【PLOS BIOL】古代化学解释为什么生物使用ATP作为通用能源货币

在细胞中，ATP被普遍保存以作为主要能量货币；ATP通过磷酸化作用与缩合反应来驱动新陈代谢。这种深层保存（deep conservation）表明，ATP是在生化进化的早期阶段产生的。

然而，嘌呤合成需要6个与ATP水解相关的磷酸化步骤。此种自催化要求（用ATP来合成ATP）意味着需要一个处于更为早期的、生命起源前（prebiotic）ATP相当物（ATP equivalent）——此ATP相当物可能在嘌呤合成之前驱动原代谢（protometabolism）。那么，为什么这种早期的磷酸化剂会被取代？特别是被ATP而非其他三磷酸核酸代替？目前，这仍然是一个未解之谜。

10月4日，来自伦敦大学学院遗传学、进化与环境系的Nick Lane和其同事们于PLOS Biology杂志发表题为“A prebiotic basis for ATP as the universal energy currency”的研究论文，为解答上述谜团提供了重要线索和证据。

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001437

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，当将磷酸盐添加到ADP（二磷酸腺苷）以产生ATP时，能量被捕获;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。但是，从头开始构建ATP的复杂化学结构是能源密集型的，需要六个单独的ATP驱动步骤;虽然令人信服的模型确实允许ATP骨架的益生元形成，而没有来自已经形成的ATP的能量，但它们也表明ATP可能非常稀缺，并且其他一些化合物可能在ADP转化为ADP的这一进化阶段中发挥了核心作用。

Lane及其同事认为，最有可能的候选者是双碳化合物乙酰磷酸酯（AcP），它今天在细菌和古菌中作为代谢中间体起作用。AcP已被证明可以在铁离子存在的情况下将ADP磷酸化为水中的ATP，但在该演示之后仍然存在许多问题，包括其他小分子是否也可能起作用，AcP是否对ADP具有特异性，或者是否可以与其他核苷（如鸟苷或胞嘧啶）的二磷酸盐一样起作用， 以及铁在催化水中ADP磷酸化的能力方面是否独一无二。

在他们的新研究中，作者探索了所有这些问题。根据关于生命出现之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质催化水中ATP形成的能力;没有一个几乎像铁一样有效。接下来，他们测试了一组其他小有机分子磷化ADP的能力;没有一个像AcP那样有效，只有另一个（氨甲酰磷酸酯）具有任何显着的活性。最后，他们表明，没有其他核苷二磷酸盐接受来自AcP的磷酸盐。

将这些结果与分子动力学建模相结合，作者对ADP / AcP /铁反应的特异性提出了一种机械解释，假设铁离子的小直径和高电荷密度，加上三者结合在一起时形成的中间体的构象，提供了一个“恰到好处”的几何形状，允许AcP的磷酸盐切换伙伴， 形成断续器。

“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，“并且ATP作为细胞的通用能量货币的出现不是'冷冻事故'的结果，而是由ADP和AcP的独特相互作用引起的。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作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对新陈代谢至关重要，我认为在益生元条件下有可能从ADP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，特别是那些在生活中保守的。非常令人惊讶的是，发现反应在金属离子，磷酸盐供体和底物中与生命仍在使用的分子具有如此强的选择性。事实上，在温和的、与生命相容的条件下，这在水中发生得最好，这对生命的起源来说确实非常重要。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://phys.org/news/2022-10-ancient-chemistry-atp-universal-energy.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。