכמטי של קו אנזים M -קשירת יוני ניקל


### נחושת
טקסט=Cu ו-Zn דיסמוטאז|ממוזער|מיקום ההתקשרות של יוני הנחושת (Cu) והאבץ (Zn) באנזים סופראוקסיד דיסמוטאזה
ממוזער|תיאור ססמטי של קומפלקס IV באנזים ציטוכרום פראוקסיסזה המעביר אלקטרונים בתהליך הנשימה האארובית של התא
הנחושת ויוני הנחושת נחשבים לקשי-תמס ולכן לא היו זמינים לתאים הקדומים בראשית התהליך האבולוציוני. העשרת האטמוספירה בחמצן בתקופת "אירוע החמצן הגדול" אפשרה התמוססות נחושת אלמנטרית ויוני הנחושת החד-ערכיים והפיכתם ליונים דו-ערכיים ולהתהוות מטלופרוטאינים קושרי נחושת. מרבית האנזימים השייכים לקבוצת המטלופרוטאינים קושרי הנחושת מצויים באאוקריטה. רק מספר קטן של מטלופרוטאינים אלה נמצאים בפרוקריוטה, ציאנובקטריה וחיידקים אווירניים, דוגמת האנזים סופראוקסיד דיסמוטאז (SOD) על שלוש צורותיו: האנזימים Fe-SOD (קושר ברזל) ו-Mn-SOD (קושר מנגן) מצויים בכל הפרוקריוטה ובמיטוכונדריה של אאוקריוטה. האנזים ציטוכרום פראוקסידזה השייך לקבוצת החלבונים הטרנסממברנליים  המצוי בקרום התא של פרוקטיוטים ובמיטוכונדירה של אאוקריוטים מכיל שני קטיונים של נחושת ושני קטיונים של ברזל. האנזים משתתף בהעברת אלקטרונים בתהליך נשימת התא.

לעומת זאת, האנזים Cu-SOD (קושר נחושת) מצוי בציטופלזמה ובכלורופלסטים של האאוקריוטיה בלבד. שלושת האנזימים מקבוצת ה-SOD מפרקים מולקולות של סופראוקסיד הנחשב לרעיל למי חמצן. אלו מתפרקים בהמשך על ידי הקטלאזה לחמצן ומים. אנזימי ה-SOD והקטלאזה שומרים על התא בפני רעילותם של רדיקלי חמצון חופשיים. מתכות נוספות הנקשרות לחלבונים שלא באמצעות טבעת ההם הן אבץ, מוליבדן, ונדיום.

### אבץ
ממוזער|ייצוב קיפולי החלבון SP1 על ידי יוני אבץ (Zn)
האבץ הוא מתכת שחדרה לתאים החיים בשתי תקופות אבולוציוניות. לפני 3–4 מיליארדי שנים, כאשר שררה אווירה אל-אווירנית על פני כדור הארץ, האבץ היה מצוי כאבץ גופריתי בגלל הסביבה החומצית של "הים הקדום" אשר אפשרה לאבץ להתקשר למימן הגופריתי ולהפוך לאבץ גופריתי ולהתקשר לחלבוני תאים של מיקרואורגניזמים אל-אווירניים, לפרוטאזות ונוקלאזות שהיו אנזימים חוץ-תאיים, ולסינטטאזות, ודהידרוגנאזות שהן אנזימים תוך-תאיים. בתקופת "אירוע החמצון הגדול", חל זירוז של חדירת אבץ למערכות הביולוגיות בממלכת הפרוטיסטה.

לאבץ תפקיד חשוב באיזון המבנה המולקולרי של גורמי השעתוק המצויים באאוקריוטה על ידי איזון קיפולי החלבון של גורמי השעתוק באמצעות הקופקטור .

### מוליבדן
מוליבדן ויוני מוליבדן מצויים במרכזים פעילים של מטלואנזימים באורגניזמים רבים השייכים לעל-ממלכת הארכאה, על-ממלכת הבקטריה, עובשים, החי והצומח. המוליבדן הוא קו-פקטור באנזימים האחראים על תהליכי ההפיכה של פחמן, חנקן, גופרית, ארסן, סלניום וכלור בטבע, וכן של חומרים המכילים קבוצת קרבונילים, כגון אלדהידים, חד-תחמוצת-הפחמן ודו-תחמוצת-הפחמן. מוליבדן משמש כקו-אנזים באנזימים מקבוצת הניטרוגנאזות . אנזימים אלה מכילים הן מוליבדן והן ברזל ומצויים בחיידקים סימביוטים של צמחים ואחראים על קיבוע חנקן אטמוספירי והפיכתו לאמוניה המוביל לסינתזה של חלבונים. למוליבדן תפקיד חשוב גם במבנה של אנזימים המשתתפים במטבוליזם הגופרית המצויים במגוון רחב של אורגניזמים. בדומה לאבץ, המסת המוליבדן גברה בתקופת "אירוע החמצון הגדול", כאשר חלה האצה של הפיכת מוליבדן סולפיד למוליבדאט בעל מסיסות גבוהה יותר, ועל ידי כך, הגברת חדירתו לתאים וקשירתו לאנזימים התוך-תאיים. הפיכת המוליבדן לקו-אנזים בתהליך האבולוציוני גרמה להיותו מתכת הכרחית לתהליכים הביולוגיים האלה.

### טונגסטן
ממוזער|צילום מיקרוסקופי של החיידק ''Pyrococcus furiosus'' המתבסס על יוני טונגסטן.
טונגסטן הוא אחת המתכות הקדומות ביותר שנקשרו למערכות ביולוגיות. בתקופה הפרביוטית. הים הקדום היה עשיר בטונגסטן וגופרית ודל במוליבדן. לכן הטונגסטן חדר למערכות חיים ימיות. החיידק  השייך לעל-ממלכת הארכאה חי במקווי מים תרמיים. זהו חיידק אל-אווירני אובליגטורי, אקסטרמופילי והטרוטרופי, המתקיים בטמפרטורות שבין 70-103oC וזקוק ליוני טונגסטן לגידולו. החיידק מכיל מספר אנזימים עמידים לחום מקבוצת הדהידרוגנאזות, מקבוצת ה-. המטלואנזימים הללו המכילים ברזל או אבץ וחמישה אנזימים מקבוצת אוקסידורדוקטזה  מכילים ברזל, טונגסטן וגופרית.

### ונדיום
ונדיום נחשב לאחת המתכות הקדומות ביותר שנקשרו למערכות ביולוגיות. החיידק אזוטובקטר וינלנדי  הוא מתג גראם שלילי, אווירני הקושר חנקן אטמוספירי על ידי חיזורו לאמוניה. התהליך מבוצע על ידי האנזים ניטרוגנאזה , באמצעות קו-פקטור המכיל יוני ברזל ומוליבדן. המוליבדן עשוי להיות מוחלף על ידי יוני ונדיום על פי זמינות המתכות השונות. היותו של החיידק אווירני מעידה על תקופה התפתחותית בסביבת חמצן, המתאים לתקופת "אירוע החמצון הגדול" של לפני 2.4 מיליארדי שנים. הוא מקורב מבחינה גנטית לחיידק *[[Pseudomonas aeruginosa|Pseudomona aeruginosa]],* ממשפחה פסאודומונדה.

### סלניום
סלניום משמש כקו-פקטור באנזימים רבים של הפרוקריוטה. אתר הפעילות שלו הוא סלניום-ציסטאין. הגנים האחראים ליצירת סלנופרוטאינים מצויים הן בעל-ממלכת הארכאה והן בעל-ממלכת הבקטריה.
## אבולוציה של פתוגניות בחיידקים
התפתחות של פתוגניות של חיידקים מסוימים בגוף פונדקאי, תלויה בזמינותן של מתכות המאפשרות לפתח את אלימותם. במחקרים שנעשו על חיידקים שונים, כגון, *[[Pseudomonas aeruginosa]] המוגדר* כחיידק קומנסלי שעלול להפוך לחיידק פתוגני בתנאים מסוימים. הפיכתו של החיידק לפתוגני מעודדת תחרותיות בינו לבין הפונדקאי על מתכות המעבר, ומאפשרת פיתוח יכולות לשימוש במתכת חיונית אחת במקומה של מתכת אחרת בהתאם לזמינותה במערכת.

## הערות שוליים

קטגוריה:אבולוציה
קטגוריה:ביולוגיה אבולוציונית