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生物体的完美对称及生物大分子的非对称性与单一手征性

已有 7057 次阅读 2009-11-23 11:36 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记| 进化, 对称, 手征性

有朋友说,生物体是完美对称的,但构成生物体的分子却又都是不对称的,具有手征性,例如右旋糖、左旋氨基酸,这是为什么?

这的确是个有趣的问题,涉及到生命的起源。

有机分子常常具有手征性。化学合成过程中,左右两种手性的产物都可能产生。但在生物体内却不一定如此。生物体的大分子是由各种小分子构成的。作为构成生物体的小分子化合物往往都有一定的手征性,例如糖类都是右旋分子,氨基酸都是左旋分子。这个现象被称为生物分子的“单一手征性”(homochirality)。

我的理解,单一手征性首先应该是生物大分子结构稳定性的需要。例如生物体的最重要的组成部分是DNA,负责携带遗传信息。遗传信息的载体的结构特点应该是既稳定又方便复制。 DNA的双螺旋结构恰恰具备这两个特点。DNA的主要构件之一是核糖。双螺旋的成功构成要求参与结构的全部核糖分子都具有相同的手征性。同样地,蛋白质结 构特点也要求其基本成分氨基酸的手性相同。

非对称性对于生物体的功能也至关重要。生物体的某一项功能的成功执行,例如生殖,是一系列信号在机体内各种组织和细胞之间成功传递的结果。非对称物体的另一个特征是其结构具备特异性,而特异性是信号本身及其传递过程的第一要素。

那么,为什么生物体选择了右旋糖而不是左旋糖,左旋氨基酸而不是右旋氨基酸呢?

我想,这是因为进化过程的两个特点:随机性和不可逆性。遗传信息的突变是随机的。进化过程做出的选择是不可逆的。生物体的最初形成过程目前尚属未知,但很 可能经历了核酸、氨基酸的形成,核酸单体形成多聚体(DNA或RNA),氨基酸单体形成多聚体(蛋白质),DNA或RNA与蛋白质形成有自我复制能力的病 毒,再进一步形成单细胞、多细胞生物。这个过程一旦起始便不可逆,除非过程中断,从头再来。好比在球赛开始前猜硬币的正反来决定起始进攻方向,一旦作出选 择,球赛便开始。球赛开始后便不可逆转。

球赛开始前裁判掷出的硬币有正反两种情形,生命的基本载体也有左旋和右旋两种选择。我的猜测,我们所知的地球上现存的这种生命形式最初选择了右旋糖和左旋氨基酸。

宇宙里跟地球类似的行星估计有上亿颗,生命发生过程很有可能在别处再来一次。如果生物进化在别的行星上再来一次,最初的病毒在挑选核酸和蛋白质时,完全有 可能选择跟我们的相反的手性化合物。但是,构成生物体的非对称小分子无论是是左旋还是右旋,构成的生物体的整体依然应该是对称的。

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