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回到保鲜车的问题上,要理解这种简化的合理性并不困难,因为辅酶A的主要工作就是运送酰基,而这项任务就是靠那个硫原子实现的。
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更具体地,我们早就说过,酰基相当于羧酸脱去了羟基剩下的残基,这就让它很不“满足”,容易发生很多有机化学反应,因此在生物化学里占据了非常重要的位置。那么,一辆合格的酰基保鲜车,就至少要同时满足两个条件:一方面,它要“安抚”酰基,降低它的活性,不至于在运送途中和别的物质发生什么计划外的反应,就好比保鲜车总要降温,让生鲜不至于在途中腐败;另一方面,这种“安抚”必须能够容易撤销,让酰基抵达反应环境后立刻恢复活性,就好像保鲜车也不能一味地冷,冷得把货物冻坏了。
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这就让硫原子成了个不错的选择。硫是氧的同族元素,化学性质相近,硫原子能够像羟基里的氧原子一样轻易连在酰基上。但是,碳硫键又远没有碳氧键那样结实,很容易断裂掉,再把乙酰基重新释放出来。
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那么,白烟囱里面是否有硫氢根或者甲硫醇存在,它们又是否能够如约成为乙酰基的保鲜车呢?
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对于前一个问题,答案是轻松笃定的:氢元素和硫元素都是地球中丰度很大的元素,任何大规模的地热活动都会伴随硫化氢的释放,深海的热液喷口坐落在最活跃的板块张裂边界,当然更不例外,否则黑白烟囱就不会沉积那么多的铁硫矿物微粒了。当然,硫化氢是一种酸,所以会在碱性热液里更多地变成硫氢根(HS⁻)[1],但这反而增强了它搬运酰基的能力,在这种情况下,我们还可以认为“保鲜车”的另一边简化到了只剩一个电子的地步。
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而硫化氢在很多地方都与水相似,有了它,甲硫醇也就水到渠成了:原始乙酰辅酶A路径的长分支会生成一个甲基,这个甲基与水反应,就会生成甲醇,与硫化氢或者硫氢根反应,就会生成甲硫醇。
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进一步地,乙酰基如果装载给硫化氢或者硫氢根,就会成为硫代乙酸,如果被甲硫醇载走,就成为硫代乙酸甲酯了。它们的样子如图3—22所示。
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最初,白烟囱假说的建立者都更加青睐甲硫醇的“保鲜车”I,因为硫代乙酸甲酯是一种活性很强的物质,很有希望像乙酰辅酶A一样参与各种有机反应,尤其是它如果能与二氧化碳结合,就很容易生成丙酮酸,而丙酮酸如果继续结合二氧化碳,就会变成草酰乙酸或者苹果酸。我们在第八章里说过,这两种有机酸都是逆三羧酸循环的关键成员。这样的反应一旦顺利发生,逆三羧酸循环就拥有了启动的水源,也就可以从草酰乙酸和苹果酸的位置流动起来了。
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图3—22 乙酰辅酶A与硫代乙酸和硫代乙酸甲酯的对比。为了一目了然,故意挪动了后两者名称中“硫代”二字的位置,你会看到,虚线左边都是一个乙酰基,乙酰基都是直接连接到虚线右边的硫原子上,至于硫原子还连接着什么,在这里就不那么重要了。(作者绘)
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而且,这样的流动并不需要走完一个循环,因为原始乙酰辅酶A路径已经担纲了最初的固碳作用,逆三羧酸循环能走一步是一步,每一步都将为生命的诞生奠定更加扎实的物质基础,经此产生的多元有机酸如果又与氨发生了还原反应,就会变成遗传密码里的标准氨基酸,为中心法则的建立提供最关键的材料。截至2018年,在全世界各个实验室里模拟深海热液喷口的实验中,20种标准氨基酸至少已经出现了17种。II
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我们会在第四幕里重新讨论关于氨基酸的事宜,眼下,我们对第八章的内容又有了新的看法:逆三羧酸循环很有可能就源自乙酰辅酶A路径。作为路径产物的乙酰基只要继续结合二氧化碳,继续被还原,就会制造出一连串种类丰富的多元有机酸——而当这些多元有机酸最终完成了闭合,一种新的、更加高效的固碳途径也就出现了。
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不过,从简单的乙酰基开始,要一路延长出逆三羧酸循环,也并不是那样轻描淡写的事情,我们需要催化剂,还需要不少的能量,这些都该如何解决呢?上一章里那种奇妙的电流或许就是个不错的答案。
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2017年,尼克·莱恩的团队在一项新研究III中提出,在有机酸结合到铁硫矿物表面的同时,氢气也正在铁硫矿的另一侧交出电子。当这些电子传导到有机酸的那一侧,被有机酸接受,就实现了一次还原反应。对应到图3—2中,就是那些需要辅酶NADH的步骤。这样一来,整个逆三羧酸循环就可以一直转到异柠檬酸的那一步,距离闭合只有一步之遥了。
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图3—23 我们在第五章的“延伸阅读”里很仔细地讨论过ATP了,在这本书的图示里,它总被画成左边这个样子,黄色胶囊形代表“ADP”的部分,紫色圆形代表最后一个磷酸基。把ADP的部分换成乙酰基,就是乙酰磷酸了。(作者绘)
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但这还不是最重要的,一旦考虑到热液喷口中另外一种重要的物质,这些原始的保鲜车还能继续改装一番,变成非常不错的“运钞车”。硫代乙酸甲酯或者硫代乙酸,都很容易与磷酸反应,生成乙酰磷酸。而乙酰磷酸与ATP一样,是一种高能磷酸化合物,可以用作能量通货,在各种化学反应之间传递能量,启动早期的能量代谢!
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在第五章里,我们非常认真地讨论了细胞的能量代谢机制。那种依赖化学渗透机制的称作“氧化磷酸化”,为现代细胞提供了绝大多数能量,但它需要很多大型蛋白复合物,眼下显然无法落实。乙酰磷酸启动的是另一种效率更低但更加直接、更加多变的“底物水平磷酸化”,也就是像图2—18那样,两种底物直接传递磷酸基的能量代谢反应。
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不难理解,那个底物究竟是什么对这个反应来说并不十分重要,任何物质只要能在末端携带一个憋足了劲的磷酸基,就有机会参与这样的反应。所以,就像辅酶A只在乎那个硫原子,能量通货除了磷酸基之外的部分也可以被大幅度地替换和精简。
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所以毫不奇怪,今天的细胞中还有许多ATP之外的能量通货,比如GTP、CTP和UTP,它们的基本结构与ATP一模一样,只是把那个“A”换成了RNA的其他碱基。它们与ATP的关系就如同人民币、英镑、欧元和美元的关系,除了每次提供的能量略有差异,还是某些特殊的代谢活动的专用通货。[2]
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而乙酰磷酸在水解时释放的能量甚至要高于ATP。ATP水解的自由能变是-31.8kJ/mol,而乙酰磷酸的自由能变达到了-44.8 kJ/mol。乙酰磷酸具有很强的反应活性,广泛存在于从细菌到人体的各种现代生命中,是许多重要代谢的中间产物,也是许多细菌和古菌常用的能量通货。
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那么,如果乙酰磷酸真的启动了能量代谢,事情会有什么变化呢?
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最基本的,当然是大幅提高各种物质的反应活性。因为经过底物水平磷酸化,乙酰磷酸的磷酸基就会转移给其他有机物。得到了磷酸基的物质就会因此躁动起来,它们或者把磷酸基在身上到处摆弄,强烈改变自己的结构,或者与其他物质反应,用磷酸基交换一个别的什么基团过来,或者具备了新的化学性质,去发生原本不能发生的反应,比如在第五章里提过的有氧呼吸之前的“糖酵解”,像葡萄糖这样稳定的分子就是经历了连续的磷酸化,才终于活跃起来,发酵成了丙酮酸。
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更令人期待的是,能量代谢不只能让化学反应活跃起来,还能让有机物“在水中脱水”。
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