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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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小分子有机物,比如氨基酸,要变成大分子有机物,比如蛋白质,就要发生脱去水分子的缩合反应,但无论在海洋中还是在细胞中,这些物质都溶解在水中,水解还来不及,又怎么会脱水缩合呢?这就好像要在水里拧干衣服一样行不通。
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而能量通货里就有个超强的“干燥机”。如图3—24,那个高能磷酸键的水解意愿实在太强了,强过了大多数有机物水解的意愿,它们会把小分子物质中的羟基和氢按照水的比例拿走,结果就在水溶液里实现了脱水缩合,迫使小分子滚成了大分子。
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我们已经知道,在今天的细胞内,核糖体要用氨基酸缩合成蛋白质,需要GTP这种专用的能量通货促进缩合,那么,在原始的白烟囱里面,硫代乙酸甲酯和硫代乙酸是否也能发挥同样的功效,让刚刚出现的氨基酸也缩合起来,变成多肽,乃至原始的蛋白质呢?
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图3—24 “能量通货”从不同的物质上分别获得羟基和氢原子,因此在水解的同时促成了其他物质的缩合。(作者绘)
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如果这样的事情真的可行,那就太美好了,蛋白质一旦出现,中心法则就不会遥远,生命也就指日可待了。
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然而,现实却让我们失望了。2018年,尼克·莱恩的团队在实验研究IV中发现,硫代乙酸甲酯本身就过于容易水解,它们几乎不能转化成乙酰磷酸,反倒是硫代乙酸的效果好很多,能在很短的时间内与磷酸反应生成大量的乙酰磷酸,而且这些乙酰磷酸也表现出了不错的反应活性,能让多种物质磷酸化,甚至能让ADP重新变成ATP。
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至于促进有机小分子的缩合反应,乙酰磷酸却要让我们深感失望了。它几乎没有表现出这方面的能力,不能促进蛋白质或者RNA的聚合,要讨论蛋白质的兴起,实在是为时尚早。
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毕竟,代谢的脚步也才刚刚开始,生命怎么可能一蹴而就?
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不过,这一步毕竟已经迈了出去,这就足以让我们感到兴奋了。在白烟囱的深处,原始乙酰辅酶A路径已经开启了最初的物质代谢,多元羧酸甚至氨基酸正在被源源不断地生产出来;乙酰磷酸作为能量通货固然不像今天的ATP那样神通广大,也足以让那些小分子的有机物活跃起来——这些地质化学反应已经形成了一个挺复杂的耗散结构。
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这些原始的物质代谢和能量代谢都还是纯粹的地质化学反应,不但效率低下,产物也乱七八糟,可它们终究构成了一个名副其实的耗散结构,减轻了白烟囱里熵增的障碍。那么正如我们在第四章里讨论过的,这个让人充满希望的耗散结构会从此不断地进化,最终发展出针对自身的控制系统,成为一个真正的生命。
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到那个时候,我们就会看到,这一幕里的地质化学反应是如何得到严密的控制,发展成了第五章和第八章里,那些又复杂又有序的代谢机制。
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友情提醒:如果你按照图注建议的,把图3—6剪了下来,那么小心保管,不要把它弄丢,我们在第五幕里还会用到它——这句话也是本书的作者到了第五幕才突然想起来的。
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