科学探索|为什么生物体使用ATP作为通用的“能量货币”？为什么生物体使用ATP作为通用

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。

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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。

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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。
【科学探索|为什么生物体使用ATP作为通用的“能量货币”？】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。"