量子化学解决氨基酸之谜

量子化学解决氨基酸之谜

发布时间:2018-05-14    浏览量:40

前13个氨基酸的特征在于化学硬度和电子能级非常相似(在图像中显示为单个圆圈)。新的氨基酸在进化过程中变得越来越柔和,更加个性化,这反映在差异化的能量水平上(图像表现为多个同心圆)。

利用量子化学方法,由约翰内斯古腾堡大学美因茨研究所病理生化研究所的Matthias Granold博士和Bernd Moosmann教授领导的研究小组解决了最古老的生物化学难题之一。他们揭示了为什么今天有20种氨基酸构成了所有生命的基础,尽管随着时间推移产生的前13个氨基酸足以形成所需功能蛋白的综合库。决定性的因素是新氨基酸的化学反应性更强,而不是其空间结构。在美国国家科学院主要期刊PNAS上发表的文章中,美因茨的研究人员还推测,生物圈中氧气的增加引发了蛋白质工具箱中补充氨基酸的增加。

地球上的所有生物都基于20种氨基酸,它们由DNA控制形成蛋白质。在遗传的DNA中,总是三个连续的DNA碱基或密码子,它们组合起来“编码”这20个氨基酸中的一个。由此产生的密码子网格就是所谓的遗传密码。 “研究人员几十年来一直困惑,为什么进化选择了这20种氨基酸进行基因编码,”伯恩德莫斯曼教授说。 “最后和最新的七种氨基酸的存在特别难以解释,因为合适的功能性蛋白质可以使用第一个和最老的10到13个氨基酸进行组装。”

在一种新方法中,研究人员将地球上生命所使用的所有氨基酸的量子化学与来自太空的氨基酸的量子化学,陨石以及现代参考生物分子的量子化学进行比较。他们发现较新的氨基酸已经系统地变软,即更容易反应或倾向于发生化学变化。 Moosmann解释说:“今天在这里从空间化学的死亡过渡到我们自己的生物化学过程,其特征在于柔软度的增加,因此增强了积木的反应性。研究人员能够验证他们在生化实验中的理论计算结果。功能方面也必须对最近的氨基酸起到重要作用,因为这些新来的蛋白质在构建蛋白质结构时几乎没有特别的优势。

然而,问题仍然是为什么首先将软氨基酸添加到工具箱中。这些容易反应的氨基酸究竟应该与什么反应?根据研究结果,研究人员得出结论,至少有一些新的氨基酸,尤其是甲硫氨酸,色氨酸和硒代半胱氨酸是由于生物圈中氧气含量的增加而增加的。这种氧促进了有毒自由基的形成,使现代生物体和细胞暴露于巨大的氧化应激。新的氨基酸与自由基发生化学反应,从而以有效的方式清除它们。反过来,氧化的新氨基酸在氧化后很容易修复,但它们保护了其他更有价值的生物结构,这些生物结构是不可修复的,不受氧诱导的损害。因此,新的氨基酸为所有活细胞的远祖提供了非常真实的生存优势,使他们能够在地球上更加氧化的“勇敢的”新世界取得成功。 “考虑到这一点,我们可以将氧气表征为作者,为遗传密码添加最后一步,”Moosmann说。

出版物:Matthias Granold等人,“由氧气驱动的氨基酸库的现代多样化”,PNAS,2018年; DOI:10.1073 / pnas.1717100115

来源:美国约翰内斯古腾堡大学教授Bernd Moosmann教授

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