磷酸在生物體內有哪些作用，與其他無機含氧酸相比有什麼優勢？

01-06

我是一個高二的學生，在學習化學的兩年里，我很少見到學習磷酸的性質。而在高二生物的學習過程中，我發現很多重要的地方都需要用到磷酸：蛋白質磷酸化，磷酸基團參與物質構成如核苷酸、dNTP、ATP和磷脂等，磷酸一氫根與磷酸二氫根構成共軛酸鹼對維持體內酸鹼平衡等等（學習知識有限，只能舉出這些例子，如有錯誤，還希望糾正）。
磷酸在這些物質的構成，生理反應的過程中都扮演了很重要的角色，那麼站在生物學的角度上來講應該怎樣理解概括磷酸的作用呢？
物質的結構決定它的性質，物質的性質決定它的作用。如果站在化學的角度上講，磷酸分子（或者磷酸基團）到底有怎樣的結構，使它具有哪些性質，才促使磷酸在生物體內有這樣的作用呢？

謝邀，這個答案斷斷續續寫了很久，知乎界面改版使得答案編輯更加困難了，今天結個尾先發出來吧…

一、不管是高中，還是大學的學習，各個學科基本上都是各教各的，自說自話——高中階段對磷這個元素的性質講得少，只是因為從化學教學的角度優先順序不夠高。

退一步，從生物化學的角度，磷酸基也不重要，總的來講無非就是供能（激活）、修飾、R/DNA骨架、緩衝幾件事，而相比而言，氮、硫、氧，涉及到共價鍵、次級鍵、氧化還原、酸鹼催化等等，都複雜得多。

二、你提出的這個問題有一個誤解很常見，我希望能先理清這個誤解：

磷酸基團存在於所有的生命形式里，為什麼磷酸在生命系統里如此重要，是因為磷酸比其他形式的酸更有優勢嗎？

同樣的問題還可以問，為什麼有這麼多兩側對稱的動物，為什麼有五根手指而不是像動畫片里畫的四個？

amp;quot;Hey, Bart, according to this magazine in another million years man will have an extra finger.amp;quot; amp;quot;Five fingers? Ooh... Freak show!amp;quot;

實際上有不少的科學家也試圖解釋這些機制怎樣的好，「有優勢」。然並卵，你把這些靜態結構、機制研究得再清楚，完全解釋不了為什麼這些結構在生物體內保守、占絕大多數。

答案還是要在進化中找。所有有關生物的一切，都是歷史演化（包括進化過程）的結果，所以，進化中有兩個最常見的現象，是和你的直覺截然相反的：

1. 進化的結果並不完美高效，只要湊活能用就可能會止步不前。這是受限於突變的速度和選擇強度之間的關係。（如果你以後上了大學可能就會知道這種情況叫做陷入局部最優）。

2. 進化幾乎很少有什麼必然的道路，往往只是某個祖先走了狗屎運，子子孫孫無窮匱而已。

當然，進化也不能說完全是靠歷史的進程，個體的奮鬥也是非常重要的，因此有這樣一個符合你直覺，也是教科書、科普文教的最多的結論:

3. 當前適應度更高的「物種」在未來一段時間中有更高的概率延續下去。

一個更耳熟能詳的名字叫「自然選擇」。

在諸多理論研究中，「適應度」，往往也就是基於子代數目或在更大群體中所佔比例的數學期望進行合理定義的。

而適應度由什麼決定呢？由環境對生命體運行機制（包括遺傳、生理狀態等等）的作用而決定。從四川拉出一對大熊貓扔在一個沒有竹子的世界，適應度就是0。

要注意兩點：1) 適應度不是一成不變的，因為環境是在改變的；2) 選擇能夠控制的僅僅是概率。自然選擇對於當下什麼是可能的，什麼是不可能的，有很好的約束，但對於各種可能性的實際頻率不存在決定性的控制。

這三點搞清楚之後，我們就可以回到題目：

為什麼磷酸存在於所有的生命形式里？道理其實很簡單，所有現存生命的共同祖先使用了磷酸，而沒有使用磷酸的早期「生命形式」沒有留下後代或者後代都掛掉了（應用結論2）。

為了保證這個說法是合理的，還需要再進一步探討兩個問題：

1. 那麼為什麼後來的生命形式中，沒有任何一種生物把磷酸完全替換掉呢？因為替換磷酸所需要的改變太大，一般的變異難以逾越。磷酸已經很好了，幾乎不可能被替代（應用結論1）。如果數學基礎好，我們可以通過一個簡單的思想實驗來論證這件事情有多困難（請看附錄實驗 X）。

在幾年前的「砷基生命」事件中，一開始認為發現的細菌可以用砷替代磷（畢竟同族元素，聽起來畫面很美），後來被諸多實驗啪啪啪打臉了。其中的一個進化實驗研究顯示，當所處環境中的砷和磷的比值高達4500倍時，才剛剛能觀察到進化出的蛋白質不區分磷和砷，而所有低於這個比值的篩選條件，都會導致蛋白質像更加親和磷的方向進化，而不可能轉過來放棄磷選擇砷，因此即使是GFAJ-1這種能夠在砷環境下活的好好的細菌也討厭砷的存在。（『Arsenic-life』 bacterium prefers phosphorus after all）

2. 為什麼我們的共同祖先使用了磷酸而且活下來了？因為使用磷酸的個體適應度高+足夠的運氣（應用結論3）。

那為什麼磷酸的個體適應度高呢？

早期的生命體由於結構簡單，可能沒有太過於複雜的相互作用，那麼適應度只和複製速度相關。複製速度除了由自身機制控制之外的限制因素就是反應物的量和濃度——終於可以談談磷具體有什麼優點了，其實就一個字，多！

這張圖雖然是現在而非早期地球的元素丰度，但是還是可以說明一些問題，可以看到，非金屬元素中H、O、Si，赫然前列，再數下來，就是F、C、P、S。

（Rare Earth Elements?Critical Resources for High Technology）

當然即便磷唾手可得，毛用沒有也是不行的。所以最後我們還是要落腳到你問題，磷在生物體內有哪些作用。

三、磷酸基團的性質：

1. 水解電離：

不管是對生命系統，還是對於簡單的化學系統，磷酸一氫根/磷酸二氫根都一組很好的緩衝對。在一些化學反應所需的緩衝溶液中，也常用到這組緩衝對。

原因其實不複雜，就是pKa2 = 7.21，非常接近中性pH7。

而另一些常用的緩衝對，碳酸 pKa1 = 6.35，pKa2 = 10.329；檸檬酸 pKa3 = 6.40。明顯不如。

我不懷疑一些有機酸可能會比磷酸一氫根/磷酸二氫根更接近7，但是不管對於生命系統，還是化學實驗，更複雜的化學物質意味著更高的成本。

至於常見的無機酸的pK值，硅酸 9.84, 13.2；硼酸 9.24, 12.4, 13.3；都顯著得偏離中性。

除此之外，如果考慮磷酸是個三元酸，可以多次水解電離，實際的緩衝範圍異常的寬，從非常酸到非常鹼。

從pK值的角度而言，磷酸可能的確是一個特殊的常見無機弱酸。

磷酸的電離水解 Phosphate - Wikipedia

2. 無論DNA、RNA、ATP供能、蛋白磷酸化、磷脂形成，其實都可以總結為一件事——磷酸和羥基發生反應形成的磷酸酯。

磷酸酯的特徵是什麼呢？

a. 可以形成磷酸二酯鍵，由單體可聚合為較為穩定的長鏈骨架（DNA、RNA的骨架）；

b. 形成酯和水解是能壘適中的可逆反應，而且水解高度放熱（磷酸鍵供能）；

c. 可電離從而帶負電。根據剛剛講過的內容可以知道，pH=7時，每個磷酸二酯一般會電離而帶一個負電子。

一個磷酸二酯鍵是怎樣形成的（In a DNA nucleotide, 5amp;#x27; C of the 2-deoxyribose binds with the phosphate group with a phosphodiester bond, but what exactly is a phosphodiester bond?）

前兩個特徵很重要比較好理解。a保證有可能形成像DNA、RNA這樣的高分子聚合物，而b保證一切反應能量來源的「通用貨幣」。氨基酸的醯胺鍵（肽鍵）也有a的特徵，因此能夠形成蛋白質，但是不具有供能的功能。

帶負電為什麼重要呢？1987年F. H. Westheimer發表在Science上的文章「Why Nature Chose Phosphate」中就強調了帶負電的重要性——「正負電的相互作用是最簡單的也可能是最主要的分子間相互作用的模式」。DNA到染色體的摺疊，就是通過正負電相互作用實現的。除此之外，電荷的存在，也使得許多反應催化有了更多的可能性。

還有一個很重要的，想像一個不帶電的長鏈的分子，在一個磷脂袋子里和其他分子一起擠來擠去最後的結果是什麼：

像耳機線一樣不出意外地會攪成一團亂麻，這對生命的複製和延續可不是什麼好事情。

綜合ac兩個特徵，我們可以推斷出，如果想替代磷酸基團，那麼必須是形如X(OH)3的一種酸，才能既形成二酯鍵構建遺傳分子聚合物的同時，又能夠使遺傳分子帶電負性。對於磷酸，X=PO。

其實除了磷酸之外，硫酸、硼酸、甚至碳酸這些常見的酸，都可以進行酯化反應，但是這幾種酸都不符合X(OH)3，而且大多數的二酯在水溶液環境中都不太穩定。

其中硫酸酯化可能是生物體中最常見的。硫酸和糖形成酯的例子數不勝數，和腦硫脂也是硫酸修飾半乳糖脂得到的。硫酸酯化酪氨酸也是常見的蛋白質翻譯後修飾之一。硫酸酯也像磷酸酯一樣可以水解供能。但硫酸二酯是電中性的，而且非常不穩定。

另外硫酸酯對於蛋白的修飾也與磷酸不同，它是總帶負電的，除非pH降到2以下，因此其功能也會於磷酸酯修飾有所差異（Why nature chose phosphate to modify proteins, Tony Hunter）。

但是即使我們需要一個酸基團能夠同時符合磷酸基團的三個條件，也並非是找不到可替代物質的。根據化學周期表找，你可以找到砷理論上可能代替磷。這也是為什麼出了「砷基生命」這麼大的烏龍的理論依據了2333。

除此之外，你還可以想像，如果把蛋白質主鏈保留側鏈上的基團都換成核糖鹼基，那麼是不是也和DNA、RNA看起來差不多了呢？

雖然不是酸不能帶負電，但是氨基畢竟可以帶正電嘛，也不差。

這種形式的高分子也被合成過，結構與DNA、RNA彷彿，甚至在一項測試RNAi的研究中，使用肽鍵骨架的RNA，比正常的磷酸骨架RNA效率還高（Amides are excellent mimics of phosphate internucleoside linkages and are well tolerated in short interfering RNAs）

黃色的是磷酸骨架RNA雙螺旋，粉色和金色的兩條鏈是肽鍵骨架RNA雙螺旋，結構上非常接近

Westheimer也給出了他的名單，其中一個比較有趣的是檸檬酸，只需要CHO就可以完成了。

如果把磷酸換成檸檬酸（10.4: Phosphate diesters）

Westheimer並對其中的這些替代物進行了分析，認為理化性質上來講還是不如磷酸，但我認為很大程度上是帶著答案湊解釋，馬後炮，站不住腳的。

總結：

所有現存生命的共同祖先使用了磷酸。磷酸基團具有不錯的功能——形成聚合大分子、供能、使分子帶電和緩衝。雖然在早期地球，其他的選擇可能也是存在的，但是完全替換磷酸所需的變異太難，其後代保持了完全相同的選擇。在這個磷酸極其豐富容易獲取的星球上，我們的共同祖先憑著高超的適應度和一點點小運氣，成為了地球生命唯一的祖先。

附錄：

實驗 X

假如磷可以被X替代。A只用磷，一個假想的子代C只用X。那麼一定存在一個中間類型的「物種」B，既可以使用磷，也可以使用X，對兩者不加區分。

A可以變異成B，B可以變異成A或C，C可以變異回B。所有的變異概率都極低，遠低於掛掉的概率，因為可以想像新功能的誕生是非常困難的。

那麼群體總數就要足夠大生活了足夠長的時間，才可能有朝一日產生一個B。同時這也說明，這個地方並不會缺磷缺到活不下去。

一旦有朝一日產生了一個B，那麼它不會斷子絕孫的概率是

$1-frac{r^N-r}{r^N-1}$

其中r=A的適應度/B的適應度。（Moran process - Wikipedia）

只有r&>=1的時候，才有可能。

但是A還有可能突變成A"，A"比A更愛用磷，而且用得更好，更討厭X，那麼A"的適應度一定更高。可以想像，對一個產品的優化，比開發一個新產品容易多了。所以當第一個B出現的時候，一定有許許多多的A"，A""，A"""…存在於群體之中了，而在B出現之後，也會有新的變種不斷湧現。

那麼B不但要和A競爭，還要和這些其他的變種競爭。那麼B不會斷子絕孫的必要條件就會被更改為：

B的適應度&>=max{A的適應度，A"的適應度，A""的適應度，……}

換句話說，如果所有使用磷的「物種」能獲得的適應度有一個極限，B的適應度必須不低於這個極限。否則B就會斷子絕孫，C也就無從談起了。如果X沒有充分得優於磷，只是能夠實現相似的功能活性，或者甚至還不如磷，那麼在一個磷足夠生存的地方，這個條件的達成需要X與磷的濃度比充分大，而這極可能會導致極高的脅迫，使得物種無法生存，而形成矛盾。

從供能這點來說，磷酸有個優勢，高能磷酸鍵(P-O-P)在水溶液中是動力學穩定的。這使得生物體辛辛苦苦生產出來的能量通貨不會直接在細胞液里耗散掉，而能用於細胞需要的地。其它的元素的含氧酸，要麼像多硅酸，乾脆就是熱力學穩定，沒法作為能量通貨，要麼像焦硫酸，水裡直接就水解了。

磷酸和碳酸是弱酸，因此其和對應酸根構成的緩衝對，可以作為緩衝溶液維持人體pH平衡……

磷酸化修飾吧，在基因表達分子層面還挺關鍵的