Chapter 12 螺旋与生命.ppt

1、Chapter 12 螺旋与生命 As naturalists have pointed out, right-handedness is one of the laws of nature. Stars（恒星） and their planets（行星） move and rotate from right to left. Man usually employs his right hand rather than his left hand, and consequently the things around him, such as staircases, locks, watch

2、springs, etc., are made to be used from right to left. Now nature generally follows this law for the spirals on its shells. They are all right-handed, with rare exceptions, and when one happens to find a specimen that is left-handed, collectors will pay you its weight in gold.-From 20,000 Leagues Un

3、der the Sea(海底两万里） by Jules Verne,在自然界里，隐藏着生命与非生命的一个 共同现象，这就是螺旋。自从最早发明螺旋 式水泵的阿基米德写出第一部关于螺旋结构 的科学著作以来，有关螺旋的奥谜便为人们 日益了解并加以应用。有趣的是整个生物界 也都存在着螺旋现象。,一、生命中的螺旋现象 众所周知，蛋白质、核酸及多糖等是构成生命的主 要物质。这些高分子物质按照一定的分子逻辑组成了各种生命活动的物质基础。近代生物学和分子生物学的研究成果向人们展示出：这些生命分子都存在螺旋结构。,在二十世纪三十年代，Astbury首先完成了蛋白质的X-射线 研究，发现毛发、羊毛和-角蛋白类的某

4、些其它纤维状蛋白质 都展示了相似的X-射线图谱。图谱表明：这些蛋白质沿着它们 的长轴具有0.50.55 m的大周期。他得出结论：在和角蛋白中多肽链是以不同方式盘旋或卷曲着。1950年，Pauling和 Corey进一步研究并设计了一种最能说明图谱结果的多肽链折叠 模型螺旋体。现知，不但纤维蛋白有-螺旋，而且球状蛋,白质也有-螺旋。当然目前已发现在蛋白质中除Pauling等最 初发现的-螺旋（-3.613）外，还有310螺旋及螺旋。至今， 绝大多数被测天然蛋白质都是右手-螺旋。但是Roche与 Veerdouw于1978年发现嗜热菌蛋白酶的结晶中存在左手- 螺旋,在核酸研究方面，Watson 和

5、Crick在总结了Astbury、Franklin及 Wilkins等人的研究成果的基础上，于1953年提出了DNA分子的双螺 旋结构模型。这一学说被称之为分子生物学的第一原理。根据他们 的学说，DNA分子是右手螺旋体。但在1979年，Rich等正式宣布发 现了左手螺旋DNA。至于RNA也同样存在螺旋状结构。,更有甚者，亚细胞器甚至病毒颗粒同样具有螺旋结构。 典型的例子就是Finch和Klug等发现的核小体就是有DNA 分子缠绕若干组蛋白而形成的螺线管、超螺线管，最后形 成染色体。又如细胞的骨架结构微管也呈螺旋状，并且 凡由微管构成的细胞器如鞭毛、纤毛、中心体等均保持着 螺旋结构。 由此可见，

6、生命中的螺旋现象具有普遍性。,二、 非生命中的螺旋现象 避开人为的螺旋现象不谈，在自然界中存在着十分有趣的螺旋现象。 1962年，美国MIT机械工程系主任Sharpiro教授及后来的英国皇家学会的特别会员A.M.比尼博士等发现，位于北半球的澡盆里的水当拨去塞子后，水流出时所产生的旋涡其旋转方向是向左，在南半球则为右。而在赤道则几乎没有旋涡产生。他们把这一现象归结于地球旋转这一自然力的作用。,在浩然的大海里，澎湃的海水一刻也不会安静，它们在不停地环 流。科学家们认为，即使是无风之日，海水也同样可以形成旋流。 更使人惊讶的是，1982年2月，美国基皮克天文台的天文学家们首先 观察到日面上有螺旋型的

7、斑点。 从微观的电子到宏观的行星，它们的运动都存在着一个共同的现 象螺旋运动。,三、 螺旋与生物进化 达尔文进化论认为，各种生物都是从共同的祖先发展进化而 来。因此这就决定了生命有其同一性即生命是从无机物到有机 物，从简单到复杂，从低等到高等这样的方式向前发展的。现 已公认，海洋是生命起源的摇篮。海洋动力学的研究指出，海 洋中普遍存在中尺度旋涡，且非“大洋风生环流”。设想原始海 洋中也普遍存在旋涡，那末生命中的螺旋现象的产生原理是不 是这样的：,溶解于原始海洋中的各种有机物，受到海洋流动力学的作用 而聚集在一起。在一定的温度、压力和一些无机物的催化下 合成多肽和多核苷酸等大分子有机物，当这些分

8、子链增长到 一定数值时，随着海水旋转被“搓”成了螺旋状结构。后者随 旋涡运动可相互作用成更大的颗粒。这些颗粒通过吸附作用 ，集聚其它必须物质便可形成原始生命了。,现知蛋白质都是由L-型氨基酸构成。如何解释这一现象？ 假定在原始海洋中D-、L-型氨基酸形成多肽的机会均等，这样 一来，海水中既有D-型氨基酸多肽，又有L-型氨基酸多肽，还 有DL-型氨基酸混合多肽（现已知细菌胞壁中的胞壁质就含有L- Ala、D-Glu、L-Lys和D-Ala组成的短肽）。但由于结构的差异 ，抑或说分子内能高低不等，D-型氨基酸多肽和DL-型氨基酸 混合多肽的分子脆性大，在搓成螺旋状的过程中易断裂、分解 。这样一来，在蛋白质分子中就找不到D-型氨基酸了，它只能 以小肽或游离状态存在。,至于以右手螺旋还是左手螺旋存在则必须遵守立体化学原 则。由于多肽链中的氨激基酸均为L-型，在左手-螺旋中侧 链碳原子接近羥基氧原子，能量较高即分子不稳定，而右 手螺旋中该键自由度较大，能量较低。因此在生命的螺旋结 构，在天然状态一般以右手螺旋存在。但也有例外。从海洋 环流方向来看，由于多肽链和多核苷酸链所受到的力不同。 理应有右手和左手两种螺旋体产生。现有的资料表明。自然 界中的多肽链和DNA链等大分子确实有左右两种形式的螺旋 存在，只是在数量上有多少罢了。,总之，生命中的螺旋现象