辅酶在代谢起源中的关键作用：连接地球化学与生物化学的分子桥梁

《BIOspektrum》：Koenzyme als Verbindungsstücke zwischen Geo- und Biochemie

本研究针对生命起源中代谢系统如何从简单地球化学反应演化而来的核心问题，通过模拟早期地球环境，探讨了辅酶在矿物催化条件下连接地球化学与生物化学的桥梁作用。研究发现NAD等辅酶在矿物表面具有特异性还原能力，其AMP基团可增强稳定性，为原始代谢网络的建立提供了新机制。该成果对理解生命起源的化学演化路径具有重要意义。

　　

生命的起源一直是科学界最引人入胜的谜题之一。约40亿年前，在非生物条件下，最简单的生命形式如何从化学反应中诞生？所有现存生命的最后共同祖先LUCA（Last Universal Common Ancestor）被认为是一种依赖CO₂和H₂的厌氧微生物群落，其核心代谢途径——Wood-Ljungdahl通路（Wood-Ljungdahl Pathway, WLP）与地球化学过程存在惊人相似性。这一发现引出了关键问题：生物代谢系统是如何从地球化学环境中演化而来的？

研究表明，现代酶促反应的核心组成部分可能起源于简单的无机催化剂。过渡金属（如铁、镍、钴）在LUCA的金属酶活性中心十分常见，而这些金属在早期地球的水-岩石相互作用系统中也广泛存在。更引人注目的是，矿物催化CO₂和H₂反应能够产生与WLP相同的中间体（如甲酸、乙酸、丙酮酸）。这表明现代微生物的碳代谢核心反应可能先于代谢系统本身而存在。

在这一演化过程中，辅酶可能扮演了关键角色。这些小型有机分子能够独立于酶在矿物丰富环境中发挥作用，许多辅酶还共享核苷酸衍生的特征，如AMP（腺苷一磷酸）基团。那么，辅酶是如何帮助实现从地球化学催化到生物催化过渡的呢？

研究人员通过高压反应器模拟早期地球环境，建立了包含多种条件（pH值、矿物、辅酶、代谢物）的筛选平台。该体系可维持高达200巴的H₂和CO₂气氛，模拟水-岩石相互作用系统中金属粉末（特别是铁）与质子反应产生H₂的环境。

AMP作为许多辅酶的共同点

研究发现，许多与LUCA代谢相关的辅酶（如NAD⁺、CoA、FAD）都包含AMP基团，这一共同特征可能具有重要的演化意义。尽管腺苷部分不直接参与辅酶的生物化学功能，但其广泛存在暗示了其在前生物环境中的特殊作用。

AMP基团如何防止NAD的过度还原

通过比较NAD⁺与其单核苷酸类似物NMN（烟酰胺单核苷酸）的反应特性，研究发现AMP基团对辅酶的稳定性至关重要。在相同条件下（pH 8.5，5巴H₂，40°C，有铁或镍存在），NMN容易发生过度还原和水解，而NAD⁺则特异性还原为生物相关的1,4-NADH并保持稳定。

分子动力学模拟显示，NAD⁺在溶液中可在开放和折叠构象间快速转换，而单核苷酸缺乏这种折叠能力，使其更易暴露于环境因素。AMP部分通过稳定NAD⁺结构，支持其作为有效的氢化物载体在更广泛条件下发挥作用。

展望：通过辅酶实现复杂性？

研究表明，辅酶能够为矿物催化系统增加新的维度。金属催化剂通常维持简单、无方向性的反应路径，而辅酶的加入则为自维持化学反应网络的形成铺平了道路。电子、甲基和乙酰基载体分子能够将化合物从表面释放，开启新的反应途径并扩展化学谱系。

例如，NADH可促进α-酮酸与氨的还原胺化反应生成氨基酸；吡哆醛支持丙酮酸基于矿物的转氨作用生成丙氨酸；NADH还能还原FAD，使电子能够无明显降解地传输到酸性环境中。即使少量辅酶也能实现广泛的反应范围，而辅酶相对浓度的变化可影响反应速率、重新分配资源并引入反馈机制，最终使化学系统更加独立于其环境。

本研究通过模拟早期地球环境，揭示了辅酶在连接地球化学与生物化学过程中的关键作用。特别是辅酶中AMP基团的稳定功能，以及辅酶在引导矿物催化反应向特定产物发展方面的能力，为理解代谢系统的起源提供了新视角。这些发现表明，辅酶可能帮助实现了从无方向的矿物催化反应到自维持反应网络的过渡，最终推动了原始代谢系统的形成和演化。该研究发表于《BIOspektrum》期刊，为生命起源研究提供了重要的实验证据和理论框架。