線粒體的TEM(被認為是細菌來源),在動物細胞中產生ATP。(Callista Images/Image Source/Getty Images)

我們所知道的所有生命都使用完全相同的能量攜帶分子作為一種「通用細胞燃料」。 現在,一項新的研究報告說,古代化學可以解釋這個最重要的分子是如何成為 ATP(三磷酸腺苷)的。

ATP 是一種有機分子,通過光合作用或細胞呼吸(生物體分解食物的方式)充電並用於每個細胞。每天,我們都會在 ATP 中回收我們自己的體重。

在上述兩個系統中,磷酸分子通過稱為磷酸化的反應添加到 ADP(二磷酸腺苷)中-產生 ATP。

釋放相同磷酸鹽的反應(在另一個稱為水解的過程中)提供化學能量,我們的細胞在無數過程使用這些能量,從大腦信號傳導到運動和繁殖。

ATP 如何取代許多可能的等價物而成為代謝的主導,一直是生物學中的一個長期謎團,也是研究的重點。

倫敦大學學院進化生化學家尼克萊恩解釋說:「我們的研究結果表明— ATP 作為細胞的通用能量貨幣的出現並不是‘凍結事故’的結果,而是磷酸化分子獨特相互作用引起的。 」

所有生物都使用 ATP 的事實表明,它從生命一開始就存在,甚至更早,在我們所有有生命的物質之前的益生元(prebiotic)條件下也是如此。

但研究人員不解的是,當 ATP 具有如此復雜的結構、涉及六種不同的磷酸化反應以及從零開始創造它的大量能量時,怎麼會出現這種情況。

當時在倫敦大學學院工作的生物化學家 Silvana Pinna 和他的同事在論文中說:「ATP 中的‘高能’[磷] 鍵並沒有什麼特別之處。」

但他們指出,由於 ATP 還有助於構建我們細胞的遺傳信息,它可能已通過這條其他途徑被用於能量使用。

Pinna 和團隊懷疑某些其他分子最初一定參與了複雜的磷酸化過程。因此,他們仔細研究了另一種磷酸化分子 AcP,它仍然被細菌和古細菌用於化學物質的新陳代謝,包括磷酸鹽和硫酯——一種被認為在生命開始時就已經很豐富的化學物質。

在鐵離子 (Fe3+)的 存在下,AcP 可以將水中的 ADP 磷酸化為 ATP。在測試其他離子和礦物質在水中催化 ATP 形成的能力後,研究人員無法用其他替代金屬或磷酸化分子複製這一點。

Pinna 說:「發現該反應在金屬離子、磷酸鹽供體和底物中具有選擇性,這令人非常震驚,因為生命仍然在使用的分子。」

在溫和、與生命相容的條件下,這種情況在水中發生得最好,這一事實對於生命的起源來說確實非常重要。

這表明,使用 AcP,這些能量儲存反應可以在生物生命之前的條件下發生,在生物生命在那裡囤積和刺激現在自我延續的 ATP 生產循環之前。

此外研究小組解釋說實驗表明,益生元 ATP 的產生最有可能發生在淡水中,例如,光化學反應和火山爆發可以提供正確的成分組合。

他們指出,雖然這並不能完全排除它在海洋中的出現,但它確實暗示生命的誕生可能需要與陸地有很強的聯繫。

Pinna 及其同事寫道:「我們的研究結果表明,由於 ATP 在水中不同尋常的化學性質,ATP 已成為益生元單體世界中的通用能源貨幣。」

更重要的是,熱液系統中的 pH 值梯度可能導致 ATP 與 ADP 的比例不均勻,即使在小分子的益生元世界中,ATP 也能驅動工作。

Lane 解釋說「隨著時間的推移,合適的催化劑出現,ATP 最終可能取代 AcP 作為普遍存在的磷酸鹽供體,並促進氨基酸和核苷酸聚合形成 RNA、DNA 和蛋白質。」。

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參考資料:

  1. Koumoundouros,T., (2022,Oct 6). Every Life Form on Earth Uses The Same Chemical For Energy. This Could Explain Why. ScienceAlert
  2. Pinna S, Kunz C, Halpern A, Harrison SA, Jordan SF, et al. (2022) A prebiotic basis for ATP as the universal energy currency. PLOS Biology 20(10): e3001437. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001437
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/every-life-form-on-earth-uses-the-same-chemical-for-energy-this-could-explain-why(圖:Callista Images/Image Source/Getty Images)
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