综述：二酮哌嗪类的益生元有机化学

《Asian Journal of Organic Chemistry》：Prebiotic Organic Chemistry of Diketopiperazines

　　大田淳
北卡罗来纳州立大学化学系，美国北卡罗来纳州罗利市

**摘要**
尽管氨基酸和多肽在广泛的生源化学领域中的重要性已被广泛认可，但2,5-二酮哌嗪（DKPs）或环状二肽仍然是一个神秘的存在，其与复杂生物分子系统的起源尚无明确关联。本文旨在阐述过去几十年中报道的模拟生源反应中DKPs的各种作用和功能。通过强调实验和计算模拟，从有机化学的角度讨论了在各种生源条件下DKP衍生物的形成和反应过程，这些研究基于光化学合成、氨基腈化学和氨基酸缩合等基本反应模式。文献综述还指出了DKPs的分析挑战，因为产物检测和表征不仅在生源化学中至关重要，在合成有机化学领域也同样重要。收集和分析关于DKPs生源过程的报告可能揭示其化学多样性的广度，包括其与核苷酸的潜在相关性、作为更复杂生物大分子构建块的价值以及对称性破缺的作用。

**引言**
对2,5-二酮哌嗪（DKPs）多样功能和用途的研究一直是多种化学、生物学和医学研究的重点，暗示了它们在生源世界中的潜在重要性。DKPs是一类具有哌嗪骨架上两个酰胺基团的环状二肽（即内酰胺类化合物，见图1A）。由于其独特的六元环结构且N端和C端都不带电荷，现代生物系统在生理功能和食品/饮料等多个方面都依赖于DKPs（见图1B）。受其生物多样性的启发，还开发了一系列基于DKPs的药物（见参考文献[4, 5]）。在自然界中，DKPs的一个生成途径是线性多肽的酶促或非酶促降解，这一过程也发生在食品加工过程中（见图1C左侧）。在过去30年里，已经鉴定出多种核糖体和非核糖体产生的DKP酶（见参考文献[6, 7, 8, 9, 10]），这些酶被称为环肽合成酶，能够催化两个活化氨基酸或氨酰tRNA之间的缩合反应（见图1C右侧）。因此，DKPs在细胞生物学、食品科学、药物化学和酶学等基础和应用研究领域仍然是关键参与者。

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**图1. 2,5-二酮哌嗪（DKPs）在现代生活和生源世界中的存在**
全文中的图片均使用ChemDraw和Adobe Illustrator制作，未使用任何生成式人工智能（AI）。
(A) DKPs的命名方式。DKPs的羰基是酰胺基团，而非酮基团。
(B) 生物体和食品/饮料中发现的代表性DKPs。
(C) 生物系统中DKPs的非酶促和酶促生成途径。
(D) 代表性天体化学样本，如Murchison [13, 20]、Yamato-791198 [13]、Winchcombe [21]和小行星Ryugu [22]、Bennu [23]，其中包含或未包含DKPs的化合物列表。
(E) 本文主题的示意图。

尽管DKPs在生物系统中具有重要意义，但在天体物理样本中却很少发现，其生源角色和相关性仍不明确。2002年Shimoyama和Ogasawara的报告中首次观察到DKPs存在于Murchison和Yamato 791198陨石中（见图1D [13]）。尽管近期有论文将这一发现作为外星条件下生物分子存在的证据（见参考文献[14, 15, 16, 17, 18, 19]），但其他天体化学报告并未提及DKPs或其他肽类作为陨石（如Murchison [20]和Winchcombe [21]）或小行星（如Ryugu [22]和Bennu [23]）的成分，这引发了对其可靠性的质疑。不过，也有可能是在这些外星样本中没有主动搜索DKPs；例如，有篇最新报告未列出任何DKPs，仅提到检测到或未检测到的杂环化合物，而其几何异构体二氢尿嘧啶却被提及[20]。另一方面，在模拟生源条件的实验中经常观察到DKPs，尤其是在尝试生成线性寡肽时（见下文）。由于环化产物会抑制线性肽链的延长，DKPs通常被视为不希望产生的副产物，因此提出了多种化学策略和生源条件来抑制其形成。总体而言，DKPs的生源意义仍存在争议，系统地分析现有相关文献将有助于推进该研究领域的发展。

本文重点关注最近报道的模拟生源事件的DKPs的有机化学方面（见图1E）。值得注意的是，在多年来发表的众多关于DKPs的综述论文中（见参考文献[1, 2, 3, 4, 5, 11, 12]），没有一篇专门讨论它们的生源化学特性。本文聚焦过去20年的研究，探讨了DKPs在各种条件和用途下的化学反应（如其形成、抑制和其他作用），并通过实验室和计算模拟进行了讨论。根据反应类型，文章分为五个部分：
(1) 通过光化学从CO和CH3OH生成DKPs；
(2) 通过氨基腈化学生成DKPs；
(3) 通过氨基酸缩合生成DKPs；
(4) DKPs衍生物和脱肽；
(5) DKPs作为反应底物。每种反应模式都通过插图进行了说明，并尽可能详细地说明了反应条件（如温度和时间）。由于大多数反应并非对映选择性或立体选择性转化，因此除了消旋反应（见第2.5节和图8E）外，未具体说明DKPs的α位立体化学。为简化表述，除非另有说明，本文统一使用“2,5-二酮哌嗪（DKPs）”这一名称，而不再使用“环状二肽”或“甘氨酸酐”等其他名称（见图1A）。

**2,5-二酮哌嗪（DKPs）的生源化学**

**通过光化学从CO和CH3OH生成DKPs**
在尝试模拟星际冰中核碱基的过程中，从甲醇和一氧化碳作为碳源观察到了2,5-二酮哌嗪（DKPs）的形成（见图2顶部）[24]。该实验通过极低温度、紫外线照射以及将水、氨、甲醇和一氧化碳的混合物蒸镀到铝表面上，模拟了星际分子云。液相色谱-质谱（LC-MS）分析显示DKPs是第五大丰富的杂环化合物，其产量超过了核碱基（如胸腺嘧啶和胞嘧啶）及其几何异构体二氢尿嘧啶的量。已知吡啶类化合物可通过光氧化生成环状酰胺（内酰胺）（见图2底部）[25]，尽管吡嗪类化合物生成DKPs的氧化反应此前尚未有报道。最近的一篇合成化学论文报道了吡啶衍生物的光化学转化生成吡啶氧化物[26]，类似的反应途径可能也参与了这一星际冰模拟过程，其中吡嗪环上的N-氧化物生成可能至关重要。如果DKPs的脱氧反应生成吡嗪酮衍生物，那么相反反应（即吡嗪衍生物的氧化生成DKPs）也可能存在[27]。如果吡嗪的光氧化具有化学挑战性，那么DKPs的C-O键可能来自甲醇和一氧化碳起始物质，使用同位素标记的起始物质（如18O）进行实验将很有意义。报告中检测到不同程度的氨基酸及其衍生物，这可能表明DKPs的形成机制类似于第2.2节和2.3节中的酰胺偶联过程。无论反应机制如何，由于大多数生源化学研究都是针对多肽科学进行的，因此星际冰模拟的结果表明DKPs作为其他生物分子（如核苷酸）化学进化中的杂环化合物具有重要意义。

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**图2. 模拟星际分子云生成2,5-二酮哌嗪（DKPs）的实验方案**
顶部：基于C18（十八烷基硅烷或ODS）柱的分析结果，显示水、氨、甲醇和一氧化碳混合物生成DKPs作为五种主要产物之一。吡嗪（第三大产物）用红色箭头标出，因为它可能是DKPs的前体。
底部：另一项关于吡啶（吡嗪的几何异构体）光氧化的研究方案，其机理可能与DKPs的生成相关。

**通过氨基腈化学生成DKPs**
模拟ハデアン大气条件时，在Miller-Urey类型反应中使用氨基腈（H2N–CN）作为构建块，检测到了三种类型的DKPs（见图3A顶部）。由于其作为碳基生命构建块的潜力，氰化物在许多生源化学领域受到关注[28, 29, 30, 31, 32]。为了使用更先进的分析方法分析Miller-Urey实验的结果，Fernández、Bada及其同事在水溶液中模拟了甲烷、氨和氨基腈的反应，并施加持续电放电和加热[33]。液相色谱、离子迁移谱和质谱分析表明，除了蛋白质生成氨基酸和二肽等产物外，还生成了三种类型的DKPs。DKPs的形成归因于氨基腈对线性二肽的活化及其随后的分子内亲核攻击导致环化（见图3B底部）。虽然甘氨酸是生源化学研究中DKPs最常见的成分（见下文），但本实验中也检测到了亮氨酸和脯氨酸衍生物。另有报道指出脯氨酸衍生物具有异常的酸性质[34]，这可能暗示了这些氨基酸的生源意义。

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**图3. 氨基腈化学生成2,5-二酮哌嗪（DKPs）衍生物**
(A) Miller-Urey类型电化学反应方案，其中检测到三种类型的DKPs及其他氨基酸和肽类产物。
(B) 提出的DKPs生成反应机理。
(C) 两种反应方案比较了乙酰基对氨基腈起始物质的影响，说明通过硫酰胺/硫羰基（C═S）中间体生成肽类的过程。
顶部：无乙酰基的氨基腈（用黑色箭头标出），最终生成DKPs作为主要产物。
底部：乙酰化的氨基腈（用红色箭头标出）生成线性肽类，未检测到DKPs。
(C) 氨基腈和半胱胺（H2N–CH2CH2–S–S–CH2CH2–NH2的氧化形式与HS–CH2CH2–NH2的还原形式）在pH依赖性条件下生成DKPs。

通过结构改变和pH控制，氨基腈衍生物可以成为典型氨基酸和线性肽类的前体（见图3B,C）。由于有机腈化合物可作为羧酸衍生物的前体，氨基腈对于多肽的合成具有价值和意义[35, 36]。一个简单的例子是氨基乙腈（与水反应）可生成氨基乙酸（即甘氨酸）[37]。在模拟富含硫的生源环境中，氨基乙腈还可以发生硫醇解反应（与硫化氢等硫基化合物反应），最终主要生成DKPs而非氨基酸和线性肽类（见图3B顶部）[38]。相反，乙酰化的氨基腈可以显著抑制DKPs的形成，从而生成线性寡肽（见图3B底部），这可能是由于乙酰化氮中心的亲核性降低所致。据报道，一种基于半胱胺的氨基腈化合物表现出pH依赖性的反应性：在中性pH条件下优先生成DKP衍生物，但在酸性条件下则不会（图3C）[39]。通过氨基酸缩合形成DKP类似现代化学和生物系统中的固相合成和核糖体合成，大量文献尝试通过连接氨基酸构建块来生成线性寡肽，同时伴随着不同程度的DKP形成。从氨基酸构建块自下而上的多肽合成是前生物化学研究中最常研究的主题之一（图4）。我建议读者参考一篇关于这种线性多肽生成的综合性综述[40]。本节的第一部分重点介绍了五种具有前生物学可行性的氨基酸偶联反应实验：（1）原始汤或水相反应，（2）火山环境，（3）原始细胞或囊泡，（4）矿物表面的非均相化学，以及（5）机械力诱导的化学反应，如外星撞击，随后讨论了偶联试剂和计算研究。值得注意的是，在各种前生物学相关条件下，DKP倾向于在较高温度下形成，因为一些文献提到这种反应结果是普遍趋势（图4A）[41, 42, 43, 44]。尽管如此，许多论文依赖于相对较高的温度反应条件（图4），这可能是由于酰胺偶联过程本身较为缓慢。许多偶联实验都使用了与前生物学相关的激活剂，并且还有一个小节专门讨论了偶联反应的类型和激活模式。即使本节涵盖的大多数文献可能认为DKP是无用的副产物，但也有一些文献表明DKP具有功能性作用（第2.5节）。我在节的末尾还包含了氨基酸偶联反应的计算模拟。

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**图4.** 在各种具有前生物学相关条件下进行的氨基酸偶联反应的实验模拟，包括生成和不生成2,5-二酮哌嗪（DKPs）的情况。（A）从氨基酸构建块生成线性肽或DKP的一般反应方案。用温度计的漫画图案表示DKP在较高温度下更易形成而在较低温度下较难形成的普遍趋势。（B）模拟原始汤的水相偶联反应。图中显示的水相反应的pH依赖性数据来源于之前的报告[50]。版权所有2018年，Mary Ann Liebert, Inc.（C）模拟火山环境的二氧化硫反应介质中的偶联反应。（D）模拟原始细胞环境的脂质介导的湿-干循环偶联反应。（E）矿物表面的偶联反应。顶部：具有前生物学相关性的矿物示例。中部：一系列氧化物矿物对甘氨酸寡聚化产物分布的条形图。该条形图来源于之前的报告[77]。版权所有2017年，Springer Nature。底部：示意性地展示了DKP形成与二氧化硅表面OH基团密度之间的关系。（F）模拟外星撞击的固态氨基酸偶联反应。

在溶液状态下进行的均相氨基酸偶联反应在许多模拟条件下已经被广泛研究，并且有许多策略被用来抑制DKP的形成。尽管在合成化学领域早已认识到在非酸性溶剂中从氨基酸构建块生成线性肽的相对容易性[45, 46]，但在类似原始汤和热液喷口的具有前生物学相关性的水相环境中进行氨基酸偶联仍然非常有趣（图4B）。例如，已经研究了添加剂和pH值的影响，这些因素通常会导致不同的反应结果（即DKP形成的增加或减少程度不同[47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55]。在这些报告中测试了许多20种蛋白质生成氨基酸，其中一个显著的例子是通过硼酸介导的化学反应生成39个甘氨酸线性肽，同时产生了不同量的DKP[56]。考虑到水对氨基酸偶联反应的负面影响，如底物失活（例如胺质子的质子化和羧酸的脱质子化）以及活性酯的分解，人们积极探索了非水相前生物学条件[57, 58]。实际上，所有20种标准氨基酸在二氧化硫（SO2）作为反应介质时都被证明适合进行肽偶联，并且这种非水相反应条件可能与火山环境有关（图4C）[59, 60]。

脂质介导的化学反应可以在不生成可观量DKP的情况下提供类似原始细胞的环境来形成线性肽（图4D）。超分子组装和系统化学被认为是复杂生物分子化学进化的主要驱动力之一[35, 61, 62, 63]。在潜在的前生物学条件下，氨基酸偶联反应也可以通过脂质的共价和非共价组装来促进[64]。已经证明，磷脂和氨基酸构建块的结合可以通过氨基酸和脂肪酸单元之间的共价键形成囊泡。结合湿-干循环过程，在囊泡条件下可以促进肽偶联反应，从而生成线性肽而不产生大量DKP。

已经广泛研究了各种矿物作为潜在激活剂和催化剂对肽形成的影响（图4E，顶部）[41, 42, 43, 44, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74]。矿物被认为是前生物世界中的重要参与者，因为它们的表面化学性质或非均相反应/催化作用可能是激活惰性分子物种的机制。已经发表了关于矿物在前生物化学和地球化学中重要性的综合性综述[75, 76]。图4E中间的条形图展示了一个例子，表明某种矿物氧化物（如α-氧化铝）可以在生成线性二肽的同时几乎不产生DKP[77]。即使对于特定类型的矿物，改变其表面功能基团的密度（例如二氧化硅表面的OH基团）也可以调节DKP的产生水平（图4E，底部）[78, 79]，这表明矿物作为催化剂的巨大潜力以及研究每种矿物性质以理解这些非均相系统化学功能的必要性。由于这种非均相化学在现代合成化学领域（包括金属有机框架（MOFs）中仍然很重要[80]，因此进一步研究表面反应对广泛社区来说将非常有价值。

机械力诱导的反应可能是前生物学相关的事件，并且可以在固态条件下促进氨基酸偶联，从而规避水的负面影响（图4F）。这种反应模式在合成化学中被称为机械化学[81]，可能与包括外星撞击和岩石圈活动在内的前生物学事件类似。实验上，机械化学过程可以是无溶剂的反应（可能与热固态反应不同[82]），可以避免偶联过程中水的不良影响，但在机械化学反应中加入液体可能是有益的（称为液体辅助研磨）。使用二氧化钛作为潜在的路易斯酸激活剂，在固态反应条件下可以生成十四甘氨酸（Gly14）[83]。虽然观察到了DKP的产生，但在机械化学条件下也展示了从DKP生成线性寡肽的可能性（见下文）。

关于图4中的许多氨基酸偶联反应的模拟实验依赖于将羧酸活化成酯衍生物，以促进酰胺键的形成（图5）。由于脱质子化的羧酸或羧酸盐对于酰胺偶联反应来说亲电性较差，因此通常会将羧酸转化为活性酯，即使在酶介导的偶联过程中也是如此（图1C，右侧）。当线性二肽转化为活性酯后进行分子内环化反应时，会形成DKP（图5顶部），除非另一种亲核分子（即氨基酸或肽的N端氨基）比分子内过程更快地引发分子间亲核攻击以延长肽链。在没有酶和其他分子机制的潜在世界中研究潜在的偶联反应时，提出了多种具有前生物学可行性的偶联/激活试剂，包括硼酸（图5，条目1），它成功生成了39聚肽（图4B）[56]，以及可以从氰胺前体生成的碳二亚胺（条目2）[84]。值得注意的是，像碳二亚胺这样的强激活剂会抑制DKP的形成[85]。也许受到磷酸盐及其在许多情境中的重要性和多样性（[86, 87, 88, 89]）的启发，一些前生物化学文献使用了磷酸盐激活剂[47]，如二酰胺磷酸（DAP，条目3）[51, 90]和三偏磷酸（条目4）[52, 91, 92, 93]。图3B中提到的氨基腈衍生物的硫醇解也可以被视为一种激活过程（条目5）。矿物作为激活剂或催化剂的能力可能源于它们的路易斯酸性性质（条目6）[53, 74]，尽管由于矿物类型、组成和密度的多样性，可能存在很多例外情况。

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**图5.** 实验中用于模拟肽偶联的前生物学相关偶联/激活策略列表，包括生成和不生成2,5-二酮哌嗪（DKPs）的情况。顶部方案中的蓝色箭头指出了被试剂激活的羧酸的OH基团。展示的激活剂顺序基于激活羧酸的元素的原子序数（即B、C、P、S等）。

计算模型提出了有助于减少DKP形成的独特反应条件（图6A），包括气相、非晶态二氧化硅-水界面和空气-水界面。一般来说，计算方法可以是深入理解实验观察结果的强大工具，并且能够模拟实验室中难以实现的反应条件[95, 96]。例如，对气相中多个水分子参与的甘氨酸缩合反应进行密度泛函理论（DFT）计算表明生成了线性二肽，而没有显示出DKP的形成（图6B）[97]。所提出的反应途径是一种同时进行键形成和断裂的协同机制，在传统的羰基反应模式中相当不常见，尽管最近报告了气相中糖类形成的类似协同反应[99]。分子动力学（MD）模拟是另一种计算方法，用于理解复杂的反应系统，例如通过最小化氢键网络来模拟二氧化硅上的酰胺键形成的非均相化学（图6C）[100]。还计算研究了空气和水之间的前生物化学反应，结果表明阴离子物种有助于生成线性肽而不是DKP（图6D）[101]。

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**图6.** 计算模拟表明抑制了2,5-二酮哌嗪（DKPs）形成的氨基酸偶联反应。（A）一般反应方案。（B）气相中甘氨酸偶联反应的密度泛函理论（DFT）计算。（C）非晶态二氧化硅-水界面上甘氨酸偶联反应的分子动力学（MD）模拟。（D）空气-水界面上的肽偶联反应的MD模拟。

由于DKPs的化学惰性常常阻碍线性肽的链生长，因此在前生物化学中引起了人们对带有酯骨架的 depsipeptides 的极大关注（图7A）。DKPs——即环状系统中具有两个酰胺基团的二内酰胺化合物——通常被视为肽偶联反应的死胡同，因为这些化合物缺乏可激活的羧酸盐基团和许多化学反应性。另一方面，肽和DKPs的等电子衍生物，如depsipeptides（酯骨架）和morpholine-diones（一个酯基和一个酰胺基团），源自α-羟酸，表现出高反应性，可能作为前生物学相关的生物分子[102, 103]。理论上，含有六个成员环中两个酯基团的二内酯可以从α-羟酸生成，但其形成可能是短暂的并且能量上不利[104, 105]。通过起始材料的这些结构特征抑制DKP的形成类似于图3B（第2.2节）中讨论的乙酰化氨基酸。

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**图7.** 2,5-二酮哌嗪（DKPs）及其衍生物用于氨基酸和羟酸的偶联。（A）DKP及其等电子类似物morpholine-dione和二内酯的形成一般反应方案。（B）氨基酸和羟酸系统中的湿-干循环实验方案。顶部：从氨基酸和羟酸构建块生成depsipeptides和DKP的方案。底部：吗啉二酮介导的脱肽酸形成。(C) 四乙基铵氯化物、氨基酸和乙二醇的深共晶溶剂通过抑制DKP的生成来促进脱肽酸的形成。通过组合α-羟基酸和氨基酸可以促进线性寡聚体的形成，从而可能减少DKP的产量[106, 107]。羟基酸和氨基酸的湿-干循环可以使超过10个单体单元结合，但在模拟反应中DKP的形成程度仍然不可忽视（图7B，顶部）[108]。Powner及其同事展示了作为构建块的二聚体单元（例如吗啉二酮，即DKP的等电子物种）对线性脱肽酸链增长的贡献（图7B，底部）[109]。利用吗啉二酮比DKP更高的反应活性，这项工作能够结合15个单体单元形成线性脱肽酸，同时明显抑制了DKP的形成。为了促进缩合反应，人们还研究了深共晶溶剂在脱肽酸形成中的可行性（图7C）[110]。深共晶溶剂是由分子物种组成的混合物，具有液态形式[111]，并且在前生物化学领域已经有一系列关于其潜力的出版物[112, 113, 114]。研究表明，在氨基酸和α-羟基酸的存在下，四乙基铵氯化物可以形成深共晶溶剂，这些化合物单独存在时通常是固态的。这种酸的共晶溶剂在加热时可以生成羟基酸封端的六甘氨酸（Gly6），而检测不到明显的DKP水平。

**DKP作为反应底物**
尽管DKP具有众所周知的化学稳定性，但有越来越多的证据表明DKP可以作为生成前生物重要肽分子的基础构建块[115]。前几节讨论的许多文献都集中在化学和物理条件下，这些条件下DKP的生成量很少，因为二内酯骨架的异常热力学稳定性使它们成为进一步转化的死胡同（图7A）。尽管如此，人们一直在努力寻找DKP的生产性作用，包括它们作为构建块和催化剂的能力[116, 117, 118, 119]。本节强调了某些近期研究，表明DKP在寡肽起源中的有用性。DKP的环-opening反应已被证明可以在一系列前生物学上合理的条件下生成线性肽。噁唑烷二酮衍生物作为肽偶联过程的构建块引起了相当大的关注，计算研究（DFT计算和MD模拟）表明DKP可以转化为噁唑烷二酮，然后在气相中进一步转化为线性肽（图8A）[120]。虽然这项计算研究表明DKP可以通过环收缩途径生成肽链，但其他实验研究显示DKP起始材料可以通过不同的机制生成线性肽，例如钾离子增强水解（图8B）[121]以及在与二氧化硅表面进行湿-干循环条件下的与线性二甘氨酸的偶联（图8C）[122]。图4F中描述的钛氧化物机械化学条件也可以用来从DKP生成十甘氨酸（Gly10）（图8D，左），实验观察表明在此过程中可以生成不同大小的线性肽[83]。由于DKP衍生物的环-opening反应是合成有机化学领域活跃的研究课题[123, 124]，这些前生物化学论文对许多现代应用也可能具有价值。

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**图8. 2,5-二酮哌嗪（DKPs）作为前生物学肽类形成的构建块。**
(A) 通过噁唑烷二酮作为从DKP衍生的关键中间体的寡肽形成的密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟。
(B) 用钾盐而不是钠盐促进DKP水解为线性二肽。用钠盐而不是钾盐促进线性二肽分解为氨基酸。
(C) 通过湿-干循环在二氧化硅表面上从DKP和二甘氨酸形成四甘氨酸。
(D) 通过机械化学的DKP固态反应。左：使用二氧化钛从DKP形成寡肽。右：通过与甲醛的逐步反应从DKP形成羟甲基化和脱氢丙氨酸。
(E) 在有机溶剂中对DKPs进行单电子消旋化，作为合成化学研究而非前生物化学研究。

**除了从环状物种生成线性肽的研究外，** DKP还可以通过甲醛的 functionalization 从更简单的氨基酸残基生成更复杂的氨基酸残基（图8D，右）[125]。机械力诱导的固态反应已被证明可以在DKP物种上引起羟甲基化，这些物种可能经过氧化过程转化为酰化DKP。众所周知，酰化DKP可以与醛类物种快速发生醛醇缩合[126]，并推测羟甲基化和随后的反应（即与甲醛的氧化和醛醇缩合）最终可能导致脱氢丙氨酸物种的出现，这在氨基酸和肽的化学进化中已被广泛研究，与现代酶促过程有些类似[127, 128]。
有两篇独立的报告描述了DKP骨架中氨基酸残基的单电子消旋化的可能性，尽管这些条件仍然依赖于与前生物学无关的有机溶剂作为反应介质（图8E）。本综述中涵盖的大多数DKP研究并未关注α-位置的立体化学性质，尽管研究其手性的起源仍然非常重要[129, 130]。外消旋DKP的单电子反应可以通过两种类型的化学途径实现对映体富集（即消旋化）：(1) N-氧化物自由基化学[131] 和 (2) 光催化[132]。两项报告中的DFT计算都支持了碳中心自由基物种的参与。即使这些系统没有使用与前生物学相关的试剂/催化剂和反应介质，这些观察结果也可能代表了前生物世界中化学/结构相似物种在对称性破缺中的重要性，其中DKP可能发挥关键作用[133]。在合成有机化学领域也报道了DKP衍生物的不对称氢化[134]，可能有多种途径在DKP骨架上生成特定的立体化学性质。尽管这些报告很重要，但需要澄清的是，这些化学转化是为了现代合成化学目的而开发的，未来有必要在前生物学上合理的条件下探索这些反应。

**DKPs的分析挑战**
最后，这一小节描述了前生物化学研究中DKPs的分析方面，这对可靠检测这些化学上惰性的、杂环的肽类分子提出了挑战，因为它们没有明显的检测方法（图9）。上述许多与DKP相关的文献依赖于有机化学中的典型表征方法，如液相色谱（LC）、质谱（MS）和核磁共振（NMR），同时也可以使用其他光谱方法，包括红外（IR）[135, 136] 和拉曼光谱[68]。然而，有多篇报告指出DKPs的分析存在困难[137]，例如在MS中的低离子化[108]、气相色谱（GC）分析中的不敏感性[138]、LC分析中的校准曲线不理想[73]。这些检测挑战对以上讨论的所有实验模拟的有效性提出了疑问。二氢尿嘧啶会显示出与DKP相同的完整质量特征（图9A），因此，在手稿中声称观察到了二氢尿嘧啶衍生物时，可能需要将数据与DKP标准物进行比较（例如，共注射）[24]。对于取代的DKPs来说，区分异构体也至关重要，因为顺式和反式异构体在分析过程中可能表现出相似或几乎相同的行为，即使这些异构体在生物学上可能有显著不同的功能[139, 140, 141]。样品中的线性肽可能在分析阶段转化为DKP（图9B），因此可能需要常规地进行控制实验以排除这种可能性[142]。对于低浓度样品或没有实际可检测基团的化学物种，荧光标记可能非常有用[143, 144, 145, 146]，但由于DKP缺乏化学反应性，这种方法可能不适用于DKPs（图9C）。这些挑战可能源于DKPs的杂环性质，它们的行为更类似于核碱基而非氨基酸/多肽，这些独特的化学性质可能是某些研究排除DKP进行分析的原因[147, 148]。上述提到的DKPs的共注射在一定程度上可以缓解这些问题[149]，尽管这种策略只有在知道样品中存在哪种DKPs时才有效。可能没有通用的方法可以在给定背景下正确分析DKPs，这可能在分析化学和仪器学社区中是一个重要问题。例如，开发专门的DKP色谱方法和质谱设置将有助于实现这一目标，类似于生物分子领域为肽、核苷酸、脂质和代谢物开发最佳分析方法的方式。缺乏化学标记方法（图9C）可能是有机化学家和化学生物学家开发新的DKP底物分析工具的动力。

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**图9. 2,5-二酮哌嗪（DKPs）分析挑战的典型例子。**
(A) 具有相同化学式（C4H6N2O2）和精确质量（114.042928 Da）的DKP和二氢尿嘧啶的化学结构。
(B) 即使分析样品中不含DKP，但由于其在分析过程中由三甘氨酸（Gly3）形成，仍然可以观察到DKP信号的示意图。
(C) 显示DKP对氨基标记的化学惰性的反应方案，这可以用来放大未受保护的氨基酸的信号。

**总结与展望**
通过仔细研究2,5-二酮哌嗪（DKPs）的前生物有机化学，几个化学原理被证明是有前途的反应过程，可以促进跨学科研究，包括有机化学、生物分子化学、前生物化学、绿色化学和药物化学。上述大量文献采用了有趣的方法来避免在水或其他前生物学相关条件下进行线性肽合成时DKP的形成，这一努力也会引起现代合成化学的兴趣[150, 151]。传统上，DKPs被认为是多肽研究领域的课题，但在星际冰模拟物中基于光辐照的DKP形成（图2）表明了它们在杂环化学（如核碱基）中的更广泛意义[152]。DKP形成的独特模式可能暗示了可能存在未被发现的前生物学上合理的DKP形成途径[153]。前生物学研究DKPs仍存在未开发的机会和挑战。尽管DKPs在现代化学领域具有超分子能力，包括它们与RNA[155]和囊泡/脂肪酸[156, 157]的相互作用，但它们迄今为止并不是自组装和系统化学研究的主要焦点[154]。在现代生物系统中生成DKPs的主要途径之一是较长多肽或蛋白质的分解，可能需要在前生物学背景下研究这些反应模式，以更好地理解DKPs的作用[49, 53]。由于各领域术语不一致（图1A），收集和分析关于DKPs的大量文献存在困难，这使得相关论文往往难以通过关键词搜索找到。也许未来人工智能（AI）技术的发展可以解决DKP文献搜索的问题，但在各个手稿的摘要和正文中鼓励尽可能包含尽可能多的替代名称。前生物化学领域众多论文中缺乏与DKP相关的信息——这可能是由于上述分析挑战所致——也限制了我们对测试条件下这些化学物种的理解[158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168]。不仅多肽形成的研究应该考察反应过程中DKP的潜在形成，前生物化学研究其他生物分子时也可能需要考虑DKP的形成，尤其是在核碱基/杂环文献中。在天文化学/地球化学样品的检查中也可能没有始终搜索DKPs[20]，总体而言，这一考虑应在广泛的前生物化学社区中加以重视。许多分子的前生物学重要性仍然不明确，DKPs也不例外。综述文章中讨论的、关于DKPs（二酮哌啶类化合物）在益生元框架下可能发挥的正面和负面作用的证据，仍然引发了一个问题：即DKPs是否对于复杂生物大分子或原细胞的起源是必需的。由于许多生物和细胞分子的作用需要数十年的研究才能得以阐明[169]（至今仍有许多作用不为人知[170]），因此需要更广泛的科研团队继续探讨这种肽类杂环化合物的生化特性。

**利益冲突**
作者声明不存在任何利益冲突。

**数据可用性声明**
由于本研究期间没有生成或分析任何数据集，因此本文不适用数据共享的规定。