古老的化学可以解释为什么生物使用ATP作为通用的能量货币

英国伦敦大学学院的尼克·莱恩及其同事10月4日发表在开放获取期刊《公共科学图书馆·生物学》上的一项新研究表明，在细胞出现之前，一种简单的双碳化合物可能在新陈代谢进化中起着至关重要的作用。这一发现可能揭示了生命起源前生物化学的最早阶段，并说明了ATP是如何成为今天所有细胞生命的通用能量载体的。

　　

   

   

图:ADP和磷酸乙酰基的分子动力学模拟    

资料来源:伦敦大学学院Aaron Halpern (CC-BY 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

根据10月4日发表的一项新研究，在细胞出现之前，一种简单的双碳化合物可能在新陈代谢进化中起着至关重要的作用。这一发现可能揭示了生命起源前生物化学的最早阶段，并说明了ATP是如何成为今天所有细胞生命的通用能量载体的。

ATP，三磷酸腺苷，被所有细胞用作能量中间体。在细胞呼吸过程中，当磷酸被添加到ADP(二磷酸腺苷)中产生ATP时，能量被捕获;这种磷酸盐的裂解释放能量，为大多数类型的细胞功能提供动力。但从零开始构建ATP复杂的化学结构是能源密集型的，需要六个独立的ATP驱动步骤;虽然令人信服的模型确实允许ATP骨架在没有已经形成的ATP提供能量的情况下形成，但它们也表明ATP很可能是相当稀缺的，而且在进化的这一阶段，其他一些化合物可能在ADP向ADP的转化中发挥了核心作用。

研究人员认为，最有可能的候选者是双碳化合物乙酰磷酸盐(AcP)，它今天在细菌和古生菌中都作为代谢中间体发挥作用。AcP已经被证明在铁离子存在的情况下，可以在水中将ADP磷酸化为ATP，但在演示之后仍有许多问题，包括其他小分子是否也能起同样的作用，AcP是否专门针对ADP，还是可以与其他核苷的二磷酸(如鸟苷或胞嘧啶)起同样的作用，以及铁是否具有在水中催化ADP磷酸化的独特能力。

在他们的新研究中，作者探索了所有这些问题。根据有关地球在生命出现之前的化学条件的数据和假设，他们测试了其他离子和矿物在水中催化ATP形成的能力;没有一种比铁更有效。接下来，他们测试了一组其他小有机分子磷酸化ADP的能力;没有一种比AcP有效，只有一种(氨甲酰磷酸)有明显的活性。最后，他们发现其他核苷二磷酸都不接受AcP的磷酸。

结合这些结果和分子动力学模型，作者提出了ADP/AcP/铁反应特异性的机制解释，假设铁离子的小直径和高电荷密度，结合三者结合时形成的中间产物的构象，提供了一个“刚刚好”的几何结构，允许AcP的磷酸盐转换伙伴，形成ATP。

“我们的研究结果表明，AcP是ATP作为生物磷酸化剂的最合理的前体，”Lane说，“ATP作为细胞的通用能量货币的出现不是‘冻结事故’的结果，而是由ADP和AcP独特的相互作用产生的。随着时间的推移，随着合适催化剂的出现，ATP可能最终取代AcP成为无处不在的磷酸盐供体，并促进氨基酸和核苷酸的聚合，形成RNA、DNA和蛋白质。”

第一作者西尔瓦娜·平娜补充说:“三磷酸腺苷对新陈代谢非常重要，我认为在生命起源前的条件下，有可能从ADP中生成三磷酸腺苷。但我也认为一些磷酸化剂和金属离子催化剂会起作用，特别是那些在生命中保存的。令人非常惊讶的是，这个反应是如此有选择性——在金属离子、磷酸盐供体和底物中——与生命仍然在使用的分子进行反应。事实上，这种情况在温和的、适合生命生存的条件下发生得最好，这对生命的起源非常重要。”