1 &nbs素與生命調控過程 001
1.1  引言 002
1.2 &nbs素的發現 006
1.3 &nbs素與生命過程密切相關 010
1.3.1  DNA雙螺旋結構 011
1.3.2 &nbs素的不可替代性 012
1.3.3  植物光合磷酸化過程 014
1.4 &nbs素與能量代謝 015
1.4.1  能量代謝過程的高能磷分子 015
1.4.2  ATP新生物功能的發現 019
1.4.3  NAD /NADH氧化-還原過程 020
1.4.4 &nbs素與氨基酸代謝 020
1.5  磷脂的化學結構與功能 022
1.6  核酸的結構、合成與水解過程 024
1.7  生命體繫中的P—N化學鍵結構 027
1.8  磷酰基轉移過程機理 030
1.9  蛋白質的生物合成 032
1.10  蛋白翻譯後修飾 033
1.10.1  蛋白可逆磷酸化修飾 034
1.10.2  微生物雙組分繫統中磷酸化調控機制 037
1.10.3  蛋白 ADP 核糖基化修飾 039
1.11 &nbs素與疾病發生和治療藥物開發 043
1.12  小結 044
參考文獻 045

2  磷與核酸 053
2.1  核酸的組成與結構 054
2.1.1  核酸的結構特征與分離 054
2.1.2  核素的化學性質 063
2.2  核酸磷酸骨架的化學修飾及其應用 064
2.2.1  核酸磷酸二酯鍵的穩定性 064
2.2.2  核酸磷酸骨架的人工化學修飾 065
2.2.3  DNA磷酸骨架的天然化學修飾 071
2.3  核酸堿基及糖環的化學修飾及其應用 071
2.4  G-四鏈核酸及其配體分子設計 074
2.4.1  G-四鏈核酸 074
2.4.2  G-四鏈RNA 077
2.4.3  G-四鏈核酸的配體分子設計 082
2.5  小結 085
參考文獻  085

3  基於核酸的適配體和基因編輯技術 093
3.1  核酸適配體及其在疾病診斷中的應用 094
3.1.1  核酸適配體  094
3.1.2  疾病診斷中的應用 095
3.2  DNA修復與編輯 098
3.2.1  DNA 修復過程的磷化學機制  098
3.2.2  DNA 編輯過程的磷化學調控機制 106
3.3  小結 110
參考文獻  110

4  蛋白質的O-磷酸化修飾 117
4.1  引言 118
4.2  O-磷酸化與神經退行性疾病 119
4.2.1  O-磷酸化和阿爾茨海默病相關的Tau蛋白 120
4.2.2  O-磷酸化和阿爾茨海默病相關的β-澱粉樣蛋白 123
4.2.3  O-磷酸化和帕金森病相關的α-核突觸蛋白 127
4.2.4  O-磷酸化和肌萎縮側索硬化癥相關的TDP-43 131
4.3  小結 133
參考文獻 133

5  磷酸化修飾與真核基因轉錄延伸調控過程 137
5.1  磷酸化修飾與真核基因轉錄循環過程 139
5.1.1  RNA聚合酶的組成和功能 139
5.1.2  CTD的特殊結構 145
5.1.3  CTD的磷酸化修飾 147
5.1.4  CTD的去磷酸化 150
5.2  正性轉錄延伸因子P-TEFb的結構和功能 156
5.3  正性轉錄延伸因子P-TEFb的活性和調控 158
5.3.1  非活性狀態復合物——7SK snRNP 159
5.3.2  HIV-1基因轉錄調控 162
5.3.3  激酶活性狀態復合物——SEC 163
5.3.4  激酶活性狀態復合物——BEC 165
5.4  小結 166
參考文獻 168

6  磷酸化修飾與細胞程序性壞死 177
6.1  激酶RIPK3 178
6.1.1  激酶RIPK3的發現 178
6.1.2  RIPK3的C端同源結構域——RHIM結構域 179
6.1.3  Ripk3基因敲除的小鼠 179
6.2  細胞程序性壞死 180
6.2.1  細胞程序性壞死現像 180
6.2.2  RIPK1激酶活性抑制劑的發現 181
6.3  細胞程序性壞死的開關分子——RIPK3激酶 182
6.3.1  RIPK3激活細胞程序性壞死的現像 182
6.3.2  RIPK3介導細胞程序性壞死的機制 182
6.3.3  RIPK3激酶底物的發現 184
6.4  RIPK3與凋亡信號間的互作機制 185
6.4.1  caspase-8限制細胞程序性壞死的發生 185
6.4.2  RIPK3抑制細胞程序性凋亡信號的機制 186
6.4.3  RIPK1參與RIPK3對凋亡信號的抑制 187
6.4.4  激酶RSK是參與RIPK3對凋亡抑制的關鍵分子 188
6.5  RIPK3-RIPK1為核心的纖維狀結構 189
6.6  RIPK3介導細胞壞死的生物學功能 191
6.6.1  RIPK3介導的細胞壞死與抗病毒免疫 191
6.6.2  RIPK3與炎癥型疾病密切相關 193
6.7  總結和展望 194
參考文獻 195

7  蛋白質磷酸化選擇性富集方法 201
7.1  蛋白質磷酸化概述 202
7.2  蛋白質磷酸化選擇性富集方法 207
7.2.1  親和富集法 208
7.2.2  固定化金屬離子親和色譜法 213
7.2.3  金屬氧化物親和色譜法 218
7.2.4  智能聚合物 221
7.2.5  離子交換色譜法 224
7.2.6  親水相互作用色譜法 227
7.2.7  化學修飾法 228
7.2.8  金屬磷酸化鹽沉澱 231
7.2.9  Phos-Tag標簽 232
7.2.10  其他富集方法 234
7.3  磷酸化肽富集方法的優化和改進 234
7.3.1  富集材料設計的改進 235
7.3.2  富集方式的改進 235
7.3.3  富集特異性的改進 236
7.3.4  時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  總結和展望 238
參考文獻 239

8  生命體中多聚磷酸鹽代謝及其功能 251
8.1  多聚磷酸鹽概述 252
8.2  多聚磷酸鹽代謝 252
8.2.1  多聚磷酸鹽合成代謝和關鍵酶 253
8.2.2  多聚磷酸鹽分解代謝和關鍵酶 256
8.3  多聚磷酸鹽的生物學功能與進化意義 262
8.3.1  多聚磷酸鹽的生物學功能 262
8.3.2  多聚磷酸鹽與生命起源 269
8.4  多聚磷酸鹽的應用價值 272
參考文獻 274

9  信號轉導繫統與含磷第二信使 279
9.1  環化核苷酸 281
9.2  環化雙核苷酸 284
9.2.1  環二鳥苷酸 285
9.2.2  環二腺苷酸  288
9.2.3  環-鳥苷酸-腺苷酸 290
9.3  ppGpp 292
9.4  1,4,5-三磷酸肌醇 293
9.5  “線型 對稱”結構的信號分子ApnA 294
9.6  第二信使的作用機制和藥物研發 298
參考文獻 299

10  微生物中的含磷天然產物 309
10.1  引言 310
10.2  微生物中的含磷化合物 311
10.2.1  古菌產生的含磷化合物 311
10.2.2  細菌產生的含磷化合物 311
10.2.3  放線菌產生的含磷化合物 320
10.2.4  真菌產生的含磷化合物 327
10.2.5  腸道微生物產生的含磷化合物  329
10.2.6  利用基因組挖掘技術發現的含磷化合物 329
10.3  微生物合成含磷化合物相關的酶類 330
10.3.1  P—C鍵生物合成相關的酶類 330
10.3.2  P—N鍵生物合成相關的酶類 331
10.3.3  微生物轉化而來的含磷化合物 332
10.3.4  含磷天然產物與藥物研發 332
10.4  總結與展望 333
參考文獻 335

11  生命過程中的高配位磷 345
11.1  引言 346
11.2  磷原子的軌道特征 347
11.3  生物化學過程中的高配位磷 350
11.3.1  遺傳物質中的高配位磷 350
11.3.2  五配位磷參與RNA非酶促水解 351
11.3.3  五配位磷參與RNA酶促水解 352
11.3.4  蛋白可逆磷酸化過程中的高配位磷 356
11.3.5  β-葡萄糖磷酸變位酶作用過程中的高配位磷 359
11.4  高配位磷化學模型研究 362
11.4.1  磷酸酯水解 362
11.4.2  前生源過程高配位磷 364
11.4.3  雙氨基酸五配位磷烷模型 370
11.5  小結 373
參考文獻 374

索引  378

地球上所有的生命形式，從肉眼不可見的微生物到植物及高等動物，都離素與生命活動息息相關，其發現過程便與生命密不可分。1669年，德國煉金術士波蘭特（Henning Brand）從人體尿液中首次發現白色蠟狀素物質，灰暗中發出美麗的光素的英文名字“phosphorus”釋義為“光（phos）的載體（phorus）&rdquo素作為生命素和素具有不可替代性，素也是生命的&ldquo素”。地球素的特素獨特的物理化學性質，決定了磷在生命起源和分子進化中發揮著關鍵作素的調控作用貫穿整個生命中心法則。細胞是生命的，細胞中儲存遺傳信息的核糖核酸具有磷酸二酯鍵；細胞膜由磷脂雙層構成；蛋白質合成與翻譯後修飾；能量代謝過程中最為關鍵的“能量貨幣”三磷酸腺苷ATP及信號轉導中第二信使cAMP分子；等素都發揮著不可替代的調控作用。同時，部分有機磷化合物可以強烈抑制人體內的乙酰膽堿酶，因此被開發成神經毒劑類化學武器用於戰爭，例如沙林（sarin）的毒性比劇毒物質氰化鉀還要強一個數量級以上。如何揭示素的機制並實現地球上不可再生磷資源的有效利用，是人類需要面對的重大科學與技術挑戰。
國內外關於磷資源開發與利用、磷化工技術、磷合成化學、磷波譜分析及磷與生活等方面已經有多本優秀專業或科普書籍出版。然而，素在生命科學中的關鍵調控作用的書籍還比較少見。生命過程實際上是成千上萬不同類型化學反應的合集，其中高配位磷化學轉化機制可能是這些生物化學反應的關鍵。因此，從生命磷化學角度對含磷生物分子的結構和功能以及所參與的生物化學過程進行繫統的討論、思考和歸納總結，有望從獨特的視角揭示與理解生命過程的化學本質，破解生命起源與進化的奧秘。
全書共分為11章。其中，第1章總體介素與生命調控過程的關繫，圍繞核酸、蛋白及代謝過程展開論述；第2章與第3章對核酸、核酸適配體及基因編輯技術等方面的內容進行了介紹；第4章介紹了蛋白質磷酸化修飾在神經退行性疾病中的作用機制；第5章對磷酸化修飾在真核基因轉錄延伸過程中的調控作用進行了繫統總結；第6章介紹了磷酸化修飾在細胞程序性壞死過程中發揮的關鍵作用；第7章綜述了蛋白質組學研究中磷酸化蛋白富集技術與應用；第8章介紹了生命體中的多聚磷酸鹽代謝與功能；第9章與第10章主要針對生命體繫中含磷代謝小分子的化學結構與功能展開論述；第11章對生命過程中存在的典型高配位磷中間體機制進行了歸納，並結合五配位磷化學小分子模型進行對比分析。全書結構總體遵循生命中心法則邏輯順序，分為三大部分內容，從核糖核酸結構與蛋白可逆磷酸化機制，到含磷小分子代謝物的結構與功能，最後回到高配位磷化學轉換機制，繫統展素在生命過程中發揮的關鍵作用。
為突出本書編寫工作人員的貢獻，書中對應章節中列出了作者的姓名和工作單位，此處不再進行一一說明。在此，由衷感謝參與本書編寫的各位作者在書稿撰寫與修改過程中付出的艱辛與智慧。
素涉及生命科學的諸多方面，限於編者的水平和書籍的篇幅，書中的疏漏及表述不當之處在所難免，敬請廣大專家和讀者批評指正。

編者
2023年5月於廈門大學