作者 | 内含子
如今,即使非生化专业的人对DNA双螺旋的形象也很熟悉了。不过,很多人并没有注意到DNA双螺旋的“手性”,包括我国很多科普媒体的小编,他们用的双螺旋图几乎两种手性是一半对一半的。
螺旋的手性是什么呢?通俗地说,就像饮料瓶口的螺纹。你买一瓶饮料或者饮用水,想都不想就会逆时针方向把它拧开。假使瓶口的螺纹方向是随机的,有时需要逆时针拧开,有时顺时针才能拧开,你可能会疯掉,大骂生产瓶子的是弱智。可是你知道吗?我看到科普文章或者科技新闻上面左旋DNA的配图也是这种感觉。
DNA双螺旋大多是右旋的。这是为什么呢?
图1
其实左旋DNA双螺旋也是有的(图1-2)。最著名的左旋DNA叫做Z-DNA。显然,Z-DNA和最常见的右旋DNA(B-DNA)的外观并不是镜像对称的关系。B-DNA很柔和,而Z-DNA很峥嵘。这就产生了一个问题:为什么DNA双螺旋大多是右旋的,为什么左旋DNA和右旋DNA看上去并不是对称的关系?
图2
这一步有没有涉及到关于对称性的物理规律呢?并没有。说穿了其实一点都不复杂,因为DNA是一种多聚物,而组成它的小分子本身就是不对称的。DNA的全名叫脱氧核糖核酸,它是由脱氧核糖核苷酸组成的,而每一个脱氧核糖核苷酸又是由脱氧核糖、碱基和磷酸组成的。其中,碱基(嘌呤和嘧啶)是扁平分子,没有手性;脱氧核糖则都是D-型的;磷原子也是手性原子,不过这里我们不讨论了。单单一个核糖就足够了。构成DNA的小分子本身是不对称的,这导致了DNA左旋和右旋的能量状态是不同的,右旋是更稳定的状态。
类似地,组成蛋白质的氨基酸都是L-型的(除了甘氨酸),因此蛋白质最常见的alpha-螺旋是右旋的。左旋的alpha-螺旋也有,但它和右手alpha-螺旋也不是对称的关系。
而且,即使左手螺旋和右手螺旋看上去是对称的,它们实际上仍然不是对称的,因为组成它们的小分子本身是不对称的。就像图3,虽然两个字母乍一看是对称的,但每一个小单位都 是不对称的。
图3
那么,就产生了一个问题:如果我们把生物界的小分子都换成镜像分子,比如核糖、葡萄糖都换成L-型,氨基酸都换成D-型,能不能造出镜像生物,他们有左旋的DNA,和左旋的alpha-螺旋蛋白,右旋的核小体……?
原则上是可以的。这实际上是宇称守恒的问题。迄今人们发现的宇称不守恒仅限于弱相互作用下的情况,并没有发现化学发应中有宇称不守恒的现象。生化反应也是化学反应,理论上在镜像的世界里,生化规律应该是不变的。
那么,有没有办法验证呢?比如造出一个“左旋”生命……
没办法。现在别说造出一个镜像生命,就是造出一个普通的“右旋”生命也办不到。生命活动的基本单位是细胞,我们至今没法把一堆生化物质拼成一个细胞,所有的细胞都是之前的细胞分裂出来的。
那么,退而求其次呢?我们知道病毒和类病毒是介于生命与非生命之间的物质,类病毒连蛋白质都不含,本身就是一个RNA分子。这个倒是可以,我们可以合成一个左旋的类病毒,不过仍然没办法验证它的活性,因为找不到一个左旋的宿主供它们寄生。
如果再退而求其次呢?有些酶不是蛋白质,而是RNA,叫做核酶。最小的核酶就只有十几个核苷酸组成。我们可以合成左旋的核酶,检测它们的酶活性,这只是一步生化反应,不涉及一个生命过程。这方面的实验已经有人做过了,结果左旋的核酶也是有活性的。
可是,基本没办法再推进了。
然后,人们还是要问:既然生命世界是宇称守恒的,为什么我们现在的生物都是右旋的呢?为什么不会同时存在左旋和右旋的生命呢?
一般认为这只是一个偶然的结果。生命的起源经历了漫长的化学进化,可以认为左旋生命与右旋的原始生命产生的机会是均等的,最初甚至可能共存过,维持彼此消长的平衡,可一旦天平倾斜超过某个程度,便再也回不来了,就像螺丝钉的螺纹,最初发明的时候可能两个方向都有,可后来右旋螺纹成了主流,进而成了行业规范,左旋便没有市场了(除了一些特殊的场合)。
生化物质几乎全是生命合成的,自然界本来很少。葡萄糖是光合作用的酶系合成的,磷脂、核糖、氨基酸都是酶催化合成的,酶是基因编码的,基因记录在核酸上,核酸又是酶合成的……这样就形成了一个闭环,不符合这个行业标准的生命就不可能产生了。
-完-