氨基酸的共同特点
生物学家劳伦斯·赫斯特和斯蒂芬·弗里兰在20世纪90年代末把天然基因密码和计算机随机产生的几百万组密码拿去比对,结果轰动一时。他们想知道,如果发生点突变这种把一个字母换掉的变异,哪一套密码系统能保留最多正确的氨基酸,或将它代换成另一个性质相似的氨基酸。
结果他们发现,天然的基因密码最经得起突变的考验。点突变常常不会影响氨基酸序列,而如果突变真的改变了氨基酸,也会由另一个物理特性相似的氨基酸来取代。据此,赫斯特与弗里兰宣称,天然的遗传密码比成千上万套随机产生的密码要优良得多。它不但不是大自然密码学家愚蠢而盲目的作品,而是万里挑一的密码系统。
天然的三联基因密码的第一个字母都有特定的对应方式。举例来说,所有以丙酮酸为前体合成的氨基酸,它们密码的第一个字母都是T。所有由α-酮戊二酸所合成的氨基酸,其三联密码第一个字母都是C;所有由草酰乙酸合成的氨基酸,第一个字母都是A;最后,几种简单前体通过单一步骤所合成的氨基酸,第一个字母都是G。
三联密码的第二个字母和氨基酸是否容易溶于水有关,或者说和氨基酸的疏水性有关。亲水性氨基酸会溶于水,疏水性氨基酸不会溶于水,但会溶在脂肪或油里,比如溶在含有脂质的细胞膜里。所有的氨基酸,可以从“非常疏水”到“非常亲水”排列成一张图谱,而正是这张图谱决定了氨基酸与第二个密码字母之间的关系。疏水性最强的六个氨基酸里有五个,第二个字母都是T,所有亲水性最强的氨基酸第二个字母都是A。介于中间的有些是G有些是C。
三联密码的第三个字母不含任何信息,不管接上哪一个字母都没关系,这组密码子都会翻译出一样的氨基酸。以甘氨酸为例,它的密码子是GGG,但是最后一个G可以代换成T、A或C。
第三个字母的随机性暗示了一些有趣的事情。二联密码可以编码16种氨基酸。如果我们从20个氨基酸里拿掉5个结构最复杂的(剩下15个氨基酸,再加上一个终止密码子)这样前两个字母与这15个氨基酸特性之间的关联就更明显了。因此,最原始的密码可能只是二联密码,后来才靠“密码子捕捉”的方式成为三联密码,也就是各氨基酸彼此竞争第三个字母。
第一个字母和氨基酸前体之间的关系直截了当,第二个字母和氨基酸的疏水性相关,第三个字母可以随机选择。这套密码系统除了可以忍受突变,还可以降低灾难发生时造成的损失,同时可以加快进化的脚步。因为如果突变不是灾难性的,那应该会带来更多的好处。
氨基酸的前世今生的作用
今日听到国家将要组建小行星防御系统的消息。其中让我想到小行星与陨石中存在氨基酸。氨基酸作为人体内所需要的三大营养物质之一。氨基酸的诞生曾经也困扰了科学家很久,但是在最近的几年中,科学家在深海的热液喷口中得到了氨基酸诞生的秘密。
氨基酸中含有氮原子,但是在自然界中氮原子常常是以稳定的气态存在,无法被利用。可是在热液喷口中科学家们发现了超临界二氧化碳。超临界二氧化碳在现代工业生产中,主要用来作有机物的溶剂,根据这一点我们可以想象到地球诞生之初,热液喷口彭射出组成氨基酸的物质、在海底高热高压的情况下,氨基酸逐渐被组装起来。同时海面上覆盖着一层超临界二氧化碳,吸收富集着自然那少许由闪电等制造的含氮物质,在高浓度原材料的情况下,氨基酸组装起来,甚至出现了肽链。
氨基酸在海面上到处漂荡,在某次风浪中,一些氨基酸落到了世界上第一个细胞的附近,氨基酸与核酸相遇。现在我们都知道三个密码子可以编码一个氨基酸,但是中间需要TRNA作为中间使者。这一蛋白质组成方式现在被大家熟知,称为“中心法则”。其实密码系统可以只要2个核酸就可以编码,可是只能够编码15个氨基酸。
25亿年前,蓝藻大量出现在地球表面,释放出大量氧气,史称“大氧化事件‘,当时氧气消耗完了当时地球上所有的还原性物质,生物体内的琉基受到了氧化的威胁。所以生命将一些带有还原性R基的氨基酸引入。其中每个细胞中都拥有一种还原性寡肽”谷胱甘肽“。同时也为氧化还原反应提供相关物质.
这也就说明了为什么有些氨基酸拥有好几个密码子编码,但是像甲硫氨酸等带有还原性的氨基酸只有1个密码子编码。当然这是氨基酸的一部分发展,氨基酸还存在空间结构等相关特征,这些在这篇文章写不清楚,需要在下一篇文章详细讲解。
氨基酸的前世今生,氨基酸的前世今生的作用
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