生命为什么需要那么多氨基酸?

作者:孙慧敏/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-02-25

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这个问题可以用量子化学解释。

生命为什么需要那么多氨基酸?

生物化学中最古老,也是最基本的问题之一就是,既然已经有13个氨基酸是生命核心部分,那为什么生命所需的二十个氨基酸都是必需的呢?不过,我们或许可以从量子化学的角度找到答案。根据一项新的研究,另外七种氨基酸尽管在空间结构上并没有什么特殊的地方,但是其实它们参与的体内化学反应对生命也是至关重要的。

量子化学指的是利用量子力学的原理来解决相关问题,在量子力学中,我们根据概率和波状特性来描述粒子,研究原子在化学反应中的行为也可以应用这种方法。

这项新研究背后的国际研究团队使用了量子化学技术来比较在太空中或者存留在陨石碎片中的氨基酸和支持地球上生命的氨基酸。

来自德国美因茨约翰内斯古腾堡大学(Johannes Gutenberg University)的研究人员Bernd Moosmann表示:“今天我们在太空中的研究实现了从呆板的化学到生物化学的转变,这多亏了这额外的7种氨基酸,从而提高了以氨基酸为基础的大生物分子的反应能力。”

由遗传物质DNA发出命令,氨基酸按照不同顺序组成蛋白质,而这些氨基酸都是在地球刚出现的时候,也就是大约在454亿年前形成的,所以它们是生命最早的组成部分之一。

然而,在进化过程中,为什么最终我们需要20个氨基酸来处理这种遗传编码却无人知晓,因为最初发现的13个氨基酸应该已经足够完成这项任务了。

研究人员发现的另外7种氨基酸的“柔韧度”越大,这意味着它们在化学变化方面更灵活,更容易与其他物质发生相互作用。

如果把氨基酸表示成圆,那么它们可以被画成多个同心圆,分别代表不同的能级,而不是同一化学硬度和能级的单一圆,如下图所示。

生命为什么需要那么多氨基酸?

通过量子化学计算确定了这个假设,研究人员们可以通过一系列的生化实验来支持他们的想法。

在这一过程中,研究小组确定了另外7种氨基酸,特别是蛋氨酸、色氨酸和硒化半胱氨酸,可能是对早期地球上生物圈中氧气含量增加的一种反应。

我们无法追溯太过久远的事情,因为从来没有留下残存着第一个有机化合物的化石供我们分析,但这又可能是揭开地球生命形成过程的重要部分。

最早期的活细胞试图处理额外的氧化应激就是一个适者生存的例子。那些最终存活下来的细胞一般都是通过保护这7种新的氨基酸以最好地处理额外的氧气。

Moosmann 表示:“鉴于此,我们可以将氧气描述为基因编码中的最后触碰。”

这项研究已经发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。


蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 孙慧敏,转载须授权 

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