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，該研究於10月4日發表在開放獲取的《PLOS生物學》雜誌上。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。
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，如神經衝動傳播、肌肉收縮、凝結物溶解和化學合成。ATP存在於所有已知的生命形式中，通常被稱為細胞內能量傳遞的”分子貨幣單位”。
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）中以產生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確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將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。
ADP和乙酰磷酸的分子動態模擬
作者在他們的新研究中探討了所有這些問題。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，只有一個其他的（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幣的出現不是’凍結的意外’的結果，而是來自ADP和AcP的獨特相互作用。隨着時間的推移，隨着合適的催化劑的出現，ATP最終可以取代AcP成為無處不在的磷酸鹽供體，並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對於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，特別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，這對於生命的起源來說確實相當重要。”