Сложные эфиры фосфорной кислоты повсеместно распространены в живом мире. Нуклеотиды в ДНК и РНК связаны между собой фосфатными группами, большинство ферментов являются сложными эфирами фосфорной кислоты, а АТФ, главный источник биохимической энергии, содержит остатки фосфорной кислоты в своем строении. Многие фосфаты и пирофосфаты являются важными метаболитами в биохимических реакциях, однако в синтетической органической химии используются совершенно другие группы (гидроксильные, карбоксильные, хлориды, бромиды, иодиды, тозилаты, трифлаты) для связывания и замещения, и практически никогда не используются фосфатные. Так почему тогда природа выбрала именно фосфаты?  В этой статье мы попытаемся объяснить, какие критерии влияли на данный выбор.

Пример биохимической реакции с участием фосфатных групп

Важность ионизации

Все живые организмы должны сохранять метаболиты в пределах клеточной мембраны, иначе клетки будут просто терять необходимые для жизнедеятельности вещества. Большинство электронейтральных молекул растворимы в липидах и могут проходить сквозь клеточную мембрану, но большинство ионизированных молекул нерастворимы в липидах и не способны покинуть пределы клетки. Остатки фосфорной кислоты как раз ионизированы в условиях физиологического pH, поэтому молекулы с фосфатными группами остаются внутри клетки.

Часть процесса гликолиза (окисление глюкозы). Фосфорилированные промежуточные соединения не могут покинуть клетку, так как в клеточной мембране отсутствуют белки для переноса фосфорилированных соединений. Картинка Khan Academy

Связующие группы нуклеиновых кислот

Чтобы хранить генетическую информацию, нуклеотиды должны быть связаны между собой в длинную цепь, которая в дальнейшем может быть разобрана для использования нуклеотидов. Любой организм стремится облегчить сохранение и работу с такими сложными структурами, как нуклеиновые кислоты, поэтому нуклеотиды должны быть связаны такими группами, которые было бы легко получить/разрушить при помощи ферментов. Наиболее подходящей для этих целей является эфирная группа. Таким образом, связующий агент между нуклеотидами должен иметь минимум две гидроксильные группы, а чтобы молекула ДНК или РНК была заряжена, у этого агента должно быть минимум три гидроксильные группы. Конечно, фосфорная кислота первой приходит на ум, но существуют и другие кислоты, способные образовывать две эфирные группы и оставаться заряженными: лимонная, глутаминовая, ортокремниевая, мышьяковая кислоты. Пока что ничего не делает фосфорную кислоту особенной.

Фрагмент структуры ДНК. Фосфатные группы соединяют нуклеотиды в длинные цепочки. Картинка GetDrawing

Скорость гидролиза

Почему же тогда именно фосфорная кислота? Ответ кроется в устойчивости сложноэфирных групп фосфорной кислоты к гидролизу.

Биомолекулы должны быть устойчивыми в воде на долгое, иногда даже очень долгое время. Конечно, некоторые метаболиты могут быть недолговечными, но генетический материал должен быть крайне стабильным к гидролизу.

Какие факторы влияют на скорость гидролиза? В условиях биохимической среды клеток такие сложные эфиры, как этилацетат, могут существовать до нескольких месяцев. Однако даже простые гены содержат тысячи сложноэфирных связей, а простые организмы содержат тысячи генов. Если одна сложноэфирная связь разрушится в течение жизни организма, он может потерять способность к размножению. Каждый час при комнатной температуре и нейтральной среде гидролизу подвергается одна молекула этилацетата из миллиона, а в кислотной среде фруктов, например, одна из миллиона молекул этилацетата гидролизуется каждые несколько секунд.

Отрицательный заряд фосфатных групп имеет несколько большее значение, чем сохранение молекул внутри клетки. Именно он не позволяет фосфатным эфирам подвергаться гидролизу и сохранять устойчивость нуклеиновых кислот. Отрицательно заряженные нуклеофилы (например гидроксид-ионы) отталкиваются от отрицательно заряженных фосфатных групп, а следовательно они гораздо реже реагируют с ними, чем с незаряженными эфирами. Даже нейтральные молекулы реже атакуют фосфатные сложные эфиры, потому что их неподеленные электронные пары тоже отталкиваются от отрицательного заряда.

Вы можете подумать, что отрицательный заряд может  присутствовать и на другом кислотном остатке, например остатке лимонной кислоты. Однако отрицательный заряд на остатке лимонной кислоты расположен далеко от сложноэфирной связи, поэтому эффект заряда не так сильно влияет на устойчивость к гидролизу. Близость отрицательного заряда непосредственно к сложноэфирной связи делает фосфатные эфиры более предпочтительными по сравнению с другими эфирами.

Сравнение структур сложных эфиров лимонной (слева) и фосфорной (справа) кислот. Невооруженным глазом видно, что отрицательный заряд (выделен красным цветом) фосфата находится гораздо ближе к сложноэфирной связи, снижая скорость гидролиза

Стабильность фосфатных эфиров в воде при рН 7 позволяет образовывать очень длинные полинуклеотиды и хранить генетическую информацию долгое время. Но даже несмотря на свою устойчивость, фосфатные эфиры способны подвергаться гидролизу под действием ферментов для осуществления необходимых процессов, связанных с молекулами ДНК.

А теперь рассмотрим возможные аналоги фосфорной кислоты и их недостатки.

Аналоги фосфатов

Лимонная кислота. Ее эфиры не так сильно устойчивы к гидролизу, да и сами эфиры получаются неоправданно громоздкими и усложненными.

Мышьяковая кислота. Ядовитый эффект соединений мышьяка неизбежен, а также соединения пятивалентного мышьяка восстанавливаются гораздо легче соединений пятивалентного фосфора.

Ортокремниевая кислота. Распространена в природе даже больше, чем фосфорная кислота, но она слишком слабая, чтобы быть ионизированной в клеточной среде, а ее эфиры гидролизуются слишком быстро.

Структурные формулы лимонной (слева), мышьяковой (посередине) и ортокремниевой (справа) кислот

Итог

Фосфатные соли очень распространены на Земле и, благодаря своей растворимости в воде, были легкодоступны в ходе эволюции жизни. Способность фосфатов образовывать сложные эфиры и ангидриды, которые стабильны при температуре окружающей среды в воде, сделала их идеальными реагентами для образования биологических молекул. Именно благодаря ранее описанным факторам, природа сделала выбор в пользу фосфатных эфиров.

Данная статья является переводом и адаптацией статьи "Why Nature Chose Phosphates" автора F.H. Westheimer.