第四節(jié)
RNA催化了最早的生命

我們?cè)谏弦还?jié)中提到的那些在自然條件下形成的有機(jī)分子還沒(méi)有組成生命。它們的合成需要多種條件的配合，而這些條件不是始終不變，永遠(yuǎn)存在的。條件合適時(shí)，這些有機(jī)分子可以不斷產(chǎn)生；條件變化時(shí)，它們又以各種方式不斷地被破壞。如果這些有機(jī)分子具有自我產(chǎn)生的能力，就可以減少對(duì)自然條件的依賴(lài)，不斷地用環(huán)境中的物質(zhì)來(lái)生產(chǎn)自己，從而形成一個(gè)比較穩(wěn)定的系統(tǒng)。

假設(shè)有A和B兩種分子，它們?cè)诃h(huán)境因素（例如放電，加熱，或者礦物質(zhì)催化）的幫助下結(jié)合，成為產(chǎn)物分子T。如果T能夠同時(shí)結(jié)合A和B，并且能夠催化A和B結(jié)合成T，這就是一個(gè)自催化系統(tǒng)。它不再依賴(lài)環(huán)境因素來(lái)形成T，因?yàn)門(mén)就能催化自己的形成。什么分子能夠具有這樣的能力呢？可能許多人會(huì)想到蛋白質(zhì)，因?yàn)榧?xì)胞里面數(shù)以千計(jì)的化學(xué)反應(yīng)都是由蛋白質(zhì)來(lái)催化的，無(wú)論是葡萄糖、脂肪酸，DNA的復(fù)制，DNA的信息被“轉(zhuǎn)錄”到RNA上，都是由蛋白質(zhì)來(lái)催化的?？茖W(xué)家還給這些具有催化能力的蛋白質(zhì)取了一個(gè)名字，叫做酶（enzyme）。在很長(zhǎng)的時(shí)間里，人們相信，細(xì)胞里面所有的催化過(guò)程都是由蛋白質(zhì)來(lái)完成的。即使蛋白質(zhì)自己的合成，也是由含有蛋白質(zhì)的復(fù)合物——核糖體（ribosome）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

核糖體是巨大的蛋白質(zhì)復(fù)合物。例如真核細(xì)胞的核糖體分為“小亞基”和“大亞基”兩部分（圖1-9）。小亞基含有33種蛋白質(zhì)，大亞基含有46種蛋白質(zhì)。和其他的酶不同，核糖體還含有核糖核酸（RNA），所以是蛋白質(zhì)和RNA的復(fù)合物。小亞基含有1個(gè)RNA分子，大亞基含有4個(gè)RNA分子，總的蛋白量和總的RNA量的比例大約是1:1。在過(guò)去，RNA被認(rèn)為是只起結(jié)構(gòu)的作用，因?yàn)椤懊复呋磺蟹磻?yīng)”的觀點(diǎn)已經(jīng)根深蒂固，而且受到幾乎所有實(shí)驗(yàn)事實(shí)的支持。

然而，奇怪的事情發(fā)生了。1978年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的托馬斯·切赫（Thomas Robert Cech，1947— ）想提取“剪接”一種核糖核酸的酶。許多真核生物的基因?yàn)榈鞍踪|(zhì)編碼的DNA序列并不是連續(xù)的，而是分成為蛋白質(zhì)編碼的序列——外顯子（exon），中間被不為蛋白質(zhì)編碼的序列——內(nèi)含子（intron）隔開(kāi)。在基因的信息被轉(zhuǎn)錄到信息核糖核酸（mRNA，即messenger RNA）上時(shí)，這些不編碼的DNA序列也一起被轉(zhuǎn)錄。接著細(xì)胞對(duì)這些mRNA進(jìn)行加工，把內(nèi)含子切掉，再把外顯子連在一起，這個(gè)過(guò)程叫做mRNA的剪接（splice）。剪接后的mRNA含有連續(xù)的編碼序列，再到核糖體中指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。切赫研究的是核糖體中的RNA（rRNA,即ribosome RNA），因?yàn)檫@種RNA在細(xì)胞中的含量特別豐富，容易大量得到。這種RNA雖然不為蛋白質(zhì)編碼，但是也含有外顯子和內(nèi)含子，內(nèi)含子的序列不能出現(xiàn)在最后的rRNA序列中，因此也需要被剪掉。一開(kāi)始，切赫也認(rèn)為進(jìn)行剪接的酶一定是蛋白質(zhì)，他想先把這個(gè)rRNA提純，然后再逐步把細(xì)胞里面的成分加進(jìn)去，看看哪種成分具有剪接酶的活力。但是無(wú)論他如何提純這個(gè)rRNA，剪接反應(yīng)照樣發(fā)生，而不需要添加任何成分。最后他發(fā)現(xiàn)，這種剪接活動(dòng)根本不需要蛋白質(zhì)，是這個(gè)rRNA分子自我剪接！這是一個(gè)破天荒的發(fā)現(xiàn)，原來(lái)RNA也有催化能力。由于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，切赫被授予1989年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。具有催化功能的RNA也被叫做核酶（ribozyme），雖然它不是蛋白質(zhì)。

核酶的發(fā)現(xiàn)使得科學(xué)家猜想，核糖體中的RNA是不是也有催化作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，去除核糖體中的蛋白質(zhì)只會(huì)降低而不能消除核糖體合成蛋白質(zhì)的活性，但是除去RNA卻會(huì)使核糖體合成蛋白質(zhì)的活性完全消失。對(duì)核糖體精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析表明，在合成蛋白質(zhì)的“反應(yīng)中心”（實(shí)際把氨基酸加到合成中的蛋白質(zhì)鏈上的地方）只有RNA分子，而沒(méi)有蛋白質(zhì)分子，說(shuō)明蛋白質(zhì)的合成是由RNA來(lái)催化的。也就是說(shuō)，似乎無(wú)所不能的蛋白質(zhì)竟然不能催化蛋白質(zhì)自己的形成！從最初的生命出現(xiàn)到人的出現(xiàn)，其間有幾十億年的時(shí)間，蛋白質(zhì)的合成竟然還是由RNA來(lái)催化的，這說(shuō)明RNA很可能是生命最早的核心分子?？茖W(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)RNA能夠剪接自己和催化蛋白質(zhì)的合成，下一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)就是檢查RNA是不是也有催化合成自己的能力。

2002年，美國(guó)斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的保爾（Natasha Paul）和玖易斯（GeraldJoyce）就用實(shí)例證明了這一想法。他們合成了3個(gè)RNA分子，分別是A（48個(gè)核苷酸單位長(zhǎng)）、B（13個(gè)核苷酸單位長(zhǎng)）和T（A和B連在一起）。在設(shè)計(jì)這些RNA時(shí)，他們考慮到了其他具有催化作用的RNA的結(jié)構(gòu)，同時(shí)讓T能夠以堿基配對(duì)的形式同時(shí)結(jié)合A和B。當(dāng)把A和B混合在一起時(shí)，它們自動(dòng)相連成為T(mén)的速度非常緩慢。而當(dāng)把產(chǎn)物T加入到試管中時(shí)，T形成的速度加快了3億倍，說(shuō)明產(chǎn)物T的確能夠有效地催化自身的合成（圖1-10）。不僅如此，核酶還可以用DNA作為模板，把核苷酸連起來(lái)，形成RNA分子，相當(dāng)于DNA轉(zhuǎn)錄成RNA時(shí)用的RNA聚合酶。這些結(jié)果表明，RNA不僅能夠自我剪接，可以催化蛋白質(zhì)的合成，而且可以催化自己的合成。

RNA分子的這種催化能力來(lái)自?xún)蓚€(gè)因素：堿基配對(duì)所形成的空間結(jié)構(gòu)和能夠起催化作用的磷酸基團(tuán)和羥基。RNA由4種核苷酸（腺苷酸、鳥(niǎo)苷酸、胞苷酸、尿苷酸，分別用字母A、G、C、U代表）線(xiàn)性相連組成（圖1-11）。

在圖1-11中，四種核苷酸的核糖和磷酸部分都是一樣的，是它們所含的堿基[腺嘌呤（adenine）、鳥(niǎo)嘌呤（guanine）、胞嘧啶（cytosine）、和尿嘧啶（uracil）]不同。其中嘧啶含有一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而嘌呤是兩個(gè)環(huán)并在一起的結(jié)構(gòu)。這些環(huán)上的原子多數(shù)為碳原子，但是也含有一個(gè)或兩個(gè)氮原子。由于環(huán)內(nèi)有多個(gè)雙鍵（原子之間以?xún)蓚€(gè)化學(xué)鍵相連），這些堿基分子的形狀都是平面的。環(huán)上的碳原子可以形成“羰基”（C=O），其中的氧原子帶一些負(fù)電。環(huán)上的氮原子有的只和環(huán)內(nèi)的碳原子相連，有的還連上一個(gè)氫原子。由于氮原子和氧原子在同一主族中，性質(zhì)相似，氮原子也有吸電子的特性，使得環(huán)內(nèi)的氮原子帶一些負(fù)電，而與氮原子相連的氫原子帶一些正電。此外，腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶的環(huán)上還連有氨基（—NH2），其中的氮原子也帶一些負(fù)電，與其相連的氫原子帶一些正電。

堿基的形狀和它們上面所帶的多個(gè)電荷，使得堿基之間可以?xún)蓛膳鋵?duì)。一個(gè)堿基羰基上面的氧原子和另一個(gè)堿基氨基上的氫原子之間，一個(gè)堿基上不帶氫原子的氮原子和另一個(gè)堿基上與氮原子相連的氫原子之間，就可以通過(guò)正負(fù)電荷相互吸引，即通過(guò)氫鍵形成堿基配對(duì)（base paring）。根據(jù)這些堿基的形狀和電荷的分布，腺嘌呤（A）只能和尿嘧啶（U）之間形成A-U配對(duì)，鳥(niǎo)嘌呤（G）只能和胞嘧啶（C）之間形成G-C配對(duì)。其他的配對(duì)方式都不可能。例如腺嘌呤和腺嘌呤之間，或者腺嘌呤和胞嘧啶之間，都不可能配對(duì)。RNA分子的長(zhǎng)鏈通過(guò)分子內(nèi)堿基之間的這些配對(duì)，可以形成各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，而這些空間結(jié)構(gòu)是為RNA分子的催化功能所需要的（圖1-12）。

有了空間結(jié)構(gòu)，還需要有能夠催化化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)，這就是RNA分子中的磷酸基團(tuán)和核糖上的那個(gè)自由羥基?？茖W(xué)家用X-射線(xiàn)衍射的方法，測(cè)定了RNA分子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與催化過(guò)程密切相關(guān)的，正是磷酸基團(tuán)和核糖上第2位的羥基（圖1-13）。

從RNA分子的這些特性，我們可以對(duì)RNA分子的產(chǎn)生做一些猜想。磷酸分子中，有3個(gè)羥基與磷原子相連，它們可以和其他分子上的羥基反應(yīng)，形成酯鍵（酸和醇之間形成的化學(xué)鍵）。而糖分子（例如核糖）含有多個(gè)羥基，磷酸分子可以通過(guò)與兩個(gè)糖分子上的羥基形成酯鍵，形成糖-磷酸-糖-磷酸-糖-磷酸這樣的長(zhǎng)鏈。從太空環(huán)境中形成的有機(jī)分子的多樣性來(lái)看，這樣的長(zhǎng)鏈也是可以形成的。如果在糖分子上又連上堿基中的嘌呤和嘧啶，嘌呤和嘧啶之間就有可能形成氫鍵，使原來(lái)的長(zhǎng)鏈形成空間結(jié)構(gòu)，也使連有堿基的磷酸-糖長(zhǎng)鏈具有更好的催化能力。一開(kāi)始與磷酸相連的糖分子和堿基都各式各樣，但是具有優(yōu)良?jí)A基配對(duì)和含有核糖的分子逐漸在競(jìng)爭(zhēng)中勝出，成為上面介紹的RNA分子。

除了這些特性以外，RNA分子還有一個(gè)功能，就是儲(chǔ)存信息。RNA是由4種核苷酸組成的，相當(dāng)于用4個(gè)字母寫(xiě)成的序列。這4個(gè)字母的不同排列就可以代表不同的信息，好像英文字母的不同排列可以形成不同的詞匯一樣。這樣，RNA就具備了生命核心分子所有的特性：能夠催化各種化學(xué)反應(yīng)、能夠自我復(fù)制、能夠儲(chǔ)存信息、并且能夠把信息傳給下一代。在生命形成的早期，會(huì)有各種結(jié)構(gòu)的RNA形成，它們?cè)谛蛄小?fù)制自己的能力、穩(wěn)定性上也會(huì)有差別，同時(shí)它們又使用同樣的結(jié)構(gòu)單位（核苷酸）來(lái)建造自己。這樣，不同的RNA分子之間就會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)奪建造原料的競(jìng)爭(zhēng)，只有那些具有最佳性能的RNA分子能夠存活下來(lái)，成為形成最初生命的核心分子。這種能夠自我維持，并且能夠通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)改善自己的化學(xué)系統(tǒng)，就是生命的雛形。

隨著生命的演化，RNA的催化作用逐漸被蛋白質(zhì)取代，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是由20種氨基酸組成的，能夠形成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更為多樣的功能，包括催化化學(xué)反應(yīng)的能力（見(jiàn)第二章第三節(jié)）。RNA儲(chǔ)存信息的功能也逐漸被脫氧核糖核酸（DNA）取代，因?yàn)镈NA的雙螺旋結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，更適合作為儲(chǔ)存遺傳信息的分子（見(jiàn)第二章第五節(jié)）?，F(xiàn)在，RNA作為生命最初的分子的觀點(diǎn)已經(jīng)被人們廣泛接受。