蛋白質生物合成的化學起源

蛋白質是生命的基礎,但蛋白質的合成過程極為複雜,這其中存在一個令人困惑的悖論:在現代生物體內,轉移RNA(tRNA)必須先被胺醯化(在其2’,3’-二醇部位接上活化的胺基酸),才能進行胜肽合成;然而,這個胺醯化過程需要一類特殊的合成酶來控制,而這些酶本身又是由核糖體依照遺傳密碼製造出來的。這種「先有雞還是先有蛋」的問題,使得蛋白質生物合成的起源成為生命科學中最難解的謎團之一。更棘手的是,儘管科學家已研究數十年,仍然沒有找到有效的化學方法,能在水溶液中選擇性地將各種蛋白質胺基酸接到RNA的2’,3’-二醇上。過去研究者曾嘗試使用胺醯磷酸酯、胺醯咪唑或N-羧基酸酐等活化試劑,但這些化合物在水中極不穩定,而且它們會無選擇性地與胺基反應形成胜肽鏈,而非選擇性地與RNA的2’,3’-二醇反應。當這種不受控制的胜肽形成,會完全阻礙RNA胺醯化的選擇性,因此無法實現蛋白質合成所需的精確控制。如果無法解決RNA選擇性胺醯化這個步驟,我們就無法理解蛋白質是如何在沒有酵素的原始環境中產生的。

近日,英國倫敦大學學院的研究團隊,發現了一種化學方法,能夠在中性pH的水溶液中,選擇性地將胺基酸接到RNA上,而且適用範圍涵蓋多種蛋白質胺基酸(包括丙胺酸、精胺酸、天冬胺酸、麩胺酸、麩醯胺、甘胺酸、組胺酸、白胺酸、離胺酸、甲硫胺酸、苯丙胺酸、脯胺酸、絲胺酸和纈胺酸)。關鍵在於使用胺醯-硫醇(aminoacyl-thiols)作為活化試劑:這類化合物是生物體內重要的代謝中間物,研究團隊發現它們會選擇性地與RNA的二醇基團反應,而非與胺基反應形成胜肽,從而抑制了胜肽的形成。研究團隊更進一步證明,多種可能存在於原始地球的前驅物(包括腈類、N-羧基酸酐、胺基酸酐,以及生物性的胺醯腺苷酸),都能與硫醇(包括輔酶A和輔酶M)反應,在水中選擇性生成胺醯-硫醇。研究人員表示,在蛋白質合成酶出現之前,硫醇輔因子在RNA胺醯化中可能扮演了關鍵角色。

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