磷酸三乙酯在生命活動中的重要作用淺析

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2020-10-23

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

今天和大家分享一篇1987年發表在《科學》雜志上的經典文章——《大自然為什么選擇磷酸鹽》，作者是弗蘭克亨利韋斯特海默，哈佛大學前化學教授，于2007年去世。這里主要論述了磷酸三乙酯在生命活動中的重要作用及其獨特性，詳細分析了在生命進化過程中選擇磷酸三乙酯作為遺傳物質連接體的原因，并對有機合成化學與生物化學的區別提出了獨特的見解。

　　磷酸和多磷酸在生命系統中起著不可替代的作用。比如遺傳物質DNA和RNA都是磷酸酯，大多數輔酶是磷酸鹽或多磷酸鹽，生化反應的供能物質都是磷酸酯。同時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。但是對于合成化學家來說，他們通常選擇不同于自然界的方式來實現羥基、羧基、胺基等官能團的互聯。一般最常用的是碳中心的親核取代反應，這個過程通常需要使用一個好的“離去基團”。有機合成中常用的離去基團包括氯、溴、碘、對甲苯磺酸基團、三氟甲磺酸基團等，但是幾乎不使用磷酸酯。相應地，在生命代謝反應中，離去基團幾乎都是磷酸或焦磷酸，少數反應也使用锍鹽作為離去基團。在有機合成中，消除反應也需要良好的離去基團，如氯原子或對甲苯磺酸基團。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。相反雖然生理反應中羥基化合物的消除反應大部分還沒有分離成中間體，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中的重要作用的一個可能的解釋來自戴維斯在1958年發表的一篇題為“電離的重要性”的文章。戴維斯認為，生命系統必須限制細胞膜內的代謝物。在生命進化的初期，如果化合物能夠滲透到原始生命的脂質膜中，就會很快被周圍的水稀釋流失。大多數電中性分子具有一定的脂溶性，可以透過細胞膜，而離子化的分子不溶于脂類。

綜上所述，像DNA這樣的遺傳物質的存在有以下前提條件：1、至少有一個二元接頭；2、為了保證遺傳物質不通過膜，需要攜帶電荷，所以接頭需要有攜帶電荷的第三官能團；3、由于核糖之間的連接體必須是酯鍵，為了保證其水解穩定性，連接體攜帶的電荷必須是負電荷，負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，沒有其他類似的接頭可以取代。此外磷酸可以與一系列有機化合物形成磷酸單酯，這些中間體在傳統的親核取代反應條件下保持惰性，只能通過特殊的酶催化機制分解，進而高效參與中間體代謝過程。