大自然為什么選擇磷主導(dǎo)生命

1、中國科學(xué)：化學(xué)2010年第40卷第7期：927 939SCIENTIA SINICA ChimicaSCIENCE CHINA PRESS© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué)2010年第40卷第7期：927 939© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué)2010年第40卷第7期：927

2、939大自然為什么選擇磷主導(dǎo)生命BOWLER Matthew W.，CLIFF Matthew J.，WALTHO Jonathan P , BLACKBURN G. Michael®* Structural Biology Group. European Synchrotron Radiation Facility, F-38043 Grenoble. France Krebs Institute. Department of Molecular Biology and Biotechnology. Sheffield University. Sheffield. UK*通訊作者:

3、E-mail: g.m.blackbumsheffield.ac.uk收稿日期:2010-06-10;接受 11 期:2010-06-24Blackburn教授應(yīng)邀參加了 2009年10月1113日在天津南開大學(xué)召開的中國化學(xué)會(huì)第八屆全國璘化學(xué)化工學(xué)術(shù)討論會(huì).在會(huì)上，他做了題 為“Why has evolution selected phosphate as the chemical core of biology?"的大會(huì)報(bào)告-后來，這個(gè)大會(huì)報(bào)告的內(nèi)容整理成文，發(fā)表在Mrw Journal of Chemistry上(2010, 34: 784-794: DOI: 10.1039/

4、b9nj00718k). 2009年11月，中國科學(xué)：化學(xué)開始向磷化學(xué)化匚界的各位專家學(xué) 者征集稿件，準(zhǔn)備出版一期“磷化學(xué)與化工進(jìn)展”的?？?，也向Blackburn教授發(fā)til 了邀請(qǐng)，并得到他的枳極響應(yīng).他請(qǐng)求并獲得Royal Society of Chemistry (RSC) for the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the RSC 授權(quán)，請(qǐng)人將已發(fā)表在 New Journal of Chemistry 上 的文章翻譯成中文-為了讓國內(nèi)的讀者更好地了解磷化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科在世界上的發(fā)展現(xiàn)狀，編委會(huì)同意此翻

5、詳論文的出版.關(guān)鍵詞生物磷酸酯 宇宙中的磷酸鹽 磷?；D(zhuǎn)移機(jī)理 激酶催化機(jī)理 璘酸酶催化機(jī)理 生命體選擇磷酸鹽 磷酸酯的穩(wěn)定性 激酶和磷酸篦的調(diào)控摘要 磷酸單酯和雙酯被漫長的進(jìn)化過程選擇為生命體的核心.磷酸酯功能的多樣 性需要磷酰基轉(zhuǎn)移酶不斷地進(jìn)化來實(shí)現(xiàn)-現(xiàn)今磷?；D(zhuǎn)移酶的催化機(jī)制已經(jīng)得到了廣 泛研究.通過高分辨X射線晶體衍射技術(shù)(X-ray)與19FNMR的聯(lián)用，來研究磷?；D(zhuǎn)移 酶的金屬氟化物過渡態(tài)類似物，可以從原子層面上闡述磷?；D(zhuǎn)移的機(jī)理-該催化機(jī) 理充分地解釋了磷酸酯的一對(duì)相互“矛盾'的性質(zhì)，即磷酸酯結(jié)構(gòu)的極其穩(wěn)定性與磷酰 基在信號(hào)傳導(dǎo)過程中的靈活可調(diào)性一通過對(duì)元素周期表中其

6、他元素的含氧酸根及其酯 的性質(zhì)的研究，目前還無法找出一個(gè)更加合適的元素來替代磷的這些重要功能，因而 這些證據(jù)都支持了 Todd的說法:“哪里有生命，哪里就一定有磷”.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué)2010年第40卷第7期：927 939© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué)201

7、0年第40卷第7期：927 9391引言磷酸酯的進(jìn)化發(fā)展是生命體中最重要的化學(xué)特 征之一磷酸酯一方面可作為RNA和DNA的穩(wěn)定骨 架，另一方面可利用激酶和磷酸酯酶實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)功 能的調(diào)控，利用磷酸時(shí)和磷酸酯，特別是三磷酸腺昔 (adenosine 5triphosphate. ATP)來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的生長、分 化以及能量的轉(zhuǎn)運(yùn)一磷酸單酯和雙酯的化學(xué)性質(zhì)極 其穩(wěn)定，但其P-O-C鍵和P-O-P鍵均可被磷?；?轉(zhuǎn)移酶快速地水解-這樣的性質(zhì)決定了大自然為何 選擇磷酸酯或磷酸肝作為普遍的生物功能中心-20世紀(jì)中期，對(duì)磷酸酯早期的生化研究主要由 Alexander Todd (圖1)和他的同事在劍橋大學(xué)展開一

8、圖 1 Alexander Todd (1907-1997),獲 1958 年諾貝爾獎(jiǎng)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué)2010年第40卷第7期：927 939© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命928© 1994-201

9、0 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 928© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 該小組于1948年報(bào)道了三磷酸腺背的首次化學(xué)合 成.1955年首次實(shí)現(xiàn)了雙核昔磷酸酯(dinucleoside phosphate. dTpT)的化學(xué)合成121.基于這些成果 Gobind Khorana發(fā)展了焦磷酸連接方法，并將其推廣 到生產(chǎn)維生素和輔酶的應(yīng)用中

10、，以及后來RNA和 DNA的化學(xué)合成-Todd在磷酸酯與磷酸肝方面的研 究推動(dòng)發(fā)展了一個(gè)頗受關(guān)注的磷酰化機(jī)理，即偏磷 酸單酯(monomeric metaphosphate ester)作為中性的 三角形(R-O-PO?)磷酰基轉(zhuǎn)移過渡態(tài)Todd在 1981年的大阪會(huì)議中闡述了磷?；谏w中所起 的主導(dǎo)作用，以下是其報(bào)告的摘要：“讓我們總結(jié)一下，大自然要如何竭盡所能，才 能充分利用她所擁有的以確為基礎(chǔ)的建筑單元.首 先她需要一個(gè)能形成酸肝的強(qiáng)酸用于能源儲(chǔ)存和運(yùn) 輸-假設(shè)除磷酸外還有其他酸可以實(shí)現(xiàn)這一日的，但 是磷酸肝還可以滿足以下其他要求：這個(gè)酸必須是 三元酸，以便同時(shí)連接兩個(gè)基團(tuán)，而且還有

11、一個(gè)多余 的酸性疑基可進(jìn)行其他反應(yīng)；這個(gè)酸的強(qiáng)度是非常 重要的，因?yàn)槠浔仨気o助碳-碳鍵的形成；三元酸本 身及其酯可以形成內(nèi)肝以便作為強(qiáng)的?；噭? 元素周期表中只有一種元素同時(shí)滿足以上這些要求 磷-唯一具有相似性質(zhì)的元素是硫，也可以形成 含氧酸，但只是二元酸，不完全符合需求一我相信以 上所列的條件對(duì)于生命體的進(jìn)化發(fā)展至關(guān)重要，所 以我猜想，如果宇宙的其他地方有生命存在的話，那 么極有可能是發(fā)生在具有充足磷元素的星球上”這些論述是基于20世紀(jì)中期對(duì)磷認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上 的，50年后的今天，我們還是可以看出其具有一定的 局限性.我們現(xiàn)在知道，不僅磷酸時(shí)水解能產(chǎn)生髙能 雖:，某些磷酸一酯也具備這一功能第三

12、個(gè)磷酸疑 基的使用僅對(duì)磷酸二酯的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程(chemical transfonnations)比較重要，但是生物系統(tǒng)中還沒有 找到對(duì)應(yīng)的例子.在生物體中大多的磷?；x去基 團(tuán)都是二價(jià)陰離子形式，其p瓦2在7.0左右，由此可 以看出，酸的強(qiáng)度看似不是最重要的.無論怎樣, Todd的大膽猜測(cè)還是對(duì)我們提出了挑戰(zhàn).磷酸酯真 的是所有生命體都需要的重要組成部分嗎？本文的 日的就是闡述Todd的理論在他首次提出后的這30 年里的研究和發(fā)展-2磷酸的重要作用在20世紀(jì)70年代，遺傳物質(zhì)如DNA和RNA 的磷酸二酯骨架結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)中單磷酸的結(jié)構(gòu)得到了 充分研究-但是對(duì)激酶組學(xué)和大量涌現(xiàn)的蛋白磷酰 化現(xiàn)象的研

13、究還沒有開始.30年后的今天，磷?；?的生物學(xué)功能得到了充分詮釋-以下列出其主要進(jìn) 展：(1) 基因組的穩(wěn)定性一DNA的結(jié)構(gòu)需要化學(xué)性 質(zhì)穩(wěn)定的磷酸二酯作為其骨架，生存所需的 DNA快速修復(fù)過程；(2) RNA世界生命似乎首先起源于RNA.其 次才是DNA和蛋白質(zhì)(催化(核酶ribozymes)和調(diào) 節(jié)(核糖開關(guān)riboswitchs);(3) 脂類一細(xì)胞膜利用磷脂作為基本組分部分;(4) 骨架結(jié)構(gòu)骨，牙齒等.使用磷酸鈣(磷 灰石)作為主要礦物成分；(5) 隔離作用(compartmentalisation)小分子代謝物，如陰離子磷酸酯不能口由通過細(xì)胞膜.需要 跨膜運(yùn)輸；(6) 細(xì)胞器膜識(shí)別磷

14、酸肌醇；(7) 能源“髙能磷酸鹽”儲(chǔ)存和分配生物過程 中所需的能量；(8) 調(diào)控和信號(hào)傳遞許多關(guān)鍵蛋白通過磷酰 化調(diào)節(jié)活性，第二信使如cAMP»JcGMP對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳 遞至關(guān)重要.磷?；鞍捉M學(xué)(phosphoproteomics)i2經(jīng) 發(fā)展成為研究蛋白翻譯后修飾的一個(gè)新興領(lǐng)域以上這些看似有相悖之處，比如有的磷酰基相 當(dāng)穩(wěn)定，在DNA中的自發(fā)水解半衰期是3100萬年叫 然而有的磷酰基轉(zhuǎn)移的速率在激酶的催化下卻是亳 秒級(jí)，比如Yersinia的磷酸化酪氨酸磷酸酶【刃 (phosphotyrosine phosphatase)的咯=1000 s-1.正是 因?yàn)榱姿?酯)在生物功能上的這

15、些特點(diǎn)，使得其不能 被元素周期表中其他元素的含氧酸替代-3磷酸酯穩(wěn)定的原因FrankWestheimer (圖2)及其同事在哈佛大學(xué)開 創(chuàng)了用物理有機(jī)化學(xué)的手段來研究磷酸酯轉(zhuǎn)移的化 學(xué)和生物學(xué)機(jī)理這一領(lǐng)域，并研究磷酸乙烯酯 (ethylene phosphate)這個(gè)五元環(huán)狀二酯不尋常的反 應(yīng)活性，鄰位疑基的潛在作用，以及可能成“直線型 (in-line)”的磷酸酯水解過渡態(tài)的幾何構(gòu)型11.盡管 他和Todd 一樣還是更喜歡用偏磷酸鹽【，但他取得 的一個(gè)主要的理論進(jìn)展是，在進(jìn)化中，磷酸單酯和雙928© 1994-2010 China Academic Journal Electron

16、ic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué) 2010年 第40卷 第7期© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué) 2010年 第40卷 第7期圖 2 Frank Westheimer (1912-2007)酯上的負(fù)電荷之所以被選擇以起到穩(wěn)定的作用是因 為它可以阻礙親核試劑的進(jìn)攻少】-“磷酸非常適合作核酸的骨架，因?yàn)槠溥B接兩分 子核昔后依然可以帶負(fù)電荷；這個(gè)負(fù)電荷可以防止 磷酸二酯水解，同

17、時(shí)也可以使其保留在脂膜內(nèi)-磷酸 的穩(wěn)定性還可解釋其作為中間代謝產(chǎn)物及能量儲(chǔ)存 體的原因.磷酸根雖帶有多個(gè)負(fù)電荷，卻可以通過中 間體 PO? (monomeric metaphosphate ion)發(fā)生反應(yīng). 因此，其他任何基團(tuán)都不能替代它在生物體中的角 色”已有充分的證據(jù)證明磷酸酯的穩(wěn)定性.最近有 研究通過比較磷酸二酯和磷酸三酯的水解速率支持 這一觀點(diǎn).與磷酸二甲酯相比，磷酸三甲酯少一個(gè)負(fù) 電荷，因此它的水解反應(yīng)速率加快了 IO?倍國此外, 磷酸單甲酯的水解受到兩個(gè)負(fù)電荷的阻滯，比磷酸三 甲酯水解反應(yīng)速率減少10臨倍.同樣的穩(wěn)定效果也體 現(xiàn)在磷酸二新戊酯上，由于C-O鍵水解被抑制，使得 我們

18、可以測(cè)量它的自發(fā)水解速率同為7 X lO-s-1.這 與DNA分子水解的半衰期3100萬年相符.相比之下，在酶催化下，磷酸酯水解速率得到驚 人的提高.在 Staphylococcus 二酯酶(Staphylococcus diesterase)的催化下磷酸二甲酯的水解速率提高6 x 1014倍，同樣，在 Yersinia單酯酶 (Yers汕a monoesterase)的催化下，苯基磷酸單酯的水解速率 提高2x10“倍.從這些數(shù)據(jù)3可以推測(cè)，磷酸酶如 I 型蛋白磷酸爾(type I protein phosphatase).果糖二 磷酸酶(fructose bisphosphatase),肌醇

19、磷酸酶(inositol phosphatase)催化磷酸單烷基酯底物的水解.使得水 分子進(jìn)攻磷酸單酯的水解速度增加了 10?1倍.這就相 當(dāng)于酶結(jié)合的反應(yīng)底物任過渡態(tài)時(shí)的解離常數(shù)【大 約為l(r" M.分子模擬計(jì)算可以用來展示磷?；鈺r(shí)親核 試劑所受到的排斥力使用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算磷酸與硫酸單酯、雙酯和三酯的電荷分布高斯平面曲線 (Gaussian surface),結(jié)果表明，在磷酸根周圍有導(dǎo)致 很強(qiáng)溶劑化作用以及一、二價(jià)陰離子強(qiáng)排斥力的局部 負(fù)電荷(紅色，圖3).硫酸酯由于少一個(gè)負(fù)電荷致使 極性大大減弱.磷酸肝上的磷?；D(zhuǎn)移需要克服更 強(qiáng)大的電荷排斥力，例如一個(gè)具有4個(gè)負(fù)電荷的AT

20、P 分子與一個(gè)具有2個(gè)負(fù)電荷的AMP分子形成2分子 的ADP.這一反應(yīng)必須克服強(qiáng)大的靜電斥力(圖4). 然而該反應(yīng)在瘧疾腺昔酸激酶呦(malarial enzyme adenylate kinase)的催化下其轉(zhuǎn)化速率 咯 為35 s-1.正是由于磷酸酯的負(fù)電荷，使其可以梢確地結(jié) 合在信號(hào)蛋白或酶的活性位點(diǎn).例如，錐蟲磷酸片油 酸激齣(trypanosome phosphoglycerate kinase. PGK) 通過利用活性中心的3個(gè)梢氨酸和1個(gè)賴氨酸與底物 3磷酸-D甘油酸(3-phospho-D-glyceric acid)形成 6 個(gè)氫鍵.如同一把“抓磷酸的鉗子''

21、緊緊抓住底物.而monoestefcyclohexyl dimethyl phosphate 0cycloh oxy I methyl sulfate 0diestercydohexyl methyl phosphate 1iriestercyclohexyl phosphate 2cyclohexyl sulfate |-1圖3分子動(dòng)力學(xué)MOE】計(jì)算磷酸與硫酸單酯、雙酯和: 酯的電荷分布高斯平面曲線-(負(fù)電性-紅色；正電性-藍(lán)色; 凈電荷標(biāo)示丁方括弧內(nèi))adenosine5'-triphosphateadenosine 5'-lfiphosphaleThe adenylate

22、 kinase reaction transfers the y.phosphate from ATP to AMP by "in-line" attack resulting in cleavage of the ?-P to 0=0 bond圖4分子動(dòng)力學(xué)MOE"】計(jì)算ATP4(左)與ADP-(右)的 電荷分布平而曲線(負(fù)電性-紅色；正電性-藍(lán)色)929© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學(xué)：化學(xué) 2010年 第

23、40卷 第7期圖6 UMP/CMP激爾的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)圖中心用金屈氟化物 模擬的磷酰基呈近對(duì)稱的二角雙錐結(jié)構(gòu).被轉(zhuǎn)移的磷?；?同ADP的卩磷醸基上的氧和CMP的a磷酰基上的氧相連接 RCSB PDB accession 3UKD22.從中心金屈脈子向外 15 A 的空間范悴I內(nèi)凈電荷為零 所以更接近協(xié)同反應(yīng)中2個(gè)氧原子間的距離(>3.6 A). 磷酸H油酸激酶(PGK)催化ATP與3-磷酸-D- 甘油酸(3-phospho-D-glyceric. 3pGA)反應(yīng)的情況和 上面提到的非常相似.該反應(yīng)過渡態(tài)類似物已經(jīng)被X 射線晶體衍射觀測(cè)到【狗.人類PGK與ADP. 3PGA. 和MgF三元復(fù)合

24、物結(jié)構(gòu)需要5個(gè)正電荷平衡來自 ATP上的4個(gè)負(fù)電荷與磷酸甘油酸上的1個(gè)負(fù)電荷 (式2).其中，3PGA上帶負(fù)電的磷酸根(圖4).由2 個(gè)止電荷用來固定，它們來口帶正電的梢氨酸-85,式2人磷酸II油酸激酶二氟化鎂過渡態(tài)(PGK_MgFj TSA嚴(yán)】-底物 ADP (左)與 1,3-二磷酸 | |油酸(1,3-bisphosphs glycerate,右)的 5 個(gè)負(fù)電荷被來 H Mg2*, Arg65. Lys215 和 Lys219的5個(gè)正電荷中和磷酸鹽鉗子(phosphate clamp)” 上的負(fù)電荷被G1U128所中和(未顯示)一被轉(zhuǎn)移的丫磷?；?通過鎂離子和Lys219與ADP相連接

25、，同時(shí)通過Lys215和 Arg38同3.磷酸甘油酸(3PGA)的 竣基相連接 梢氨酸-122.梢氨酸-170外加帶負(fù)電荷的谷氨酸-128 提供一通過計(jì)算，結(jié)果顯示以磷原子為中心向外的 10 A范圍內(nèi)凈電荷為零.三角雙錐軸向的2個(gè)氧原子 距離4.27 A.赤道面上配位的3個(gè)氟原子被5個(gè)氫鍵 和催化鎂離子所固定還有其他的情況，比如有的磷酸酶是利用半胱 氨酸陰離子中的硫作為親核試劑刃，牛PTPase晶體 結(jié)構(gòu)顯示，在活性中心里，銳酸根共價(jià)連接親核性的 半胱氨酸-12形成三角雙錐結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于水分子進(jìn)攻 水解磷酸化半胱氨酸的過程-但是，盡管鄰近的梢氨 酸-18與赤道平面上的2個(gè)氧原子形成氫鍵冋，但由

26、于銳酸根的4個(gè)氧原子的質(zhì)子化狀態(tài)不確定，所以并 不能確定凈電荷是否中和.4.2中性親核性基團(tuán)與陰離于離去基團(tuán)最近有大量研究重新審視這類磷酸基轉(zhuǎn)移酶的 機(jī)理，如P葡萄糖磷酸變位酶(Pphosphoglucomutase, PPGM)和磷酸化絲氨酸磷酸酯B (phosphoserine phosphatase. PSP)(圖7和8).和其他很多酶一樣，這 兩個(gè)酶使用關(guān)鍵的天冬氨酸上的竣基作為親核試劑 形成磷?；於彼嶂虚g體，這個(gè)中間體或是被水 解(在PSP中)或是把磷?；D(zhuǎn)移給第二個(gè)底物的疑 基.早在I960年代后期，這種以竣基進(jìn)攻麟酸酯a】 和磷酸酯】的水解模型就已被發(fā)現(xiàn)-在這兩個(gè)酶的 研究中

27、，我們建立了兩個(gè)二元復(fù)合物過渡態(tài)模型結(jié) 構(gòu)，以三氟化鎂陰離子作為等電子體模擬磷?；?轉(zhuǎn)移.利用19F NMR技術(shù)研究分析Lactococcus lactis931圖7卜匍萄糖磷酸變位酶的過渡態(tài)(p PGM).二氟化錢模 擬從Asp8向毗喃匍萄糖(glucopyranose)的1卩脛基上轉(zhuǎn)移 的磷?；?AsplO起到普通堿催化的作用催化金屈鎂離子 (金色)與AspS及一個(gè)氟原子配位，同時(shí)與親核試劑Asp8 的氧廉子形成六元環(huán)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserv

28、ed, 中國科學(xué)：化學(xué) 2010年 第40卷 第7期圖8磷酸化絲氨酸磷酸酯酚(PSP)水解過渡態(tài).氟化 鎂模擬被水分子進(jìn)攻的Aspll上的磷醸基.Aspl3起到普通 堿催化的作用-催化金屈鎂離子(金色)與Aspll及一個(gè)氛 原子配位，同時(shí)與親核試劑Aspll的氧腹子形成六元環(huán)P-葡萄糖磷酸變位酶的金屬氛化物過渡態(tài)類似物，可 以發(fā)現(xiàn)，隨著pH值的變化.氟的配位從低pH值時(shí)的 八面體四配位構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)轶{pH值時(shí)的三角雙錐三配 位構(gòu)型，但不是由A1F,轉(zhuǎn)換成A1FJ,而是隨著pH值 升高AIF4-逐漸被MgF(取代心 這是由于酶會(huì)優(yōu) 先選擇止確的負(fù)電荷的緣故，在pH值小于68時(shí), 這些過渡態(tài)類似物不得

29、不趨向于形成八面體的aif4- 結(jié)構(gòu)，而不是自然狀態(tài)下的三角雙錐結(jié)構(gòu)-我們觀察 到Methanococcus jannaschii磷酸化絲氨酸磷酸陸也具 有類似的行為一以上討論的這兩個(gè)反應(yīng)如式3所示】.從卜葡萄糖磷酸變位酶與葡萄糖-6-磷酸三氟化 鎂復(fù)合物的髙分辨X射線衍射電子密度圖(圖7, PDB 2WF5)可以看到，三角雙錐的幾何結(jié)構(gòu)非常晴 晰.可以用于解釋卜荷萄糖磷酸變位酶催化反應(yīng)是 經(jīng)歷了一個(gè)協(xié)同反應(yīng)的機(jī)理.Asp-8的竣基和D-葡萄 糖6-磷酸的1-p-疑基在磷?；D(zhuǎn)移過程中相距4.27 A. 其中，位于赤道平面上的其中2個(gè)氟原子和5個(gè)鄰近 氨基酸形成氫鍵.這被19F NMR的NOE

30、分析所證 實(shí)，第三個(gè)氟原子夾在催化鎂離子和葡萄糖2羥基 之間】.葡萄糖1位上磷酸根的2個(gè)負(fù)電荷與起催 化作用的天冬氨酸的1個(gè)負(fù)電荷，被來自于+2價(jià)的催 化鎂離子和+1價(jià)的Lys-145中和，使距磷原子14 A 以內(nèi)凈電荷幾乎為零(圖9). Asp-10的竣基與葡萄糖 1位的氧原子有一個(gè)相距2.5 A的氫鍵，在磷?；D(zhuǎn)移 過程中作用于電中性親核/離去基團(tuán)，起到普通酸堿催 化(general acid-base catalysis)的作用，這通過將式3圖解磷醜基轉(zhuǎn)移酶催化過程第一步的過渡態(tài).(a) p-flij 萄糖磷酸變位(pPGM), (b)磷酸化絲氨酸磷酸酯酚(PSP). 在這兩種催化過程中

31、，均首先生成磷?；奶於彼?右), 其隨后被水解，釋放出磷酸.催化中心附近的另一個(gè)天冬氨 酸(B)起到普通酸堿催化的作用，幫助活化疑基進(jìn)攻磷醜 基團(tuán)圖9三氟化錢過渡態(tài)復(fù)合物以金屬錢為中心的空間凈電荷 分布圖.橫坐標(biāo)為到中心金屈鎂的距離，縱坐標(biāo)為凈電荷數(shù). (a)卜箭萄糖磷酸變位酶(pPGM.藍(lán)色)，(b)磷酸化絲氨酸 磷酸酯酶(PSP,黑色)D10突變成天冬酰胺使酶失去活性可以證實(shí).值得注 意的是，遠(yuǎn)端的己糖磷酸僅被Lys-49約朿，并沒有被 “鉗制"的跡象可是，這個(gè)爾的活性位點(diǎn)不但能識(shí)別 D-葡萄糖-6-磷酸根和D-痢萄糖-1-4磷酸根，還可以 結(jié)合半乳糖1-*磷酸形成過渡態(tài)類似

32、物由此可 見，這個(gè)酶可以犧牲與底物的結(jié)合強(qiáng)度來滿足底物 的多樣性一第二個(gè)竣基與醇輕基之間的磷?；D(zhuǎn)移 的例子是Methanococcus jannaschii磷酸化絲氨酸磷 酸酶(phosphoserine phosphatase).利用 19F NMR 技術(shù), 我們已建立了用來研究三角雙錐金屬氛化物過渡態(tài) 類似物的方法，證明該類似物是三氟化鎂而不是三 氛化鋁（圖8）l23 31.這個(gè)酶的過渡態(tài)與上面提到的卩- 葡萄糖磷酸變位酶過渡態(tài)類似物極其相似.從三角 雙錐的幾何結(jié)構(gòu)可以淸楚地觀察到磷酸化絲氨酸磷 酸酶采用協(xié)同反應(yīng)作為其催化機(jī)理，因?yàn)檩S向配位 的兩個(gè)氧原子之間相距4.24 A.氟由于與催化

33、鎂離子 及相鄰氨基酸配位而被固定在赤道平面內(nèi).Asp-11和 親核的水分子是磷?；D(zhuǎn)移中軸向上的兩個(gè)配位基 團(tuán)-磷?；扉T冬氨酸陰離子的電荷為-2,被催化鎂 的+2價(jià)中和一其結(jié)果是，距離活性中心12 A的球面 以內(nèi)凈電荷為零（圖9.PDB 1L7N）. Asp-13的竣基與 親核試劑水分子之間有一個(gè)相距2.65 A的氫鍵，通 過普通酸堿催化幫助水分子親核進(jìn)攻磷原子，這可 以從失去催化活性的酶突變體D13N實(shí)驗(yàn)得到證實(shí) （式 3）.蛋白激齣A （protein kinase A. PKA）是這類酶中 的第三個(gè)例子.該酶催化ATP的十磷酸基轉(zhuǎn)移到底 物蛋白的絲氨酸上.在這個(gè)三元的復(fù)合物，底物肽 T

34、TYADFIASGRtGRRASIHD. ADP. “三氟化鋁”形成 的三角雙錐過渡態(tài)類似物中，軸向的兩個(gè)氧原子距 離4.52 A. 3個(gè)氟原子與3個(gè)鄰近的殘基形成氫鍵，同 時(shí)其中兩個(gè)氟原子與兩個(gè)催化鎂離子配位.該反應(yīng) 的6個(gè)負(fù)電荷（4個(gè)來自ATP. 2個(gè)來至反應(yīng)中心的 Asp-166111-184）被6個(gè)正電荷中和（4個(gè)來自兩個(gè)催 化劑鎂離子，另外2個(gè)來自Lys-72和Lys-168）.與前 兩個(gè)例子比較可以知道，Asp-166通過普通酸堿催化, 活化Ser-21的疑基作為親核試劑（圖10. PDB 1L3R）鬥4.3中性親核性基團(tuán)和中性離去基團(tuán)再舉兩個(gè)第三類磷酰基轉(zhuǎn)移酶的例子. Esche

35、richia coli 堿性磷酸酶（alkaline phosphatase）采 用Ser-102作為親核試劑形成共價(jià)磷酸酯，緊接著再 被水分子水解.在這個(gè)分辨率為1.9 A的共價(jià)帆酸鹽 復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)中，銳酸鹽與親核試劑Ser-102的側(cè) 鏈疑基以及第二步進(jìn)攻的水分子共價(jià)形成三角雙錐 的結(jié)構(gòu)-在酶的活性位點(diǎn)，銳酸鹽的赤道面上配位的 氧原子被Arg-166和兩個(gè)鋅離子所固定，軸向配位的 兩個(gè)氧原子相距3.63 A （圖11. PDB 1B8J）國】.這個(gè)距 離比肌球蛋白9達(dá)結(jié)構(gòu)域（myosin motor domain）【珂 的銳酸鹽-ADP-Mg復(fù)合物中的軸向距離4.36 A近了 不少，這更

36、接近于兩個(gè)軸向氧原子在共價(jià)五配位正 麟酸的間距一因此，在分析這些過渡態(tài)類似物的鍵長圖10蛋白激酶A（PKA）的金屈氛化物過渡態(tài)復(fù)合物結(jié)構(gòu) 圖肌 來Fl ATP的4個(gè)負(fù)電荷,Aspl66和Aspl84的2個(gè)負(fù) 電荷被來H 2個(gè)鎂離子和2個(gè)賴氨酸的6個(gè)正電荷所中和. Aspl66起普通酸堿催化的作用，通過氫鍵（2.4S A）活化 Ser21的輕基圖11大腸桿菌堿性磷酸酚（alkaline phosphatase）的饑酸 鹽復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖郎1饑原子（紫色）鍵合5個(gè)氧原子成三角 雙錐結(jié)構(gòu)，水分子的氧（左），Serl02的氧（右，青色表示殘 基）以及赤道平面的3個(gè)氧腹子.兩個(gè)鋅脈子（灰色）與軸向 的兩個(gè)氧

37、原子及赤道而底部的氧原子相配位.Argl66與赤 道而頂部的兩個(gè)氧腹子形成氫鍵-后方的鎂離子（金色）與 Lys328（左）同處丁第:配位殼層時(shí)必須謹(jǐn)慎一雖然帆酸鹽復(fù)合物的幾何構(gòu)型支持了 “線上進(jìn)攻離去”的反應(yīng)機(jī)理，但并不一定能說明這 個(gè)催化反應(yīng)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)穩(wěn)定的共價(jià)止麟中間體-同 樣困難的是如何來解釋電荷的中和.Asp-51. Asp-101, Asp-327共享3個(gè)負(fù)電荷，待轉(zhuǎn)移的磷酰基陰離子帶 934© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER

38、Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命一個(gè)負(fù)電荷，假如兩個(gè)鋅離子的形式為RO-Zn再 加上Arg-166和Lys-328的兩個(gè)正電荷，加起來共4 個(gè)正電荷一此外，二價(jià)鎂離子被用來平衡Ser-102與 Glu-322的兩個(gè)負(fù)電荷-簡(jiǎn)而言之，為了幫助磷?；?轉(zhuǎn)移，兩個(gè)鋅離子作為路易斯酸催化軸向的兩個(gè)中 性基團(tuán)的離子化，同時(shí)加強(qiáng)其與磷?；挠H和力.最后,2,3-二磷酸甘油酸變位酶(23- bisphosphoglycerate mutase)提供了一個(gè)更為淸晰的 例子，是用一個(gè)中性氮原子與中性氧原子參與的磷 ?；D(zhuǎn)移反應(yīng).2.0 A分辨率的四氟化鋁復(fù)合物結(jié)構(gòu) 被確定，提供了詳細(xì)的過渡態(tài)信

39、息(圖12, PDB 2F90)【迥在反應(yīng)中，2,3-二磷酸I油酸首先結(jié)介到酶 上作為反應(yīng)引物.其3位上的磷?；晦D(zhuǎn)移到中性的 His-11殘基上，釋放出產(chǎn)物2-磷酸片汕酸-之后另一 分子3-磷酸H油酸再結(jié)合到爾上，磷?；腍is-11 將其上的磷酰基轉(zhuǎn)移到底物的2位疑基上，生成的 2,3二磷酸甘油酸，可作為下一次催化循環(huán)的引物. 這樣的循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)了 3-磷酸甘油酸不停地向2-磷 酸片油酸的轉(zhuǎn)變.盡管鋁六配位的構(gòu)型使四氟化鋁作為過渡態(tài)類 似物并不完全貼切，但是從廣義上來理解就相當(dāng)容 易些了-該復(fù)合物結(jié)構(gòu)相當(dāng)淸楚地顯示，軸向上親核 的氧原子與氮原子相距4.05 A.赤道面上配位的氟離 子與其鄰

40、近的6個(gè)殘基和一個(gè)水分子形成氫鍵-磷酸 酯上的2個(gè)負(fù)電荷被Arg-10. Arg-62的兩個(gè)正電荷圖12 2,3- 磷酸If油酸變位酶四氛化鋁復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖【切. 八而體四氟化鋁復(fù)合物模擬3-磷酸H油酸(左)的2位輕基 進(jìn)攻Hisll (右)的磷醜基團(tuán).Glu89 (上)為普通堿催化劑, 反應(yīng)中心的負(fù)電荷被ArglO和Arg62所中和-底物3-磷酸|' 油酸被ArgU6和Argll7(左)所固定 中和 3位的磷酰基被Arg-116與117所固定.中性的 His-188與三角雙錐過渡態(tài)中的一個(gè)氧原子配位.最 后，Glu-89作為普通酸催化試劑(general acid catalysis)

41、,催化P-O鍵斷裂一5酶催化總結(jié)以上描述的8個(gè)酶催化機(jī)理都是通過解析結(jié)構(gòu) 得到的，并且它們擁有幾個(gè)共同的特點(diǎn).首先，所有 過渡態(tài)的幾何構(gòu)型均采用“直線型(in line)”在某些 結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)小的偏差，這些偏差可能來自于當(dāng) 過渡態(tài)類似物模擬真實(shí)的處于過渡態(tài)的磷?；娜?角雙錐構(gòu)型時(shí)的局限性，或者對(duì)電子云密度圖 (electron density maps)分析的不梢確性，或者也許 已經(jīng)梢確地描述了真實(shí)的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)-其次，在計(jì)算 過渡態(tài)復(fù)介物凈電荷時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)磷?；D(zhuǎn)移的第一 配位殼層(first co-ordination shell)凈電荷傾向?yàn)榱? 且通常情況下第二殼層也不帶電-對(duì)于某些

42、激酶，中 心磷原子周圍15 A的距離內(nèi)竟然都能保持凈電荷為 零【%】-這就是進(jìn)化成功賦了磷?；D(zhuǎn)移酶的功能，使 其催化磷?；D(zhuǎn)移的速率大大加快.第三，當(dāng)堿性的 疑基作為親核試劑的時(shí)候，在催化中心都會(huì)有一個(gè) 普通堿(general base)在過渡態(tài)中幫助去質(zhì)子化，就 跟總會(huì)有普通酸(general acid)催化過渡態(tài)的P-O鍵 斷裂一樣一第四，三角雙錐過渡態(tài)的赤道面的3個(gè)氧 能夠非常好地形成一個(gè)可以拉伸的三角平面，有利 于磷原子順利地從中間穿過從而完成從四面體反應(yīng) 物向四而體產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化.最后，盡管在前面的討論中 沒有強(qiáng)調(diào).通常水分子會(huì)被排除在過渡態(tài)復(fù)合物內(nèi) 層以外(少數(shù)情況除外)，除非水分子

43、是作為催化金 屬的配體.值得注意的是，那些在酶的催化下轉(zhuǎn)移的 磷?；潜幻富罨^的，與距離酶催化反應(yīng)中心只 有幾埃之外的磷?；厝徊煌?，它們作為構(gòu)建生物 分子的骨架，未被酶識(shí)別活化，因此非常穩(wěn)定同樣 值得一提的是，竣基進(jìn)攻磷?；蛘吡姿岣蔚幕钚? 與竣酸磷酸肝在蛋白的生物合成上的作用相關(guān)一這 使得研究生命起源以前的磷?；D(zhuǎn)移的化學(xué)進(jìn)化問 題備受關(guān)注.934顯然，進(jìn)化的過程使酶只需要采取相對(duì)簡(jiǎn)單的 化學(xué)催化手段，就可加快生物體內(nèi)為數(shù)眾多的磷酸 單酯的反應(yīng)速率一磷酸二酯還沒有被深入研究，但我 們可以預(yù)測(cè)其具有相似的情況一所以我們又被帶回 © 1994-2010 China Academi

44、c Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命到了 Todd猜想的核心訊如果磷酸酯的超穩(wěn)定性以 及磷?；D(zhuǎn)移酶超強(qiáng)的催化活性，使得地球上生命 的進(jìn)化均以磷為核心，我們是否可以預(yù)測(cè)，對(duì)于宇宙 中其他星球上的生命，磷同樣會(huì)在其進(jìn)化中起到核 心作用？6有其他元素可以替代磷嗎？這個(gè)問題可以從兩個(gè)方面來考慮.首先是，“元 素周期表中有可替代磷的元素嗎？"我們知道，物理 定律（laws of physics）是宇宙范圍內(nèi)通用的網(wǎng),元 素周期表同樣也是通用的-但

45、是宇宙中化學(xué)元素的 分布是不均勻的【切，所以其次需要考慮的是，“其他 星球有足夠的磷資源以供原始進(jìn)化嗎？"先前的分析 已經(jīng)闡明了含氧酸二酯的陰離子是髙分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 所必需的（表1）.從對(duì)帆酸酯和4申酸酯的研究可知, 盡管它們都可形成帶負(fù)電荷的酯類，但是達(dá)不到所 需要的穩(wěn)定性（表2）.硫酸二酯的穩(wěn)定性同樣很低, 但其單酯的穩(wěn)定性較好，可是依然沒有磷酸單酯的 穩(wěn)定性高-那地球進(jìn)化為什么沒能發(fā)展一套二元混介模式 呢，即采用磷酸二酯構(gòu)建生物大分子而采用硫酸單 酯于其他用途？這個(gè)問題不是完全無法回答的-對(duì) 于這種二元進(jìn)化模式的爭(zhēng)論有以下考慮：首先，沒有 所謂的“多聚硫酸鹽''與

46、作為公認(rèn)的原始磷酸化試劑 來源的多聚磷酸【呦相對(duì)應(yīng)；其次ATP作為磷酸化試 劑，其結(jié)構(gòu)和進(jìn)化路徑相對(duì)于磺?；噭?3：磷酸 腺背 5，-磷磺酸（3，-phosphoadenosine 5,-phosphosulfate. PAPS）要簡(jiǎn)單得多（PAPS的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性是區(qū)分其與 ATP所必須的）；再次，與磷酸單酯二價(jià)陰離子相比, 硫酸單酯一價(jià)陰離子形成庫侖力與氫鍵的能力大大 降低；還有，盡管磺酰化是酪氨酸轉(zhuǎn)錄后修飾的主要 方式，它只出現(xiàn)在多細(xì)胞貞核生物中，并且這一過程 逋常是不可逆的1最后可能相關(guān)的一點(diǎn)，雖然主要 但不絕對(duì)，是磷?；D(zhuǎn)移催化過程中的鎂離子的角 色，因?yàn)榱姿徭V解離常數(shù)是8.5 mM【

47、均而硫酸鎂的解 離常數(shù)為2.2 pM【嗎因此可以看出，在化學(xué)進(jìn)化上，磷酸酯在生命體 中的統(tǒng)治地位在生命起源前就因其功能多樣性而被 選擇.那么宇宙中磷的可用雖:足夠嗎？?1P起源于恒星內(nèi)部的物質(zhì)燃燒爆炸-當(dāng)恒星的 質(zhì)量足夠大（大于15倍的太陽質(zhì)量），內(nèi)部的液體靜 態(tài)碳燃燒（hydrostatic C-buming）所產(chǎn)生的 1.5 x 109 K的高溫，導(dǎo)致具有爆炸性的氛燃燒（Ne-buming）44 首先產(chǎn)生16O和24Mg.其次才產(chǎn)生録P（產(chǎn)率2.5 %）. 氧燃燒的熱核反應(yīng)生成了硅，硫，和少量的磷.燃燒 和爆炸決定了如今宇宙中元素的分布情況，通過分 析宇宙射線血】我們發(fā)現(xiàn)在宇宙中可用磷含量

48、比我#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命表1磷酸酯水解的動(dòng)力孑參數(shù)離子斯裂鍵kiS r (s_1 或 Ms7)AG 25 *C (kcal mo

49、l-1)AH (kcal mol-1)TAH 25 X?(kcal mol-1)H;O + MeOPO,H-monoanionl4P-O2.4x107°30.630.00.6H;O + MeOPOrdianionttSP-O2x1(r°44.347.02.7H;O + PhOPOrdianiontt5P-O6x10“36.038.07.0雙藥H;O + (MeO);PO2Hneutral】")c-o6xl(T1030.025.05.0H;O + (MeOPOJanion1'c-ol.bxlO-1334.925.99.0(or HO + (MeO)；PO:H

50、) neutral)HO" + (MeO)2PO;-anion14c-o3xl(r“31.727.64.1H:O + (NpO)：PO：_anion P-O7x10*38.129.58.6HO- + (NpO)：PO：_anion(町P-O1.4x 101537.729.58.0三酣H;O + (MeOhPOneutral"c-o2X10-328.122.65.5HO- + (MeOhPOneutral15JP-O1.4x10722.715.47.3HO- + (EtO)fOneutral"P-O9xl0f24.314.110.2單藥爾Yersinia PTPas

51、e文獻(xiàn)9P-O1000一一一Staphylococcus nuclease文獻(xiàn)18P-O9514.710.83.9表2候選元索及其含氧酸鹽和酯a）元素相對(duì)豐度（與Si原子數(shù)比較）含氧酸含氧酸酯兀索地殼隕石太陽系宇宙人 含氟酸pK,l pK32 pK33二酯穩(wěn)定性 （仏）二酯 電荷斷裂鍵單常性牆斷裂鍵Si1.0001.0001.0001.0001.000 HSiOj 9.5>13 一< 1 min0Si-0< 1 min0Si-OP3xl0_,8.6xl0_s8.4x10-'8 x IO-338 HE 2.17.213.1105y-1P-010l: y-2P-OVlxl

52、O-45.2 x 1()72-9x1073x1077x10_5H3VO4 3.27.812.5< 1 s-1V-0« 1 s-1V-OAs2x1曠1.6xl(T56.1 x 10f4X10-67xl(T5H!lAsO4 2.27.011.5< 2 min-1As-O6 min-2As-0s8X10-40.510.4450.46.7 H;SO4 < 02.0-1.7 h0C-OU00y-1C-0a)天體物理數(shù)抑:來源：Lodders K. Astrophys J. 2003, 591: 1220;或參見 index.html; HVO* and esters: Tra

53、cey AS. Gresser MJ. Can J Chcm, 198&2570.936© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, BOWLER Matthew W.等：大H然為什么選擇磷主導(dǎo)生命圖13宇宙和太

54、陽系中的輕元索相對(duì)豐度圖.George JS教 授授權(quán)使用（Astrophys J, 2009, 69& 1666）們生存的太陽系還高（圖13）.這樣一來，認(rèn)為生命只 起源于磷富集的流星的觀點(diǎn)就受到了質(zhì)疑.此外，可 以推測(cè)宇宙中有水、碳、氮和磷的地方，生命就很有 可能起源-這一說法正因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)概念得以發(fā)展: 星系適居帶（Galactic Habitable Zone. GHZ）47和星周 適居帶（Circumstellar Habitable Zone. CHZ）48.其中 有水存在的行星，生命存在的概率是非常大的（圖 14）.從根本上講GHZ理論認(rèn)為，適居的恒星帶形成 于80億年以

55、前，離銀河系中心大約25000光年的距 離，這只包含了銀河系中不到10 %的恒星.在這個(gè) 適居帶上的行星可以圍繞在某個(gè)溫度適合的恒星周 圍，使其球表溫度可維持水成液態(tài).適居帶也被稱作 “舒適區(qū)（comfort zone）”.適居帶上的許多星球都比地 球古老，有的比地球早形成至少十億年！此項(xiàng)研究工 作的主要成果之一是發(fā)現(xiàn)了在距太陽僅20光年的天 秤座星系的一顆叫格利澤581的恒星最外側(cè)的行星 格利澤581d （Ghese 581d）.因?yàn)樗馁|(zhì)量是地球的8 倍，這個(gè)星球被稱為超級(jí)地球.2009年4月下旬新的Galactocentric distance (kpc)圖14 從銀河系形成至今的星系適居帶圖（Galactic Habitable Zone. GHZ）:金屈豐度（藍(lán)色），物種進(jìn)化時(shí)間足夠 的區(qū)域（灰色）超新星爆炸導(dǎo)致物種可能火絕的區(qū)域（紅色）. 白色的等高線涵蓋了復(fù)雜生物體適合繁衍的星球的68% （內(nèi) 線）或95% （外線）的面Charles Lineweaver教授授權(quán)使用觀測(cè)結(jié)果判斷說明該行星位于適居帶當(dāng)中，這意味 著它可能有液態(tài)水或生物存在一人類是否會(huì)在那兒發(fā)現(xiàn)以磷為基礎(chǔ)的生命呢？7結(jié)論在所有含氧酸之中，只有磷酸形成的鏈狀或環(huán) 狀的縮聚物（con