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atp為什麼是細胞的能量貨币
atp為什麼是細胞的能量貨币
更新时间:2026-11-07 19:23:08

在細胞出現之前,一種簡單的雙碳化合物可能是新陳代謝進化過程中的一個關鍵角色。這是英國倫敦大學學院的尼克-萊恩及其同事的一項新研究的結果,該研究于10月4日發表在開放獲取的《PLOS生物學》雜志上。這一發現可能為了解生物前生物化學的最早階段提供了關鍵線索。此外,這一發現表明ATP(三磷酸腺苷)是如何成為今天所有細胞生命的通用能量載體的。

atp為什麼是細胞的能量貨币(為什麼生物體使用ATP作為通用的)1

根據新的研究,在細胞出現之前,一種簡單的兩碳化合物可能是新陳代謝進化中的一個關鍵角色。

三磷酸腺苷(ATP)是一種有機化合物,為驅動活細胞中的許多過程提供能量,如神經沖動傳播、肌肉收縮、凝結物溶解和化學合成。ATP存在于所有已知的生命形式中,通常被稱為細胞内能量傳遞的"分子貨币單位"。

所有細胞都使用ATP作為能量中間物。在細胞呼吸過程中,當一個磷酸鹽被添加到ADP(二磷酸腺苷)中以産生ATP時,能量被捕獲。該磷酸鹽的裂解釋放能量,為大多數類型的細胞功能提供動力。

然而,從頭開始構建ATP的複雜化學結構是能量密集型的,需要六個獨立的ATP驅動步驟。雖然令人信服的模型确實允許在沒有來自已經形成的ATP的能量的情況下形成ATP骨架的前生物,但它們也表明,ATP可能是相當稀缺的。這意味着在進化的這一階段,一些其他的化合物可能在ADP向ATP的轉化中起到了核心作用。

萊恩和他的同事認為,最可能的候選者是雙碳化合物乙酰磷酸酯(AcP),它今天在細菌和古細菌中都發揮着代謝中間體的作用。AcP已被證明可以在鐵離子存在的情況下在水中将ADP磷酸化為ATP,但在證明之後仍有許多問題,包括其他小分子是否也能起作用,AcP是否對ADP有特異性,還是可以與其他核苷的二磷酸鹽(如鳥苷或胞苷)同樣發揮作用,以及鐵在水中催化ADP磷酸化的能力是否足夠獨特。

atp為什麼是細胞的能量貨币(為什麼生物體使用ATP作為通用的)2

ADP和乙酰磷酸的分子動态模拟

作者在他們的新研究中探讨了所有這些問題。根據有關生命出現前地球化學條件的數據和假設,他們測試了其他離子和礦物在水中催化ATP形成的能力;沒有一種離子和礦物像鐵一樣有效。接下來,他們測試了一組其他小的有機分子對ADP進行磷酸化的能力;沒有一個像AcP那樣有效,隻有一個其他的(碳酰磷酸鹽)有任何明顯的活性。最後,他們表明,其他核苷二磷酸酯都不接受AcP的磷酸。

結合這些結果和分子動力學模型,作者對ADP/AcP/鐵反應的特異性提出了一個機制上的解釋,假設鐵離子的小直徑和高電荷密度,加上三者結合時形成的中間物的構象,提供了一個"恰到好處"的幾何形狀,使AcP的磷酸鹽能夠交換夥伴,形成ATP。

"我們的結果表明,AcP是作為生物磷酸化劑的ATP的最合理的前體,"Lane說,"ATP作為細胞的通用能量貨币的出現不是'凍結的意外'的結果,而是來自ADP和AcP的獨特相互作用。随着時間的推移,随着合适的催化劑的出現,ATP最終可以取代AcP成為無處不在的磷酸鹽供體,并促進氨基酸和核苷酸的聚合,形成RNA、DNA和蛋白質。"

主要作者Silvana Pinna補充說:"ATP對于新陳代謝來說是如此重要,我認為在前生物條件下可能從ADP中形成它。但我也認為幾種磷酸化劑和金屬離子催化劑會起作用,特别是那些在生命中保守的催化劑。非常令人驚訝的是,我發現這個反應在金屬離子、磷酸鹽供體和底物方面具有如此高的選擇性,而且是在生命仍然使用的分子中。在溫和的、與生命兼容的條件下,這種情況恰好在水中發生得最好,這對于生命的起源來說确實相當重要。"

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