最早的蛋白质是怎么产生的

新浪
2020-06-29

分享本文至∇

新浪2020-06-29

大约在37亿年前,地球上出现了第一批蛋白质。一直以来,科学家都希望能弄清这些最早的蛋白质究竟是如何产生的,以及它们会是什么样子的。然而,想要了解这些信息并非易事,因为这些蛋白质可能是基于非生物自发合成的;此外,现代蛋白质的结构和功能又很可能与这些最早的祖先蛋白质之间差异巨大。

现代蛋白质是由20多种不同氨基酸组成的。氨基酸是蛋白质形成所必需的部分,它们以聚合物(长长的链状分子)的形式线性排列,构成大分子形式的蛋白质。在蛋白质的长链分子中,每个氨基酸的位置对蛋白质的具体结构和功能都至关重要。

一直以来,蛋白质的起源问题都是一个好似“先有鸡还是先有蛋”的悖论:合成蛋白质所需的氨基酸本身离不开各种生物酶的作用;而酶本身就是蛋白质。直到现在,科学界都都无法很好地对此作出解释。

支持蛋白质出现在细胞和生命之前的科学家认为,最早的真正意义上的蛋白质是由肽构成的,而这些肽可能是由那些在原始化学汤中自发产生的氨基酸组成的;短肽会彼此结合,随着时间的推移,产生一种具有某种功能的蛋白质。

生物学家Miller和Urey在1952年进行了一项著名的研究,他们通过实验证明了氨基酸可以自发生成。实验中,他们模拟了科学家推测的在生命存在之前的地球环境,发现在适当的条件下,氨基酸可以在不借助酶或其他现有的生物机制的情况下得以形成。

这样的结果是否意味着,氨基酸是可以先于酶形成的?

然而答案却是否定的。因为在那个实验中,有一类至关重要的氨基酸是缺失的;并且不仅仅是在那个实验中,在随后的每个这样的实验中,这种氨基酸都是缺失的:这是一类与精氨酸和赖氨酸一样,携带正电荷的氨基酸,即所谓的碱性氨基酸(阳离子氨基酸)。

碱性氨基酸对现代蛋白质来说特别重要,因为它们会与携带净电荷为负的DNA和RNA相互作用。现在我们认为,RNA是最原始的既能携带信息又能自我复制的分子,因此它们与带正电荷的氨基酸作用,或许是使得生命细胞得以进一步发展的必要步骤。

虽然Miller和Urey的实验没有产生已知存在于现代蛋白质中的碱性氨基酸,却的确出现了一种名为鸟氨酸的携带正电荷的氨基酸。后来的生物学研究发现,鸟氨酸只是精氨酸制造过程的一个中间步骤,其侧链能通过非生物化学反应进一步修饰为精氨酸,因此它本身并不能被用来制造现代蛋白质。

在一项新的研究中,来自以色列的魏茨曼科学研究学所和希伯来大学的研究人员提出了这样一个问题:鸟氨酸是否可能是那些祖先蛋白中的碱性氨基酸呢?

实验中重构的蛋白质(HhH)2与现代DNA分子的结合。实验中重构的蛋白质(HhH)2与现代DNA分子的结合。

他们设计了一系列实验来检验这种可能性,他们重构了一种蛋白质序列,这些蛋白质序列很可能与失散多年的祖先蛋白质非常相像。实验先从一个能与DNA和RNA结合的相对简单的蛋白质开始,然后利用系统发育的方法来推断祖先蛋白质的序列。这是一类富含正电荷的蛋白质,其中64个氨基酸中有14个都是携带整点的精氨酸或赖氨酸。

接着,他们用鸟氨酸作为正电荷载体取代了精氨酸或赖氨酸,创造出了合成蛋白质。这些以鸟氨酸基础的蛋白质会与DNA结合,但结合强度不大。

通过简单的化学反应将鸟氨酸转化为精氨酸。图片来源:魏茨曼科学研究学院通过简单的化学反应将鸟氨酸转化为精氨酸。图片来源:魏茨曼科学研究学院

在新的实验中,研究人员采用简单的化学反应,将鸟氨酸转化为了精氨酸;而这些化学反应发生的条件,是科学家认为在第一批蛋白质出现之时,普遍存在于地球上的环境。随着越来越多的鸟氨酸被转化为精氨酸,蛋白质就会变得越来越像现代蛋白质,并以更强、更有选择性的方式与DNA结合。

含有原始精氨酸的蛋白质(右)可能具有自我组装和相分离的能力,从而产生类似细胞的液滴。含有原始精氨酸的蛋白质(右)可能具有自我组装和相分离的能力,从而产生类似细胞的液滴。

科学家们还发现,在RNA存在的情况下,肽的古老形式会进行相分离(就像油滴在水中出现油水分离一样),这一步骤会导致自我组装和分离。研究人员解释说,这表明这些蛋白质和RNA可以形成原始细胞,而我们现在所知道的活细胞可能就是从那样的原始细胞中进化而来的。