亚磷酸盐与能量在生命起源中的金属催化磷酸化

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics》：Metal-catalyzed phosphorylation by phosphite and energy at origins

　　

磷酸盐是如何成为生命通用的能量货币的？传统上对早期进化中磷酸化的研究方法涉及非生理条件。亚磷酸盐（HPO₃^2?），可被许多微生物酶促氧化，并天然存在于蛇纹石化热液喷口中，在纯碱性水中于25–100 °C下数小时至数天内即可将核糖、葡萄糖、甘油、丝氨酸、AMP、肌酸和乙酸磷酸化，生成磷酸酯、磷酸酐和酰基磷酸键。这些反应在热力学上是有利的，因为无氧条件下亚磷酸盐氧化为磷酸盐和H₂是高度放能的。但这些反应在没有催化剂的情况下不会进行。迄今已确定的最有效催化剂是一种闪光金属的纳米颗粒形式：零价（天然或元素态）钯（Pd⁰）。天然钯与亚磷酸盐一样，也天然存在于蛇纹石化热液喷口中，其他天然铂族元素（PGE）包括Pt、Rh、Ru和Ir也是如此。研究人员调查了核心生物合成代谢中使用的标准生化能量货币——从H₂、CO₂、NH₃、H₂S、H₂O和Pi合成氨基酸、碱基和辅因子时的使用频率，其顺序为磷酸盐 > 氧化还原 > 硫酯。研究人员测试了PGE作为亚磷酸盐氧化和磷酸化的催化剂。尽管所有测试的金属都能轻易氧化亚磷酸盐，但只有Pd⁰能高效催化磷酸化，在生理相关浓度下生成磷酸化产物。在通过亚磷酸盐氧化进行的磷酸化反应中，部分释放的能量被保存在磷酸化产物中，如同生物能量守恒一样。水相中亚磷酸盐依赖的磷酸化反应的有利热力学性质表明其可能参与了代谢的起源。

论文解读：生命起源中金属催化的亚磷酸盐磷酸化

磷酸盐在现代生物能量代谢中占据核心地位，ATP的水解驱动无数细胞过程。然而，在生命起源之前，磷酸盐如何成为通用的能量货币一直是一个悬而未决的问题。传统的磷酰化实验依赖于干燥循环、氰基化合物等缩合剂或非生理高温高压条件，这些条件难以与早期细胞持续运转的代谢网络相容。近年来，亚磷酸盐（HPO₃^2?）被发现天然存在于蛇纹石化热液喷口及太古宙海洋中，且部分厌氧细菌能以亚磷酸盐为电子源将其氧化为磷酸盐并偶联底物水平磷酸化。这一发现提示，亚磷酸盐氧化反应可能为早期生命的磷酸化提供了持续的能量供给。基于此，研究人员系统分析了代谢网络中各能量货币的使用频率，并测试了天然铂族金属（Pt、Pd、Rh、Ru、Ir）以及Ni基催化剂在亚磷酸盐氧化和磷酸化反应中的活性，以探索生命起源时非酶促磷酸化的可行机制。该研究发表在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics》上。

研究人员首先利用Cytoscape构建了由420个核心生物合成反应组成的代谢网络，这些反应将H₂、CO₂、NH₃、H₂S、H₂O和磷酸盐转化为20种标准氨基酸、8种未修饰的DNA/RNA碱基以及18种辅因子。通过分层算法将反应按底物可利用性排列，并统计涉及磷酸键、氧化还原和硫酯的反应数目。在实验部分，研究人员在高压反应釜中（5 bar Ar，100 °C）以200 mM亚磷酸钠为底物，分别加入不同金属催化剂（Pt、Pd、Rh、Ru、Ir及其负载型，Ni基催化剂），反应72小时后离心取上清，利用³¹P NMR光谱检测磷酸化产物；部分产物（如ADP）通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）进行定量确认。对比实验包括丝氨酸、AMP、核糖、葡萄糖、甘油、肌酸和乙酸等底物的磷酸化反应，温度范围为25–80 °C，时间18–72小时。样本来源为市售纯金属或负载型金属催化剂，未涉及生物学队列样本。

研究结果分为多个部分。在“Energy at origins: querying metabolism”中，研究人员通过分层代谢网络显示，核心代谢从H₂和CO₂出发，通过乙酰-CoA途径进行固碳，该途径可由天然金属Ni⁰或Ni₃Fe非酶促催化。在“Phosphate”部分，统计发现420个核心反应中有149个（35%）涉及磷酸键的形成或断裂，67个（16%）涉及磷酸酐键（通常为ATP）的水解，271个（65%）涉及磷酸化化合物，表明磷酸盐是代谢网络最普遍的能量来源。在“Redox”部分，氧化还原反应中72个（17%）是碳底物的还原，其中38个依赖NAD(P)H，这一比例与ATP水解反应（16%）相当，而低电位铁氧还蛋白在乙酰-CoA途径中承担关键还原角色。在“Thioesters”部分，涉及硫酯的反应仅32个，且大部分是内源生成的乙酰-CoA消耗反应，环境来源的硫酯极不稳定，不太可能作为原始能源。在“Enzymatic and metal-catalyzed phosphite dependent phosphorylation”中，研究人员发现Pd⁰能高效催化亚磷酸盐氧化为磷酸盐并同时将AMP磷酸化为ADP，反应为：AMP + HPO₃^2? → ADP + H₂，该反应由亚磷酸盐氧化（ΔG^0′ = ?46 kJ·mol^?1）驱动。Pd⁰还能磷酸化丝氨酸、核糖、葡萄糖、甘油、肌酸和乙酸，生成磷酸酯、磷酸酐及酰基磷酸。在“Physiologically relevant amounts”中，产物浓度大多为毫摩尔级，与大肠杆菌胞内对应代谢物的浓度范围相当，证明无需高转化率即可满足早期代谢需求；反应在纯水中进行，无需干燥或缩合剂，且亚磷酸盐和Pd⁰共同存在于蛇纹石化体系中。在“Do other PGEs also catalyze phosphorylation with HPO₃^2??”中，研究人员对比了Pt、Ru、Rh、Ir及Ni催化剂，发现所有金属都能氧化亚磷酸盐，但只有Pd⁰有效生成磷酸化产物；Ni⁰仅产生痕量ADP（6.7 μM），而Pd/C和纯Pd⁰活性最高。机理分析提示反应可能经过亚磷酸盐脱氢生成偏磷酸根（[PO₃]^?）中间体，该中间体高能且可磷酸化亲核底物。在“Phosphorylation in the early evolutionary process”中，研究人员指出Pd⁰/HPO₃^2?体系能生成核心代谢中三类主要磷酸键（磷酸酯、磷酸酐、酰基磷酸），且底物可由同一蛇纹石化环境中的天然金属催化合成，为早期生命提供了一个连续的、非生物磷酸化位点。在“A starting point for the bioenergetic process”中，研究人员将Pd⁰催化的亚磷酸盐磷酸化视为一种非生物底物水平磷酸化（SLP），可作为现代ATP合酶依赖的化学渗透机制之前的原始能量供给形式。文章还讨论了为什么Pd⁰未被整合入现代代谢：其广谱催化活性会对细胞高度特异的酶促网络产生破坏性干扰，且Pd⁰难溶、难以生物利用，故被可溶性金属离子取代。

讨论与结论表明，亚磷酸盐氧化在Pd⁰上的催化反应提供了生命起源前一种连续、生理环境下可行、地质可持续的磷酸化机制。该反应无需干燥循环或强脱水条件，能在水中直接将能量从亚磷酸盐氧化转移到磷酸化产物中，与生物能量保存策略一致。研究人员强调，亚磷酸盐和Pd⁰共同产生于蛇纹石化热液喷口，这一地球化学环境在早期地球上持续存在，为代谢和遗传体系的兴起提供了稳定的磷酸化驱动力。该研究首次证明单一的天然金属催化剂能在生理相关条件下生成多种磷酸键，并鉴定出Pd⁰为最特异的催化剂；这为生命起源中能量代谢的演化提供了实验基础和具体分子机制，支持了蛇纹石化热液喷口理论中连续非平衡能量供给的核心假说。未来工作可进一步探究亚磷酸盐在自然体系中的含量及Pd⁰催化磷酸化的详细反应路径，以更完整地还原前细胞时代的能量代谢图景。