蛋白质生物合成中氨基酸库发展的丙氨酸世界模型外文翻译资料

 2022-08-08 14:43:08

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蛋白质生物合成中氨基酸库发展的丙氨酸世界模型

一、概要

遗传密码所规定的氨基酸的来源和化学行为学是现代翻译机制发展过程中的一个核心问题。 RNA世界假说假设从RNA到蛋白质世界的过渡中已经出现了模板化蛋白质合成。这些事件的顺序和在此过程中获取氨基酸背后的原理仍然难以捉摸。在这里，我们通过遵循先前由Hartman和Smith提出的方案来描述此过程的模型，该方案建议逐步扩展编码空间，即GC-GCA-GCAU遗传密码。我们指出了该方案与蛋白质折叠层次的相关性。该模型遵循氨基酸连接过程中的步骤顺序，并与共进化和辅酶处理理论非常吻合。起始阶段（GC阶段）负责核苷酸的生物合成过程，而在第二阶段，则从核心代谢中连接基于丙氨酸的氨基酸（GCA阶段），从而提供了标准的二级结构alpha;-螺旋。在最后阶段（GCAU阶段），氨基酸被添加到已经存在的结构中，从而实现三级折叠和膜相互作用。整个方案强烈表明，丙氨酸核心的选择是在GCA阶段完成的，而甘氨酸和脯氨酸在GC阶段仍处于起步阶段。我们建议应将蛋白质世界视为丙氨酸世界，因为它主要依赖于丙氨酸作为核心化学支架。

二、关键词

氨基酸; 遗传密码; RNA世界；蛋白质世界;丙氨酸;脯氨酸

  1. 正文

氨基酸代码

地球生命是借助不同种类的生物聚合物分子构成：线型聚合物，像是有核酸，蛋白质和多糖的支链。生命过程的特征是这些分子之间存在多种相互作用和强烈的依赖性。例如，纤维素（聚合碳水化合物）的合成是通过纤维素合酶（蛋白质）进行的，DNA（核酸）的一段是通过DNA聚合酶（蛋白质）进行的，而全长蛋白质是在核糖体上进行的， 它主要由RNA（核酸）组成。考虑到其中一些合成是模板化的，这种关系变得更加复杂：在另一个DNA模板上制备DNA（此过程称为复制），在DNA模板上制备RNA（转录），然后在RNA模板上制备蛋白质（翻译）。模板化合成意味着源聚合物的序列在一定规则下对应于最终聚合物的序列。因此，可以将源聚合物视为包含有关结果聚合物的含量及其性质的信息的材料，而后者基本上执行该信息。因此，DNA（或RNA）也称为信息聚合物，而蛋白质称为执行聚合物。

这些瞬态聚合物结构在选择基本结构单元（单体）时受到哪些限制？换句话说，地球上生命的单体外观在多大程度上是不可避免的？预期这种成分出现在宇宙中其他地方的活生物体中的可能性有多大？关于氨基酸组成，这个问题特别常见。在蛋白质的核糖体合成（编码为蛋白质）中有20 3个氨基酸残基被模板化。这些氨基酸如何最终成为蛋白质代码，这是一个有争议的问题，已通过分析密码子结构，RNA，新生代谢和益生元化学，氨基酸的理化特性以及其他化学和物理层面来解决。在质疑氨基酸库时，我们倾向于忽略氨基酸同一性仅代表蛋白质体系结构的一个方面：一级序列。但是，还有更多的东西：二级结构（例如，alpha;-螺旋和beta;-折叠），基序（疏水，盐桥等）和三级折叠（球状折叠和膜蛋白）（图1）。它们在蛋白质结构中的出现很少被讨论或质疑。 同时，这正是氨基酸序列所确定的。为什么我们不改变观点并自问：制造通道，泵或受体时，蛋白质是否必然跨越膜？还是另一个问题：alpha;-螺旋/beta;-折叠对在形成主要蛋白质构成元素方面有其他选择吗？任何一种答案都将对涉及蛋白质生物发生的氨基酸组提供绝对新颖而独特的观点。在本文中，我们将使用这种观点来提出关于氨基酸库的观点。

图一：蛋白质折叠的层次

氨基酸不等于蛋白质

氨基酸在生物化学中起多种代谢，能量和结构作用，对于许多氨基酸而言，参与蛋白质翻译占其细胞活性的一小部分。这意味着氨基酸应该至少进入过两次生物化学过程：首先是作为代谢实体，其次是作为核糖体生产的蛋白质的单体成分。介于两者之间的是RNA世界，RNA世界的假设直接源于分子生物学的中心规则，它假设有一段时间，生物化学是由RNA分子的催化作用驱动的。我们不知道以前的RNA 世界阶段是否存在任何蛋白质分子。我们不能肯定地知道这一点，并将对现有生物化学中无法追踪的分子成分保持不可知论。基因仅编码由核糖体产生的那些蛋白质，因此目前可以对其进行系统分析。这表明蛋白质的生物发生和经典的氨基酸组成已经在RNA世界阶段出现并进化并保留至今。该假设提供了有关“蛋白质世界”中设定的氨基酸库的许多信息。在我们的叙述中，我们将从RNA假设开始，并尝试借助其他前提推导氨基酸库。 这种回顾性分析最终将使我们进入丙氨酸世界模型。

我们确实承认，对于在预编码阶段存在肽存在一些建议。但是，我们对蛋白质世界之前的开发阶段的推测非常怀疑，尤其是当这些是基于对遗传编码蛋白质的分析时。一个典型的例子是硫酸酯世界假说，该假说表明在核糖体合成之前就形成了肽。也许，硫酯世界的功能应与当今的非核糖体肽合成相似，后者是由相对较大且繁琐的蛋白质复合物完成的。为了批评这种观点，我们想指出，硫酯世界假说主要基于氨酰基-tRNA合成酶（aaRSs）的副反应模式和对现有蛋白质序列的分析。但是，从未有人解释过这些蛋白质在被mRNA编码之前如何存在。 确实，许多人认为aaRSs和其他核糖体蛋白是最古老的蛋白，它们的分析可以提供有关进化过去的有价值的信息，例如，有关蛋白质折叠和反应性的某些原理是如何发展的。但是，如果假设表明aaRSs在蛋白质世界之前存在（在被mRNA编码之前），则意味着信息以某种方式从蛋白质还原为核酸。同时，没有任何机制可以让任何假想的核糖体前体蛋白将其编码成核酸，因为中央教条直接禁止此类事件。任何有关蛋白质在编码之前就存在的暗示，然后这些“某种程度上”存在于mRNA中，都会产生严重的逻辑矛盾：为什么我们接受中心法则提出的RNA 世界假说，却忽略了中心法则从字面上禁止任何蛋白质到RNA和蛋白质到蛋白质的信息流。这个问题当然是夸夸其谈。因此，我们认为，在通过氨基酸分配获得完整的蛋白质含义之前，当前的系统分析对于理解成熟的蛋白质世界之前的阶段意义不大。因此，与对存在的基因或蛋白质序列进行正式的实证主义分析相比，基于化学逻辑的推测可以提供更多信息和可靠性。

我们要批评的另一个常见误解是在氨基酸和蛋白质之间建立直接联系。氨基酸不等于蛋白质。 它们起着多种作用，从氨基酸衍生多肽与衍生核苷酸或代谢产物（例如从天冬氨酸的草酰乙酸）一样多（图2）。肽也不等于蛋白质。 在益生元或罕见的生化转化中，任何随机的二，三或寡肽形成都不会自动假定存在蛋白质，具有定义序列，3D结构和功能的多肽。

图2：氨基酸与核碱基之间的关系：所有核碱基都是在涉及氨基酸作为结构单元的代谢反应中形成的。

我们的论点并不意味着氨基酸不存在于RNA世界中，而恰恰相反。事实上，它们可用于蛋白质生物发生的爆发，因此，它们本应以RNA结合形式存在。一旦生物化学开始，就无法避免使用氨基酸等简单而丰富的结构。 这就是为什么我们认为氨基酸早在它们开始制造蛋白质之前就已进入生物化学，并且它们的最初用途是不同的。氨基酸的主要和基本作用是参与代谢。例如，为了产生RNA分子，明确需要一些氨基酸部分。核糖核酸酶固有地与氨基酸有关，因为两者均由C / N / O / H原子组合组成。实际上，所有核碱基都是在氨基酸大量参与的情况下产生的。其中一些会完整地进入核碱基杂环中：甘氨酸代表嘌呤，天冬氨酸代表嘧啶。因此，如果我们认为“ RNA世界”存在了至少一段时间，那么我们应该期望存在与RNA构建块核苷酸有关的氨基酸。尽管已经建议在矿物质表面上进行核苷酸的首次合成，但是其向RNA体的潜在转移应要求将氨基酸负载到RNA体上，从而有效地产生氨酰基-RNA酯。

氨基酸在生化过程中的多相进入很好地解释了为什么矿物世界中可用的氨基酸组（益生元化学或陨石）不能与20多种蛋白原氨基酸组对齐。实际上，不需要对齐它们。 两者都不需要要求每种矿物氨基酸以一种对映异构体的形式存在氨基酸必须代谢提供，因为否则氨基酸不能在连续翻译过程中保留。在第一阶段，可能会招募矿物氨基酸（手性与否）以启动简单而基本的生化过程，因为这些是构成更复杂物质所需的最简单，最原始的有机分子之一。在第二阶段，（手性）氨基酸被吸收（通过代谢）以开始制造多肽聚合物。这些事件需要分开，从逻辑上讲是从RNA世界假设出发的。 蛋白质中的氨基酸不一定一定是首先促进生命出现的氨基酸。不过，据我们所知，蛋白质仍然是生物化学的核心，而构成蛋白质的20多种氨基酸构成了地球生物化学的边界。 这就是为什么我们应该了解这个集合是如何形成的。

    1. 遗传密码的演变

蛋白质生物发生的历史就是编码的历史。有20种氨基酸普遍编码为蛋白质，每种蛋白质都与编码RNA（DNA）序列中的一个元素相对应。 编码单位称为密码子，它们与多肽序列中氨基酸之间的对应关系称为遗传密码。 在生物化学中，遗传密码并不意味着所写的内容，而是如何解释所写的内容-解码规则。但是，此规则并不简单，因为它涉及20（ 3）个氨基酸和64（61 2个编码）个不同的密码子，它们的组合以及复杂的解码方式一种常见的理论表明，编码（即密码子和氨基酸之间的关联）一旦开始就是任意的，然后可能通过扩展而发展。 然后到了无法进一步扩展的地步，代码便被确定或“冻结”了，这就是现在的遗传密码。 这个发展如何？

Hartman和Smith最近以非常简单而优雅的方案总结了这种发展的一种可能情况。这表明地球上生命的第一个氨基酸组是GC代码，这意味着编码范围仅由这两个核碱基组成：鸟嘌呤和胞嘧啶。这样，信使RNA编码可以构成由四个氨基酸组成的序列：甘氨酸，丙氨酸，脯氨酸和一个带正电荷侧链的氨基酸，我们建议将其称为鸟氨酸（现在称为精氨酸）。正电荷的存在对于与聚阴离子RNA相互作用是必不可少的，因此它使随后的肽序列和翻译装置共同进化的分子机制成为可能。一旦开始，氨基酸库就进行扩增。然后假设该代码的下一个进化步骤是在信使RNA上添加A字母，这意味着获得了极性氨基酸，从而生成了GCA代码。在此发育阶段添加了氨基酸，天冬氨酸和谷氨酸，天冬酰胺和谷氨酰胺，苏氨酸，丝氨酸和组氨酸，每个氨基酸距中央代谢仅几步之遥。在最后一步GCAU相中，添加U字母可以获取疏水性氨基酸，蛋氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸，色氨酸以及半胱氨酸和赖氨酸，所有这些都需要相对复杂 生物合成途径。

    1. 曲目扩展：逐步

GC–GCA–GCAU演化方案最初是由Hartman和Smith从对aaRS的分析，但它与tRNA修饰的复杂性以及其生物合成途径中氨基酸之间的代谢关系密切相关。协同进化理论也提出了后者，该理论考虑了氨基酸库的扩展以及原始生物的代谢能力的发展。更加令人兴奋的是，GC-GCA-GCAU方案暗示了蛋白质折叠层次的共同进化。

为了解释这一论点，我们要分析这种代谢方案在蛋白质结构方面的意义。最初阶段的氨基酸（甘氨酸，丙氨酸，脯氨酸和阳离子氨基酸）不是大多数常见蛋白质的特征，除了胶原蛋白。但是，一旦我们同意胶原蛋白是后来的进化发明，我们就应该面对这样一个事实，即由这种胶原蛋白制成的原始多肽几乎没有功能。这样做的原因很清楚：这类肽不能形成强而持久的二级结构。 在现代生物化学中，当脯氨酸和甘氨酸出现在最常见的alpha;螺旋或beta;链区域时，它们被称为破坏剂和扭结诱导剂。如果曲目中有一半是“破碎者”，则用此组合制成的蛋白质组就不会很坚固。 此外，该蛋白质组中唯一可用的化学功能是鸟氨酸中的一个正电荷（现在为精氨酸），足以用带负电荷的核酸体来补充肽，但这当然不足以建立任何重要的蛋白质的复杂性。曲目随后进行了扩展。 进化可能以最简单，最直接的方式使其得以实现：它获得了可用的东西。在GCA阶段连接的氨基酸是来自三羧酸循环（生物化学的核心循环）的酮酸的直接衍生物。唯一的例外是组氨酸-核苷酸加工分支的衍生物，考虑到核苷酸前体的可用性，它在RNA世界上的生产本来很有可能。

这里有一个有趣的发现。 在GCA相中获得的氨基酸的共同特征是它们都与丙氨酸有关。所有这些结构构成四个基本元素：确定的手性（甘氨酸中不存在），氢键供体（脯氨酸中不存在），氢键受体和位于beta;-碳原子上的取代基（并且不像精氨酸那样通过遥远的氨基连接）。丙氨酸核心形成肽的骨架，从而使得能够形成alpha;-螺旋和beta;-链结构。从那时起，alpha;-螺旋结构主导了蛋白质生物化学。GCA阶段的意义在于，在此阶段连接丙氨酸衍生物可使原始生物体提出alpha;-螺旋二级结构标准，从而促进了进一步的发展。例如，如果另一个生物体在此阶段将连接不同类型的残基，则由于缺乏结构标准，蛋白质组的开发将更加复杂，并且进化将受到严重阻碍。因此，在GCA相中获得丙氨酸衍生物具有明显的优势。为避免混淆，我们要强调的是，“丙氨酸衍生物”是指具有相同核心化学结构的氨基酸，而不是代谢衍生物。

该标准制定后，复杂性不断发展，但仍然缺乏蛋白质结构中最排他的组成部分，即疏水基序。疏水基序是蛋白质化学的真正发明，在任何其他生物聚合物中都没有等效基团。疏水性基序不仅会按照“极性向外-非极性”原理引起三级折叠，而且还允许蛋白质进入膜内（“原理”中的“非极性向外-极性”）。只有蛋白质可以在膜上起作用，这是它们在生物聚合物中的完全排他性结构域。征服膜是最突出的事件之一，其重要性不能被高估：如果没有膜，就没有细胞！

图3：氨基酸结构向丙氨酸世界的发展。

没有alpha;-螺旋标准膜将无法进入。让我们考虑糖是非常极性的结构，核酸也是非常极性的，但是肽也是如此。这是由于构成肽主链的酰胺基的极性高。 疏水性侧链在极性酰胺骨架上的任何添加都会产生本质上矛盾的结构，因为在主链和侧链之间会存在相反的情况。这就是为什么减少歧义性并构建能够进入脂质膜核心的肽，这是一项极富挑战性的任务，脂质膜

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