具有不同类型晶体结构的二氧化锰对核糖核苷酸的非生物去磷酸化作用

《Separation and Purification Technology》：Abiotic dephosphorylation of ribonucleotides by MnO 2 with different types of crystals

　　

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  四种MnO₂多晶型均可介导ATP脱磷酸作用，其中α-MnO₂释放的P_i最多。
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  α-MnO₂的单位质量归一化V_max高于文献报道的铁氧化物水平。
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  ATR-FTIR和XPS结果支持ATP在α-MnO₂表面以内配位方式存在。
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  表面酸度和ATP的配位作用支持Lewis酸水解机制。

引言

磷（P）是所有生物体的必需元素，在细胞代谢、生物生产力和全球生物地球化学循环中发挥着重要作用[1]、[2]。在陆地和水生环境中，P以有机和无机两种形式存在[3]、[4]，其中正磷酸盐（P_i）是生物体吸收和同化磷的主要生物可利用形态[1]、[5]、[6]、[7]。农作物生产一直大量依赖无机磷肥来满足植物对磷的需求。然而，施用的磷有相当一部分被矿物固定或淋溶进入邻近水体，从而引发富营养化。与此同时，全球可开采的磷矿石储量——磷肥的主要原料——持续下降[8]。有机磷（P_o）主要来源于生物过程，包括磷酸单酯、磷酸二酯和有机聚磷酸盐[9]。P_o是潜在生物可利用磷的重要储库，占土壤中总磷的20–70%[10]和湖泊沉积物中总磷的26–64%[11]。因此，更好地理解P_o向P_i的转化过程对于活化历史遗留磷和减少化肥投入至关重要。

酶催化水解作为生物过程，一直被认为是复杂磷化合物脱磷酸产生生物可利用P_i的主要机制[7]、[12]、[13]、[14]、[15]。例如，细菌在环境P_i缺乏时会通过产生周质和外膜相关的磷酸酶，从P_o化合物中切割P_i基团来响应磷的缺乏[7]。主要的细菌磷酸酶是广谱性碱性磷酸单酯酶，包括PhoA、PhoD和PhoX家族[7]、[16]，它们的结构中都含有金属辅助因子[17]、[18]、[19]。这些金属位点可以通过配位底物P_o化合物的末端磷酸基团来促进底物的脱磷酸作用[20]。植物也能产生磷酸酶将P_o转化为P_i。一个典型实例是植物将植酸酶分泌到根际，水解植酸，从而提高植物对磷的吸收[21]。

除生物水解过程外，近期研究还发现矿物，特别是铁氧（水）氧化物，也能介导核苷酸的非生物脱磷酸作用[1]、[20]、[22]、[23]、[24]、[25]。核苷酸是一类广泛分布于陆地和水生环境中的低分子量有机磷化合物，可根据磷酸基团数量分为单磷酸核苷酸、二磷酸核苷酸和三磷酸核苷酸。例如，铁氧化物纳米颗粒（如纤铁矿、赤铁矿和针铁矿）可介导三磷酸腺苷（ATP）的脱磷酸作用，产生P_i、二磷酸腺苷（ADP）和单磷酸腺苷（AMP）[1]、[22]、[23]、[25]。值得注意的是，土壤中由铁氧化物矿物促进的核苷酸脱磷酸速率估计值与通常报道的土壤磷酸酶活性速率处于同一数量级[22]。此外，结合傅里叶变换红外（FTIR）光谱与分子模拟，还探索了ATP在铁氧化物表面的吸附构型[22]、[23]、[25]。这些研究揭示了ATP的磷酸基团与纤铁矿之间的氢键相互作用[22]、[23]，以及ATP的磷酸基团与针铁矿之间的水桥相互作用[25]，表明磷酸基团与矿物表面之间的相互作用在促进脱磷酸反应中起重要作用。

锰（Mn）是地壳中第三丰富的过渡金属（9.5 × 10² ppm）[26]，地壳岩石的平均Mn含量约为0.1%[27]。在地球表面附近，Mn在氧化还原驱动的地球化学过程中容易被氧化，从而形成各种锰氧化物矿物[28]。二氧化锰（MnO₂）广泛存在于自然陆地和水生系统中[28]、[29]、[30]、[31]，同时也广泛存在于采用高锰酸钾（KMnO₄）预氧化的构建湿地系统和工程水处理系统中[32]。先前的研究表明水云母可介导核糖核苷酸的脱磷酸作用[25]，但对不同MnO₂多晶型之间的系统比较以及ATP在MnO₂表面络合作用的实验表征仍十分有限。尽管锰氧化物的丰度通常低于铁氧化物，但其高反应活性意味着不能仅凭丰度来评估其环境意义[33]。因此，也需要将其脱磷酸速率与铁氧化物进行定量比较。基于此，本研究重点解决三个具体问题：(1) 不同MnO₂多晶型之间的ATP脱磷酸活性有何差异？(2) MnO₂的ATP脱磷酸速率与铁氧化物相比如何？(3) MnO₂介导的ATP脱磷酸作用背后有何机制？

本研究在pH 5–8范围内探讨了四种MnO₂多晶型（α、β、γ和δ）对ATP的脱磷酸作用。选择该pH范围是为了涵盖自然系统中常见的弱酸性至弱碱性的环境相关条件。表征了MnO₂的比表面积、表面电荷和表面酸度，以探索它们与脱磷酸活性之间潜在的关联。选择α-MnO₂进行不同初始ATP浓度的实验，以估算最大P_i释放速率（V_max）。采用原位衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱和X射线光电子能谱（XPS）研究了ATP脱磷酸的界面机制。考察了α-MnO₂对其他核糖核苷酸（包括ADP、AMP、三磷酸鸟苷（GTP）、三磷酸胞苷（CTP）和三磷酸尿苷（UTP））以及无机聚磷酸盐（包括焦磷酸盐（PP）和三聚磷酸盐（TPP））的转化能力，以评估底物依赖性反应活性。本研究有助于更好地理解活性矿物对P_o的非生物脱磷酸作用，为历史遗留磷的活化提供理论支持。

各节摘要

化学品

ATP（98%）和ADP（98%）购自Meryer（上海，中国）。AMP（≥97%）购自Aladdin（上海，中国）。本研究中使用的所有其他化学品见支持信息（SI，表S1）。所有溶液均使用来自Synergy UV超纯水系统（配SynergyPak? 1过滤单元，Merck KGaA，193 Darmstadt，德国）的超纯水（18.2 MΩ cm^?1）配制。β-MnO₂购自Macklin（上海，中国）。α-、γ-和δ-MnO₂为合成制备。

MnO₂可促进ATP脱磷酸

如图1a–1d所示，不同晶相的MnO₂（α、β、γ和δ）均可介导ATP的脱磷酸作用，将P_i释放到溶液中。在四种MnO₂多晶型中，α-MnO₂产生的P_i积累量最大。这一结果与先前的一项研究类似，该研究表明α-MnO₂对模型有机磷化合物对硝基苯磷酸（p-NPP）的脱磷酸活性高于β-MnO₂和ε-MnO₂[35]。MnO₂表面上ATP的脱磷酸行为

结论

P_o向P_i的转化是影响磷生物有效性和生态系统生产力的重要地球化学过程。本研究证实，α-、β-、γ-和δ-MnO₂均可介导ATP脱磷酸作用，在所测试条件下，α-MnO₂产生的水中P_i积累量最大。不同晶相MnO₂对ATP的脱磷酸活性存在差异，这很可能是比表面积、表面电荷和

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42507024 和 42130707）以及中国博士后科学基金会（编号：2024M761402）的资助。感谢吴丁丁博士和王小磊博士的有益讨论。

肖宇|黄丹宇|刘宪堂|周冬梅