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在细胞出现之前,一种简单的双碳化合物可能是新陈代谢进化过程中的一个关键角色。这是英国伦敦大学学院的尼克-莱恩及其同事的一项新研究的结果,该研究于10月4日发表在开放获取的《PLOS生物学》杂志上。这一发现可能为了解生物前生物化学的最早阶段提供了关键线索。此外,这一发现表明ATP(三磷酸腺苷)是如何成为今天所有细胞生命的通用能量载体的。

根据新的研究,在细胞出现之前,一种简单的两碳化合物可能是新陈代谢进化中的一个关键角色。

三磷酸腺苷(ATP)是一种有机化合物,为驱动活细胞中的许多过程提供能量,如神经冲动传播、肌肉收缩、凝结物溶解和化学合成。ATP存在于所有已知的生命形式中,通常被称为细胞内能量传递的"分子货币单位"。

所有细胞都使用ATP作为能量中间物。在细胞呼吸过程中,当一个磷酸盐被添加到ADP(二磷酸腺苷)中以产生ATP时,能量被捕获。该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。

然而,从头开始构建ATP的复杂化学结构是能量密集型的,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在没有来自已经形成的ATP的能量的情况下形成ATP骨架的前生物,但它们也表明,ATP可能是相当稀缺的。这意味着在进化的这一阶段,一些其他的化合物可能在ADP向ATP的转化中起到了核心作用。

莱恩和他的同事认为,最可能的候选者是双碳化合物乙酰磷酸酯(AcP),它今天在细菌和古细菌中都发挥着代谢中间体的作用。AcP已被证明可以在铁离子存在的情况下在水中将ADP磷酸化为ATP,但在证明之后仍有许多问题,包括其他小分子是否也能起作用,AcP是否对ADP有特异性,还是可以与其他核苷的二磷酸盐(如鸟苷或胞苷)同样发挥作用,以及铁在水中催化ADP磷酸化的能力是否足够独特。

ADP和乙酰磷酸的分子动态模拟

作者在他们的新研究中探讨了所有这些问题。根据有关生命出现前地球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;没有一种离子和矿物像铁一样有效。接下来,他们测试了一组其他小的有机分子对ADP进行磷酸化的能力;没有一个像AcP那样有效,只有一个其他的(碳酰磷酸盐)有任何明显的活性。最后,他们表明,其他核苷二磷酸酯都不接受AcP的磷酸。

结合这些结果和分子动力学模型,作者对ADP/AcP/铁反应的特异性提出了一个机制上的解释,假设铁离子的小直径和高电荷密度,加上三者结合时形成的中间物的构象,提供了一个"恰到好处"的几何形状,使AcP的磷酸盐能够交换伙伴,形成ATP。

"我们的结果表明,AcP是作为生物磷酸化剂的ATP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'冻结的意外'的结果,而是来自ADP和AcP的独特相互作用。随着时间的推移,随着合适的催化剂的出现,ATP最终可以取代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。"

主要作者Silvana Pinna补充说:"ATP对于新陈代谢来说是如此重要,我认为在前生物条件下可能从ADP中形成它。但我也认为几种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守的催化剂。非常令人惊讶的是,我发现这个反应在金属离子、磷酸盐供体和底物方面具有如此高的选择性,而且是在生命仍然使用的分子中。在温和的、与生命兼容的条件下,这种情况恰好在水中发生得最好,这对于生命的起源来说确实相当重要。"

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