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DNA的基础部分核碱基可能来自太空 有助阐释生命演化
2019-09-30 08:38:57  出处:新浪科技  作者:任天 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

一项新研究发现,组成脱氧核糖核酸(DNA)的基础部分很可能来自星际气体云的核心。日本北海道大学的研究人员在超低温真空中进行的模拟发现,核碱基可以在太空中形成。核碱基是在DNA和RNA(核糖核酸)中起配对作用的杂环化合物,是组成真核生物染色质的基本单位。这一发现或许可以帮助阐明地球生命是如何演化的。

以往的理论认为,是一块来自太空的岩石给地球带来了生命的基础物质。我们今天看到的自然物种都是从这些基础物质进化而来。研究人员还发现了更复杂的化合物,包括氨基酸,这些化合物会继续形成蛋白质。

我们的发现表明,实验中重现的过程可能会导致生命分子前体的形成,”北海道大学低温科学研究所的大場康弘(Yasuhiro Oba)说,“这些结果将提高我们对太空化学演化早期阶段的理解。”在以往的研究中,科学家在彗星、小行星和太空气体云中都发现过基本的有机分子。一些科学家将这些分子与40亿年前地球上生命的起源联系起来。

从人类到细菌,DNA和RNA是所有生命形式都不可或缺的组成部分,它们是由磷酸基团、糖类和核苷酸这三个独立的部分组合而成。相比DNA,人们对RNA的认识较少,但二者却极其相似,只是RNA没有标志性的双螺旋结构。RNA的主要作用是帮助DNA转录,即读取储存在DNA中的信息,使其被身体使用,合成蛋白质。

RNA通常是单链的,其核糖的2位碳连接的是羟基。这个羟基降低了RNA的稳定性,使其更易被水解。如果RNA的2位碳原子上失去氧,其组成糖分子就变成2-脱氧核糖,由此产生DNA。如果这个特定的原子与氧结合,那就会形成核糖,组成RNA。

这种单个原子的简单改变就能改变遗传物质的整个结构,但核碱基才是组成核苷酸(核酸的单体结构)最关键的组成部分。以往模拟星际分子云条件的研究中,科学家发现了糖类和磷酸盐,但没有发现碱基。发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上的这项最新研究改变了这一状况。

大場康弘说:“这一结果可能是解开人类基本问题的关键,比如在太阳系形成过程中存在哪些有机化合物,以及它们如何促成了地球上生命的诞生。”日本多家研究机构的研究人员联合完成了这项超高真空反应室内的模拟实验,并分析了实验结果。

他们将一种由水、一氧化碳、氨和甲醇组成的气体混合物被注入一种模拟宇宙尘埃的材料中,其温度为-263℃。这一温度已经接近绝对零度,对于模拟分子和化合物在寒冷的太空中如何相互作用是至关重要的。两个氘(氢的同位素)灯被连接到真空室,为其提供启动反应的紫外光。实验结果显示,缺氧的超低温真空室中形成了一层冰冻的膜状物,研究人员对其成分进行了分析,发现了核碱基。胞嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤均存在于该物质中,三者都是组成DNA的基础化合物;其他化合物,如尿嘧啶、黄嘌呤和次黄嘌呤也有出现。

DNA和RNA有什么区别?

脱氧核糖核酸(DNA)是在我们所有细胞的细胞核中存在的含有遗传信息的生物大分子。它的形状像一个双螺旋,由核苷酸组成。每个核苷酸包含一个含氮碱基、一个五碳糖和一个磷酸基。

DNA的五碳糖成分称为脱氧核糖,构成了DNA中的“D”。这是一种环状碳基化合物,由五个碳原子组成五边形。脱氧核糖的第二个碳原子上附着的是一个氢原子。这个碳原子也可以再附着一个氧原子,即附着一个羟基。在这种情况下,脱氧核糖就变成了核糖,即RNA中的“R”。

RNA和DNA的形状

RNA主要负责DNA遗传信息的翻译和表达,为单链分子,分子量比DNA小得多,但它也能编码某些细胞和有机体的遗传信息。氧的存在会彻底改变化学物质与其他分子的结合方式。RNA的核糖含有氧,使其可以呈现出各种各样的形状,甚至可以折叠并拥有类似蛋白质的结构,像酶那样催化化学反应(这样的RNA被称为核酶)。与RNA相比,DNA分子呈现标志性的双螺旋结构。

利用RNA

为了翻译和转录遗传密码,使蛋白质和其他分子成为生命所必需的分子,DNA经常被分解成RNA,并被细胞读取。RNA具有与DNA相同的三个碱基对:胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)。另一个碱基对,胸腺嘧啶(T),在RNA中被替换为尿嘧啶(U),它比胸腺嘧啶少了一个甲基。

RNA通常也存在于更简单的生物体(比如细菌)中。RNA在细胞中广泛存在,真核生物的细胞核、细胞质和线粒体中都有RNA。此外,一些病毒也以RNA作为遗传物质,它们被称为RNA病毒。

线粒体基因组

所有的动物细胞都使用DNA作为遗传物质,但有一个明显的例外:线粒体。线粒体是细胞的动力来源,通过三羧酸循环,线粒体将葡萄糖转化为丙酮酸,然后通过氧化磷酸化转化为三磷酸腺苷(ATP)。三羧酸循环由英国生物化学家克雷布斯发现,因此又称为克雷布斯循环(Krebs cycle),克雷布斯本人因此荣获1953年诺贝尔生理学和医学奖。

这个过程都是在细胞的线粒体中完成的。ATP在生物化学中是一种核苷酸,是需氧生物细胞内能量的普遍形式。线粒体中存在规模很小的基因组,远小于细菌基因组。人类线粒体DNA拥有37个基因,编码了两种rRNA,22种tRNA和13种多肽。

由于线粒体DNA几乎不发生重组,因此遗传学家长期将其作为研究群体遗传学与演化遗传学的信息来源。不过,尽管线粒体DNA在遗传学中占据了重要地位,但其序列中的信息只能反映群体中雌性成员的演化进程,不能代表整个种群,因为线粒体只能由母体遗传给后代。

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