磷酸三乙酯在生命活動(dòng)中的重要作用淺析

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2020-10-23

今天和大家分享一篇1987年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的經(jīng)典文章——《大自然為什么選擇磷酸鹽》，作者是弗蘭克亨利韋斯特海默，哈佛大學(xué)前化學(xué)教授，于2007年去世。這里主要論述了磷酸三乙酯在生命活動(dòng)中的重要作用及其獨(dú)特性

今天和大家分享一篇1987年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的經(jīng)典文章——《大自然為什么選擇磷酸鹽》，作者是弗蘭克亨利韋斯特海默，哈佛大學(xué)前化學(xué)教授，于2007年去世。這里主要論述了磷酸三乙酯在生命活動(dòng)中的重要作用及其獨(dú)特性，詳細(xì)分析了在生命進(jìn)化過(guò)程中選擇磷酸三乙酯作為遺傳物質(zhì)連接體的原因，并對(duì)有機(jī)合成化學(xué)與生物化學(xué)的區(qū)別提出了獨(dú)特的見(jiàn)解。

　　磷酸和多磷酸在生命系統(tǒng)中起著不可替代的作用。比如遺傳物質(zhì)DNA和RNA都是磷酸酯，大多數(shù)輔酶是磷酸鹽或多磷酸鹽，生化反應(yīng)的供能物質(zhì)都是磷酸酯。同時(shí)許多代謝中間體是磷酸鹽或焦磷酸，在生物合成和降解中起著重要作用。但是對(duì)于合成化學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們通常選擇不同于自然界的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)羥基、羧基、胺基等官能團(tuán)的互聯(lián)。一般最常用的是碳中心的親核取代反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程通常需要使用一個(gè)好的“離去基團(tuán)”。有機(jī)合成中常用的離去基團(tuán)包括氯、溴、碘、對(duì)甲苯磺酸基團(tuán)、三氟甲磺酸基團(tuán)等，但是幾乎不使用磷酸酯。相應(yīng)地，在生命代謝反應(yīng)中，離去基團(tuán)幾乎都是磷酸或焦磷酸，少數(shù)反應(yīng)也使用锍鹽作為離去基團(tuán)。在有機(jī)合成中，消除反應(yīng)也需要良好的離去基團(tuán)，如氯原子或?qū)妆交撬峄鶊F(tuán)。其他如季銨鹽、亞砜、氧化硒等也有使用，但磷酸酯也很少使用。相反雖然生理反應(yīng)中羥基化合物的消除反應(yīng)大部分還沒(méi)有分離成中間體，但已知的中間體是磷酸三乙酯或焦磷酸鹽。

磷酸三乙酯在生命活動(dòng)中的重要作用的一個(gè)可能的解釋來(lái)自戴維斯在1958年發(fā)表的一篇題為“電離的重要性”的文章。戴維斯認(rèn)為，生命系統(tǒng)必須限制細(xì)胞膜內(nèi)的代謝物。在生命進(jìn)化的初期，如果化合物能夠滲透到原始生命的脂質(zhì)膜中，就會(huì)很快被周?chē)乃♂屃魇А４蠖鄶?shù)電中性分子具有一定的脂溶性，可以透過(guò)細(xì)胞膜，而離子化的分子不溶于脂類(lèi)。

綜上所述，像DNA這樣的遺傳物質(zhì)的存在有以下前提條件：1、至少有一個(gè)二元接頭；2、為了保證遺傳物質(zhì)不通過(guò)膜，需要攜帶電荷，所以接頭需要有攜帶電荷的第三官能團(tuán)；3、由于核糖之間的連接體必須是酯鍵，為了保證其水解穩(wěn)定性，連接體攜帶的電荷必須是負(fù)電荷，負(fù)電荷必須與酯鍵保持足夠近的距離。磷酸三乙酯完全滿足上述條件，沒(méi)有其他類(lèi)似的接頭可以取代。此外磷酸可以與一系列有機(jī)化合物形成磷酸單酯，這些中間體在傳統(tǒng)的親核取代反應(yīng)條件下保持惰性，只能通過(guò)特殊的酶催化機(jī)制分解，進(jìn)而高效參與中間體代謝過(guò)程。