作者:金日光 國(guó)際上第四統(tǒng)計(jì)力學(xué)創(chuàng)始人 中醫(yī)藥國(guó)際聯(lián)盟中國(guó)區(qū)主席 世界華人報(bào)網(wǎng)總編 一、沃森表(Watson’s Table)的由來(lái)與現(xiàn)狀 引言 “DNA之父”沃森(Watson)排斥女性科學(xué)家羅莎琳德·富蘭克林對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn),他同克里克(Crick)共同獲得了諾貝爾獎(jiǎng),世人在背后替羅莎琳德罵他們,也許是這個(gè)原因,克里克就先走西天了,并以227萬(wàn)美元價(jià)拍賣(mài)了諾貝爾獎(jiǎng)?wù)?;今年沃森又拍賣(mài)獲得480萬(wàn)美元。據(jù)說(shuō)前一個(gè)由一位中國(guó)富者拍得,后一個(gè)由俄羅斯的富翁拍得,以支持沃森的科研工作??傊@種諾貝爾獎(jiǎng)無(wú)法得到人們的贊賞。今天我們?cè)賮?lái)看沃森借許多人的研究成果而歸納的一張有關(guān)DNA中四種堿基和二十種氨基酸之間匹配的關(guān)系表,有人把這張表稱(chēng)之為“沃森表”(Watson's Table,見(jiàn)表1)。
表1 DNA四種堿基與二十種氨基酸之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)總結(jié)表
從上述表中可以看出,一群氨基酸與三聯(lián)體密碼子中的中心堿基結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。有人把這張表說(shuō)成可與門(mén)捷列夫元素周期表的發(fā)現(xiàn)相媲美[1]。但是許多人也在諷刺說(shuō)這是“沒(méi)有靈魂”的一張表。因?yàn)閃atson只是善于利用他人的成果,而根本沒(méi)有提出為什么一切生物體的DNA最多有64個(gè)密碼子,又為什么二十種氨基酸正好分別匹配于DNA中的四種堿基(A、G、C、T)的根本原因。在這種情況下,許多人都嘗試從理論上來(lái)詮釋上述匹配的規(guī)律[2-4]。然而幾十年過(guò)去了,遺憾的是一直都未能取得突破性的進(jìn)展。在人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)之際,Watson提出的匹配表格仍然是尚未得到詮釋的生命科學(xué)的重大謎團(tuán)之一?,F(xiàn)在中國(guó)人盡管沒(méi)有得到到諾貝爾獎(jiǎng),但可用中國(guó)遠(yuǎn)古《黃帝內(nèi)經(jīng)》陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)和易經(jīng)(太極八卦及六十四卦)的當(dāng)代科學(xué)內(nèi)涵的理論,使這個(gè)謎團(tuán)得以最終的揭明!
二、從《黃帝內(nèi)經(jīng)》陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)看DNA四種堿基的陰陽(yáng)性, 《黃帝內(nèi)經(jīng)》陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)告訴我們一切自然界的陰陽(yáng)有大的四種: 陽(yáng)中之陽(yáng)(++) 陽(yáng)中之陰(+-) 陰中之陰(--) 陰中之陽(yáng)(-+) 在具體分布里有“中中之中”的第五種,故稱(chēng)之為五行學(xué)說(shuō)。 一切生命體的基因由四種堿基串聯(lián)成DNA,RNA。 我們從四種堿基結(jié)構(gòu)的電荷分布很容易發(fā)現(xiàn)下列事實(shí):
這些四種堿基進(jìn)一步同磷酸苷作用,形成磷酸核苷。但是西方科學(xué)界忽視這些分子的形成以及進(jìn)一步變?yōu)殚L(zhǎng)長(zhǎng)鏈的DNA,RNA時(shí),所存在的一切生命體演變化過(guò)程中的生命動(dòng)力源的陰精和陽(yáng)精的催化作用。 當(dāng)代分子生物學(xué)及量子生物學(xué)都指出:在遠(yuǎn)古生命的原始“化學(xué)湯”里,在開(kāi)始先有過(guò)各種核苷酸和氨基酸通過(guò)三聚磷酸互相連接的復(fù)合型二元單體分子,經(jīng)雙向聚合反應(yīng),生成RNA及相應(yīng)的蛋白體,后由RNA轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定、更長(zhǎng)鏈的DNA,從此生物蛋白質(zhì)的合成的途徑變成為先由DNA,復(fù)制出t-RNA,用來(lái)運(yùn)輸各種氨基酸;又從DNA復(fù)制出m-RNA,借助于t-RNA所提供的氨基酸,合成出基因相關(guān)的蛋白質(zhì)。所以從原始生命的“化學(xué)湯”看,不存在“先有雞,后生蛋,或先有蛋,后生雞”的爭(zhēng)議了。從這個(gè)意義上,我們很容易理解到下列產(chǎn)生生命的基本模式,其中生命動(dòng)力源自始至終起催化、激活動(dòng)力作用:
現(xiàn)在許多分子生物學(xué)中,常把RNA,DNA及蛋白體三者關(guān)系,稱(chēng)之為“中心法則”,但是遺憾的是很少提到生命動(dòng)力源的催化、激活動(dòng)力作用,其實(shí)這是最重要的生命動(dòng)力因素,故在實(shí)際細(xì)胞核里DNA周?chē)泻芏嗪芏喾N上述生命動(dòng)力源含水絡(luò)合離子,而且在不同的細(xì)胞核里,甚至在不同的細(xì)胞微器里生命動(dòng)力源的分布不同,決定著基因的不同功能。 三、關(guān)于中國(guó)古代太極六十四卦圖與基因t-RNA密碼子 對(duì)氨基酸選擇性的當(dāng)代科學(xué)內(nèi)涵 3.1 t-RNA反密碼子和氨基酸與64卦對(duì)應(yīng)關(guān)系 近年來(lái)隨著宇航科技的發(fā)展,人們都很想發(fā)現(xiàn)地球外生命的存在,有些學(xué)者認(rèn)為在無(wú)限大的宇宙里應(yīng)該還有生命之物,甚至還有外星人類(lèi),但是有的學(xué)者認(rèn)為在整個(gè)宇宙,地球上的人類(lèi),恐怕還是唯一的。筆者相當(dāng)程度上贊成后一種看法,這是因?yàn)樯某霈F(xiàn),特別是人類(lèi)的出現(xiàn),其生命的化學(xué)演化過(guò)程具有非常特殊的規(guī)律:就是要遵循中國(guó)古代太極八卦及其擴(kuò)張的六十四卦的規(guī)律。筆者難以想像外星的化學(xué)演化過(guò)程與環(huán)境是否能由這樣的規(guī)律來(lái)支配?除非外星的化學(xué)環(huán)境滿足下列的情況:現(xiàn)在讓我們來(lái)看看生命的最重要的核心特質(zhì):DNA和蛋白質(zhì)是如何配合的,就可以想像到在外星里做到這一點(diǎn)是多么難的事情! 下面進(jìn)一步探討如何從DNA→RNA→蛋白體的過(guò)程:應(yīng)該首先指出在上述過(guò)程中,為了使RNA合成蛋白體,首先由各種不同結(jié)構(gòu)的t-RNA,通過(guò)其三聯(lián)體反密碼子,先識(shí)別不同氨基酸,形成中間過(guò)渡體結(jié)構(gòu),接著使不同氨基酸連到不同結(jié)構(gòu)的t-RNA的3¢末端-CCA上,然后再按著m-RNA的要求,在核糖體內(nèi)按著最佳基因序列鏈接到蛋白分子鏈上,可見(jiàn)m-RNA和t-RNA反密碼之間有下列對(duì)應(yīng)關(guān)系: 這樣可得下列有關(guān)反密碼子和氨基酸對(duì)應(yīng)關(guān)系的Watson’Table(見(jiàn)表2)。 表2 由t-RNA氨基酸與反密碼子中心堿基之間形成的Watson’Table
由表2可以看出,共有64個(gè)密碼子,而每一個(gè)密碼子都有中心密碼子Y;當(dāng)中心堿基A'時(shí)只與六種氨基酸匹配;G'只與五種氨基酸匹配;C¢則只與五種氨基酸匹配;而U¢只與七種氨基酸匹配。為什么會(huì)有這種匹配關(guān)系呢?這是連當(dāng)代量子生物化學(xué)也無(wú)法回答的問(wèn)題。 按照中國(guó)易經(jīng)的看法,這是一個(gè)對(duì)立統(tǒng)一體的最典型的實(shí)例,且按一生二,二生三,形成三維立體空間的原理,最多可以形成64個(gè)三聯(lián)體密碼子:
共有64種三聯(lián)體密碼子。 在這種情況下,由中國(guó)古代六十四卦圖形可得隨堿基陰陽(yáng)不同而不同的氨基酸的分布圖(見(jiàn)圖1)。
* 在圖中所有密碼子均為反密碼子(即x¢y¢z¢) 圖1 中國(guó)64卦對(duì)t-RNA反密碼子和氨基酸關(guān)系的全息圖 由上可以看出,中國(guó)古代八卦圖非常有規(guī)律地描述了二十種氨基酸隨t-RNA反密碼子變化的全息關(guān)系,表現(xiàn)在下列幾方面: (1)由圖1可以看出,20種氨基酸分成四大區(qū),以靠近太極的密碼子第一堿基為準(zhǔn),其分成四大區(qū):每大區(qū)有紅→紫→黃→蘭。
其中精氨酸(R)和絲氨酸(S)出現(xiàn)兩次,共二十種氨基酸。由此可知t-RNA反密碼子(X¢Y¢Z¢)的第一堿基X¢是接納不同陰陽(yáng)性氨基酸的是重要門(mén)檻。 (2)從圖1中可以看到,非常奇特的現(xiàn)象,那就是每大區(qū)里都由相同的密碼子(X¢Y¢Z¢)中心堿基Y¢之顏色均為相同:
至于為什么t-RNA反密碼子中心堿基(Y¢)對(duì)氨基酸有那么突出的選擇性問(wèn)題,其內(nèi)在原因,至今在前人的文獻(xiàn)中并不清楚。因此本文的主要目的就是首次用內(nèi)聚能密度的定量的方法來(lái)揭明其中的科學(xué)內(nèi)涵。 3.2 首次發(fā)現(xiàn)t-RNA反密碼子中心堿基Y的內(nèi)聚能密度決定氨基酸的選擇性 自從反密碼子與氨基酸之間的Watson表出現(xiàn)以來(lái)人們一直在思考,為什么會(huì)有這種選擇性?提出了各種觀點(diǎn),主要表現(xiàn)在兩點(diǎn):一是認(rèn)為t-RNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)的某些區(qū)段可能對(duì)不同氨基酸具有選擇性,即由“副密碼子”起作用,但是實(shí)際上搞不清楚哪一區(qū)域;二是認(rèn)為有一種神秘的化學(xué)動(dòng)力酶給t-RNA提供氨基酸的選擇性。但是究竟是什么呢?至今沒(méi)有能提供實(shí)體。在這種苦難之際,本文作者首次成功地發(fā)現(xiàn)了t-RNA的反密碼子本身的四種中心堿基Y和四類(lèi)氨基酸內(nèi)聚能密度化學(xué)信息量之間有密切的關(guān)系,而氨基酸的共聚能力取決于反密碼子中心堿基和氨基酸內(nèi)聚能密度化學(xué)信息量大小的排序上。 3.2.1 量子化學(xué)從頭計(jì)算之失敗與內(nèi)聚能密度化學(xué)結(jié)構(gòu)信息量的新奇性 上世紀(jì)70年代,Van Krevlen等人提出了內(nèi)聚能密度概念及其計(jì)算方法[9,10],作者首先用來(lái)判斷不同分子間相容性以及共聚反應(yīng)中競(jìng)聚率和單體內(nèi)聚能密度之間的定量關(guān)系[5-8]。作者從中看到,內(nèi)聚能密度的概念隱含著極大的生命力,要比量子化學(xué)從頭計(jì)算方法優(yōu)越許多倍,這是因?yàn)檫@一方法避開(kāi)了分子間作用力與距離 r5~6 成反比的難題[4]。 遵循Einstein的名言“要從另一個(gè)角度來(lái)看問(wèn)題”的教導(dǎo),作者發(fā)現(xiàn)眼前內(nèi)聚能密度概念非常成功地解釋了氨基酸和密碼子中心四種堿基之間的匹配關(guān)系。根據(jù)內(nèi)聚能密度的定量數(shù)據(jù),可按能量相近原則將氨基酸分成四大類(lèi),并與堿基的內(nèi)聚能密度進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)它們之間的匹配關(guān)系與Watson’s Table 具有令人滿意的一致性。 眾所周知,非共價(jià)鍵力包括生物體各分子間普遍存在的色散、極性(包括誘導(dǎo)極性)、氫鍵三大作用力,它是了解大分子的結(jié)構(gòu)和相互作用的基礎(chǔ),而這些結(jié)構(gòu)和相互作用是通過(guò)這三大作用的內(nèi)聚能密度化學(xué)信息量來(lái)決定的。根據(jù)Van Krevlen提出的計(jì)算內(nèi)聚能密度方式[9,10],可以分別得到色散力、極性力和氫鍵力相關(guān)的內(nèi)聚能密度的計(jì)算公式(式1-3): 色散內(nèi)聚能密度:
極性內(nèi)聚能密度:
氫鍵內(nèi)聚能密度:
其中Fd、Fp、Fh分別為基團(tuán)的色散、極性、氫鍵作用力參數(shù);V為克分子體積,是由基團(tuán)或原子貢獻(xiàn)體積加和而得到。 根據(jù)上述計(jì)算公式,可分別計(jì)算遺傳密碼子中的各堿基的內(nèi)聚能密度以及四類(lèi)氨基酸的內(nèi)聚能密度,然后我們可以進(jìn)一步從分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)角度來(lái)全面地詮釋堿基配對(duì)原則以及蛋白質(zhì)合成過(guò)程中氨基酸與三聯(lián)體反密碼子第二堿基之間存在高選擇性的問(wèn)題。 3.2.2從內(nèi)聚能密度考察堿基與氨基酸之間定量關(guān)系,揭示人們所說(shuō)的神秘的配對(duì)原則 根據(jù)上述計(jì)算公式,首先計(jì)算了五種堿基(A、T、G、C和U)的克分子體積及由各種作用力參數(shù)所貢獻(xiàn)的內(nèi)聚能密度以及各項(xiàng)內(nèi)聚能密度之總和()和溶解參數(shù) ,其結(jié)果列于表3中。 表3 五種堿基內(nèi)聚能密度e(J/cm3·mol)及克分子體積L(cm3/mol)
從表3可以看出所有堿基的內(nèi)聚能密度都具有ed > ep > eh的特點(diǎn)。正如表3所指A、G分別都有單環(huán)和雙環(huán)值,其中單環(huán)是與編碼面有關(guān),而雙環(huán)與非編碼面的內(nèi)聚能密度有關(guān),后者與脫氧核苷酸(核苷酸)單體在共聚反應(yīng)前進(jìn)入過(guò)渡態(tài)的抗聚合能力有關(guān)??紤]到與相容性的定量關(guān)系,可看出從eT與eU的溶解度參數(shù)δT=28.4、δU=29.2相差很小,且在m-RNA中都以U的形式出現(xiàn),故不用T?,F(xiàn)同樣用Van Krevlen公式的方法,分別計(jì)算了所有氨基酸的內(nèi)聚能密度,并列出了T(U)和A,G和C配對(duì)時(shí),反密碼子X(jué)’Y’Z’的中心堿基(Y’)的內(nèi)聚能密度,見(jiàn)表4~表7。 表4 與m-RNA密碼子第二堿基U和t-RNA反密碼子A′相關(guān)的氨基酸的內(nèi)聚能密度(J/cm3.mol)
表中()指溶解度參數(shù)δ=值。 由表4可以看出反密碼子中心堿基A¢的總的內(nèi)聚能密度()與五種氨基酸總的內(nèi)聚能密度()都非常相近,故這五種氨基酸與反密碼子中心堿基A¢相匹配,也就與正密碼子T(U)間接有關(guān)。 表5 與m-RNA密碼子第二堿基鳥(niǎo)嘌呤G和t-RNA反密碼子C′相關(guān)的氨基酸內(nèi)聚能密度(J/cm3.mol)
注 *指已扣出分子內(nèi)氫鍵內(nèi)聚能密度值。 紅外光譜表明,表中甘氨酸、絲氨酸、精氨酸在疏水條件下,均能形成分子內(nèi)氫鍵,故在計(jì)算內(nèi)聚能密度時(shí)應(yīng)扣出分子內(nèi)氫鍵作用能,例如:
總之從表5中又一次可以看到反密碼子中心堿基C¢的與五種氨基酸的也相當(dāng)接近,故這五種氨基酸與C¢相匹配。 表6 與m-RNA密碼子第二堿基A與t-RNA反密碼子C′相關(guān)的氨基酸內(nèi)聚能密度(J/cm3.mol)
表中()指溶解度參數(shù)δ=值。 由表6可以看出七種氨基酸的與反密碼子中心堿基U¢的相近,故這七種氨基酸與中心堿基U¢相匹配。 表7 與m-RNA密碼子第二堿基C和t-RNA反密碼子G′相關(guān)的氨基酸內(nèi)聚能密度(J/cm3.mol) 注:表中*指扣出疏水狀態(tài)下的分子內(nèi)氫鍵內(nèi)聚能密度。 表中()指溶解度參數(shù)值。 從表7中可以看出與非常接近。 在普通有機(jī)化學(xué)理論中得知,在疏水介質(zhì)條件下,表7中蘇氨酸和絲氨酸均能形成分子內(nèi)氫鍵(見(jiàn)下面示意圖),內(nèi)氫鍵作用使分子之間的極性作用大為衰弱,以至使它們的內(nèi)聚能密度化學(xué)信息量接近于丙氨酸和脯氨酸的水平。其中蘇氨酸和絲氨酸的分子內(nèi)氫鍵形式如下: 根據(jù)以上的討論,我們可以總結(jié)出正密碼子和反密碼子的四種中心堿基和四類(lèi)氨基酸內(nèi)聚能密度比較表(見(jiàn)表8)。 表8 遺傳密碼子四個(gè)中心堿基與氨基酸內(nèi)聚能密度的比較(J/cm3.mol) 由表8可以看出,四類(lèi)氨基酸各有特性,使它們與相應(yīng)的反密碼子中心堿基匹配。 另外從表8中還可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)堿基的內(nèi)聚能密度之間有,即1492≈1486,這是一個(gè)極其重要的規(guī)律。這一規(guī)律表明在DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)或遺傳信息的翻譯過(guò)程中,DNA與RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的每組堿基對(duì)(A-T(U)或G-C)的總內(nèi)聚能密度之和都相當(dāng)接近,這是保證DNA、RNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的根本條件。由此充分表明相鄰堿基對(duì)(A-U,C-G)之間存在嚴(yán)格的能量平衡,從而使堿基對(duì)之間表現(xiàn)出具有高度的相容性,因此上述能量平衡是DNA,以雙螺旋梯形結(jié)構(gòu)形式存在的根本原因。由此可見(jiàn),我們從內(nèi)聚能密度相近的現(xiàn)象成功地揭示了雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基配對(duì)的原則,簡(jiǎn)而言之DNA高度遵循能量相近、相容性的擇優(yōu)原則。 四、t-RNA的反密碼子中心堿基和氨基酸之間形成 接合體的“神秘”機(jī)制 在分子生物學(xué)中提到t-RNA的反密碼子和氨基酸之間接合體的問(wèn)題,但是如何形成沒(méi)有加以探討。 通過(guò)上述分析和討論,我們可以總結(jié)出在形成t-RNA反密碼子與氨基酸的接合體過(guò)程中存在以下幾條“神秘”的基本規(guī)律: 1)凡是具有色散型疏水性基團(tuán)的氨基酸均與m-RNA中心堿基尿嘧啶(U)相關(guān),但是實(shí)際上它們首先與t-RNA反密碼子中心堿基A¢相關(guān),這是因?yàn)檫@些氨基酸的內(nèi)聚能密度和A¢內(nèi)聚能密度接近,符合相容性原則。 2)凡是能夠在分子內(nèi)形成強(qiáng)烈氫鍵的氨基酸均與m-RNA中心堿基(G)相關(guān),但實(shí)際上它們首先與t-RNA反密碼子中心C¢有關(guān),此時(shí)氨基酸的內(nèi)聚能密度和C¢的內(nèi)聚能接近,符合相容性原則。 3)凡是在氨基酸側(cè)基R中能夠形成電荷中心(+,-)的氨基酸均與m-RNA中心堿基A¢有關(guān),但實(shí)際上它們先與反密碼子中心堿基U¢有關(guān),此時(shí)它們之間可形成很強(qiáng)的氫鍵,符合相容性原則。 4)凡是在氨基酸側(cè)基R中存在能夠同氨基酸的-COOH或-NH2作用形成內(nèi)氫鍵或存在有-CH3等超共軛基團(tuán)時(shí),這些氨基酸均與正密碼子中心堿基(C)有關(guān),但實(shí)際上也是首先與它的反密碼子中心堿基G¢之間有關(guān),此時(shí)兩者的內(nèi)聚能密度很接近,符合相容性原則。 總之遺傳密碼子中心堿基和與之匹配的氨基酸的內(nèi)聚能密度范圍和側(cè)基結(jié)構(gòu)特征強(qiáng)有力地說(shuō)明轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的t-RNA反密碼子中心堿基是通過(guò)相容性原理,即內(nèi)聚能密度相近的原則來(lái)直接識(shí)別和選擇氨基酸的,而由生命動(dòng)力源含水絡(luò)合離子群為核心的生物酶自始至終起催化、激活動(dòng)力作用。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是以上作者所發(fā)現(xiàn)的有關(guān)氨基酸和堿基之間能量的定量關(guān)系,目前尚未見(jiàn)于其他論文的報(bào)道中。由于當(dāng)代分子生物學(xué)還不知道上述規(guī)律,故有一些分子生物學(xué)的教科書(shū)將上述的匹配規(guī)律性,盲目地歸結(jié)為生物酶的選擇功能,到處用生物酶概念來(lái)做籠統(tǒng)的解釋?zhuān)@是典型的學(xué)術(shù)“經(jīng)濟(jì)主義”的表現(xiàn)。作者所發(fā)現(xiàn)的上述規(guī)律,充分揭示了t-RNA和氨基酸之間的匹配關(guān)系,給Waston表提供內(nèi)在“靈魂”,給予當(dāng)代科學(xué)的內(nèi)涵! 通過(guò)前面的討論,可以說(shuō)在整個(gè)生物蛋白合成中,生物分子之間的相容性原理始終起著決定性作用??偨Y(jié)起來(lái),相容性原理的作用主要體現(xiàn)在t-RNA反密碼子的兩項(xiàng)重要功能上,一是首先能夠通過(guò)它自身的反密碼子中心堿基和某種氨基酸之間相容,形成t-RNA反密碼子與氨基酸之間的過(guò)渡態(tài)相容體;二是借助于ATP向另一個(gè)相同t-RNA的3¢末端-CCA提供氨基酸,形成大量的t-RNA與氨基酸的酰胺型接合體,后進(jìn)一步通過(guò)核糖體向蛋白高分子鏈的活性中心提供氨基酸單體,使在核糖體內(nèi)最終合成出一定結(jié)構(gòu)的蛋白體。那么在這個(gè)過(guò)程中,t-RNA反密碼子與氨基酸之間結(jié)合體是究竟通過(guò)什么方式來(lái)形成的呢?看來(lái)大有可能通過(guò)雙向接合體的方式提供t-RNA—氨基酸接合體,以此在m-RNA中,為持續(xù)合成蛋白體做下一步的準(zhǔn)備(見(jiàn)圖2)。
圖2 在生物酶作用下t-RNA反密碼子與氨基酸之間的雙向結(jié)合方式 五、揭秘合成蛋白的起始密碼子和終止密碼子必然存在的根源 從大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)的64個(gè)密碼子和氨基酸對(duì)應(yīng)關(guān)系[11-13]中可以看出,沿著m-RNA合成蛋白高分子鏈的起始密碼子總是從-AUG-開(kāi)始,而相應(yīng)的氨基酸為甲基硫氨酸Met,為什么這樣呢?對(duì)此至今沒(méi)有理論解釋。縱觀表2-5的數(shù)據(jù),我們可以發(fā)現(xiàn),在所有的氨基酸中,甲硫氨酸具有最小的內(nèi)聚能密度(561.3J/cm3·mol),因此它與t-RNA接合體的內(nèi)聚能密度也最小,故這些t-RNA含氨基酸分子克服同種分子間凝聚作用,能夠較順利地脫離自身的凝聚體進(jìn)入核糖體中,并向蛋白鏈活性端上提供Met氨基酸分子,然后t-RNA脫離核糖體。所以在核糖體中合成蛋白時(shí),t-RNA/Met一但遇到-AUG-密碼子,它就首先充當(dāng)為起始聚合點(diǎn)。同樣道理,由于氨基酸Val的內(nèi)聚能密度也較小,所以在人類(lèi)線粒體中氨基酸Val也常充當(dāng)?shù)鞍拙酆系钠鹗键c(diǎn)。相反地,Tyr具有最大的內(nèi)聚能密度(902.1 J/cm3·mol),而且比反密碼子T(U)的內(nèi)聚能密度850J/cm3·mol還大一些,故Tyr-t-RNA在進(jìn)入核糖體時(shí),由于其內(nèi)聚能密度很大,所以Tyr/t-RNA很難離開(kāi)自身的凝聚態(tài)進(jìn)入核糖體中,幾乎停止提供氨基酸,加之在合成DNA及RNA時(shí)-UAA、-UAG密碼子本身的分量也很少,所以蛋白鏈的增長(zhǎng)自然就要接近終止,在這種情況下Tyr及其密碼子常常表現(xiàn)為“終止”狀態(tài)。 在上世紀(jì)90年代還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象,即發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)和線粒體的翻譯系統(tǒng)中密碼子用法不同,例如對(duì)應(yīng)于色氨酸密碼子而言,在細(xì)胞質(zhì)中常常表現(xiàn)為終止態(tài),而在線粒體中則不會(huì)[14]。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被看作是20世紀(jì)末分子生物學(xué)發(fā)展的重大事件之一,但是出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因至今未能詮釋?zhuān)F(xiàn)在讓我們從內(nèi)聚能密度審視其根本原因! 我們已經(jīng)知道,色氨酸可以類(lèi)似精氨酸一樣,于疏水條件下其-COOH與>NH之間可相互作用,形成內(nèi)氫鍵型8節(jié)環(huán),使色氨酸的氫鍵內(nèi)聚能減少到68.4 J/cm3.mol,此時(shí)色氨酸的總內(nèi)聚能密度大幅度下降,只有659.6 J/cm3.mol。在這種情況下,色氨酸就會(huì)與反密碼子-A¢C¢U¢-之間從能量上極不相應(yīng),所以色氨酸常表現(xiàn)為終止態(tài)。這一點(diǎn)可由色氨酸通常在疏水的細(xì)胞質(zhì)中表現(xiàn)為終止態(tài)來(lái)驗(yàn)證。但在線粒體中,由于m-RNA和蛋白合成幾乎在同一地點(diǎn)和同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行,而線粒體環(huán)境所提供的是一個(gè)親水性的介質(zhì)條件,使色氨酸的內(nèi)氫鍵消失,其內(nèi)聚能密度值增加到766.3 J/cm3.mol,其在能量上可與-A¢C¢U¢-匹配,以致使在線粒體中-UGA-正密碼子表現(xiàn)為非終止態(tài)。線粒體的親水環(huán)境往往也會(huì)使甲硫氨酸中CH3-S-的極性起作用,以致使-AUC-、-AUU-、-AUG-和-AUA-均為蛋氨酸的密碼子。而相反地,在線粒體的親水性介質(zhì)條件下,由于精氨酸的內(nèi)氫鍵作用的消失,導(dǎo)致其內(nèi)聚能密度大幅度增加到901.5 J/cm3.mol,因而無(wú)法與反密碼子-U¢C¢U¢-和-U¢C¢C¢-匹配,所以在正密碼子-AGA-和-AGG-上就表現(xiàn)為終止態(tài)。由此可見(jiàn),密碼子在細(xì)胞核和線粒體的翻譯系統(tǒng)中用法的不同,主要是由于微觀反應(yīng)環(huán)境的親疏水性程度不同引起氨基酸的內(nèi)聚能大小發(fā)生變化而導(dǎo)致的。 六、在地球上一切生命體64個(gè)密碼子與氨基酸 相互關(guān)系的64卦循環(huán)模型 歸納以上的討論,作者將地球上所有生命體遺傳密碼子與相應(yīng)氨基酸之間匹配規(guī)律用下列循環(huán)圖來(lái)示意(見(jiàn)圖3)。 t-RNA的反密碼子中心堿基與相應(yīng)的氨基酸之間連帶關(guān)系
注:①在線粒體中基因密碼子m-RNA的AGA(U'C'U'),AGG(U'C'C')相當(dāng)于精氨酸的密碼子變成為終止密碼子,而在m-RNA的UGA(A'C'U')卻由通常的終止密碼子變成色氨酸密碼子。 ②在大腸干菌、哺乳動(dòng)物、線粒體中UAA(A'U'U'),UAG(A'U'C')均為終止密碼子! 由圖3可以看出將循環(huán)圖可以分成四大區(qū): 第一部分:以A'為中心時(shí),是帶有非極性疏水基團(tuán)氨基酸的一大類(lèi)區(qū); 第二部分:以G'為中心時(shí),是分子內(nèi)具有超共扼或內(nèi)氫鍵化的氨基酸的一大類(lèi)區(qū); 第三部分:以C'為中心時(shí),是具有強(qiáng)烈外氫鍵化及高極性的氨基酸類(lèi)的一大區(qū); 第四部分:以U'為中心時(shí),是具有帶電荷的極性基團(tuán)的氨基酸類(lèi)的一大區(qū)。 由圖3可以看出,在正常情況下,內(nèi)聚能密度最低的甲硫氨酸作為起始區(qū)(3),按照逆時(shí)針?lè)较?,不同結(jié)構(gòu)的氨基酸大體上,隨著內(nèi)聚能密度的增加一個(gè)又一個(gè)地對(duì)應(yīng)著密碼子,一直到內(nèi)聚能密度最大的酪氨酸才進(jìn)入終止區(qū)(43)。至于在線粒體的親水性介質(zhì)環(huán)境下,起始和終止態(tài)密碼子與上述正常情形之間的差別問(wèn)題,已在前面作了詳細(xì)的考察,不再討論。 七、主要結(jié)論 1)首次按著中國(guó)傳統(tǒng)易經(jīng)學(xué)說(shuō)的觀點(diǎn),將G(++,),C(――,)A(+-,)U(-+,)來(lái)加以表示,并按中國(guó)太極64卦排列的順序,可得以第一堿基為陰陽(yáng)起始態(tài)的64卦排列的順序,得到了有64個(gè)反密碼子和相應(yīng)氨基酸分布的圖形,其中有四大區(qū),每一大區(qū)又分成四個(gè)小區(qū),從中發(fā)現(xiàn)反密碼子中心堿基對(duì)氨基酸具有相當(dāng)高度的選擇性。這樣又得到了以中心堿基作為四大區(qū)的循環(huán)圖,這為研究t-RNA在蛋白合成中的作用機(jī)理,提供了非常重要的信息。從中驚奇地看到中國(guó)古代太極64卦圖和Watson表之間高度的一致性。 2)首次用內(nèi)聚能密度的定量數(shù)據(jù),全面考察了二十種氨基酸和反密碼子的四種堿基的氫鍵、極性、色散內(nèi)聚能密度之間的關(guān)系,并根據(jù)能量相近原則將氨基酸分成四大類(lèi),并與反密碼子堿基的內(nèi)聚能密度進(jìn)行了比較,揭開(kāi)了它們之間的匹配原則。匹配結(jié)果和遺傳密碼與氨基酸的匹配表具有令人滿意的一致性。 3)本文首次定量地指出了氨基酸本身是如何通過(guò)相容原則使每一個(gè)氨基酸分子以L型方式被反密碼子中心堿基所識(shí)別,從而形成t-RNA酰胺型接合體,并其在m-RNA蛋白合成中,再按著m-RNA的要求,在核糖體內(nèi)為合成最佳基因序列的蛋白分子鏈,提供一系列氨基酸。 4)作者提出了形成氨基酸/t-RNA接合體是通過(guò)兩個(gè)氨基酸/t-RNA反密碼子,互相倒過(guò)來(lái)的方式經(jīng)ATP的作用縮合而形成的。 5)本文首次指出了精氨酸、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸及色氨酸的分子內(nèi)氫鍵對(duì)四種堿基的選擇性影響,成功地解釋了在正常細(xì)胞質(zhì)和線粒體的m-RNA翻譯系統(tǒng)中,為何密碼子用法不同的根本原因。 6)通過(guò)密碼子的內(nèi)聚能密度大小及其變化規(guī)律,指出了為什么有些密碼子成為起始密碼子或終止密碼子的根本原因。
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