脂肪酸膜在原细胞 ATP 合成中的关键作用及膜生物能量学的进化探索

该研究发现脂肪酸膜能维持质子梯度驱动 ATP 合酶合成 ATP，为早期膜生物能量学提供新见解。

　　### 脂肪酸膜在原细胞 ATP 合成中的关键作用及膜生物能量学的进化探索
能量守恒在生命的起源和演化进程中占据着至关重要的地位。所有细胞的共同祖先借助 ATP 合酶（ATP synthase）将质子梯度转化为 ATP，为生命活动供能。然而，产生质子梯度的泵以及维持质子梯度的脂质，在不同生物谱系中并非普遍保守，这一现象引发了科学界的思考。

传统观点认为，磷脂双分子层是维持质子梯度的必要条件。但近年来的研究对此提出了挑战，有学者推测，在质子泵和生物合成膜出现之前，祖先的 ATP 合酶或许能够利用自然形成的地球化学离子梯度，这些梯度由更为简单的环境前体提供。这一假说为解开生命起源初期能量转化机制的谜团提供了新的方向。

在探究生命起源初期能量转化机制的征程中，实验证据的稀缺成为一大难题。但通过自上而下的比较研究与自下而上构建类生物纳米结构的方法相结合，科学家们逐渐找到了攻克难题的途径。ATP 作为几乎所有需要能量的生化或细胞活动的通用能量货币，其合成依赖于 ATP 合酶。ATP 合酶能够利用跨磷脂膜的质子动力势，将 ADP 和磷酸转化为 ATP。值得注意的是，ATP 合酶在生物进化过程中高度保守，就如同核糖体和遗传密码一样。然而，产生其所需离子梯度的质子泵却并非如此，这一差异暗示着 ATP 合酶可能在所有细胞的最后共同祖先（LUCA）分化为细菌和古菌之前就已出现。

细菌和古菌位于生命之树的根部，它们的 ATP 合酶具有保守性。但这两类原核生物在膜分子结构和脂质合成途径上却截然不同。细菌的磷脂尾部是直链脂肪酸（主要含 18 个碳原子），而古菌的尾部链则是支链类异戊二烯（主要为 C₂₀植烷链）。这种差异表明，在 LUCA 之前的原细胞可能含有更为简单的原始脂质，比如单链脂肪酸或类异戊二烯酸，而非双链磷脂甘油结合物。此前，人们普遍认为基于脂肪酸的原细胞无法支持化学渗透 ATP 合成，原因在于由短链或不饱和脂肪酸组装而成的原始膜具有较高的膜流动性，且对小分子和质子具有 “渗漏性”，难以维持稳定的离子梯度。

蛇纹石化热液系统为化学渗透能量守恒提供了理想的环境。自地球上出现水以来，蛇纹石化热液喷口不断将温暖（40°C - 100°C）的碱性水（pH = 9 - 11）与海水（pH = 6.5 - 7）相互作用，从而产生稳定的自然地球化学质子和温度梯度。从理论上讲，这些质子梯度有可能成为生物质子泵的进化前体。但这一假设成立的前提是，具有非生物原始脂质膜的原细胞能够利用这种地球化学形成的 pH 梯度。热液喷口温度梯度产生的热通量，有助于氨基酸、核苷酸以及脂质的热泳富集和组装。不过，ATP 合酶发挥功能需要由疏水分子构成的质子紧密型膜，且膜的厚度需与 ATP 合酶膜亚基相当。在热液喷口条件下，H₂和 CO₂在简单金属催化剂的作用下能够合成长达 18 个碳原子的脂肪酸，为原始脂质单体提供了来源。但由这些简单的非生物形成的直链脂质构成的膜能否支持 ATP 合酶的功能，一直是尚未通过实验解答的关键问题。

研究人员首先对质子梯度展开研究。他们制备了含有 pH 荧光探针（8 - 羟基芘 - 1,3,6 - 三磺酸三钠盐，HPTS）的囊泡。依据热液喷口理论，原细胞利用自然地质质子梯度进行 ATP 合成，研究人员采用酸浴法模拟类似的质子梯度，将囊泡外部的 pH 从约 9.5 调整到 6.5。考虑到现代细胞膜中磷脂的链长通常为 18 个碳原子，他们主要选取了链长相似的构建模块。实验结果显示，长链不饱和油酸（C_18:1）囊泡无法维持质子梯度，在酸浴 1 分钟后，其光谱与添加洗涤剂 TX - 100 破坏囊泡后的光谱重合。而长链饱和脂肪酸（C₁₈）囊泡则表现出不同的特性，在酸浴 2 天后仍能观察到大量囊泡，并且在 3 小时酸浴后，简单的 C₁₈囊泡能够维持 0.35 个 pH 单位以上的质子梯度，这一梯度范围与生长中的大肠杆菌所测量的 0.3 - 0.5 个 pH 单位相符。相比之下，具有相同链长的不饱和双链磷脂囊泡（dC_18:1）在 3 小时后质子梯度接近 0，但它不像 C_18:1囊泡那样在 1 分钟内就消散。此外，饱和的 dC₁₈囊泡的质子梯度在 3 小时后仍超过 1.6 个 pH 单位，约为 C₁₈囊泡的 5 倍。这一系列发现表明，增加链数或饱和度能够提升原细胞脂肪酸膜维持质子梯度的能力。

进一步研究发现，每个脂质单体含有两条与甘油相连的疏水链，这是细菌和古菌膜的保守特征，也是从原细胞型膜向酶促合成膜进化的重要进展。研究人员测试了具有四条不饱和尾链的代表性心磷脂（qC_18:1），结果表明，在 dC₁₈囊泡中增加 qC_18:1的摩尔比会提高质子通透性，但与 C₁₈和 dC_18:1囊泡相比，其质子梯度仍然较高。心磷脂并非有助于维持质子梯度，而是发挥调节作用。研究人员还测试了较短链长的磷脂，当磷脂链长降至 14 个碳原子（dC₁₄）时，其维持质子梯度的能力低于 C₁₈囊泡。此外，将脂肪醇混入脂肪酸囊泡能够有效增强膜稳定性和质子梯度维持能力，增加脂肪醇链长还可降低膜通透性。而脂肪酸甘油酯的膜通透性大于脂肪醇，可能是由于较大的甘油头部基团降低了膜的紧密性。研究人员尝试生成由支链脂肪酸组成的囊泡，以探究古菌型疏水尾部维持质子梯度的能力，但这些囊泡在酸浴处理后虽仍能观察到，但无法维持质子梯度，其 pH 梯度在 1 分钟内就消散了。这表明古菌型脂肪酸更可能是在古菌阶段通过生物合成产生，而非非生物过程。综合这些实验结果，由非生物合成的直链脂肪酸构成的原细胞膜能够维持质子梯度，这些脂肪酸可能在古菌和细菌的共同祖先中起到维持地球化学离子梯度的作用。

温度对长链饱和脂肪酸囊泡的形成及其膜通透性有着显著影响。研究发现，C₁₈囊泡在 40°C、C₁₈-C₁₈OH 囊泡在 55°C、dC₁₈囊泡在 70°C 时，会在 15 分钟内失去质子梯度。然而，70°C 更有利于囊泡的形成，随着温度降低，含有荧光 pH 探针的囊泡数量会急剧减少。1mM 的 C₁₈或 C₁₈-C₁₈OH 在冷却至室温后，沉淀现象并不明显，仍能观察到大量囊泡。由此可见，长链饱和脂肪酸囊泡的形成需要较高温度（70°C），而维持质子梯度则需要较低温度（40°C）。这种对不同温度范围的需求，暗示着具有温度梯度的环境可能是生物能量起源的场所。蛇纹石化热液系统中自然存在的温度梯度（40°C - 75°C），恰好满足了 ATP 合酶功能所需的温度、离子梯度和脂质单体合成条件。虽然关于原始海洋的温度仍存在争议，但研究结果表明，脂肪酸和磷脂囊泡在高温下均无法维持质子梯度，这意味着在酶促脂质合成起源之前，从可溶性能量守恒反应向利用 ATP 合酶进行能量守恒的转变，需要一个温和的温度范围。

膜流动性是影响膜蛋白功能的另一关键因素。研究人员使用荧光探针（Laurdan）对囊泡的膜流动性进行测试，较低的广义极化（GP）值表示膜流动性较高。通常，正常细胞膜的 GP 值约为 0.2 - 0.8。实验结果显示，膜流动性随链长的减小而增加，引入 qC_18:1也会产生类似效果。一般情况下，较低的膜流动性意味着较低的通透性，但比较 C₁₈和 dC₁₈时发现，增加链数能够同时提高膜流动性和维持质子梯度的能力。当 GP 值低于 0.3 时，膜处于液态。处于液态的脂肪酸囊泡（如 C_18:1、C_20:br、C_20:br-C_20:brOH 在室温下，以及 C₁₈和 C₁₈-C₁₈OH 在 70°C 时）无法维持质子梯度，而处于液态的磷脂囊泡（如 dC_18:1、dC_20:br、dC₁₄在室温下，以及 dC₁₈在 55°C 时）则可以。

研究人员利用重组 ATP 合酶，对原细胞膜支持和调节 ATP 合成的能力进行了检测。结果令人惊喜，ATP 合酶在脂肪酸膜中能够发挥功能。ATP 合成速率随链长的减小和链数的增加而提高。在脂肪酸（C₁₈）囊泡中增加磷脂（dC₁₆）的摩尔比，或在磷脂（dC₁₈）囊泡中增加心磷脂（qC_18:1）的摩尔比，都能提高 ATP 合成速率。dC₁₆囊泡的 ATP 合成速率是 C₁₈囊泡的 4.4 倍，同时，前者在 3 小时时的质子梯度是后者的 3.8 倍。这充分表明了原细胞膜成分对原细胞能量代谢有着重要影响。进一步研究发现，ATP 合成速率与膜流动性呈正相关，较低的膜流动性可能会对 ATP 合酶的旋转催化产生更大阻碍，从而降低 ATP 合成速率。脂肪酸链长的增加能够维持较高的质子梯度，但会降低相应囊泡的膜流动性，这揭示了原细胞膜流动性和质子通透性之间存在权衡关系，即便存在较大的质子梯度，也限制了支持 ATP 合酶功能的原细胞脂质链长范围。

综上所述，被简单脂肪酸膜包裹的原细胞能够维持离子梯度，并通过转子 - 定子 ATP 合酶支持 ATP 合成。这一发现有力地证明了复杂蛋白质与非生物合成的脂肪酸之间的相互作用，能够借助蛇纹石化热液喷口产生的自然地质质子梯度，支持膜生物能量学。囊泡形成和维持质子梯度的适宜温度存在差异，这或许暗示着膜生物能量学起源于具有自然梯度的环境，而非各向同性的环境。原细胞膜中的脂肪酸组成决定了膜的流动性和质子通透性，这些特性不仅影响着原细胞中 ATP 合酶的功能，在现代细胞中同样具有重要意义。从非生物合成的脂肪酸膜到每个单体含有两条链的酶促合成磷脂的进化转变，极大地提高了膜流动性和质子梯度稳定性，这一水平在 40 亿年里除了某些嗜热古菌中出现四醚脂质外，几乎没有再被超越。ATP 合酶作为已知最为复杂的蛋白质之一，在自由生活细胞出现之前，就能够在原细胞脂质中发挥功能。这或许可以解释为什么细菌和古菌共享 ATP 合酶，却独立进化出各自的膜脂质生物合成途径，因为原始的 ATP 合酶可能并不需要酶促合成的脂质就能发挥作用。在众多被认为可能是生物系统起源的环境中，蛇纹石化热液系统具有独特的优势，它能够产生自然质子梯度，为原始脂肪酸膜中的 ATP 合酶提供动力，从而在能量守恒方面将地球化学与生命化学紧密连接起来。