生命起源中的对称性破缺

北京大学学报(自然科学版),第33卷,第2期,1997年3月

A ct a Scientiar um Nat ur alium

U niv ersit atis Pekinensis ,V o l .33,N o .2(M ar ,1997)　1)高等学校博士学科点科研基金项目(94-1)、国家自然科学基金资助项目(29672003)、国家科委基础研究基金资助项目(92国科高字050号)

收稿日期:1996-09-16

述评R

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1)

王　文　清

(北京大学技术物理学系,北京,100871)摘　要　生命起源中的对称性破缺——生物分子手性均一性,是生命科学中的长期未解之谜。自然界中组成蛋白质的20种氨基酸(除甘氨酸无不对称碳原子外)全部是L 型,组成RN A ,DN A 中的核糖却全部是D 型。对蛋白质和核酸的手性、分子构型(D 和L )和旋光(+和-,右旋光和左旋光)概念作了阐明。对当前国际上最著名的两大学说— 粒子极化和手性分子的相互作用与萨拉姆假说以及国内外的研究工作,结合科研组10几年来的实验研究和理论观点作了较为全面的评述。

关键词　对称性破缺;手性起源; 电子极化;Salam 假说

中图分类号　Q 10

1　蛋白质和核酸的手性

为什么在自然界中氨基酸有L 和D 两种对映异构体,而组成蛋白质的 -氨基酸却几乎都是L 型。天然糖有D 糖,也有L 糖,但核糖核酸RNA 、脱氧核糖核酸DNA 中的核糖却全是D 糖,这是科学之谜,称为生命起源中的对称性破缺。蛋白质和核酸的这一特性称作分子的手性均一性。

生命的基本物质是核酸和蛋白质,不同蛋白质具有不同的生理功能。它是由各种 -氨基酸通过肽键联结成的长链分子,这种长链称为肽链,链中相当于氨基酸的单元结构称为残基,肽链中氨基端称为N 端,羧基端称为C 端。

作为蛋白质组成成分的氨基酸共20种,除甘氨酸外,其他19种全部具有旋光异构体[1]。有机化合物的旋光异构现象与有机分子中碳原子4个价键的空间构型有关。单糖和氨基酸分子的D 、L 构型是以甘油醛为标准而确定的,而它们水溶液的旋光方向的(+)、(-)没有必然的联系。例如甘油醛是D (+)、L (-),而丙氨酸则为D (-)、L (+),即D 型丙氨酸的光活性呈左旋。19种L 型氨基酸水溶液在钠光589.3nm 下的旋光符号均不相同。表1列出了蛋白质中常见L 氨基酸的旋光性。

核酸是一种多聚核苷酸,它的基本结构单位是核苷酸,而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。核苷酸中的戊糖有两类:D -核糖和D -2脱氧核糖。根据核酸中所含戊糖种类不同,分核糖

核酸RNA 和脱氧核糖核酸DNA 两大类。表2列出了两类核酸的基本化学组成。

表1　蛋白质中常见L 氨基酸的旋光性[2]

T able 1　T he optica l r otat ion o f L -amino acid

名　称　

[ ]D (H 2O)[ ]D (HCl)1)名称 [ ]D (H 2O)[ ]D (HCl)1)Gly

- -L eu -11.0 +16.0Ala

+1.8 +14.6S er -7.5+15.1Val

+5.6+28.3T hr -28.5-15.0Ile

+12.4+39.5As n -5.3+33.23)Asp

+5.0+25.4His -38.5+11.8Glu

+12.0+31.8C ys -16.5+6.5Gln

+6.3+31.82)M et -10.0+23.2Arg

12.5+27.6Ph e -34.5-4.5Lys +13.5+26.0T yr

未测-10.0T rp

-33.7+2.82)Pro -86.2-60.4

数据前的+和-表示旋光方向;1)HC l 浓度为5mol/L;2)HCl 浓度为1mol/L ;3)HCl 浓度为3mol/L 。

表2　两类核酸的基本化学组成　

T able 2　T he chem ical co mpo sitio n of nucleic acids

RNA DNA 糖　基

D -核糖D -2脱氧核糖嘌呤碱基

腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)鸟嘌呤(G)嘧啶碱基胞嘧啶(C)

胞嘧啶(C )尿嘧啶(U )胸腺嘧啶(T ) 生命分子RNA 和DNA 只由D 核糖组成,蛋白质只由L 氨基酸组成。核糖的正确复制取决于L 氨基酸构成的蛋白质的活性,两者的手征性是密切相关的。D 核糖的比旋为-23.7°,D -2脱氧核糖的比旋为-60°,是左旋光分子。值得注意的是19种L 氨基酸分子并不都是右旋光分子,氨基酸的旋光符

号和大小取决于侧链R 基团性质,并与测定时溶液的pH 有关。在无人为外加不对称因素时,天然的或实验室化学合成产物中,L ,D 型分子出现的几率是相同的,但在生物体尤其是高等动物中这种选择是特有的,是什么力量在所有生物体内,从D ,L 分子中挑选出一半呢?

有人将上述现象归之于对称性自发破缺,并比喻为萨拉姆(Abdus Salam 1979年诺贝尔物理奖获得者)设宴请客[3]。吃饭前,服务员将餐具布置于圆桌,各碟子间和相邻碟子间的筷子都严格等距离。入席时客人坐在碟子后,距两边筷子等距。假定所有客人无偏爱某只手拿筷子的习惯,因此未开宴前该圆桌体系是左右对称的。突然某人先拿起左(或右)边一双筷子,邻座的人不得不也拿左(或右)边筷子,这过程迅速影响全桌,最后人人都拿左(或右)边筷子,结果左右对称性打破了。这一过程开端是偶然的,向左或向右也是偶然的,称为自发的对称性破缺。但自发对称性破缺具有随机性,无法解释地球上各个蛋白质和核酸都具有同一手性的事实。看来必须存在一种不对称驱动力,才有可能解决这一难题。

2　极化电子和手性分子的相互作用

一个基本粒子(电子或正电子)静止时是球面对称的,因此是非手征性的。但一个自旋粒子沿着自旋轴的任一方向移动时,它就成为手征性的,如运动特性象右旋螺钉则称右旋,反之称左旋。 射线的实质是高能电子 -和其反物质正电子 +,这些粒子有固有的自旋,当它们沿

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