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ATP中心假说

一种关于遗传密码子起源的假说。遗传密码子是生化系统的一部分,因此,必须与生化系统的演化相关联,而生化系统的核心是能量载体ATP(各种生化循环,如卡尔文循环糖酵解三羧酸循环等,均与ATP相耦联),它是光能转化成化学能的唯一终产物,它可以衍生出其它核苷酸,这些核苷酸可以自身缩合成核酸。ATP可活化氨基酸,为多肽链的缩合提供了能量基础。因此,只有ATP才能建立起核酸和蛋白质之间的联系即遗传密码系统。遗传密码匿藏了生命及其历史的秘密。因此,如果人们知道了密码子是如何产生的,生命起源的难题也就迎刃而解了。由于遗传密码子是生化系统的一部分,因此,只有在生化系统的演化过程中才能找到它发源的根基。当然,生命的起源归根结底亦是一个生化系统起源的问题。 [1]

在生化系统中,没有什么比核苷酸ATP的角色更重要的了。ATP是光合作用最重要的产物之一,是能量的载

体(自身缩合成核酸而不再需要额外的能量、能活化氨基酸生成多肽……),是遗传信息的载体,协助遗传指令的执行,等等。构成蛋白质的氨基酸有20多种,而构成核酸的核苷酸仅5种,但在现代生化系统中,氨基酸可以互相转化,核苷酸亦如此(其它4种核苷酸均可视为从光合作用产生的ATP衍生而来)。其实,细胞内的几乎所有的有机分子均可以相互转化,这为代谢调控的灵活性奠定了基础。

核酸区分为DNARNA,RNA又进一步区分为mRNAtRNArRNA。DNA以双链的形式存在,既容易保持整齐的链状结构,也方便解链(因只是通过非共价的氢键聚合在一起)或以单链为模板进行复制,而RNA则以单链的形式存在,但能形成各种独特形状的mRNA和t-RNA。

为何密码子起源以ATP为中心?从生物能量学的视角来看,太阳光能的获得与

转化是推动地球上生命系统演化的根本动力,而各种生化循环(如卡尔文循环糖酵解三羧酸循环等)的

核心就是与ATP相耦联,或者说将ATPADP[当然还有氢的载体NAD(P)H/NAD(P)]与各种代谢(合成与分解)相耦联。作为能量信息的载体的ATP在现代细胞中位于生化系统的中心,它在光合作用、代谢通路和遗传信息之间架起了桥梁。 [3]

此外,核酶(与蛋白质相比,催化效率较低)的存在似乎也暗示像ATP这样的核苷酸支撑着早期的生命运作,因它能够切割RNA或DNA, 有些具有RNA 连接酶或磷酸酶等的活性。之后,这种低效的原始催化酶才被高效的蛋白质酶全面接管。

概述

原始生命系统的演化就是一种光能驱动下的规律性的建构过程 [2]大自然中的生命法则或规律是从随机性中创造出来的(如各种生化循环),这是一种从混沌走向秩序的过程。譬如,在机缘中,跨膜质子梯度(与肽链通道耦联)导致了ATP合成机构的成型,而ATP又推动了多肽合成体系的诞生。在事件的规律性或重现性中实现了信息化建立起特定的t-RNA携带特定的氨基酸、以及t-RNA氨基酸接受臂吻合反密码子这样的结构体系,当然,这亦是一种随机的筛选过程。最后,迎来了一个统一的蛋白质合成平台根据mRNA模板来制作多肽链的rRNA的诞生。简言之,原始生命的演化就是一种与光合作用相耦联、从随机性中筛选出节律性或规律性的生化系统创建过程,而所有这些筛选均是以生命的个体性存在为前提的。

信息在节律化或规律化的过程中必然产生,因为没有信息,节律或规律将失去意义,而物质亦只能停留于混沌之中。这样,信息化就是生命系统演化的必经之路,因此,一个集编码、保存、复制和翻译等于一体的信息系统的登场也就瓜熟蒂落了。

ATP(及其衍生的核苷酸)缩合成的核酸承担了信息的编码、保存、复制翻译的功能(这亦适合其结构特点),它选择编码氨基酸去生产蛋白质,而核酸还承担了蛋白质生产车间的功能。由氨基酸构成的蛋白质高效催化几乎所有的生化反应(称之为),它按照DNA的指令去构建生命,是生命活动的实践者。如果以建筑一栋房屋为比喻,DNA是一个设计蓝图,RNA是工程师,蛋白质是各种建筑工人,形形色色的生命构件就是砖砖瓦瓦的建筑材料,他们的有序合作才能建成一栋风格独特的房屋。

信息整合从mRNA到DNA

光合作用只生产ATP。因携带有高的活化能,三磷酸化核苷酸可以自动缩合成各式各样的mRNA,而既然可以聚合成mRNA,那再拼接出更长的核酸(DNA)亦是水到渠成之事。从mRNA走向DNA是生化系统信息化逐渐完善的一个标志,用DNA来记录所有的遗传信息,而mRNA变为专门司职于遗传指令执行的一个环节(信使)。

在信息的整合过程中,终产物DNA与RNA在结构上出现了细微的差异:在核糖的第二个碳原子处前者是H后者是OH,碱基也变换了1个,即DNA中的胸腺嘧啶T在RNA中被尿嘧啶U所取代,当然两者的差别十分细微,也就是T多了一个甲基。没人能回答为何碱基相异的是1个而不是4个。在结构上或许并无多大意义,只是在于区别,因为类似的例子亦不罕见(譬如NADPHNADH),除非RNA多样的立体结构来源于核糖或碱基的细微变化。这或许仅仅只是一种随机筛选的结果。

为何生命要分离出两套独立的系统RNA和DNA?这似乎是为了实现对细胞内成百上千同时发生的生化反应进行有序的信息管控,因为在生命构建与运行过程之中,mRNA的使命完成之后,马上就被销毁掉,而DNA所记录的遗传信息则是要永久保存的,这是种族延续的根本。

密码子从混沌走向秩序

原始生化系统应该就是光合作用演化的产物,在光合产物不断堆积、细胞不断破裂的循环过程中,逐渐从混沌走向秩序,在不断完善的信息化过程中,实现了同质性个体(当然并非绝对)的生产,最终形成了一套对生化系统进行有序管控并能在母体分裂过程中向子代稳定传递的密码系统。细胞只有能成功进行信息化管控,重复产生出同质性个体,才是真正生命实体的开端,才出现了真正意义上的物种,才开始了物种的演化历程。 [4]

密码子是生化系统自我组织的产物。在脂质囊泡中,以ATP为代表的核苷酸可自身缩合,一些可携带氨基酸,一些构建氨基酸缩合的平台,合成的多肽又可参与构建细胞膜中亲水分子/离子的跨膜通道,强力助推光合效率,并高效地催化核苷酸的自我缩合……这是一个从随机性中筛选出规律性的过程(即所谓的“自组织”),通过个体的生存选择不断地对生化系统进行优化与完善。多肽的秉性是参与催化几乎所有的生化反应过程。

由于核苷酸能够活化氨基酸,因此,最初的肽链生成可能是一种随机过程。在同质性个体选择压力下秩序化的结果可能导致了在特定的模具(rRNA)中,逐渐发展出根据mRNA链来合成特定多肽链的机构和规则(如在立体化学机制作用下的反密码子密码子的配对原则)。

密码子的形成并不需要外在的设计,它不过是从随机性中筛选出合理性(通过个体存在的选择压力)的一种化学过程。而三联体密码子正好可以处理20多个氨基酸的分类管控,少了不行,多了累赘,即它是满足氨基酸编码最低需求的密码子数。

ATP遗传密码子的发明者

如果从能量的普适性以及现代生化系统的结构特征来看,生命最有可能始于光合系统的演化。支持这一观点的一个重要分子证据就是细胞色素(一类以铁卟啉血红素辅基的电子传递蛋白),这是一个存在于几乎所有生物之中的电子载体,而血红素可能就是从光合色素叶绿素衍生而来的(现存生物中两者生物合成途径亦十分相似),只是叶绿素含有镁卟啉环,它可能由卟啉环与长链脂肪酸(可能来自膜)加合而成。

因此,密码子及其耦联的生化系统应该是在太阳光能驱动下、在相对封闭的系统(如脂质囊泡,可以推测原始地球上的脂肪酸就能自动形成类似于细胞膜的双层球状结构)中物理化学过程的产物,而这个过程的核心就是光能的捕获、传递以及由此推动的水的生化裂解过程,并伴随着跨膜电子与质子的流动或传递。在这样的事件之链中,一个看似平凡的有机分子ATP却创造了诸多生命世界的奇迹:(a)它是光能转化成化学能的终端;(b)导演了一系列的生化循环(如卡尔文循环糖酵解三羧酸循环等)及令人眼花缭乱的元素重组;(c)它通过自身的转化与缩合将错综复杂的生命过程信息化筛选出用4种碱基编码20多个氨基酸的三联体密码子系统(4 =64,还有相当大的编码冗余)、精巧地构建了一套遗传信息的保存、复制、转录和翻译以及多肽链的生产体系;(d)演绎出蛋白质核酸互为因果的反馈体系,并在个体生存的方向性筛选中,构筑了对细胞内成百上千种同步发生的生化反应进行秩序化管控(自组织)的复杂体系与规则,并最终建立起个性生命的同质化传递机制遗传。因此,在无数的有机分子中,只有ATP才是遗传密码子的发明者! [1]

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