氨基酸去哪了
四种DNA字母要编码20种氨基酸。绝不可能是一对一编码,也不可能是二对一编码,因为两个字母最多只能组成16种组合(4×4)。因此,最低要求是三个字母,也就是DNA序列里面最少要有三个字母对应到一个氨基酸,被称为三联密码,后来被克里克和西德尼·布伦纳证实。
但是这样看起来似乎很浪费,因为用四种字母组成三联密码,总共可以有64种组合(4×4×4),这样应该可以编码64个不同的氨基酸,那为什么只有20种氨基酸呢?一定有一个神奇的答案来解释为什么4种字母,3个一组,拼成64个单词,然后编码20种氨基酸。
1952年,沃森就曾写信告诉克里克:“DNA合成信使RNA(mRNA), mRNA合成蛋白质。”克里克开始研究这一小段mRNA的字母序列,如何翻译成蛋白质里面的氨基酸序列。他认为mRNA可能需要一系列“适配器”来帮助完成翻译,每一个适配器都负责携带一个氨基酸。当然每一个适配器一定也是RNA,而且都带有一段“反密码子”序列,这样才能和mRNA序列上的密码子配对。
适配器分子也由RNA分子组成。它们现在叫作“转运RNA”或tRNA。现在整个工程变得有点像乐高积木,一块块积木接上来又掉下去,一切顺利的话,它们就会这样一个接一个地搭成精彩万分的聚合物。
随着实验技术进步而且越来越精密,在20世纪60年代中期许多实验室陆续解开了序列密码。然而经过一连串不懈的译码工作后,大自然却好像随兴地给了个潦草结尾,让人既困惑又扫兴。遗传密码子的安排一点也不具创意,只不过“简并”了(意思就是说,冗余)。有三种氨基酸可对应六组密码子,其他的则各对应一到两组密码子。每组密码子都有意义,还有三组的意思是“在此停止”,剩下的每一组都对应一个氨基酸。这看起来既没规则也不美,根本就是“美是科学真理的指南”这句话的最佳反证。甚至,我们也找不出任何结构上的原因来解释密码排列,不同的氨基酸与其对应的密码之间似乎并没有任何物理或化学的关联。
克里克称这套让人失望的密码系统为“冻结的偶然”,而大部分人也只能点头同意。他说这个结果是冻结的,因为任何解冻(试图去改变密码对应的氨基酸)都会造成严重的后果。一个点突变也许只会改变几个氨基酸,而改变密码系统本身却会从上到下造成天大灾难。就好似前者只是一本书里无心的笔误,并不会改变整本书的意义,然而后者却将全部的字母转换成毫无意义的乱码。克里克说,密码一旦被刻印在石板上,任何想改动它的企图都会被处以死刑。这个观点至今仍有许多生物学家认同。
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大千世界,芸芸众生,缔造无数辉煌的人与动物、植物、微生物等有生命之物体都呈现蓬勃生气,可是,鸿蒙新始宇宙中的生命又是怎样产生的呢?早在1953年,芝加哥大学化学系一位青年学生斯坦利米勒曾产生过一个当时被人们认为是荒诞的想法,世界基本物质中的矿物元素能否必然产生生命?要是米勒不去大胆地进行试验,这个意识受嘲弄的所谓不可思议的设想,恐怕只能永远成为争论的话题,他的老师尤里不无耻笑的叫米勒试试,并跟他打了1000美元的赌,担保他不会成功,斯坦利米勒的设想和实验似乎过于简单,因此尤里教授的怀疑态度是可以理解的。
米勒设想把构成我们地球的最原始的矿物质放在一个庞大的试管里进行实验,这些矿物元素有钾,锰,氮气和氨气,米勒排除了种种干扰,勇敢地开始了探索,他在试管里把这些无机物质混合在一起,然后向试管通电,放出电火花,大家要知道40亿年前构成地球的所谓原汤上空,经常发生强大的雷电,经过一个星期的操作,米勒停止了实验,当他仔细观察试管时,发现底部有一种淡黄色的奇异物质,米勒又惊又喜,立即对这种物质进行了化验分析,结果证明那是氨基酸。
大家都晓得氨基酸是生命的要素,当然,米勒从无机物质中没有创造出生命来,甚至连最基本,最原始的生命形式也没有制造出来,但是他发现了一个化学程序,可能导致生命的出现,请不要忘记米勒的实验只用了一个星期的时间,而地球却花了40亿年的功夫才有生命的出现,应当说是前苏联生物化学家奥帕林于1924年提出的一个具有革命意义的的假设,才导致了米勒的极其天才的实验。
奥帕林对地球上出现生命的过程做过如下描绘,40亿年前在太阳紫外线的作用下地球表面出现了第一批氨基酸,这些生命的原始物质掉进了海洋,便形成了所谓的原汤,随着时间的推移,生命的原始物质不断的进行结合,其结构越来越复杂,最后就产生了生命,这位前苏联生物化学家认为,他的这个描绘并非是想入非非的事,他自己曾观察到,在注入大量溶剂的浓胶状态溶液中,蛋白质很容易结合起来。
米勒1953年的实验表明,科学家们的思想也有了一个飞跃,当时有许多科学家认为生命是指产生于我们地球表面的、自发的、例外的现象,米勒的发现,极大的震撼了这些科学家的心灵,米勒以实验证明,一定物质的化学结合必然会导致生命的出现,这个理论是生命、是自发和例外的出现的学说,倾刻瓦解,继米勒之后,诺贝尔化学奖获得者梅尔文和卡尔文把实验推进了一步,他们用回旋加速器发射电子来代替紫外线,后来另一名科学家佛克斯又对原汤的各种条件进行了模拟实验。
40亿年以前,火山爆发向地球表面喷涂着大量的火焰熊熊燃烧的岩浆直接流入了海洋,福克斯把模拟的原汤同岩浆接触,然后加热,使温度升到107摄氏度,同时加进了18个氨基酸分子得到的结果表明是生命是必然出现的,因为福克斯的实验产生了类似多钛的物质,换句话说,他获得了有几百个分子组成的氨基酸链,从此就形成了一门新学科,生元素,从1953年以来,实验室的实验越来越复杂了,科学工作者人工制造出了越来越高级的氨基酸和分子,到了1970年,人们经研制成了去氧核糖核酸分子,在取得这些地面新发现的同时,天体物理学家们也在宇宙空间找到了个各种各样的分子。
随着这些新的发现也出现了一门新的学科天体化学,这是一门完全崭新的学科,它产生于20世纪70年代,的确天体物理学家们,1972年在宇宙间发现了24种分子,而在1977年又找到了45种分子,1977年5月23日星期一,天文学家雅克勒凯向法兰西学院介绍了在宇宙里发现的最新的分子,即由六个原子组成的分子C2H2CN,这个宇宙化学的新证据,是莫东天文台于1977年5月22日分析得出的,它表明宇宙中会产生越来越复杂的化学反应和化学结合。
不过,有人曾经认为,除原子和粒子外,宇宙不会孕育出别的东西来,可是事实恰恰相反,科学家们发现了越来越多的化学成分十分复杂的物质,有人甚至认为发现了有83个原子组成的不良分子,但至今没有得到证实。
业已发现的相当高级的分子在宇宙里的生命发展中起着重大的作用,他们像蘑菇的包子一样,架着宇宙里的风,或坐在冰冷的彗星迁居到各个星球上去,一些科学家认为这是十分可靠的假设,结论是像地球上一样,化学在宇宙里似乎必然会导致一个越来越复杂的结构,这个结构又必然会导致生命的出现。
宇宙探索:宇宙中生命是怎么诞生的?生命的要素——氨基酸,搜索关于宇宙生命
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。