细胞的组成单位——蛋白质

蛋白质的形成

人们很快便想到酶,想到蛋白质。诚然,从今天的生物界来看,无论从组成生物体的结构来看,还是从行使各种生理功能的需要来看,蛋白质的重要地位不可动摇。

似乎可以理所当然地推断,有了组成生物体的基本元素之后,下一步就应该是形成蛋白质了。因为很难想象,如果没有蛋白质,现在的生物界会是什么样子。

可是再一想,蛋白质怎么形成呢?按照现在我们所发现的情况,它的合成需要核糖核酸(RNA)的指导。这样看来,该先有RNA了。可如果我们不怕麻烦再想一想, RNA的形成难道不需要酶的催化吗?没有蛋白质能行吗?

这样一来就比较尴尬了,我们在探寻“谁是最初的生物催化剂”这个问题的答案时,不知不觉陷入了一个类似“先有鸡还是先有蛋”的问题。

自从克里克提出了“中心法则”之后,人们就想借此来解决这个棘手的且又无法回避的尴尬问题。按照这个中心法则,合成蛋白质的信息只能从核酸流向蛋白质,而不会反过来。这样一来, RNA先于蛋白质出现在地球上就成了理所当然的答案了。可是中心法则毕竟只是一个推断,我们需要证据才能确定它是不是一个自然法则。幸好现在的科学研究为它寻找证据已经不是什么太难的事情了。

在人们为暂时解决了这个“孰先孰后”的问题而欣喜的时候,确定最初的生物催化剂的任务还没有完成。既然先有RNA后有蛋白质,那么在蛋白质尚未出现,没有蛋白质酶的帮助下, RNA又是怎么形成的,特定的RNA又是怎么一代代传下来的?

20世纪80年代初,来自美国博尔德科罗拉多大学的切赫(Thomas Cech)和来自耶鲁大学的奥尔特曼(Sidney Ahman),各自独立地发现某些RNA分子具有催化活性。他们因此分享了1991年的诺贝尔奖。

所以,在太古时代,一个RNA催化另一个RNA的形成也就有了可能性。

这样,支持“先有RNA再有蛋白质”这一观点的追随者就更多了。而且,人们也在探寻最初的生物催化剂的道路上,向前迈进了一大步。但是还没有充分的证据可以让我们相信,早期的RNA也能够催化后来出现的蛋白质的合成。

新的催化剂

1958年,美国生物化学家福克斯(Sidney Fox)发现了一个配方:只要把干燥的氨基酸混合物在170℃加热,就能得到一种塑料样的固体,当把它研碎并与水混合时,可以得到平均50个氨基酸组成的产物,福克斯把这种产物称为类蛋白质。虽然类蛋白质并不是通常的肽所具有的链状结构,但是,福克斯的这一发现也值得我们思考这样一个问题:太古时代的氨基酸有没有可能也通过类似的途径形成肽甚至是蛋白质呢?

当然,也有人心存疑虑,认为福克斯得到类蛋白质的条件在太古时代不太可能实现,而且类蛋白质和蛋白质还相去甚远。

1951年,德国化学家维兰德(Theodoi Wieland)的一个发现令人惊喜。那时,生物化学家已经发现了硫酯键(-s-CO-),这种化学键在今天存活的全部生物中都至关重要。

我们知道,一个醇类的羟基(-OH)与一个有机酸的羧基(-COOH)之间脱水就可以形成一个酯键(-O-CO-)。与之相似,一个巯基化合物(含-SH)和一个酸脱水相连,就形成一个硫酯键。

维兰德就用这个方法,把氨基酸和一种巯基化合物合成了氨基酸硫酯,然后把它们简单地投入水中,结果肽形成了!而巯基化合物又被释放出来。值得注意的是,这个过程中没有蛋白质酶的参与。

更让人惊喜的是,几年后,美国生物化学家、生物力能学之父李普曼(Fritz Lipmann)发现了某些细菌肽(例如一种叫做短杆菌肽的抗生素),就是由硫酯自然合成的。因此,李普曼提出,依赖硫酯的肽可能早于依赖RNA的蛋白质。

因此,硫酯在生命发展过程中起到了关键性的作用。形成硫酯所需要的巯基也可能从前生命世界中存在的硫化氢气体(H \ -2S)衍生而来。巯基化合物可能是在前生命世界中播下生命种子的有机分子之一。