【译】生命起源 II:先有鸡还是先有蛋?
原作:Chaotropy
引言:这篇文章是关于生命起源、无机起源、化学进化和RNA世界假说的系列文章中的第二篇。
/机器翻译/
现在让我们从另一个方向来看待进化:在今天的生命中,存在着一种高度保守的密码,我们人类与所有其他生物(无论是果蝇还是森林大象)都(部分地)共享这种密码。这个密码不是储存在RNA中,而是储存在更加稳定的DNA(脱氧核糖核酸)中,其中核糖被能量更加稳定的脱氧核糖所取代。两分子DNA形成一个双链,这也有助于其稳定性:核酸碱基胞嘧啶和鸟嘌呤,以及胸腺嘧啶和腺嘌呤,具有如此匹配的空间结构,使它们在电静力作用下互相吸引并将两条链结合在一起。然而,为了实现这一点,必须满足一个条件:无论一条链上有胞嘧啶,另一条链上必须有鸟嘌呤,反之亦然。同样,如果一条链上有胸腺嘧啶,另一条链上必须有腺嘌呤,反之亦然。这意味着双链中一条链的DNA始终是另一条链的复制品,而且两者方向相反。如果我们用它们的首字母缩写来表示核酸碱基,我们可以轻松想象出这样一个可能的双链结构:
...AGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCT...
...TCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGATCGA...
DNA 双链形成众所周知的双螺旋结构,该结构特别稳定,正如 James Watson 和 Francis Crick 在 1953 年所描述的那样。两人都于 1962 年获得了诺贝尔奖。
在我们已知的生物体中,特定酶可以将DNA的双链分离一小段时间,以生成一个匹配的RNA链(它包含尿嘧啶而非胸腺嘧啶,它与腺嘌呤也匹配)。这个新的单链RNA——称为信使RNA——然后可以通过一个系统被翻译成一条氨基酸链(或多肽链),其中连续三个核酸碱基编码一个氨基酸。DNA的记忆代码使用四个不同的字母,因此成为具有二十个字母的蛋白质功能字母表(20种氨基酸)。因此,DNA中的核酸碱基的线性序列可以通过RNA转录成同样线性的氨基酸序列,这符合教条:
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多肽链是蛋白质的最低级别组织形式。它形成三维结构:蛋白质。由于二十种不同的氨基酸可以组装成几乎任意长度的链,蛋白质可以具有多种化学性质。
顺便说一句,我们将 DNA 中的每一个信息单元称为基因,其转录到氨基酸系统中会产生(有意义的)蛋白质。我们身体的每一种表现,从大脚趾上的皮肤到大脑神经元的走向,都遵循这些基因的表达和所产生的蛋白质的特定相互作用。一些蛋白质形成我们的组织结构的纤维,比如胶原蛋白。其他的存在于细胞膜中,它们在那里形成通道,例如。有些甚至在它们的主干关键点上有口袋,其他分子可以结合在其中,扭转蛋白质的整个基本结构。例如,当特定的信号分子结合时,离子通道可能只打开。其他的是催化剂;我们称它们为酶。它们的基本功能需要简要解释:酶提供可以降低化学反应活化能的微环境。这是可能的,因为酶获得了特殊的化学性质:一些与无机分子结合,比如金属离子。这反过来可以将化学反应分解为中间步骤,每个步骤需要更少的能量。反过来,金属离子与反应物形成短暂的复合物。因此,一个具有高活化能的反应变成了几个具有如此低活化能的部分反应,以至于周围的能量足以启动它们。金属离子就像让人能够攀登高墙的梯子。因此,酶可以催化化学反应——它们是生物催化剂,作为代谢过程的关键。它们使能量复杂的反应在没有闪电、火山等情况下发生。酶在我们的有机体中执行无数任务,并以数千种不同的变体存在,具有不同的性质。数千个基因包含了它们的蓝图。
DNA到RNA的转录以及从RNA到氨基酸链(或蛋白质)的翻译是由特殊酶催化的所有这些化学反应完成的。然而,这些翻译酶又是通过基因的表达产生的,而没有酶,这也是不可能的。生命如何从最初的原始化合物中产生是一个古老的鸡和蛋问题。究竟哪个先出现?稳定能量的核酸碱基链——蛋白质的密码——还是一种原始的能够复制核酸碱基链的蛋白质?
Sidney Altman和Thomas R. Cech在1982年做出了开创性的发现,解决了这个谜题:他们发现了一类“酶”,存在于每个细胞中,由RNA而非多肽链(即氨基酸)组成,并将它们称为核糖酶。两人因此在1989年授予了诺贝尔化学奖。
因此,一个复杂的RNA分子不仅可以存储信息,还可以潜在地执行类似酶的任务。那么也许这些核糖酶是来自另一个世界的活化石,在那里RNA在生物体内扮演着所有工作的角色?根据这一假设,关于鸡(蛋白质)和蛋(DNA)的问题就可以得到解决:两者都不是先有的。
在核酸碱基和第一批RNA分子出现后,化学进化可能朝着基于RNA的生命——RNA世界迈出缓慢的步伐。偶然间,越来越长的RNA分子进化出来,这些分子再次在空间中折叠形成更复杂的结构。然而,一个长RNA分子的空间结构本身并不是偶然的产物,而是遵循从链的主要结构导出的规则,即四个核酸碱基的序列。想想DNA,其中两个匹配的核酸碱基相互吸引形成双链。这个规则也适用于单链RNA:如果一个RNA足够长,它很可能具有匹配的片段。
这也使得单链RNA根据其核碱基序列规则在不同点处连接到自身,形成复杂的空间结构。这有时会承担与蛋白质类似的功能。在数百万年的长河中,更长、更复杂的RNA分子进化出来,并可能是所有生命的基础。