原始核酸是生命的萌芽

发布时间：83年04月28日

清水幹夫编译毕东海蔡林海

28种分子构成生命

最新的太阳系起源学说认为，原始地球产生时，接近地球表面的地幔是熔融着的，在地表上没有气体。从内部喷射出来的气体含有水蒸汽，地球变冷以后，这种水蒸汽就变成了海洋。气体的残余部分（如二氧化碳、一氧化碳和氮等）变成原始的大气，陆、海、空（大气）在地球史的最初期形成了。由实验可知，在这种气中，一旦发生雷电及紫外光化学反应，就会形成氨基酸和核酸碱等生物化学物质。

那么，所谓生命又是什么呢？生命的本质就是对自己执行自我复制，因此，对生命来说，最根本的物质就是执行遗传的核酸和决定代谢的蛋白质。这两种物质都密不可分，而是像一条干鱼贝那样连接着的许多高分子。

核酸的基本单位是核酸碱和叫做核糖的戊糖以及磷酸结合在一起的核苷酸。核酸碱分为下列五种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）、胸腺嘧啶（T）。核糖中有叫做脱氧核糖的异种，前者称为RNA，后者称为DNA。如果在核糖中加入磷酸，8种物质就可以形成核酸。

另一方面，蛋白质是氨基酸连接而成的，在多达-300种左右的氨基酸中，生物所使用的仅有28种。正是这28种分子构成生命。

生命的基本形态——细胞，是充满由酶这种蛋白质形成的触媒的袋囊，由于这种触媒的缘故，在体温低的情况下，生物化学反应仍能容易地发生，可以维持生命现象。在触媒作用中，触媒的形状最为重要，例如，因为反应物质可以长驱直入触媒上的孔穴，所以反应就加快了。但是，氨基酸的排列顺序一旦决定，则蛋白质就会卷成一团，并且保持一定的形状、因此，问题在于怎样提供决定氨基酸排列方法的信息。

掌握遗传密码基础的高分子

在这方面，能起信息高分子作用的是核酸。在这种分子中，糖和磷酸交互排列而形成骨架，并且从糖中排出碱来。在DNA分子中，A、G、C、T四种碱基按一定顺序排成一列。但是，3种碱基成为一组（叫做密码子），并且与一个氨基酸相对应，这种关系叫作遗传编码。

大家知道，DNA不是以一条干鱼贝的形状存在的，而是像两条干鱼贝那样，呈螺旋状而相对称的。骨架部分因含有磷酸而带负电荷，两条脊骨翻卷螺旋的外侧，以免彼此靠近。而且，A和T，G和C又分别用2、3个氢分子结合而成中心部分。在细胞分裂时，螺旋解开，并且利用上述的各种碱之间的对应关系，形成完全相同的DNA的副本，并被引渡到分裂的各个细胞。这种复制的关系是遗传现象的基础。利用相同的对应关系，还可以从DNA中形成RNA。

由DNA形成蛋白质的程序是相当复杂的。从DNA可以形成叫做mRNA（信使RNA）的副本，并且集中于叫做核糖体的蛋白质生产工场。此外，在tRNA（指令RNA）的尾部附加氨基酸的小的核酸，则排列在mRNA上而把氨基酸连接起来。重要的是，tRNA正好和mRNA的密码子是相辅相成的（例如GCA对CGG），而且存在同尾部氨基酸正确地相对应的碱基的排列密码。因此，mRNA上的信息是确切地作为氨基酸的排列方法而表现出来的，在tRNA的尾部构成与反密码子相对应的氨基酸的作用，在目前的生物中，是由综合（与氨基酸不同）的酶来实行的。

这样看来，把核酸的信息作为蛋白质来获取的机构，在有关蛋白质合成，体系的分子中：在自身的体内藏有反密码子这样，的密码和氨基酸的，仅有tRNA这种核酸。一般认为，在这里似乎存在着遗传密码的基础。

tRNA大约含有80个核酸碱。有对应于每个氨基酸的tRNA，虽然是碱基的排列稍有差异的核酸，但是，还有许多同所有tRNA有关的共同点。如果培养出结晶并且进行X线解析，就可以发现任何tRNA都呈L字型。

在L的一端（尾部）肯定有ACC这种碱，而氨基酸则附在这个顶端的A所连接的核糖上。在另一端的头部排列着上述的反密码子。

在L的弯角部有尿嘧啶碱，它在那里也是与合酶相结合的。在tRNA分子的任何间隙中注入镁离子，就可以缓和骨架之间负电荷的斥力。

偶然是难以想象的密码生成过程

因为IRAN上的信息基——反密码子和氨基酸的附着尾部之间的距离处于L字型的两端，所叫它是非常大的，可达70埃。看来，这并不是照L字型直接连结的。

在六十年代末与沃森共同发现DNA双螺旋的克里克，在纵览截至那时为止的许多实验数据以后宣称，反密码子与氨基酸的对应完全是偶然的产物，这就是说，在遥远的太古时代，tRNA的机能开始发生作用时，虽然任何氨基酸都可与反密码子相对应，但是，在某个时期决定了各个对应，于是原封不动地固定下来，一直保持到现在。他在沉默以后作出这个假定：在那个时期，产生了对应于各个氨基酸的合酶，并且固定了这种偶然的对应。但是，合酶是大型的蛋白质，并不是偶然形成的东西。

反之，立体化学说认为在遗传编码的对应关系中，仍然潜在地存在着某种物理化学的关系。在沃森-克里克发现双螺旋以后不久，著名的核物理学家加莫夫提出了“氨基酸潜入DNA的槽，并且一个一个地相连接”的观点，这是立体化学说的开端。但是，如上所述，蛋白质合成体系并不是那么单纯的。此后的若干学说，都在克里克的批驳容下销声匿迹，可以说，毫无进展的情况持续了十多年。

克里克的丰张是：如果立体化学说是正确的，那么，tRNA和氨基酸应有相互作用，但是，这种证据似乎不存在，不过，最近相继出现了似乎存在相互作用的事实。克里克学说的基础崩溃了。现在根据这个事实，综合地说明迄今为止的数据。

如上所述，tRNA在结晶内是L字型的。那么，这种形状在细胞内的溶液中是否也能保持不变呢？而且，触媒的综合酶上的情况又是如何呢？研究这个问题的方法是很多的，例如，如果位于L字型弯角处的碱显示出荧光性、那么，在各种反应阶段观察荧光的变化，就可以检查整个形状是否发生重大的变化。

研究的结果表明，虽然溶液中的tRNA大部分是呈L字型的，但是，有一部分可能存在着其他形态，特别是在与合酶结合时，这种可能性更强。另一方面，有关合酶以及在它上面附着氨基酸的X线解析，也弄清楚它的详细情况。

接着，最好能了解tRNA粘在合酶上时是怎样的形态。可惜的是，在这方面还没有人获得成功。但是，最近已经弄清楚tRNA粘在合酶上的地方。如果考虑各种情况，那么，L字型以外的tRNA的形状似乎是倒U字型的，即头事和尾部互相靠近。

实际上，人们发现，位于尾部的ACC后面的碱基与氨基酸的碱基是有关的，这种碱被称为“识别位碱”。如果是倒U字型的，那么，因为这种碱靠近反密码子的3碱，所以一起形成一个复合体。在这种复合体上有孔，根据键和键孔，可以识别对应的氨基酸。被读取的氨基酸，其光学活性必须是L字型的，这在地球上的所有生物中是共同的。最近，虽然发现线粒体所具有的遗传编码和过去所考虑的遗传编码稍有不同，但是，上述的立体化学模型无疑地说明了这种编码。

因为tRNA粘在合酶上的附近的蛋白质具有负电荷，所以，如果拉走tRNA中的正镁离子，就会导致tRNA的电荷失去平衡，L字型变成倒U字型。头部和尾部就粘着恰好达到活性部位的氨基酸。这时，电荷失去平衡，再次改变结构，变成接近于尾部上粘着氨基酸的结构，并且脱离合酶。

如上所述，在tRNA中最重要的是其头部和尾部。在那里，切除躯干的部分，就变成更加小的核酸了。约含80个碱的分子就减少为约30个碱的分子。一般认为，一变成这样小的分子，就可以自然地生成了。与其说这种原始的tRNA形成另外的L字型，不如说它容易变成反U字型。这样一来，在头部和尾部的复合体中，读取对应的氨基酸的这种立体化学关系，大概从太古时代起就一直是生物所持续采取延续的体制。

假设生物在形成新的机能时曾复制过去的遗传基因，使这种复制发生各种变化而获得新的机能。这种复制机构，即使在tRNA的场合也可以实行。这就是说，有许多证据表明躯干部分似乎是通过头部复制而形成的。因此，只考虑头部和尾部的原始tRNA，并不是离奇的想法。

但是，原始的tRNA是核酸。因此，在某种意义上说，携带信息应该像遗传基因的片段那样活动的。不能认为遗传是由DNA进行的，而不是由RNA进行的。不如说，DNA是起了老的RNA的两种作用（即：一、遗传；二、蛋白质合成），它是只承受前者而形成的稳定性高的物质，是后代的产物。实际上，现代的DNA在进行复制时，首先较少形成RNA，而是与它相连接而形成DNA，最后离开RNA。如果DNA是最初就生成的，那么，大概不会产生这种麻烦了。

对蛋白质酶的祖先作出推测

在这里，试把原始tRNA反复读成原始mRNA。最初的氨基酸是缬氨酸的可能性很大。

这有两个原因：在现在的生物中，在遗传基因的最前列会出现蛋氨酸，它是复杂的氨基酸，并不是在原始地球中早就存在的，这样一来，就可能存在简单的氨基酸的缬氨酸。此外，这部分虽然是呈螺旋状的，但是，在这种情况下，因为G和C之间的结合方法比A和U的结合情况更强，所以，在原始地球中，G和C的结合最好是较多采用的缬氨酸。

这样看来，对应的螺旋的3'侧面的密码子必然是GAC。这仍然是属于简单的氨基酸的天门冬酸的编码。利用tRNA上存在共同的碱，似乎可以指出：在原始tRNA的结构中决定的小蛋白质的氨基酸系列，将成为有若干缬氨酸而天门冬酸出现于前后的东西。

再来分析一下蛋白质。蛋白质变成酶以后就成为生化学反应的触媒，成为血红蛋白而运送氧，而且变成构成身体的构造基因。但是，其中最重要的是酶，特别是与复制有关的聚合酶，在产生像发酵那样的能量的过程中的脱氧酶以及在蛋白质合成中的合酶等，都起着重要的作用。这与在这里形成含有核酸碱的辅酶的一点上是共同的。

这些蛋白质酶内的氨基酸排列，最近已大致弄清楚了。这是因为，核酸内的碱的排列是容易决定的，而且，运用遗传编码，决定氨基酸排列的遗传基因工程技术有了很大发展。这里首先研究一下与早已流行的发酵有关的酶群，探索一下最早见到的排列。探索结果得到的答案是，缬氨酸是5个相连的，在其前后有天门冬酸存在。原始tRNA大概不是那种蛋白质小分子（肽）。当然，这种事实也适用于复制以及参与蛋白质合成的酶。

关于原始氨基酸的排列，过去谈论得最多是像血红蛋白、细胞色素那样的与呼吸有关的蛋白质。对这些原始蛋白质的研究，证明丙氨酸和缬氨酸是6个排列的，最后是和天门冬酸的这种排列。再次，可以认为它是由原始tRNA形成的排列，是与发酵有关的原始酶进化而成为原始球蛋白。

这样一来，以目前tRNA的结构和机能为线索，就可以了解原始遗传基因的断片。如界巧妙地使后来形成的原始肽实行组织化而制成原始酶，就可以分解原始海洋中充足的糖而得到能量，还将确立对生命的产生来说绝对必要的复制体系。这是和低分子→高分子→生命相联系的时代，即所谓化学进化的最后阶段。从原始的tRNA到目前的tRNA的进化，也即生命进化的阶段，也可根据过去的议论而得到完整的祅识。剩下的重大问题，就是原始遗传基因和原始酶片段的组织化，这才是生命产生过程本身。