金属离子介导的二苯丙氨酸光解稳定性调控：揭示前生命化学演化中的选择性光化学压力

《iScience》：Metal-ion mediated photolytic regulation of diphenylalanine stability: Implications for prebiotic chemical evolution

为解决早期地球高能紫外辐射环境下前生命分子如何稳定存在这一关键科学问题，研究人员系统探究了金属离子对二苯丙氨酸(FF)光稳定性的调控作用。研究发现，Fe(III)通过促进ROS生成加速FF降解，而Cu(II)则通过配位作用提供光保护。该研究揭示了金属离子在早期化学演化中施加选择性光化学压力的物理化学机制，为理解前生命分子的选择与积累提供了新视角。

　　

在地球生命起源的漫长画卷中，早期地球是一个充满挑战的舞台。那时的环境远非今日这般温和，强烈的紫外线(UV)辐射如同无形的利剑，时刻威胁着刚刚诞生的生命分子。氨基酸、肽等作为生命的基石，在如此严酷的辐射下极易被分解，这为生命的诞生和演化设置了巨大的障碍。然而，早期地球的海洋并非一片“纯净”的化学荒漠，其中富含着各种金属离子，如铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)等。这些金属离子不仅是现代生命体中不可或缺的辅因子，在生命起源之初，它们也可能扮演着更为关键的角色。它们能否像一把“双刃剑”，既可能催化分子的合成，又可能加速其分解？它们的存在，究竟是加速了前生命分子的消亡，还是为这些脆弱的分子提供了庇护所？这些问题，是理解生命起源化学演化路径的关键。

为了回答这些问题，来自宁波大学钱学森空间生命科学协同研究中心的研究团队，在《iScience》杂志上发表了一项题为“Metal-ion mediated photolytic regulation of diphenylalanine stability: Implications for prebiotic chemical evolution”的研究。他们选择二苯丙氨酸(FF)作为模型分子，系统探究了九种地质学上相关的金属离子在紫外光照射下对FF稳定性的影响。研究结果揭示了一个令人惊讶的现象：不同的金属离子对FF的光稳定性产生了截然相反的调控作用。其中，Fe(III)扮演了“破坏者”的角色，显著加速了FF的降解；而Cu(II)则扮演了“保护者”的角色，有效抑制了FF的光解。这一发现不仅揭示了金属离子在早期地球环境中对有机分子施加的“选择性光化学压力”，也为理解前生命分子的选择与积累提供了全新的物理化学框架。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，他们利用紫外-可见分光光度法(UV-Vis)和核磁共振波谱法(NMR)对金属离子与二苯丙氨酸(FF)的配位相互作用进行了表征，确定了结合常数和配位位点；其次，通过电子顺磁共振波谱(EPR)和自由基淬灭实验，检测并量化了光反应过程中产生的活性氧(ROS)种类及其贡献；最后，利用液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)对光降解产物进行了鉴定，从而揭示了FF在不同金属离子存在下的降解路径。

稳定性研究：金属离子的“双刃剑”效应

研究人员首先评估了九种金属离子对FF光稳定性的影响。在黑暗条件下，FF几乎不发生降解，表明其自身水解或氧化可以忽略不计。然而，在254 nm紫外光照射下，FF迅速降解，降解过程遵循准一级动力学。当引入不同的金属离子后，结果出现了显著的分化。Cu(II)表现出强烈的光保护作用，在照射6小时后，FF的残留量比无金属离子组高出26%。相反，Fe(III)则表现出强烈的光敏化作用，在相同条件下，FF的残留量仅为对照组的0.26倍。其他金属离子如Ni(II)和Co(II)对FF稳定性有轻微提升，而Mn(II)、Zn(II)、Mg(II)、Na(I)和K(I)则几乎没有影响。这一结果清晰地表明，金属离子对FF的光稳定性具有高度特异性，Cu(II)和Fe(III)分别代表了保护和破坏两种截然不同的调控模式。

影响因素：pH与氧气的调控作用

为了深入理解金属离子调控光稳定性的机制，研究人员进一步考察了pH、金属离子浓度以及氧气条件的影响。在pH 3的酸性条件下，Cu(II)的保护作用在FF/Cu(II)摩尔比为5:1时达到最佳，过量Cu(II)反而会促进降解，呈现出非单调性趋势，这暗示了Cu(II)的配位保护与过量时引发的Fenton-like反应之间的竞争。而Fe(III)在pH 3时表现出最强的降解促进作用。在pH 8的碱性条件下，Cu(II)的保护作用依然存在，而Fe(III)的降解作用则因形成Fe(OH)₃沉淀而显著减弱。此外，研究人员还发现，Cu(II)的保护作用具有序列依赖性，它对苯丙氨酸四肽同样具有保护作用，但对亮氨酸二肽(Leu-Leu)则无此效果，甚至加速其降解，这进一步强调了金属-肽相互作用的高度特异性。

在考察氧气的影响时，研究人员发现，无论是Cu(II)还是其还原态Cu(I)，在无氧条件下均能抑制FF的光降解；而无论是Fe(III)还是其还原态Fe(II)，均能促进FF的降解。这表明，铜离子的保护作用和铁离子的破坏作用，在氧化还原态变化时依然保持其基本趋势，但氧气的存在会通过影响活性氧(ROS)的生成来调节这些效应的强弱。

配位化学表征：揭示结合模式的差异

为了从分子层面理解Cu(II)和Fe(III)产生不同效应的原因，研究人员利用UV-Vis和NMR技术对金属-肽配合物进行了表征。UV-Vis光谱显示，随着金属离子的加入，FF的吸收峰发生红移，表明形成了配合物。结合常数计算表明，Fe(III)与FF的结合能力(K_d= 0.35 mM)强于Cu(II)(K_d= 0.66 mM)。然而，更强的结合力并未带来更高的稳定性，反而与更强的光降解敏感性相关，这暗示了金属离子配位后对电子分布的不同扰动是导致差异的关键。

NMR滴定实验揭示了更为精细的配位模式差异。对于Cu(II)，C-末端氨基酸的C_αH信号(Hb1)首先发生展宽和位移，而N-末端氨基酸的C_αH信号(Ha1)在更高浓度下才发生响应。这表明Cu(II)优先与C-末端氨基酸配位，N-末端氨基酸可能通过次级相互作用间接参与。而对于Fe(III)，N-末端和C-末端的C_αH信号几乎同时发生显著的展宽和位移，且变化幅度相近。这表明Fe(III)能够同时与FF分子的多个位点发生多齿配位，这种广泛的配位作用可能更显著地扰动了FF的电子分布，从而增强了其光反应活性。

活性氧(ROS)机制：降解的“幕后推手”

活性氧(ROS)是光化学反应中不可避免的副产物，也是导致有机物降解的关键因素。研究人员通过EPR和淬灭实验，系统评估了ROS在FF光降解中的作用。EPR实验证实，在紫外光照射下，FF体系中确实产生了单线态氧(¹O₂)、超氧阴离子(·O₂^-)和羟基自由基(·OH)。淬灭实验进一步量化了不同ROS的贡献，结果表明，在无金属离子的FF体系中，单线态氧(¹O₂)是FF间接光解的主要驱动力，贡献率高达58.08%，而·OH和·O₂^-的贡献相对较小。

当引入金属离子后，ROS的生成格局发生了显著变化。Cu(II)的加入显著抑制了¹O₂的生成，其贡献率降至21.21%，这可能是由于Cu(II)与FF的配位作用改变了FF的激发态性质，从而抑制了能量转移过程。同时，Cu(II)还通过配体到金属的电荷转移(LMCT)过程，促进了·O₂^-的清除，并可能通过Fenton-like反应生成·OH，但其总体效应是抑制了FF的降解。相反，Fe(III)的加入则显著增强了ROS的生成，特别是将¹O₂的贡献率提升至73.96%，并将·OH的贡献率提升了一倍。Fe(III)通过光还原反应生成Fe(II)和·OH，是导致FF加速降解的主要原因。

降解路径分析：金属离子的“路径选择器”

为了更深入地理解金属离子如何调控FF的降解，研究人员利用LC-MS技术鉴定了光降解产物，并提出了可能的降解路径。FF在紫外光照射下主要经历直接光解和ROS介导的间接光解，生成了包括脱羧产物、脱氢产物、脱氨产物以及苯丙氨酸等在内的多种中间体。

通过对不同时间点产物积累情况的分析，研究人员发现，金属离子不仅影响降解速率，更重要的是，它们像“路径选择器”一样，调控着降解路径的选择。例如，在FF-Fe(III)配合物中，C_α-C_β键的稳定性降低，导致脱羧产物P266.14在照射初期迅速积累，其丰度是金属离子组和Cu(II)组的约50倍。然而，Cu(II)的存在则显著增强了P266.14的光稳定性。对于脱氢产物P310.13，在照射初期金属离子的调控作用不明显，但在照射30分钟后，Fe(III)和Cu(II)表现出截然相反的趋势：Fe(III)促进其转化，而Cu(II)则抑制后续反应。这些结果表明，金属离子通过其特定的配位模式，对FF降解路径的分支选择性施加了决定性的控制。

结论与讨论

这项研究通过系统性的实验，揭示了金属离子在调控二苯丙氨酸(FF)光稳定性中的关键作用及其背后的物理化学机制。研究的主要结论可以归纳为以下几点：

1. 1.
   金属离子的特异性效应：在早期地球环境中，不同的金属离子对前生命分子的光稳定性具有高度特异性的调控作用。Cu(II)通过配位作用提供光保护，而Fe(III)则通过促进活性氧(ROS)生成加速降解。
2. 2.
   机制的双重性：Cu(II)的保护作用主要源于其与FF的配位，这种配位作用不仅改变了FF的电子分布，还抑制了单线态氧(¹O₂)的生成。而Fe(III)的破坏作用则源于其光化学活性，通过光还原反应产生羟基自由基(·OH)等强氧化性物种，并显著增强单线态氧的生成。
3. 3.
   路径选择性调控：金属离子不仅是降解速率的调节器，更是降解路径的“选择器”。它们通过特定的配位模式，影响FF分子中不同化学键的稳定性，从而决定降解反应沿着哪一条路径进行。

这项研究的重要意义在于，它为理解前生命化学演化提供了一个全新的物理化学框架。在早期地球的“原始汤”中，金属离子的分布并非均匀的。这项研究表明，在富含Cu(II)的微环境中，像FF这样的芳香族肽可能受到保护，从而得以积累和演化；而在富含Fe(III)的微环境中，这些分子则可能被迅速分解。这种由金属离子介导的“选择性光化学压力”，可能对前生命分子的选择、积累和化学演化方向产生了深远的影响。它揭示了非生物因素（如地质化学环境）如何通过物理化学原理，对生命分子的演化施加选择压力，从而推动了生命起源的进程。