氨基酸的碱基序列和密码子相同吗,一个氨基酸对应着几个密码子

地球上的生命究竟是从哪来的？是通过外太空陨石产生的？还是地球自身通过化学演化而来？虽然目前有一些关于生命的化学起源研究，但这些化学物质是如何推动生命演化得更加复杂？

生命的化学演化是一个庞大的开放性问题。而其中的一个基础问题格外引人注目：为什么地球上的所有生命都基于特定的 20 种氨基酸？这 20 种氨基酸一直让科学家着迷。虽然理论上氨基酸可以有无限多种形式，但地球上整个生物界的蛋白都只由这 20 种氨基酸组成，这 20 种氨基酸还有更古怪的性质：它们都有相同的手性。而在实验室的合成化学反应中，难以合成两种手性分子中的特定一种对映体，而为了纯化出其中一种对映体，化学家们可谓是费尽心机。

那么，究竟为什么是这 20 种氨基酸构成了生命？为什么生命体中的氨基酸有 20 种，而不是 10 种或 30 种？为什么是目前的这 20 种而不是其他的 20 种氨基酸？在过去的几十年里，热心的化学家和生物学家已经开始将发现的证据拼合在一起。

氨基酸是如何产生的？抛开外太空直接引入的部分，1952 年著名的米勒-尤里实验在探索无机物质生成氨基酸的路上迈出了第一步。

实验展示了在模拟闪电的电火花作用下，简单的物质如水、甲烷、氨气和氢气可以形成超过 20 种不同的氨基酸。这些氨基酸也出现在陨石中。1969 年在澳大利亚发现的默奇森陨石中发现了至少 86 种氨基酸，其中包括最多有 9 个碳原子的取代基和二羧基、二氨基等不同的官能团。

图 | 默奇森陨石（左）和陨石中发现的一些氨基酸（右）（来源：阿贡国家实验室/Scientific Reports）

在地球诞生的最初 10 亿年，其环境和面貌与现今有着巨大的差异。在当时的地球上，温度很高，活火山遍布地表，时常喷发出火山灰和岩浆，大气十分稀薄，氧气很少，整个地球暴露在强烈的紫外线中。那时的海洋，是不同物质相互影响、形成复杂混合物的温床，而在这里，RNA 在生命最初的进化中扮演重要角色。

RNA 世界理论认为，地球上最早期的生命分子以 RNA 最先出现，之后才有的蛋白和 DNA。而这些早期出现的 RNA 分子，既有如 DNA 的遗传信息存储功能，又有如蛋白质的催化生化反应功能。在 RNA 世界阶段，RNA 是支持早期生命的关键分子。

图 | 地球演化历史（来源：维基百科）

然而，氨基酸何时出现至今仍是一个谜。

遗传物质和蛋白质之间存在严重的依赖关系。没有蛋白质的参与就无法完成 DNA/RNA 的复制和组合，而如果没有 DNA/RNA 携带的信息，蛋白质也无从合成。

从丙氨酸（A）到酪氨酸（Y），20 种构成蛋白的基本单元构成了生命的字母表。由这些氨基酸建成的蛋白大分子，是生物的主要大分子，为不同的生命体提供不同的结构和功能。

但是为什么生物选择通过氨基酸作为大分子的基本单元？

德国美茵茨大学氧化还原医学专家 Bernd Moosmann 认为，这是由于氨基酸首先被用于将 RNA 结构锚定在膜上。“你也可以在现代生物中发现这种现象：细菌和线粒体的 DNA 和 RNA 分子通常在膜内部与膜接触。”多数研究者认为，这一现象在 40 亿年前的“RNA 世界”中就存在，当时 RNA 分子是最先可以自我复制的分子，因此也担任类似现今蛋白的催化功能。”

纵观 20 种氨基酸，不难发现这些氨基酸性质非常多样：它们涵盖了从酸性到碱性、从疏水到亲水等不同理化性质。

但这一组氨基酸最终出现在生命体中，究竟是巧合，还是经历漫长进化最终确定的呢？

图 | 氨基酸遍布不同理化性质范围（来源：COMPOUND iNTEREST）

虽然我们无法判断在陨石中出现的几十种氨基酸是否与其他星球存在生命有关，但氨基酸是一个庞大的家族，其侧链可出现成千上万种不同的变化。那么，为什么地球上的生命体中只出现了这 20 种氨基酸？

一些人们倾向于认为，这 20 种氨基酸只是随机选出的，如英国生物学家 Francis Crick 在 1960 年提出的“冰冻事件理论”。该理论认为，另外不同的 20 种氨基酸也可以和现今生命体中的 20 种氨基酸具有同样效果。

英国曼彻斯特大学化学生物学家 Andrew Doig 在进行阿尔茨海默病研究时想到了化学物质的进化。他对这个问题有不同的看法：“这些构成蛋白的氨基酸在 RNA 世界时被选出，那时生命和代谢已经存在了上百万年，产生了大量不同的有机分子。”如果氨基酸是 RNA 代谢的结果，这将大大提高氨基酸在环境中的浓度。

Doig 阅读了关于冰冻事件理论的论文，但他认为这其中还存在一些问题。这促使他将新想法写成了一篇最近发表的论文。文中他论述了每一种氨基酸都是经过选择的，这导致了现今生物体中的 20 种氨基酸是一组理想的组合。选择中的考虑因素包括每一种氨基酸的组成原子、官能团和生物合成成本。

对生物学中 20 种氨基酸的选择，明显与蛋白的发展有关。通过将不同的氨基酸缩合生成多肽链，蛋白可折叠成可溶结构，具有紧密的核心以及有特定结构的结合腔。蛋白的形成以及最终采用了 20 种氨基酸作为标准可能是一个重大的进化步骤。

Doig 解释说，形成可溶的稳定蛋白结构，并拥有紧密的核心与特定结构的结合腔需要不同氨基酸种类。这就需要多种疏水蛋白。“蛋白的核心是一个 3D 拼图，如果你有不同类型的疏水氨基酸，你就有更多建造无缝核心的选择。”

疏水氨基酸倾向于有更多支链的侧链也获得了解释。在蛋白核心，分子不再需要转动并失去一些相关的熵。“如果你有更多支链的氨基酸如缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，你就可以在将它们整合在一起时损失更少的熵。因此进化选择出的这些疏水氨基酸并不仅仅是因为它们的疏水性，同时还由于它们有支链，”Doig 说，“如果你想要氨基酸构成蛋白的核心，你必须选择疏水和有支链的氨基酸，而如果你想构成蛋白的表面，那么你需要一些直链和极性的氨基酸如精氨酸和谷氨酸。”

但根据 Doig 的说法，这些都还只是猜测。“我们根本没有直接的证据。”我们从目前的比较基因组中所知道的是，在 35 到 38 亿年前我们的共同祖先就已经在使用这 20 种氨基酸了。

美国马里兰大学天体生物学家 Stephen Freeland 提出了一种方法，可以证明生物学中的氨基酸并不是随机选出的。他将药物发现所用到的化学空间借用过来。在化学空间中，不同的分子被放在一个 3D 空间中，用以帮助发现可能作为新药物的空白。Freeland 和他的团队所考虑的 3 个参数分别是分子大小、电性和疏水性。“这个空间虽然并不完美，”Freeland 说，“但是在解释这些氨基酸可以做到什么和为什么它们能够做到这些功能，这个 3D 空间已经很能说明问题了。”疏水性在蛋白折叠过程中明显扮演了重要角色，电性对化学反应和活性位点十分重要，而分子大小则十分直观的反应在蛋白结构上。

“我们发现了生物学中氨基酸分布具有明显的非随机特征，”Freeland 说。这些氨基酸很好的分布在整个化学空间中，同时显示出在空间中分布的均匀性——就好像在尝试尽可能覆盖不同的特性。