最早的蛋白质，是怎么产生的？
来源：原理
大约在37亿年前，地球上出现了第一批蛋白质。一直以来，科学家都希望能弄清这些最早的蛋白质究竟是如何产生的，以及它们会是什么样子的。然而，想要了解这些信息并非易事，因为这些蛋白质可能是基于非生物自发合成的;此外，现代蛋白质的结构和功能又很可能与这些最早的祖先蛋白质之间差异巨大。
现代蛋白质是由20多种不同氨基酸组成的。氨基酸是蛋白质形成所必需的部分，它们以聚合物(长长的链状分子)的形式线性排列，构成大分子形式的蛋白质。在蛋白质的长链分子中，每个氨基酸的位置对蛋白质的具体结构和功能都至关重要。
一直以来，蛋白质的起源问题都是一个好似“先有鸡还是先有蛋”的悖论：合成蛋白质所需的氨基酸本身离不开各种生物酶的作用;而酶本身就是蛋白质。直到现在，科学界都都无法很好地对此作出解释。
支持蛋白质出现在细胞和生命之前的科学家认为，最早的真正意义上的蛋白质是由肽构成的，而这些肽可能是由那些在原始化学汤中自发产生的氨基酸组成的;短肽会彼此结合，随着时间的推移，产生一种具有某种功能的蛋白质。
生物学家Miller和Urey在1952年进行了一项著名的研究，他们通过实验证明了氨基酸可以自发生成。实验中，他们模拟了科学家推测的在生命存在之前的地球环境，发现在适当的条件下，氨基酸可以在不借助酶或其他现有的生物机制的情况下得以形成。
这样的结果是否意味着，氨基酸是可以先于酶形成的?
然而答案却是否定的。因为在那个实验中，有一类至关重要的氨基酸是缺失的;并且不仅仅是在那个实验中，在随后的每个这样的实验中，这种氨基酸都是缺失的：这是一类与精氨酸和赖氨酸一样，携带正电荷的氨基酸，即所谓的碱性氨基酸(阳离子氨基酸)。
碱性氨基酸对现代蛋白质来说特别重要，因为它们会与携带净电荷为负的DNA和RNA相互作用。现在我们认为，RNA是最原始的既能携带信息又能自我复制的分子，因此它们与带正电荷的氨基酸作用，或许是使得生命细胞得以进一步发展的必要步骤。
虽然Miller和Urey的实验没有产生已知存在于现代蛋白质中的碱性氨基酸，却的确出现了一种名为鸟氨酸的携带正电荷的氨基酸。后来的生物学研究发现，鸟氨酸只是精氨酸制造过程的一个中间步骤，其侧链能通过非生物化学反应进一步修饰为精氨酸，因此它本身并不能被用来制造现代蛋白质。
在一项新的研究中，来自以色列的魏茨曼科学研究学所和希伯来大学的研究人员提出了这样一个问题：鸟氨酸是否可能是那些祖先蛋白中的碱性氨基酸呢?
实验中重构的蛋白质(HhH)2与现代DNA分子的结合。实验中重构的蛋白质(HhH)2与现代DNA分子的结合。
他们设计了一系列实验来检验这种可能性，他们重构了一种蛋白质序列，这些蛋白质序列很可能与失散多年的祖先蛋白质非常相像。实验先从一个能与DNA和RNA结合的相对简单的蛋白质开始，然后利用系统发育的方法来推断祖先蛋白质的序列。这是一类富含正电荷的蛋白质，其中64个氨基酸中有14个都是携带整点的精氨酸或赖氨酸。
接着，他们用鸟氨酸作为正电荷载体取代了精氨酸或赖氨酸，创造出了合成蛋白质。这些以鸟氨酸基础的蛋白质会与DNA结合，但结合强度不大。
通过简单的化学反应将鸟氨酸转化为精氨酸。图片来源：魏茨曼科学研究学院通过简单的化学反应将鸟氨酸转化为精氨酸。图片来源：魏茨曼科学研究学院
在新的实验中，研究人员采用简单的化学反应，将鸟氨酸转化为了精氨酸;而这些化学反应发生的条件，是科学家认为在第一批蛋白质出现之时，普遍存在于地球上的环境。随着越来越多的鸟氨酸被转化为精氨酸，蛋白质就会变得越来越像现代蛋白质，并以更强、更有选择性的方式与DNA结合。
含有原始精氨酸的蛋白质(右)可能具有自我组装和相分离的能力，从而产生类似细胞的液滴。含有原始精氨酸的蛋白质(右)可能具有自我组装和相分离的能力，从而产生类似细胞的液滴。
科学家们还发现，在RNA存在的情况下，肽的古老形式会进行相分离(就像油滴在水中出现油水分离一样)，这一步骤会导致自我组装和分离。研究人员解释说，这表明这些蛋白质和RNA可以形成原始细胞，而我们现在所知道的活细胞可能就是从那样的原始细胞中进化而来的。
相关文章
-
以码抗病：计算机如何辅助抗病毒药物研发
来源：科学大院我原以为，这依然会是一个寻常的寒假。,目前，研究人员已从新型冠状病毒（2019-nCov）中分离出orf1ab，S，E，M，N等10条基因组序列，各自编码相应的病毒蛋白。,但好消息是，总有这样几把锁长得有点像，其钥匙可以通用，就像艾滋病蛋白酶的抑制剂可能可以作用于冠状病毒的蛋白酶（如奈菲那韦和洛匹那韦），负责埃博拉或流感病毒RNA复制的RNA聚合酶（RNA-dependentRNAp
2024-03-22 08:48 -
哼唱一段旋律，AI就能创造一种 “全新” 蛋白质
当地时间3月17日，麻省理工学院科学家们给带来了一个新成果，他们通过将蛋白质的复杂结构转化成乐谱，随后给予电脑一个种子序列，人工智能系统就能设计出一种自然界中从未见过的“全新”蛋白质。,可以说，该研究为制造蛋白质提供了一种独特的方法。,比如人们在自然界中发现了一种蛋白酶，就可以通过这种方法改进催化效率或产生新的蛋白变异。
2024-03-22 08:27 -
2600年前古人类大脑将为痴呆症治疗提供重要线索
如果研究人员能够从2600年前人类大脑样本中找出这种独特蛋白质折叠方式，或将掌握治疗痴呆症患者的重要线索。,对头骨胶骨蛋白放射性碳测定显示死者生存年代为公元前673-482年之间，当前未发现使用丹宁酸或者人工保存技术。,这个古代大脑组织在人体死亡后快速分解和自体溶解才完整保存下来，至今仍是一个未解谜团。
2024-03-22 08:22 -
今日《自然》重磅：迄今最大规模人类蛋白互作组诞生
在今天的这篇文章中，学术经纬团队也将介绍这项工作。,我们知道了这些蛋白质如何起作用，就能更好地理解它们的生理功能。,这项工作有什么意义?研究人员们指出，对于大部分人类蛋白，我们还不是很清楚它们的功能。
2024-03-22 08:17 -
陨石中发现蛋白质，暗示地外生命存在？
新浪科技讯北京时间4月14日消息，据国外媒体报道，日前一支研究小组声称在陨石中发现一种蛋白质，它是地球之外发现的第一种蛋白质，但是它并不能证实外星生命存在的迹象。,研究人员将水和三氯甲烷等液体与粉末混合在一起，之后向混合物释放一束激光，将它们变成气体，这一过程被称为质谱分析，更加便于研究分析。,尽管如此，人类可能仍将继续在陨石样本中寻找复杂的有机分子、氨基酸、以及蛋白质，这些工作需要更多的努力和付
2024-03-22 08:14 -
迄今最大规模阿尔茨海默病蛋白组学数据！
来源：学术经纬权威学术期刊《自然-医学》最新上线一篇有关阿尔茨海默病(AD)的重要论文。,这让科研人员们开始重新审视，还有哪些其他蛋白质在AD中起作用?它们是否可以提供新的药物靶点?此次大规模蛋白质组学研究正可以为这些问题提供答案。,”值得一提的是，目前已有一些研究工作开始聚焦大脑糖代谢和小胶质细胞。
2024-03-22 08:14 -
“早餐勿吃粥”引热议，粥到底该怎么喝？
来源：科普中央厨房|北京科技报图片来源/视觉中国(除署名外)编辑/吉菁菁新媒体编辑/吕冰心[撰文专家]范志红：北京食品营养与人类健康高精尖创新中心岗位科学家;中国营养学会理事、中国健康促进与健康教育协会理事;中国科协聘营养科学传播首席专家中国农业大学食品科学博士张文宏教授“喝粥营养少，早餐勿喝粥”引发热议。喝粥到底好不好?不能一慨而论。白粥营养确实偏低，但关键是要懂得“喝粥之道”。最近张文宏医生建
2024-03-22 08:04 -
我们其实并不需要摄入那么多蛋白质
但如今有些专家指出，特意提高蛋白质含量(以及价格)的食物其实是浪费钱。,生活中存在许多变量，比如睡眠、压力和饮食习惯等等，这些都会对健身效果造成影响。,不管怎么说，摄入多于身体所需的蛋白质纯粹是浪费钱，最后都会被马桶冲走。
2024-03-22 07:57 -
一种蛋白质 会导致乳腺癌加快恶化
来源：科技日报新华社讯（记者岳东兴白旭）南澳大利亚大学5月26日发布公报说，该校研究人员发现，一种蛋白质会让乳腺癌更快恶化，以这种蛋白质为靶点也许能开发乳腺癌新疗法。,研究人员已在三阴性乳腺癌中发现了高水平的Creld2蛋白质。,此外，研究人员还在肾癌、非黑色素瘤皮肤癌、侵袭性鳞状细胞癌中发现了高水平的Creld2蛋白质。
2024-03-22 07:51