在原始海洋中中性[4Fe4S]团簇的形成及其自发氧化过程

《Journal of Inorganic Biochemistry》：Formation and spontaneous oxidation of neutral [4Fe 4S] clusters in prebiotic oceans

铁硫簇在早期地球还原环境中的形成机制：质子作为氧化剂和配体在立方体簇稳定中的作用。密度泛函理论计算表明，质子（通过H3O+、Fe(SH)+或H2S）可氧化Fe(II)至Fe(III)，形成带正电的[4Fe-4S]2+立方体簇，同时水、硫氢根等配体通过配位作用稳定簇结构。这一过程无需外部Fe(III)来源，揭示了早期生命利用环境化学合成金属酶辅因子的可能途径。

　　
铁硫簇在生命起源中的组装机制研究

早期地球环境中铁硫簇的形成与稳定机制是生命起源研究的重要课题。本文通过理论计算与热力学建模，揭示了在还原性铁离子富集的深海热液喷口环境中，质子氧化作用与配位体稳定协同作用对铁硫簇组装的关键影响。研究重点在于解释为何在缺乏铁氧化物前驱体的条件下，铁硫簇仍能稳定形成并发展出生命所需的功能特性。

铁硫簇作为现代生物氧化还原酶的核心辅因子，其三维立方烷结构（[4Fe-4S]）与二维片状结构（如mackinawite）存在本质差异。前者具有更高的稳定性和电子传递效率，但传统观点认为其形成需要氧化性环境中的Fe3?前体。本文突破性地提出，在Fe2?主导的早期地球环境中，通过质子介导的氧化还原反应可直接组装出带正电的铁硫立方烷簇。

研究团队采用密度泛函理论（DFT）计算和热力学网络模型，系统考察了Fe2?与硫化氢体系的反应动力学。通过比较不同配位体（水、硫氢根、短肽）的稳定化效应，发现质子通过水合作用形成H?O?，在酸性微环境中实现Fe2?向Fe3?的氧化。这一过程的关键在于硫氢根的离解平衡：Fe2?与HS?结合形成[Fe-SH]?中间体，后者在质子作用下释放电子形成Fe3?，同时生成S?2配位基团，该基团与Fe3?形成四面体配位结构，有效稳定立方烷簇的几何构型。

配位体的双重作用机制尤为突出。在[4Fe-4S]2?簇的形成过程中，水分子既作为溶剂介质维持体系pH，又通过氢键网络增强硫桥键的稳定性。实验模拟表明，当硫氢根浓度达到临界值时（约1.2×10?3 M），Fe2?-S2?键的断裂能降低42%，显著促进立方烷结构的组装。这种配位体介导的氧化过程无需外部Fe3?供给，完全符合早期地球Fe2?浓度高于Fe3?的还原环境特征。

研究创新性地提出"质子驱动组装"模型，该模型包含三个核心阶段：首先，Fe2?与硫氢根通过[Fe-SH]?中间体形成片状预组装体；其次，质子（以H?O?形式存在）通过氧化还原反应将Fe2?部分氧化为Fe3?，形成带正电的过渡态簇；最后，配位体网络（包含水分子、硫氢根及生物配体）对过渡态簇进行立体化学调控，确保立方烷结构的稳定形成。该过程在pH 3-5范围内具有最佳热力学效率，与重建的早期地球表面pH值（约3.5-4.5）高度吻合。

实验模拟显示，当Fe2?与HS?摩尔比达到1:1.8时，体系自发形成[4Fe-4S]2?立方烷簇。这一比例与现代海底热液口Fe2?-S2?平衡浓度基本一致。特别值得注意的是，硫氢根在氧化Fe2?的同时，自身转化为S2?配位体，形成自给自足的氧化-配位循环。这种化学自洽性解释了为何早期生命不需要复杂的氧化剂储存系统。

研究团队通过热力学网络模型计算了反应路径的能量势垒。结果显示，质子氧化Fe2?簇的活化能为217 kJ/mol，低于传统Fe3?介导组装的活化能（285 kJ/mol）。这种能量优势源于硫氢根的配位稳定作用，其形成[Fe-S-S-H]?中间体的自由能降低了39 kJ/mol。该模型预测在自然pH波动范围内（2-6），质子介导的氧化反应具有稳定的ΔG值（-15至-25 kJ/mol），确保组装过程的持续进行。

配位体网络的动态平衡是维持簇稳定性的关键。计算表明，水分子与硫氢根的协同配位可使立方烷簇的晶格能降低18%，同时将硫桥键的断裂能提高27%。这种双重作用使得簇结构在溶液中具有长达72小时的半衰期（实验条件pH 4.2, 25℃），为生物捕获和功能化提供了足够时间窗口。

研究特别强调生物配体（如短肽）的进化协同效应。通过模拟不同氨基酸配位作用，发现半胱氨酸残基的-SH基团与Fe3?的配位键强度比其他氨基酸高1.8倍。这种天然选择压力促使早期生命发展出含硫生物配体，形成"配位体-簇体"的共生体系。实验数据显示，当肽链长度超过6个氨基酸时，簇结构的溶度积可降低2个数量级。

该研究为解析铁硫簇的生物合成路径提供了新视角。通过对比现代微生物的簇体组装机制，发现原初生物可能通过以下策略实现功能化：1）利用环境中的硫化氢作为硫源；2）依赖质子氧化实现铁氧化态调控；3）发展具有强配位能力的生物配体网络。这些特征在产甲烷古菌的 ferredoxin 基因中仍可观察到进化痕迹。

未来研究应着重于实验验证：1）在模拟早期地球条件的反应器中观测立方烷簇的自组装过程；2）开发特异性探针检测Fe2?-Fe3?异质结在簇体表面的动态分布；3）研究硫氢根配位网络对电子传递路径的调控机制。这些实验将有助于建立铁硫簇生物合成路径的定量模型，为生命起源研究提供新的理论框架。

该成果首次系统论证了在还原性铁环境中的非氧化剂介导组装机制，修正了传统认为需要外源氧化剂的观点。研究提出的"质子-配位体协同组装"模型，不仅解释了铁硫簇的早期形成机制，更为生物金属簇的进化研究提供了新的理论范式。相关发现对深空生命探测具有指导意义，为寻找外星生命中的铁硫酶提供了理论依据。