磷与生命科学

地球上所有的生命形式，从肉眼不可见的微生物到植物及高等动物，都离不开磷元素。磷元素与生命活动息息相关，其发现过程便与生命密不可分。1669年，德国炼金术士波兰特（Henning Brand）从人体尿液中首次发现白色蜡状固体磷元素物质，灰暗中发出美丽的光芒。磷元素的英文名字“phosphorus”释义为“光（phos）的载体（phorus）”。磷元素作为生命的基本元素和最活跃元素具有不可替代性，同时磷元素也是生命的“限制元素”。地球富含磷元素的特征及磷元素独特的物理化学性质，决定了磷在生命起源和分子进化中发挥着关键作用。磷元素的调控作用贯穿整个生命中心法则。细胞是生命的基本单元，细胞中储存遗传信息的核糖核酸具有磷酸二酯键；细胞膜由磷脂双层构成；蛋白质合成与翻译后修饰；能量代谢过程中最为关键的“能量货币”三磷酸腺苷ATP及信号转导中第二信使cAMP分子；等等，磷元素都发挥着不可替代的调控作用。同时，部分有机磷化合物可以强烈抑制人体内的乙酰胆碱酶，因此被开发成神经毒剂类化学武器用于战争，例如沙林（sarin）的毒性比剧毒物质氰化钾还要强一个数量级以上。如何揭示生命磷元素的机制并实现地球上不可再生磷资源的有效利用，是人类需要面对的重大科学与技术挑战。
国内外关于磷资源开发与利用、磷化工技术、磷合成化学、磷波谱分析及磷与生活等方面已经有多本优秀专业或科普书籍出版。然而，聚焦磷元素在生命科学中的关键调控作用的书籍还比较少见。生命过程实际上是成千上万不同类型化学反应的合集，其中高配位磷化学转化机制可能是这些生物化学反应的关键。因此，从生命磷化学角度对含磷生物分子的结构和功能以及所参与的生物化学过程进行系统的讨论、思考和归纳总结，有望从独特的视角揭示与理解生命过程的化学本质，破解生命起源与进化的奥秘。
全书共分为11章。其中，第1章总体介绍了磷元素与生命调控过程的关系，围绕核酸、蛋白及代谢过程展开论述；第2章与第3章对核酸、核酸适配体及基因编辑技术等方面的内容进行了介绍；第4章介绍了蛋白质磷酸化修饰在神经退行性疾病中的作用机制；第5章对磷酸化修饰在真核基因转录延伸过程中的调控作用进行了系统总结；第6章介绍了磷酸化修饰在细胞程序性坏死过程中发挥的关键作用；第7章综述了蛋白质组学研究中磷酸化蛋白富集技术与应用；第8章介绍了生命体中的多聚磷酸盐代谢与功能；第9章与第10章主要针对生命体系中含磷代谢小分子的化学结构与功能展开论述；第11章对生命过程中存在的典型高配位磷中间体机制进行了归纳，并结合五配位磷化学小分子模型进行对比分析。全书结构总体遵循生命中心法则逻辑顺序，分为三大部分内容，从核糖核酸结构与蛋白可逆磷酸化机制，到含磷小分子代谢物的结构与功能，最后回到高配位磷化学转换机制，系统展示了磷元素在生命过程中发挥的关键作用。
为突出本书编写工作人员的贡献，书中对应章节中列出了作者的姓名和工作单位，此处不再进行一一说明。在此，由衷感谢参与本书编写的各位作者在书稿撰写与修改过程中付出的艰辛与智慧。
由于磷元素涉及生命科学的诸多方面，限于编者的水平和书籍的篇幅，书中的疏漏及表述不当之处在所难免，敬请广大专家和读者批评指正。

编者
2023年5月于厦门大学

本书为“磷科学前沿与技术丛书”分册之一。本书从生命磷化学角度对含磷生物分子的结构和功能以及所参与的生物化学过程进行了系统的总结，介绍了近年来生命科学领域的重要突破和进展。内容包括磷元素与生命调控过程的关系，核酸、核酸适配体及基因编辑技术，蛋白质磷酸化修饰在神经退行性疾病、真核基因转录延伸调控、细胞程序性坏死过程中的作用机制，磷酸化蛋白富集技术与应用，生命体中多聚磷酸盐代谢与功能，生命过程中存在的典型高配位磷中间体机制等，系统展示了磷元素在生命过程中发挥的关键作用。适合从事化学、生命科学、药学研发及相关专业的科技人员、大专院校师生参考。

1 磷元素与生命调控过程	001
1.1 引言	002
1.2 磷元素的发现	006
1.3 磷元素与生命过程密切相关	010
1.3.1 DNA双螺旋结构	011
1.3.2 磷元素的不可替代性	012
1.3.3 植物光合磷酸化过程	014
1.4 磷元素与能量代谢	015
1.4.1 能量代谢过程的高能磷分子	015
1.4.2 ATP新生物功能的发现	019
1.4.3 NAD+/NADH氧化-还原过程	020
1.4.4 磷元素与氨基酸代谢	020
1.5 磷脂的化学结构与功能	022
1.6 核酸的结构、合成与水解过程	024
1.7 生命体系中的P—N化学键结构	027
1.8 磷酰基转移过程机理	030
1.9 蛋白质的生物合成	032
1.10 蛋白翻译后修饰	033
1.10.1 蛋白可逆磷酸化修饰	034
1.10.2 微生物双组分系统中磷酸化调控机制	037
1.10.3 蛋白 ADP 核糖基化修饰	039
1.11 磷元素与疾病发生和治疗药物开发	043
1.12 小结	044
参考文献	045

2 磷与核酸	053
2.1 核酸的组成与结构	054
2.1.1 核酸的结构特征与分离	054
2.1.2 核酸中磷元素的化学性质	063
2.2 核酸磷酸骨架的化学修饰及其应用	064
2.2.1 核酸磷酸二酯键的稳定性	064
2.2.2 核酸磷酸骨架的人工化学修饰	065
2.2.3 DNA磷酸骨架的天然化学修饰	071
2.3 核酸碱基及糖环的化学修饰及其应用	071
2.4 G-四链核酸及其配体分子设计	074
2.4.1 G-四链核酸	074
2.4.2 G-四链RNA	077
2.4.3 G-四链核酸的配体分子设计	082
2.5 小结	085
参考文献 	085

3 基于核酸的适配体和基因编辑技术	093
3.1 核酸适配体及其在疾病诊断中的应用	094
3.1.1 核酸适配体 	094
3.1.2 疾病诊断中的应用	095
3.2 DNA修复与编辑	098
3.2.1 DNA 修复过程的磷化学机制 	098
3.2.2 DNA 编辑过程的磷化学调控机制	106
3.3 小结	110
参考文献 	110

4 蛋白质的O-磷酸化修饰	117
4.1 引言	118
4.2 O-磷酸化与神经退行性疾病	119
4.2.1 O-磷酸化和阿尔茨海默病相关的Tau蛋白	120
4.2.2 O-磷酸化和阿尔茨海默病相关的β-淀粉样蛋白	123
4.2.3 O-磷酸化和帕金森病相关的α-核突触蛋白	127
4.2.4 O-磷酸化和肌萎缩侧索硬化症相关的TDP-43	131
4.3 小结	133
参考文献	133

5 磷酸化修饰与真核基因转录延伸调控过程	137
5.1 磷酸化修饰与真核基因转录循环过程	139
5.1.1 RNA聚合酶的组成和功能	139
5.1.2 CTD的特殊结构	145
5.1.3 CTD的磷酸化修饰	147
5.1.4 CTD的去磷酸化	150
5.2 正性转录延伸因子P-TEFb的结构和功能	156
5.3 正性转录延伸因子P-TEFb的活性和调控	158
5.3.1 非活性状态复合物——7SK snRNP	159
5.3.2 HIV-1基因转录调控	162
5.3.3 激酶活性状态复合物——SEC	163
5.3.4 激酶活性状态复合物——BEC	165
5.4 小结	166
参考文献	168

6 磷酸化修饰与细胞程序性坏死	177
6.1 激酶RIPK3	178
6.1.1 激酶RIPK3的发现	178
6.1.2 RIPK3的C端同源结构域——RHIM结构域	179
6.1.3 Ripk3基因敲除的小鼠	179
6.2 细胞程序性坏死	180
6.2.1 细胞程序性坏死现象	180
6.2.2 RIPK1激酶活性抑制剂的发现	181
6.3 细胞程序性坏死的开关分子——RIPK3激酶	182
6.3.1 RIPK3激活细胞程序性坏死的现象	182
6.3.2 RIPK3介导细胞程序性坏死的机制	182
6.3.3 RIPK3激酶底物的发现	184
6.4 RIPK3与凋亡信号间的互作机制	185
6.4.1 caspase-8限制细胞程序性坏死的发生	185
6.4.2 RIPK3抑制细胞程序性凋亡信号的机制	186
6.4.3 RIPK1参与RIPK3对凋亡信号的抑制	187
6.4.4 激酶RSK是参与RIPK3对凋亡抑制的关键分子	188
6.5 RIPK3-RIPK1为核心的纤维状结构	189
6.6 RIPK3介导细胞坏死的生物学功能	191
6.6.1 RIPK3介导的细胞坏死与抗病毒免疫	191
6.6.2 RIPK3与炎症型疾病密切相关	193
6.7 总结和展望	194
参考文献	195

7 蛋白质磷酸化选择性富集方法	201
7.1 蛋白质磷酸化概述	202
7.2 蛋白质磷酸化选择性富集方法	207
7.2.1 亲和富集法	208
7.2.2 固定化金属离子亲和色谱法	213
7.2.3 金属氧化物亲和色谱法	218
7.2.4 智能聚合物	221
7.2.5 离子交换色谱法	224
7.2.6 亲水相互作用色谱法	227
7.2.7 化学修饰法	228
7.2.8 金属磷酸化盐沉淀	231
7.2.9 Phos-Tag标签	232
7.2.10 其他富集方法	234
7.3 磷酸化肽富集方法的优化和改进	234
7.3.1 富集材料设计的改进	235
7.3.2 富集方式的改进	235
7.3.3 富集特异性的改进	236
7.3.4 时空分辨的磷酸化研究	237
7.3.5 非典型性磷酸化肽段富集	238
7.4 总结和展望	238
参考文献	239

8 生命体中多聚磷酸盐代谢及其功能	251
8.1 多聚磷酸盐概述	252
8.2 多聚磷酸盐代谢	252
8.2.1 多聚磷酸盐合成代谢和关键酶	253
8.2.2 多聚磷酸盐分解代谢和关键酶	256
8.3 多聚磷酸盐的生物学功能与进化意义	262
8.3.1 多聚磷酸盐的生物学功能	262
8.3.2 多聚磷酸盐与生命起源	269
8.4 多聚磷酸盐的应用价值	272
参考文献	274

9 信号转导系统与含磷第二信使	279
9.1 环化核苷酸	281
9.2 环化双核苷酸	284
9.2.1 环二鸟苷酸	285
9.2.2 环二腺苷酸 	288
9.2.3 环-鸟苷酸-腺苷酸	290
9.3 ppGpp	292
9.4 1,4,5-三磷酸肌醇	293
9.5 “线型+对称”结构的信号分子ApnA	294
9.6 第二信使的作用机制和药物研发	298
参考文献	299

10 微生物中的含磷天然产物	309
10.1 引言	310
10.2 微生物中的含磷化合物	311
10.2.1 古菌产生的含磷化合物	311
10.2.2 细菌产生的含磷化合物	311
10.2.3 放线菌产生的含磷化合物	320
10.2.4 真菌产生的含磷化合物	327
10.2.5 肠道微生物产生的含磷化合物 	329
10.2.6 利用基因组挖掘技术发现的含磷化合物	329
10.3 微生物合成含磷化合物相关的酶类	330
10.3.1 P—C键生物合成相关的酶类	330
10.3.2 P—N键生物合成相关的酶类	331
10.3.3 微生物转化而来的含磷化合物	332
10.3.4 含磷天然产物与药物研发	332
10.4 总结与展望	333
参考文献	335

11 生命过程中的高配位磷	345
11.1 引言	346
11.2 磷原子的轨道特征	347
11.3 生物化学过程中的高配位磷	350
11.3.1 遗传物质中的高配位磷	350
11.3.2 五配位磷参与RNA非酶促水解	351
11.3.3 五配位磷参与RNA酶促水解	352
11.3.4 蛋白可逆磷酸化过程中的高配位磷	356
11.3.5 β-葡萄糖磷酸变位酶作用过程中的高配位磷	359
11.4 高配位磷化学模型研究	362
11.4.1 磷酸酯水解	362
11.4.2 前生源过程高配位磷	364
11.4.3 双氨基酸五配位磷烷模型	370
11.5 小结	373
参考文献	374

索引		378