（环境科学专业论文）n磷酰化氨基酸与遗传密码起源关系的理论研究.pdf

北京工数大学工举鞭圭学茳论文 7 il j ii , i 2 s ! 姊s 燃 a b s t r a c t 鼗i sa l w a y st h eh o t s p o ts t u d i e di n 酶d o m a i no ft h eo r i g i no ft i l et h a ti st h e o r i g i no f t h el a r g eb i o l o g i cm o l e c u l e si 辣t h ee a r t h s p r i m o r d i a le n v i r o n m e n t 。i ti s f o u n dt h a t p h o s p h o r y l a m i n oa c i dc o u l d s e l f - c a t a l y z e a n ds e l f - a s s e m b l ei n t o p o t y p e p t i d e sa n dp o l y n u l e o t i d e ss i m u l t a n e o u s l yt of o r mab a s i cs y s t e mt h a tc a n c o m b i n et h eo r i g i no fn u c l e i ca c i da n dp r o t e i nt o g e t h e ra n de x c h a n g ee n e r g ya n d s u b s t a n c e si n t e r n a l l y c o n s e q u e n t l y , a c a d e m i c i a nz h a oy uf e na r g u e dt h a tt h i s s y s t e mc o u l db et h es m a l l e s te v o l u t i o n a r ys y s t e mo f t h eo r i g i no fl i f ei nw h i c ht h e p r o t e i na n dn u c l e i ca c i dc o - o r i g i n a t e da to n et i m e 。i ti s a l s ob e l i e v e dt h a tt h e r u d i m e n t o f g e n e t i c c o d ec o u l db ed e v e l o p e dt i n # r a gt h ec o - o r i g i np e r i o do f n u c l e i c a c i da n dp r o t e i no nt h ep h o s p o r y ta m i n oa c i do w i n g 蒋t h ec h e m i c a ls e t e e f i v i t y , t h e t h e o r e t i c a lm e t h o d sw i l la l s ob e a p p l i e d t os t u d yt h eh y p o t h e s i sh e r e 。 t h ef o r m e rr e s e a r c ho nt h es e l f - c a t a l y z i n gm e c h a n i s m o f p h o s p h o r y la m i n oa c i d s h o w e dt h a tt h ek e ys t e po ft h ed i m e r i z a t i o nr e a c t i o ni st h a tt h ep e n t a c o o r d i n a t e p h o s p h o r y la m i n o a c i dw i t han u c l e o t i d ex , e a c t sw i t hab a s e - n u c l e o t i d ei o nt of o r ma h e x a c o o r d i n a t ep h o s p h o r y la m i n oa c i dw i t ht w ob a s e s i nt h i sd i m e r i z a t i o n r e a c t i o n ， t h eb a s e - n u c t e o t i d ei o n 稍也an e g a t i v ec h a r g ew i l ta t t a c kt h ep h o s p h o r u sa n dt h e m o l e c u l e g e o m e t r y w a sc h a n g e ri n t oo c t a h e d r a ls t r u c t u r eo fh e x a - c o o r d i n a t e p h o s p h o r u s i n t e r m e d i a t e t h er e l a t i v e p o t e n t i a le n e r g yb e t w e e nt h e h e x a - a n d p e n t a t c o o r d i n a t ep h o s p h o r u s i n t e r m e d i a t ew a sc a l c u l a t e db yb o t hp m 3a n da bi n i t i o m e t h o d s t h es e l e c t i v i t yo ft h e s er e a c t i o n sc a nb ej u d g e db yt h ep r i n c i p l et h a tt h e f a s t e rr e a c t i o n sa r et h eo n e s 试魄戳- n a l l e rr e l a t i v ee n e r g y , t h er e s u l ts h o w st h a tt h e a m i n oa c i dr e s i d u e sh a v e g r e a t e f f e c to i lt h e s e l e c t i v i t y o ft h en u c l e o t i d e d i m e r i z a t i o nr e a c t i o no i lt h ep h o s p h o r u si n t e r m e d i a t e t h es e l e c t i v i t yo ft h ea m i n o a c i dr e s i d u e sf o rt h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so f b a s e si s ，1 4a c c o r d a n t ，4i n a c c o r d a n t , a n d2n o to b v i o u s l ya c c o r d a n tt ot h et w oe s s e n t i a lb a s e so fc o d o n so fg e n e t i cc o d e ， t h e p r e p o n d e r a n tb a s ec o m b i n a t i o n s 粼c o i n c i d e n tw i t ht h eg e n e t i cc o d e sb ym a d l a r g e ，t h i sr e s u l tp r o v i d e s an e wc l u et ot h eo r i g i no f t h e g e n e t i cc o d e ，i n d e p e n d e n t m 1 1 a b s t r a c t s a m p l e s tt e s ts t a t i s t i c a la n a l y s i so f d a t ah a sa l s op r o v e dt h a tc o n c l u s i o n 。 t h er e s e a r c ho nt h eo r i g i no f g e n e t i cc e d e a n d b i o l o g i cm o l e c u l ee v o l u t i o n e 燃 h a v eg r e a te f f e c to nt h ei n v e s t i g a t i o no f t h eo r i g i no f l i 托，g e n o m i c s , p r o t e o m i c sa n d t h ee a r t h s p r i m o r d i a le n v i r o n m e n t ，i tc a na l s op r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c ei d e a sa t t h em o l e c u l a rl e v e lt os t u d yt h eo r i g i na n dd e v e l o p m e n to f t h eo r g a n i s m s ，e g t h e h u m a n b e i n g s ，a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e i rs u r v i v a la n dt h ee n v i r o n m e n t - k e yw o r d s ：p h o s p b o r y l a m i n o a c i d ，q u a n t u m c h e m i s t r y , g e n e t i cc o d e ，p r e b i o t i c l 一 猿鲷牲声鞘 本人声明所呈交的论文愁我个人柱导师指导下进行的研究= 1 ：作及取得的研 究盛采。尽筏溪籁，躲了文申辩鬟翮盼耩注羁致漆懿遗方势，论文孛誉黩含熬 纛 人已经发表或撰写过的研究成粜，也不包含为获得j b 京工业大学或其它教肖机构 的学位或证书而使用过的材料。与找一同工作的同志对本研究所做的任何擞献均 基在论文巾 管了鹱穗夔巍嚼并袭示了谢意。 麓褒：鑫i ：幺 爱麓； 麓褒：客i ：熟爱麓； 关苄论文德褥授权的滋嫫 徽搿_ 不曲 本天竞垒了瑟寇京王潼大学程关铩嚣、霞爱学囊谂交戆燕霆，鬻：攀校有枝 璨嫠遴交谂文熬复晕磐，灸诲谂文被蠢瓣轻黄霾；学莰霉鞋公蠢论文翁惫辩藏藩 分内容可以采用影印、缩印或菇他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在勰密厝应邂守此规定) 签名：盔：! ：兰一导师签名： 1 7 t 期：垒翌竺! 丝 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 基于n 一磷酰化氨基酸的生命起源学说 ，生命经历了一个由低级到高级，由简单到复杂，不断进化的过程。然而最 原始的生命起源是如何开始的呢? 其中的规律过程一直是人类不断探索的重大 问题，在此问题上提出了各种各样的假说1 。人类对于自身的认识也经历一个 不断升华不断发展的过程，随着科学技术的不断发展，各种技术手段和研究方 法的开发，人类对于生命自身的研究达到了前所未有的高度。从1 9 世纪末到 2 0 世纪初以蛋白质为中心的生命学说占了主导地位。然而上个世纪5 0 年代初 发现了d n a 双螺旋模型及蛋白质合成遗传控制中一1 1 , 法则【3 l ，使人类对于生命起 源的认识有了新的本质上的改变。虽然有些研究表明蛋白质在遗传中发挥了一 定的作用【4 ，”，但从查文献看没有研究表明蛋白质可以逆向翻译为d n a 或r n a 片断，d n a 或r n a 决定蛋白质从已有的研究来看是不可逆的。但是在前生命 的化学进化中，是d n a 或r n a 先形成并决定了蛋白质的生成，还是蛋白质首 先形成指导了d n a 或r n a 的产生：再或者是蛋白质、d n a 、r n a 等生物大 分子在形成过程中具有某种互动作用一导致了这种决定关系的形成。这个孰先 孰后的问题是生命起源研究中极为关注的长期争论的问题。 赵玉芬院士依据磷酰化氨基酸可以自催化形成多肽和聚核苷酸的实验【6 ，- l ， 提出磷酰化氨基酸( 如图1 1 所示) 作为生命的最小进化系统，以其自催化反 应为基础，同时催化d n a 、r n a 和蛋白质( 过程见图1 2 ) 形成的观点郾】为 此问题的深入探索提供了一条新的思路，阐释了前生命时期生物大分子形成和 进化的基本过程。 0 1 ir ” r o 一”夕p n h 一皂h c o o h r o 图1 1 磷酰化氨基酸结构通式 f i g 1 - 1p h o s p h o r y la m i n o a c i d 北京：【业大学工学硕士学位论文 磷酰化氨基酸 l氨基酸核苷 i r 卜：o ，一 ， 陆 、一一。单核苷酸 二核营酸 图1 2 蛋白质与核酸的分子进化规律 f i g 1 - 2c o e v o l u t i o no f p r o t e i na n d n u c l e oa c i d 由图1 2 可见，一方面磷酰化氨基酸与氨基酸逐次反应生成寡肽一蛋白质； 另一方面，与核苷逐次反应形成寡核苷酸- - d n a r n a ，一侧的反应产物为另一 侧利用，从而形成一个把核酸合成和蛋白质合成偶联起来，在物质交换和能量 交换上自循环的体系。这一体系可能是生物起源的最小模型。由于原始地球火 【活动频繁，焦磷酸盐、焦磷酸酯类化合物很可能在地表积累，这些化合物中 p - o p 键含有的能量，通过与氨基酸形成p - n 键这一中间过程，最终转移到肽 键和核苷酸的磷酸二酯键中。因此，磷酰化氨基酸可以作为生命进化的反应模 型，研究生命起源过程中很多的未解之谜，例如：手性起源、遗传密码起源等。 磷化合物在生物化学中起着重要作用。磷所参与的绝大多数生命化学过程， 第1 章绪论 包括酶活性调节过程中蛋白质的磷酰化与去磷酰化，信息传导过程中蛋白质的 磷酰化与去磷酰化，a t p 的能量转移，r n a 的自体切割等，其化学本质都是磷 酰基转移反应。由于磷在生命机制调控中的特殊地位，所以磷酰化氨基酸是氨 基酸与磷酰基结合后的产物，也具有独特的生物化学性质。 磷酰化氨基酸系统具有自组装特性，可以定向组装成多肽 i o - 1 6 】、多核苷 酸h ”j ，表现出各种“原始酶”( 连接酶、转肽酶、r n a s e 、d n a s e 等) 特性，还 可以组装成生物膜【1 8 , 1 9 。n 磷酰化氨基酸系统表现了自复制、生长、选择条件 下适应进化能力，有理由认为是适合e i g e n “超循环”理论框架的最简单的进化 模型。其理论价值在于能将核酸和蛋白质，物质、能量和信息在这一最小系统 内偶联起来，形成一个符合生命最基本特征的进化系统。与已有的生命起源学 说相比，更能符合生命的本质特征，提出更多的可供实验验证的科学问题。从 1 9 9 4 年到现在发表的文献来看，对生命起源中遗传密码起源、原始生物膜形成、 大分子合成的定向性、分子多样性和成肽反应的立体效应【2 0 】等方面进行了探索 并取得了很多研究成果。研究主要集中在对各种磷酰化氨基酸自聚成肽、成脂 13 1 、磷上酯交换 2 0 , 2 j 】、磷酰基的n o 迁移反应 2 2 2 4 1 以及磷酰基存在对氨基酸 细微结构所体现的显著化学放大效应等进行各种实验合成【2 6 】上，并运用质 谱、傅里叶变换光谱( f t i r ) 、离子对反相高效液相色谱、凝胶色谱等现代分 析技术进行了反应过程机理的探讨。1 2 7 - 2 9 由于磷酰化氨基酸被认为是“生命进化的最小系统”，所以可以假设，在生 命起源初期，磷酰化氨基酸上同时生成蛋白质和d n a r n a 的过程中，蛋白质 与d n a r n a 可以通过磷酰基的调控作用相互影响，从而产生了原始遗传密码 的雏形，并进一步进化到遗传密码的现代形式。而在密码的形成过程中，有理 由认为其中具有独特理化性质的六配位磷酰化氨基酸的氨基酸侧链的差异对遗 传密码的选择可能有重要影响，进而对生命的最初形成和进化以及现代生命体 本身产生影响。对这一假设进行理论和实验的检验均很有必要。 另外，磷酰化氨基酸研究既有很大的理论意义，同时在生物技术、医药、 防化等众多领域也有广阔的应用前景。对于探索新的多肽和寡核菅酸的化学合 成途径，以及对更好的认识生命体及人类自身都具有十分重要的意义。是有很 大发展潜力的前沿领域。 北京一l 一业人学l 学硕士学位论文 1 2 前生命时期生命大分子起源的研究进展 1 9 5 3 年，美国芝加哥大学的研究生米勒( s t a n l e ym i l l e r ) ，在其导师尤利 ( h a r o l d u r e y ) 的协助下，设计了一种简易的密闭装置，装置里面混有甲烷、氨、 水和氨气，以模仿原始地球的条件。他们通过对这种装置里面的混合物进化加 热，使之产生水蒸气，并使水蒸气、甲烷、氨和氢气在装置内形成循环，然后 通过电极对水蒸气和其它三种混合气体进行火花放电，促进其化学反应，连续 处理一周，在装置的冷凝液体中，竟然发现里面含有几种氨基酸和其它一些化 合物1 3 。这个实验轰动了当时的科学界，人们认识到在原始地球条件下一些简 单的化合物有可能通过化学进化产生出生命起源所需要的有机物。 米勒实验之后，有人用改良的米勒实验装置进行相似的实验【3 1 , 3 2 】，都取得 了令人振奋的结果，而且还发现，如果混合气体中混有氧气，则不会有氨基酸 生成。这更充分说明原始地球条件下的大气是还原性的，而且还原性大气对生 命起源有重要意义。接着又有人利用各种能源( 如火花放电、紫外线、x 一射线、 电子束、高温热能等) 对模拟原始地球大气成份的气体进行作用，结果合成出了 几十种氨基酸，包括天然蛋白质的全部氨基酸种类。还有人在液体中模仿原始 海洋，也合成出氨基酸。 这种早期的化学进化理论模型为现代研究进展奠定了基础。该模型假设早 期的原始地球的大气为一些简单的还原性小分子物质组成，最终在一些外力的 作用下，如：火山喷发、海底热泉或彗星撞击等，这些小分子物质聚合产生最 早的具有生命特征的小分子，并进一步进化成为复杂的生物大分子，最终形成 生命的基本单位细胞。 目前，在前生命时期的蛋白质合成的研究中有三个最广泛承认的模型。 f o x 等人的早期研究试验表明，固态的氨基酸在高温下( 1 3 0 - 1 8 0 。c ) 可以 自身装配出简单的类蛋白物质3 3 】。在过量的酸性或中性的氨基酸存在的时候可 以生成大分子量的类蛋白物质，但是这些物质的组成序列却没有什么规律。另 外，选择l 一型氨基酸的混合物进行加热得到的缩聚物中只有5 0 是以多肽形式 存在的。这部分产物是外消旋的，而且由于二羧基氨基酸的a 、b 、y 位羧酸 官能团能随机发生交联，所以形成的肽键并不明显。而且该模型的另一个不足 第1 章绪论 在于需要原始地球具有较高的表面温度，而这会破坏其他可能的前生命物质。 在此基础上r o h l f i n g 做了一些改进，在1 0 0 。c 以下通过加热天冬氨酸或谷氨酸 与1 6 种类蛋白氨基酸的混合物得到了类似聚合物f 3 “。这些试验对于早期生命起 源于水热环境的观点提供了支持。 另外一种理论模型是上个世纪6 0 年代末期到7 0 年代末期提出的粘土矿物 质表面和固相内部发生的生物分子聚合反应。当时，尽管缺乏必要的实验证据， 而且该理论模型也存在着很多问题，这一粘土起源学说却已得到了广泛认同。 所以在当时蛋白质起源学说就己开始受到质疑。从而问接得导致了r n a 世界学 说的诞生。r n a 世界学说在1 9 8 2 年发现了具有催化作用的r n a 后得到极大的 发展。近年来，粘土起源说由于在后续的实验研究上存在着很多问题从而在 一定程度上制约了其发展。例如说，无法提出可行的合成路线以获得核酸单体， 以及在混合手性核酸单体组装中存在对映异构体交叉禁叫”】。同样，在解释其 基础上发展起来的“r n a 世界说”的主要成分起源的化学进化学说中也存在很 多困难。例如：碱基旧，核糖，不同类型的磷酰化过程的化学起源等。 研究发现包含有各种活化氨基酸或活化组分的反应可以生成具有单一手性 的同类氨基酸。目前在前生命反应中利用活化氨基酸的研究主要集中在设计更 复杂的反应路径【3 9 1 以及解决活化氨基酸及其衍生物在水中易分解的不稳定性问 题。为了避免水解，有一些反应是放到固相中进行研究的。具有代表性是s a w a i 提出的将蒸发干燥后的甘氨酸( g l y ) 、a t p 、咪唑的混合物加热到6 5 9 0 。c ，在 金属盐存在和不存在情况下保持4 8 小时，可以检测到多达1 0 个单体的低聚物。 然而反应中大量生成的环酐也大大增加了副产物。该反应存在的最主要的问题 是这些非功能性物质会消耗生成的多肽。不同氨基酸在羰二咪唑和阳离子胶束 存在下可以提高稀释的溶液环境中低聚物的产量，并可以保持肽链中氨基酸残 基的l 型手性。 m i l l e r 的实验证明，腺嘌呤类物质很容易从h c n 制得，但是嘧啶类则不然 。1 9 6 1 年j u a no r 6 试图确定一个比米勒试验更简单的实验，他在没通入乙醛 的条件下，把氢氰酸和氨在水溶液中混合。结果他不仅发现简单化合物确实能 生成氨基酸，而且还意外发现腺嘌呤的产生【4 2 】。o r 6 的实验意味着：如果地球 原始大气是还原性的，腺膘呤可能是生命起源原始物质之一。近年研究还发现， 北京工业大学工学硕士学位论文 其他的核酸碱基物质也可以从氢氰酸和丙炔腈的反应中获得。该实验表明水、 氨、甲醛、氢氰酸、丙炔腈等小分子可能是参与生命起源化学进化的无机物质。 可以作为嘌呤和氨基酸的基本前体物质的氢氰酸，无论是在火花放电模拟实验 中还是来自外太空的陨石上均可找到它。同时，在含碳陨石上也可找到腺嘌呤、 鸟嘌呤、黄嘌呤、次黄嘌呤等而在其中却只发现了尿嘧啶。所以嘧啶类物质在 核酸聚合中存在较大困难。核酸多聚体是由戊糖和磷酸盐交替连结形成的长链， 然后在其上连接嘌呤和嘧啶。尽管做了很多有独创性的实验，但在什么样的可 能条件下爿+ 可发生这样的聚合反应的机理仍不明了。 核酸合成的主要困难来自糖类、核糖类和去氧核糖类的合成 4 1 , 4 3 , 4 4 】。通过 在碱性溶液中加入甲醛和碳酸钙可以自发地生成糖类，但是产量不高。1 9 9 2 年 m i l l e r 在实验中得到了4 0 种不同的糖类 4 ”。然而现代生命体中存在的核糖和脱 氧核糖都是d 构型的，所以在生命起源中的手性问题一直是生命模拟合成中的 主要障碍之一。因为遗传d n a 和r n a 的三维结构取决于连接磷酸盐和碱基的 核糖的手性，所以需要某种决定性的选择性作用存在。非糖类替代物( 如丙三 醇) 可以实现这一点，但其合理性还需证实。 尽管人们早已知道，核糖可以通过甲醛分子之间的一系列化学反应产生， 但是，至今只获得了很有限的成功。人们从实验中获得了嘌呤核苷( 如腺嘌呤) 的合成，但至今没有完成磷酸根的非酶促合成，而且，嘧啶核苷也没有有效合 成出来。在假定核苷酸是可以非酶促形成的前提下，1 9 8 9 年，u h l e n b e c k 实验 室人工合成出具有催化活性的1 9 寡聚核糖核苷酸，这一进展为生命起源的r n a 世界说提供了实验证据【4 5 j 。 在生物大分子的合成实验中，值得注意的是n 磷酰化氨基酸理论的提出。 如前所述，该学说认为蛋白质和核酸共同起源于磷酰化氨基酸原始地球上 的高能磷化合物与氨基酸反应的产物。n 一磷酰化氨基酸的有关实验研究发现， 在与体内相似的温和条件下，这类物质能够发生自身活化成肽f 似、成寡核苷 酸 7 , 17 】，并能与简单的一元醇成酯反应，且发生类似于前体r n a 剪接过程中的 磷上酯交换反应 2 0 , 2 1 。这种以磷酰基为中心，羧基及侧链基团同时参与的有机 协同反应的仿生现象类似于酶的作用。所以，磷酰化氨基酸在前生命大分子物 质形成和生命进化中把核酸和蛋白质这两大生命物质有机地结合起来，相互调 6 第l 章绪论 控、相辅相成，共同决定了原始生命进化的历程。 总之，在前生命生物大分子的起源学说研究中，仍然存在着较大争议。人 类在探索自身奥秘的问题上还有很长的路要走。对该领域中各种可能假设进行 验证有助于尽快找到这一问题的答案。 1 3 遗传密码与生物信息学的发展 2 0 世纪9 0 年代以来，伴随着各种基因组测序计划( 人类基因组计划和各种 模式生物测序计划) 的展开和分子结构测定技术的突破以及i n t e r n e t 的普及，数 以亿计的生物学数据如雨后春笋般迅速出现。如何分析这些数据，从中获得生 物结构、功能的相关信息是困扰理论生物学家的一个难题。生物信息学 ( b i o i n f o r m a t i c ) 是在此背景下发展起来的综合运用生物学、数学、统计学、物 理学、化学、信息科学以及计算机科学等诸多学科的理论方法的崭新交叉学科。 广义地说，生物信息学是用数理和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现 象、组织和分析呈现指数增长的生物学数据的一门学科。目的在于通过这样的 分析逐步认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，破译隐藏在d n a 序列 中的遗传语言，揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、诊 断、预防和治疗提供最合理和有效的途径。生物信息学已经成为生物医学、农 学、遗传学、细胞生物学等学科发展的强大推动力量，也是药物设计、环境监 测的重要组成部分。 生物信息学自产生以来，大致经历了前基因组时代、基因组时代和后基因 组时代三个发展阶段。前基因组时代的标志性工作包括生物数据库的建立、检 索工具的开发以及d n a 和蛋白质序列分析等；基因组时代的标志性工作包括 基因识别与发现、网络数据库系统的建立和交互界面工具的开发等：后基因组 时代的标志则是大规模基因组分析、蛋白质组分析以及各种数据的比较与整合。 这三个阶段虽无明显的界限，但能反映出整个研究重心的转移变化情况。在后 基因组时代，生物信息学的研究内容主要可分为两个重要组成部分：基因组信 息学和蛋白质组信息学。 基因组信息学( g e n o m e i n f o r m a t i c s ) 的主要任务是根据各种生物基因组和 测序的资料与数据，应用数学与统计学、计算机科学、遗传学与分子生物学等 多种学科中的研究手段和工具综合分析处理基因组图谱、基因序列等信息【4 6 4 7 1 ， 北京工业大学工学硕士学位论文 更明确地说就是基因测序、基因图谱的绘制、基因注释和多种基因的比较等。 目前的基因组信息学研究集中在功能基因组和比较基因组方面。 功能基因组学的研究是在全基因组水平上对基因或其表达产物进行全面分 析，目的是探究基因的时空差异表达情况。主要包括基因功能发现、基因表达 分析及突变检测；在分析手段上，目前主要使用基因表达的系统分析( s e r i a l a n a l y s i so f g e n ee x p r e s s i o n ，s a g e ) 、c d n a 微阵列( e d n a m i c r o a r r a y ) 和d n a 芯片( d n a c h i p ) 等分析技术。 比较基因组学的主要目的是通过模式生物基因组之间的比较与鉴别，为研 究和理解生物的进化、人类遗传病候选基因的分离以及新的基因功能的预测提 供重要依据【4 “。比较基因组学中主要使用各种分类方法和比对技术( 序列比对， 结构部件的比较等) ，这些方法也已渗透到蛋白质组信息学研究领域中，近年来 该方向的研究主要侧重在对这些技术的改进提高上。 生物信息学在蛋白质组学中的应用也是十分广泛，它可以分析蛋白质序列 ( 比如说测定活性中心) ，进行蛋白质多样性研究( 所使用的典型测量方法是双 向凝胶和质谱分析) ，通过计算和实验的方法来判断蛋白质的结构，生物信息学 在分析蛋白质蛋白质相互作用和作用的分子路径以及在基因修正的系统研究 中也起了关键作用。 同时，生物信息学在遗传学研究领域也有其重要的地位，它既可以用来发 现新的分子遗传标志( 比如单核甘酸的多态性) ，也可以应用新发现的及现有的 遗传标志来研究疾病和其它显型的遗传基础。此外，生物信息学在分析应用 d n a 生物芯片方法或者样本基因序列的某些形式测量得到的基因表达数据方 面也起着重要作用。 由于数据库中储存的处于不同进化阶段物种的d n a 序列和蛋白质信息与 日俱增，继结构基因组学和功能基因组学之后又提出了进化基因组学。 对处于不同进化阶段物种的基因组结构和功能进行比较分析，企图最终弄 清人类约1 0 万个基因的起源和进化、结构和功能的演变，发现其间的亲缘关系， 像元素周期表那样把基因和蛋白质分类、排序，得到生物学的周期表。根据基 因在进化树上的位置，或一小段核苷酸序列，或蛋白质的基序、模块、折叠等， 即可预测其来源、结构、功能等。这项浩大的工程显然需要大量生物信息学家 氏期不懈努力才能完成。目的在于通过分析遗传密码序列逐步认识生命的起源、 第1 章绪论 进化、遗传和发育的本质，破译隐藏在d n a 序列中的遗传语言，分析遗传密 码分化进化的过程。 而另一种研究途径是通过数学方法或化学模拟等各种手段预测可能的原始 遗传密码序列以演绎的方式对现代d n a 序列进行研究。完整基因组的测序是 一种重大的成就，但这仅仅是理解生命的开始。更重要的是通过相似性搜索而 建立与已知原始密码序列的关联，利用进化关系分析来推测或判断基因的功能， 并使用已知的或者模型衍生的蛋白质结构推断基因产物的功能等。遗传密码起 源的研究在其中的重要性不言而喻。特别值得指出的是，当今生物学数据的巨 大积累将会导致重大生物学规律的发现。其中通过分析比较原始遗传密码与现 代遗传密码形式、功能、翻译表达方式等的不同，可以揭示地球生物在进化过 程中遗传物质的形成变化和发展过程，并为探索物种起源、揭示生命奥秘提供 有力的帮助，进而揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、 珍断、预防和治疗提供最合理和有效的途径，对于基因组信息学和蛋白质组学 的研究具有十分重要意义。当前是生物信息学研究的一个有活力的新时代，它 将揭示各种基础研究的重要成果的潜在生产力，从而带来巨大的经济效益和社 会效益。 1 4 本文主要研究内容 最原始的生命从哪里来，生命又是如何进化的? 这是生命科学领域的首要 问题，直接决定了其他问题的研究方向和趋势。n 一磷酰化氨基酸作为生命起源 的最小进化系统理论的提出在国内外生命科学界引起了广泛重视。然而，关于 生命起源的问题仍是众说纷纭，任何一种理论都有其存在的合理性和其不足。 从生命的本质特征来看，遗传性，稳定性和变异性是生命发展进化的必要条件 遗传密码作为物种延续进化的核心，是最重要的生命特征载体。而遗传密 码的起源则是研究生命起源中最重要的核心问题。对这一问题进行验证，具有 十分重大的理论意义。本文就是研究在磷酰化氨基酸上发生的核酸和蛋白质共 起源过程中形成原始遗传密码的雏形的可能性，并采用量子化学理论计算方法 对这一假设进行验证。 北京：r ：业大学工学硕士学位论文 第二章遗传密码和磷酰化氨基酸的关系 2 1 从化学进化向生命体进化的过渡 现有的对生命起源的研究的关键在于：最原始生命体的最初形态问题：生 命起源过程中蛋白质和核酸的起源先后问题；生命的有序性形成问题等。这些 困惑也正是生命模拟合成研究的困难所在。奥巴林的团聚体实验和福克斯的类 蛋白微球体实验为大分子向有一定形态结构的生命体过渡提供了可能途径，但 真正的科学模型的提出是1 9 7 1 年e i g e n 的“超循环组织模式”。磷酰化氨基酸理 论的提出被认为是适合e i g e n “超循环”理论框架的最简单的进化模型。 2 1 1 奥巴林的团聚体实验及其存在问题 前苏联生物化学家奥巴林f a 1 4 o n a p n a ) ( 1 8 9 4 1 9 8 4 ) 1 9 5 2 年所作的团聚体 模型其实是用现成的蛋白质( 如组蛋白、血清蛋白等) 与阿拉伯树胶聚合形成的 胶体物质、胶体粒子脱水聚合是简单的物理现象。奥巴林把团聚体当作前细胞 组织的模型进行研究。他把某些磷酸化酶加入特定的团聚体中，发现在团聚体 内发生了类似消化吸收过程的反应，由此奥巴林认为团聚体体系内已经初具最 基本的生命化学特征 “。可是奥巴林所使用的团聚体原材料是现有的复杂蛋白 质，而蛋白质的天然形成是非常困难的。因此很难成为原始地球上的生命体模 犁。 2 1 2 福克斯的类蛋白微球体实验 英国科学家福克斯( s w f o x ) 用类蛋白微球体作为前细胞生命体模型，所 谓类蛋白就是聚氨基酸，它很容易自发形成，福克斯把按比例混合的各种氨基 酸在干燥的无氧的条件下，加热到1 6 0 c 1 7 0 c ，得到高分子量的类蛋白聚合体 ( 聚氨基酸) 。然后，他把这些类蛋白物质放到稀薄的盐溶液中，加热溶解，冷 却之后出现了白浊物，显微镜下观察这些白浊物呈无数微小的球状凝聚滴粒， 福克斯称之为类蛋白微球体【5 0 1 。类蛋白微球体在适当条件下会表现出分裂、出 第2 章遗传密码和磷酰化氨基酸的关系 芽、生长等类似细胞生命活动现象。由于类蛋白毕竟不是真正的蛋白质，而且 该体系没有呈现信息的复制与传递现象，所以也很难作为前细胞生命体的模型。 2 1 3e i g e n 的超循环组织模型 2 0 世纪7 0 年代随着物理学、化学、生物学之间的沟通，尤其是物理学 家伊利亚普里戈金( i l y ap r i g o g i n e ) 提出“耗散结构理论”之后，自然科学 的不同学科之间有了更多的共同语言，化学家证明，原子、分子和分子系统都 有自我组织能力。1 9 7 1 年e i g e n 提出了“超循环组织理论”，用大分子自组织理 沧来解释由非生命向生命结构过渡的机理，所谓“超循环组织”是指那些能够自 我催化、自我组织起来的复杂的大循环系统，例如生命体内各种催化反应循环 的中间产物都可以催化另一个反应循环【5 ”。e i g e n 认为，类似单链的r n a 复制 的自催化或自我复制循环在分子演化过程中扮演着重要角色。e i g e n 认为：超循 环组织就是自催化、白复制的单元组织起来的系统；这个系统由于能够自我复 制而保持和积累信息；由于复制中出现了错误而产生变异。因此，这个超循环 系统就纳入到所谓“达尔文式”进化的模式之中，依靠遗传，变异和选择而实 现最优化。有人称e i g e n 的超循环系统为“分子达尔文系统”。 2 1 。4 赵玉芬等的“磷调控中心理论” 赵玉芬院士于1 9 9 4 年发表了“磷酰化氨基酸核酸与蛋白的共同起源” 论文f 8 】1 9 9 6 年7 月在法国第l l 届国际生命起源大会上，他们发表了全面阐 述其学说的论文“生命化学进化的基本模型”【9 ，得到各国学者的高度评价， 称赞他们是。世界第一家证明“核酸和蛋白共同进化”。该学说的主要观点是： ( 1 ) 磷是生命化学过程的调控中心：( 2 ) 生命的最小单元既不是核苷酸。也不 是氨基酸，而是磷酰化氨基酸，它是核酸最小单元和蛋白质最小单元的结合体， 它可以由无生命的物质磷和氨基酸结合而成；( 3 ) 在磷为中心的调控作用下形 成肽链和核苷酸链，随着链的增长，分子数逐渐增大最后形成核酸和蛋白质， 该理论核心是：磷是生命化学反应过程的调控中心。通过赵玉芬等的“磷调控中 心理论”，人们可以设想核酸自发形成也是可能的，而核酸形成之后反过来又会 促进蛋白质合成。 北京工业大学工学硕士学位论文 生命合成最关键的一步是如何把生物大分子组成一个生命系统，使之能够 自我复制和具备新陈代谢的功能。这一点目前实验室还不能做到，其中一个很 重要的问题就是目前尚不完全清楚原始生命系统究竟是什么样子。上述研究成 果提供了可能途径和模型，但其中的困难和问题仍很多。关于核酸和蛋白质在 生命起源中哪一个更重要的问题，仍然困扰着人们，而磷酰化氨基酸学说则提 供了蛋白质和核酸共起源的生命最小进化系统，在系统内部可以发生物质和能 量的交换而不需要外界的能量来源，自组装、自催化形成多肽和聚核苷酸。而 且磷酰化氨基酸可以形成原始生物膜还具有生物酶的特性。所以基于磷酰化氨 基酸的蛋白质核酸共起源学说具有非常重要的理论价值，在生物大分子起源和 遗传密码的形成中有可能起着举足轻重的作用。 2 2 遗传密码的研究概况 2 2 1 遗传密码的发现 遗传密码在生命进化过程中传递着形成和进化的丰富信息。1 9 4 3 年， s c h r i s d i n g e r 总结了d e l b r u c k 噬菌体实验，提出遗传物质一基因包含于微观体积 中，建议把大分子看作一种非周期晶体作为基因的物质基础。但是遗传信息存 储在哪一种生物大分子中? 早期人们较多地把注意力集中在蛋白质而忽略了核 酸。1 9 5 0 年h e r s h e y 和c h a s e 在大肠杆菌噬菌体t 2 的核酸上标记3 2 p ，跟踪噬 菌体感染的过程，证实了d n a 是遗传的物质基础。1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 提 出了d n a 的双螺旋模型，从而诞生了分子生物学。 1 9 5 4 年g a m o w 提出了由d n a 的4 种碱基来编码2 0 种氨基酸的遗传密码 的思想。认为蛋白质在d n a 表面上合成，氨基酸直接位于双螺旋的沟中，在4 个碱基构成的菱形小孑l 中放置一个氨基酸。证明4 4 = 2 5 6 种菱形中，在一定的约 束下正好填充2 0 种氨基酸，这称为金剐石密码 5 2 】。但是他的基本观念认为 双链d n a 是蛋白质合成的模板显然是完全错误的。从密码的具体性质看， g a m o w 的密码是交叠的4 联体，也和后来实验证明的密码是非交叠的3 联体相 矛盾。 从信息论角度考虑可以导出一个氨基酸的核苷酸( 碱基) 数不能小于3 。因 第2 章遗传密码和磷酰化氨基酸的关系 为一个氨基酸的信息量是l o g a 2 0 = 4 3 2 b i t ，而一个核苷酸的信息量只有 i 0 9 2 4 = 2 b i ta 碱基点突变的实验证明，一个碱基的变化只会引起一个氨基酸的变 化，碱基缺失可为碱基插入的移码突变所补偿。这些实验证明了密码是由非交 叠的三联体( 密码子) 构成。 遗传密码的破译是通过蛋白质的生物合成获得解决的。1 9 6 1 年n i r e n b e r g 和m a t t h a e i 及o c h o a 等两个组开始用人工合成的r i g a 进行无细胞蛋白质合成。 这个无细胞系统通过破坏大肠杆菌细胞制备彳导到，它包含核糖体、t r n a 、a t p 和g t p 以及必需的酶，但是去掉d n a 和m r n a 。然后引入人工合成的p o l y u ( 多聚尿甘酸) ，便可观察到由苯丙氨酸合成的多肽链。如果换成p o l y 。c ( 多聚 胞甘酸) ，便可观察到由脯氨酸合成的多肽键。以后n i r e n b e r g 将上述实验中的 多核苷酸换成各种已知结构的3 核苷酸( 密码子) ，研究3 核苷酸一t r n a 一氨基酸 复合体，检验了约5 0 多种密码子，从而建立了密码子和氨基酸的对应关系。1 9 6 6 年k h o r a n a 进一步将有机化学合成和酶合成方法结合起来，用人工合成约】2 个 单位的寡脱氧核糖核苷酸为模板，在d n a 聚合酶作用下，通过重复复制，生 成类d n a 双螺旋，其两股各包含互补的重复若干次的核苷酸三联体。在借助 于r n a 聚合酶，由类d n a 产生已知顺序的r i g a ，把它们引入无细胞系统， 便得到各种对应的氨基酸组成的多肽。k h o r a n a 通过人工模拟氨基酸的生物合 成证实了n i r e n b e r g 的实验，从而完全破译了遗传密码【5 3 , 5 4 1 。表2 一l 给出了6 4 个密码子和2 0 种氨基酸的对应的关系。 表2 1 包含有起始密码和中止密码。a u g 除编码甲硫氨酸( 或称蛋氨酸) 外，还作起始密码用( 极少数情况下o u o 、u u g 为起始密码子。在线粒体中 还出现a u u 、a u c 、a u a 为起始密码子的情况) ，u a g 、u a a 、u g a 不编码 氨基酸，它们是无义密码子，在遗传语言中起着终止密码之用。 遗传密码的重要特点是它的普适性( 通用性) 。但1 9 7 9 年后发现了一些密 码反常f 5 5 1 。例如，某些线粒体的密码子u g a ，不用作中止密码而改用来编码色 氨酸( t r p ) ；a g a 、a g o 不用作编码精氨酸( a r g ) 而用来编码丝氨酸( s e r ) 或作终止密码；c g g 不编码精氨酸( a r g ) 而编码色氨酸( t r p ) ；a u a 不编码 异亮氨酸( 1 i e ) 而编码甲硫氨酸( m e t ) ；c u u 、c u c 、c u g 、c u a 不编码亮 氨酸( l e u ) 而编码苏氨酸( t h r ) 等。另外，密码子编码氨基酸还和环境有关， 北京工业大学工学硕士学位论文 例如在改变镁离子浓度、改变温度、存在酒精、存在抗体等条件下还有其他例 外。除了这些例外，通常条件下，遗传密码是普适的。 表2 - 1遗传密码 t a b l e2 1g e n e t i cc o d e 中间碱基 5 - 末端碱基 3 - 末端碱基 ucag 苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸u 苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸c u 亮氨酸丝氪酸终止终止a 亮氨酸丝氨酸终止色氨酸g 亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸 u 亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸 c c 亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氮酸 a 亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸 g 异亮氨酸 苏氨酸天冬酰胺丝氨酸 u 异亮氨酸