大自然為什么選擇磷主導生命

1、中國科學：化學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：化學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：化學2010年第40卷第7期：927

2、939大自然為什么選擇磷主導生命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教授應邀參加了 2009年10月1113日在天津南開大學召開的中國化學會第八屆全國璘化學化工學術討論會.在會上，他做了題 為“Why has evolution selected phosphate as the chemical core of biology?"的大會報告-后來，這個大會報告的內(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：化學開始向磷化學化匚界的各位專家學 者征集稿件，準備出版一期“磷化學與化工進展”的?？?，也向Blackburn教授發(fā)til 了邀請，并得到他的枳極響應.他請求并獲得Royal Society of Chemistry (RSC) for the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the RSC 授權，請人將已發(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及其相關學科在世界上的發(fā)展現(xiàn)狀，編委會同意此翻

5、詳論文的出版.關鍵詞生物磷酸酯 宇宙中的磷酸鹽 磷酰基轉移機理 激酶催化機理 璘酸酶催化機理 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化過程選擇為生命體的核心.磷酸酯功能的多樣 性需要磷?；D移酶不斷地進化來實現(xiàn)-現(xiàn)今磷?；D移酶的催化機制已經(jīng)得到了廣 泛研究.通過高分辨X射線晶體衍射技術(X-ray)與19FNMR的聯(lián)用，來研究磷?；D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移的機理-該催化機 理充分地解釋了磷酸酯的一對相互“矛盾'的性質(zhì)，即磷酸酯結構的極其穩(wěn)定性與磷酰 基在信號傳導過程中的靈活可調(diào)性一通過對元素周期表中其

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：化學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：化學201

7、0年第40卷第7期：927 9391引言磷酸酯的進化發(fā)展是生命體中最重要的化學特 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現(xiàn)蛋白質(zhì)功 能的調(diào)控，利用磷酸時和磷酸酯，特別是三磷酸腺昔 (adenosine 5triphosphate. ATP)來實現(xiàn)細胞的生長、分 化以及能量的轉運一磷酸單酯和雙酯的化學性質(zhì)極 其穩(wěn)定，但其P-O-C鍵和P-O-P鍵均可被磷?；?轉移酶快速地水解-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世紀中期，對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展開一

8、圖 1 Alexander Todd (1907-1997),獲 1958 年諾貝爾獎© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學：化學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年報道了三磷酸腺背的首次化學合 成.1955年首次實現(xiàn)了雙核昔磷酸酯(dinucleoside phosphate. dTpT)的化學合成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)維生素和輔酶的應用中

10、，以及后來RNA和 DNA的化學合成-Todd在磷酸酯與磷酸肝方面的研 究推動發(fā)展了一個頗受關注的磷?；瘷C理，即偏磷 酸單酯(monomeric metaphosphate ester)作為中性的 三角形(R-O-PO?)磷?；D移過渡態(tài)Todd在 1981年的大阪會議中闡述了磷?；谏w中所起 的主導作用，以下是其報告的摘要：“讓我們總結一下，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的建筑單元.首 先她需要一個能形成酸肝的強酸用于能源儲存和運 輸-假設除磷酸外還有其他酸可以實現(xiàn)這一日的，但 是磷酸肝還可以滿足以下其他要求：這個酸必須是 三元酸，以便同時連接兩個基團，而且還有

11、一個多余 的酸性疑基可進行其他反應；這個酸的強度是非常 重要的，因為其必須輔助碳-碳鍵的形成；三元酸本 身及其酯可以形成內(nèi)肝以便作為強的?；噭? 元素周期表中只有一種元素同時滿足以上這些要求 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 上所列的條件對于生命體的進化發(fā)展至關重要，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世紀中期對磷認識的基礎上 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、個磷酸疑 基的使用僅對磷酸二酯的化學轉化過程(chemical transfonnations)比較重要，但是生物系統(tǒng)中還沒有 找到對應的例子.在生物體中大多的磷?；x去基 團都是二價陰離子形式，其p瓦2在7.0左右，由此可 以看出，酸的強度看似不是最重要的.無論怎樣, Todd的大膽猜測還是對我們提出了挑戰(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70年代，遺傳物質(zhì)如DNA和RNA 的磷酸二酯骨架結構和脂質(zhì)中單磷酸的結構得到了 充分研究-但是對激酶組學和大量涌現(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，磷酰基 的生物學功能得到了充分詮釋-以下列出其主要進 展：(1) 基因組的穩(wěn)定性一DNA的結構需要化學性 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riboswitchs);(3) 脂類一細胞膜利用磷脂作為基本組分部分;(4) 骨架結構骨，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胞膜.需要 跨膜運輸；(6) 細胞器膜識別磷

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

15、些特點，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開 創(chuàng)了用物理有機化學的手段來研究磷酸酯轉移的化 學和生物學機理這一領域，并研究磷酸乙烯酯 (ethylene phosphate)這個五元環(huán)狀二酯不尋常的反 應活性，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 的一個主要的理論進展是，在進化中，磷酸單酯和雙928© 1994-2010 China Academic Journal Electron

16、ic Publishing House. All rights reserved, 中國科學：化學 2010年 第40卷 第7期© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學：化學 2010年 第40卷 第7期圖 2 Frank Westheimer (1912-2007)酯上的負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攻少】-“磷酸非常適合作核酸的骨架，因為其連接兩分 子核昔后依然可以帶負電荷；這個負電荷可以防止 磷酸二酯水解，同

17、時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)物及能量儲存 體的原因.磷酸根雖帶有多個負電荷，卻可以通過中 間體 PO? (monomeric metaphosphate ion)發(fā)生反應. 因此，其他任何基團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.與磷酸二甲酯相比，磷酸三甲酯少一個負 電荷，因此它的水解反應速率加快了 IO?倍國此外, 磷酸單甲酯的水解受到兩個負電荷的阻滯，比磷酸三 甲酯水解反應速率減少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，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 分子進攻磷酸單酯的水解速度增加了 10?1倍.這就相 當于酶結合的反應底物任過渡態(tài)時的解離常數(shù)【大 約為l(r" M.分子模擬計算可以用來展示磷?；鈺r親核 試劑所受到的排斥力使用分子動力學計算磷酸與硫酸單酯、雙酯和三酯的電荷分布高斯平面曲線 (Gaussian surface),結果表明，在磷酸根周圍有導致 很強溶劑化作用以及一、二價陰離子強排斥力的局部 負電荷(紅色，圖3).硫酸酯由于少一個負電荷致使 極性大大減弱.磷酸肝上的磷酰基轉移需要克服更 強大的電荷排斥力，例如一個具有4個負電荷的AT

20、P 分子與一個具有2個負電荷的AMP分子形成2分子 的ADP.這一反應必須克服強大的靜電斥力(圖4). 然而該反應在瘧疾腺昔酸激酶呦(malarial enzyme adenylate kinase)的催化下其轉化速率 咯 為35 s-1.正是由于磷酸酯的負電荷，使其可以梢確地結 合在信號蛋白或酶的活性位點.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個梢氨酸和1個賴氨酸與底物 3磷酸-D甘油酸(3-phospho-D-glyceric acid)形成 6 個氫鍵.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分子動力學MOE】計算磷酸與硫酸單酯、雙酯和: 酯的電荷分布高斯平面曲線-(負電性-紅色；正電性-藍色; 凈電荷標示丁方括弧內(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分子動力學MOE"】計算ATP4(左)與ADP-(右)的 電荷分布平而曲線(負電性-紅色；正電性-藍色)929© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 中國科學：化學 2010年 第

23、40卷 第7期圖6 UMP/CMP激爾的過渡態(tài)結構圖中心用金屈氟化物 模擬的磷酰基呈近對稱的二角雙錐結構.被轉移的磷?；?同ADP的卩磷醸基上的氧和CMP的a磷?；系难跸噙B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)同反應中2個氧原子間的距離(>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)反應的情況和 上面提到的非常相似.該反應過渡態(tài)類似物已經(jīng)被X 射線晶體衍射觀測到【狗.人類PGK與ADP. 3PGA. 和MgF三元復合

24、物結構需要5個正電荷平衡來自 ATP上的4個負電荷與磷酸甘油酸上的1個負電荷 (式2).其中，3PGA上帶負電的磷酸根(圖4).由2 個止電荷用來固定，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】-底物 ADP (左)與 1,3-二磷酸 | |油酸(1,3-bisphosphs glycerate,右)的 5 個負電荷被來 H Mg2*, Arg65. Lys215 和 Lys219的5個正電荷中和磷酸鹽鉗子(phosphate clamp)” 上的負電荷被G1U128所中和(未顯示)一被轉移的丫磷?；?通過鎂離子和Lys219與ADP相連接

25、，同時通過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外加帶負電荷的谷氨酸-128 提供一通過計算，結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個氧原子 距離4.27 A.赤道面上配位的3個氟原子被5個氫鍵 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 結構顯示，在活性中心里，銳酸根共價連接親核性的 半胱氨酸-12形成三角雙錐結構，相當于水分子進攻 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個氧原子形成氫鍵冋，但由

26、于銳酸根的4個氧原子的質(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中性親核性基團與陰離于離去基團最近有大量研究重新審視這類磷酸基轉移酶的 機理，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 兩個酶使用關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，這個中間體或是被水 解(在PSP中)或是把磷?；D移給第二個底物的疑 基.早在I960年代后期，這種以竣基進攻麟酸酯a】 和磷酸酯】的水解模型就已被發(fā)現(xiàn)-在這兩個酶的 研究中

27、，我們建立了兩個二元復合物過渡態(tài)模型結 構，以三氟化鎂陰離子作為等電子體模擬磷酰基的 轉移.利用19F NMR技術研究分析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及一個氟原子配位，同時與親核試劑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：化學 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及一個氛 原子配位，同時與親核試劑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值時的 八面體四配位構型轉變?yōu)轶{pH值時的三角雙錐三配 位構型，但不是由A1F,轉換成A1FJ,而是隨著pH值 升高AIF4-逐漸被MgF(取代心 這是由于酶會優(yōu) 先選擇止確的負電荷的緣故，在pH值小于68時, 這些過渡態(tài)類似物不得

29、不趨向于形成八面體的aif4- 結構，而不是自然狀態(tài)下的三角雙錐結構-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反應如式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，三角雙錐的幾何結構非常晴 晰.可以用于解釋卜荷萄糖磷酸變位酶催化反應是 經(jīng)歷了一個協(xié)同反應的機理.Asp-8的竣基和D-葡萄 糖6-磷酸的1-p-疑基在磷酰基轉移過程中相距4.27 A. 其中，位于赤道平面上的其中2個氟原子和5個鄰近 氨基酸形成氫鍵.這被19F NMR的NOE

30、分析所證 實，第三個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個負電荷與起催 化作用的天冬氨酸的1個負電荷，被來自于+2價的催 化鎂離子和+1價的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位的氧原子有一個相距2.5 A的氫鍵，在磷酰基轉移 過程中作用于電中性親核/離去基團，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天冬氨 酸(B)起到普通酸堿催化的作用，幫助活化疑基進攻磷醜 基團圖9三氟化錢過渡態(tài)復合物以金屬錢為中心的空間凈電荷 分布圖.橫坐標為到中心金屈鎂的距離，縱坐標為凈電荷數(shù). (a)卜箭萄糖磷酸變位酶(pPGM.藍色)，(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.值得注 意的是，遠端的己糖磷酸僅被Lys-49約朿，并沒有被 “鉗制"的跡象可是，這個爾的活性位點不但能識別 D-葡萄糖-6-磷酸根和D-痢萄糖-1-4磷酸根，還可以 結合半乳糖1-*磷酸形成過渡態(tài)類似

32、物由此可 見，這個酶可以犧牲與底物的結合強度來滿足底物 的多樣性一第二個竣基與醇輕基之間的磷酰基轉移 的例子是Methanococcus jannaschii磷酸化絲氨酸磷 酸酶(phosphoserine phosphatase).利用 19F NMR 技術, 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 雙錐的幾何結構可以淸楚地觀察到磷酸化絲氨酸磷 酸酶采用協(xié)同反應作為其催化機理，因為軸向配位 的兩個氧原子之間相距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移中軸向上的兩個配位基 團-磷酰化天門冬氨酸陰離子的電荷為-2,被催化鎂 的+2價中和一其結果是，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相距2.65 A的氫鍵，通 過普通酸堿催化幫助水分子親核進攻磷原子，這可 以從失去催化活性的酶突變體D13N實驗得到證實 （式 3）.蛋白激齣A （protein kinase A. PKA）是這類酶中 的第三個例子.該酶催化ATP的十磷酸基轉移到底 物蛋白的絲氨酸上.在這個三元的復合物，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，軸向的兩個氧原子距 離4.52 A. 3個氟原子與3個鄰近的殘基形成氫鍵，同 時其中兩個氟原子與兩個催化鎂離子配位.該反應 的6個負電荷（4個來自ATP. 2個來至反應中心的 Asp-166111-184）被6個正電荷中和（4個來自兩個催 化劑鎂離子，另外2個來自Lys-72和Lys-168）.與前 兩個例子比較可以知道，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中性親核性基團和中性離去基團再舉兩個第三類磷酰基轉移酶的例子. 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磷酸酯，緊接著再 被水分子水解.在這個分辨率為1.9 A的共價帆酸鹽 復合物晶體結構中，銳酸鹽與親核試劑Ser-102的側 鏈疑基以及第二步進攻的水分子共價形成三角雙錐 的結構-在酶的活性位點，銳酸鹽的赤道面上配位的 氧原子被Arg-166和兩個鋅離子所固定，軸向配位的 兩個氧原子相距3.63 A （圖11. PDB 1B8J）國】.這個距 離比肌球蛋白9達結構域（myosin motor domain）【珂 的銳酸鹽-ADP-Mg復合物中的軸向距離4.36 A近了 不少，這更

36、接近于兩個軸向氧原子在共價五配位正 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)復合物結構 圖肌 來Fl ATP的4個負電荷,Aspl66和Aspl84的2個負 電荷被來H 2個鎂離子和2個賴氨酸的6個正電荷所中和. 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 鹽復合物結構圖郎1饑原子（紫色）鍵合5個氧原子成三角 雙錐結構，水分子的氧（左），Serl02的氧（右，青色表示殘 基）以及赤道平面的3個氧腹子.兩個鋅脈子（灰色）與軸向 的兩個氧

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:配位殼層時必須謹慎一雖然帆酸鹽復合物的幾何構型支持了 “線上進攻離去”的反應機理，但并不一定能說明這 個催化反應會經(jīng)歷一個穩(wěn)定的共價止麟中間體-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個負電荷，待轉移的磷?；庪x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生命一個負電荷，假如兩個鋅離子的形式為RO-Zn再 加上Arg-166和Lys-328的兩個正電荷，加起來共4 個正電荷一此外，二價鎂離子被用來平衡Ser-102與 Glu-322的兩個負電荷-簡而言之，為了幫助磷?；?轉移，兩個鋅離子作為路易斯酸催化軸向的兩個中 性基團的離子化，同時加強其與磷?；挠H和力.最后,2,3-二磷酸甘油酸變位酶(23- bisphosphoglycerate mutase)提供了一個更為淸晰的 例子，是用一個中性氮原子與中性氧原子參與的磷 酰基轉移反應.2.0 A分辨率的四氟化鋁復合物結構 被確定，提供了詳細的過渡態(tài)信

39、息(圖12, PDB 2F90)【迥在反應中，2,3-二磷酸I油酸首先結介到酶 上作為反應引物.其3位上的磷?；晦D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油酸再結合到爾上，磷?；腍is-11 將其上的磷?；D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)過程實現(xiàn)了 3-磷酸甘油酸不停地向2-磷 酸片油酸的轉變.盡管鋁六配位的構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容 易些了-該復合物結構相當淸楚地顯示，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個殘基和一個水分子形成氫鍵-磷酸 酯上的2個負電荷被Arg-10. Arg-62的兩個正電荷圖12 2,3- 磷酸If油酸變位酶四氛化鋁復合物結構圖【切. 八而體四氟化鋁復合物模擬3-磷酸H油酸(左)的2位輕基 進攻Hisll (右)的磷醜基團.Glu89 (上)為普通堿催化劑, 反應中心的負電荷被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?；籄rg-116與117所固定.中性的 His-188與三角雙錐過渡態(tài)中的一個氧原子配位.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酶催化總結以上描述的8個酶催化機理都是通過解析結構 得到的，并且它們擁有幾個共同的特點.首先，所有 過渡態(tài)的幾何構型均采用“直線型(in line)”在某些 結構中會發(fā)現(xiàn)細小的偏差，這些偏差可能來自于當 過渡態(tài)類似物模擬真實的處于過渡態(tài)的磷酰基的三 角雙錐構型時的局限性，或者對電子云密度圖 (electron density maps)分析的不梢確性，或者也許 已經(jīng)梢確地描述了真實的過渡態(tài)結構-其次，在計算 過渡態(tài)復介物凈電荷時，我們發(fā)現(xiàn)磷?；D移的第一 配位殼層(first co-ordination shell)凈電荷傾向為零, 且通常情況下第二殼層也不帶電-對于某些

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【%】-這就是進化成功賦了磷?；D移酶的功能，使 其催化磷?；D移的速率大大加快.第三，當堿性的 疑基作為親核試劑的時候，在催化中心都會有一個 普通堿(general base)在過渡態(tài)中幫助去質(zhì)子化，就 跟總會有普通酸(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個氧 能夠非常好地形成一個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 物向四而體產(chǎn)物的轉化.最后，盡管在前面的討論中 沒有強調(diào).通常水分子會被排除在過渡態(tài)復合物內(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移的 磷?；潜幻富罨^的，與距離酶催化反應中心只 有幾埃之外的磷酰基截然不同，它們作為構建生物 分子的骨架，未被酶識別活化，因此非常穩(wěn)定同樣 值得一提的是，竣基進攻磷?；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一這 使得研究生命起源以前的磷酰基轉移的化學進化問 題備受關注.934顯然，進化的過程使酶只需要采取相對簡單的 化學催化手段，就可加快生物體內(nèi)為數(shù)眾多的磷酸 單酯的反應速率一磷酸二酯還沒有被深入研究，但我 們可以預測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 及磷酰基轉移酶超強的催化活性，使得地球上生命 的進化均以磷為核心，我們是否可以預測，對于宇宙 中其他星球上的生命，磷同樣會在其進化中起到核 心作用？6有其他元素可以替代磷嗎？這個問題可以從兩個方面來考慮.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構穩(wěn)定 所必需的（表1）.從對帆酸酯和4申酸酯的研究可知, 盡管它們都可形成帶負電荷的酯類，但是達不到所 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，即采用磷酸二酯構建生物大分子而采用硫酸單 酯于其他用途？這個問題不是完全無法回答的-對 于這種二元進化模式的爭論有以下考慮：首先，沒有 所謂的“多聚硫酸鹽''與

46、作為公認的原始磷酸化試劑 來源的多聚磷酸【呦相對應；其次ATP作為磷酸化試 劑，其結構和進化路徑相對于磺?；噭?3：磷酸 腺背 5，-磷磺酸（3，-phosphoadenosine 5,-phosphosulfate. PAPS）要簡單得多（PAPS的結構復雜性是區(qū)分其與 ATP所必須的）；再次，與磷酸單酯二價陰離子相比, 硫酸單酯一價陰離子形成庫侖力與氫鍵的能力大大 降低；還有，盡管磺?；抢野彼徂D錄后修飾的主要 方式，它只出現(xiàn)在多細胞貞核生物中，并且這一過程 逋常是不可逆的1最后可能相關的一點，雖然主要 但不絕對，是磷?；D移催化過程中的鎂離子的角 色，因為磷酸鎂解離常數(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，在化學進化上，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生命表1磷酸酯水解的動力孑參數(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9P-O1000一一一Staphylococcus nuclease文獻18P-O9514.710.83.9表2候選元索及其含氧酸鹽和酯a）元素相對豐度（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生命圖13宇宙和太

54、陽系中的輕元索相對豐度圖.George JS教 授授權使用（Astrophys J, 2009, 69& 1666）們生存的太陽系還高（圖13）.這樣一來，認為生命只 起源于磷富集的流星的觀點就受到了質(zhì)疑.此外，可 以推測宇宙中有水、碳、氮和磷的地方，生命就很有 可能起源-這一說法正因為以下兩個概念得以發(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 適居帶上的行星可以圍繞在某個溫度適合的恒星周 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的恒星最外側的行星 格利澤581d （Ghese 581d）.因為它的質(zhì)量是地球的8 倍，這個星球被稱為超級地球.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（藍色），物種進化時間足夠 的區(qū)域（灰色）超新星爆炸導致物種可能火絕的區(qū)域（紅色）. 白色的等高線涵蓋了復雜生物體適合繁衍的星球的68% （內(nèi) 線）或95% （外線）的面Charles Lineweaver教授授權使用觀測結果判斷說明該行星位于適居帶當中，這意味 著它可能有液態(tài)水或生物存在一人類是否會在那兒發(fā)現(xiàn)以磷為基礎的生命呢？7結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