极端环境中的生命——古核生物概述

>79分子中 B H配对比例高#解链时所需温度增加
等($ 核 >79 苷酸排列极为有序#碱基堆积力增加使
得 >79双螺旋结构更加稳定&"'$ 嗜热菌的研究与开
发在生物技术中意义重大#其产生的酶具有与嗜热菌
相同的耐热性$
目前#应用最广泛的是来自于美国国家黄石公园海
底温泉的古核细菌,,,水生栖 热 菌 ! !"#$%&'()&(*+,'"
的耐热
聚合酶 >79
* E'I+$
JB8反应是分子生物学研
究最基本的技术之一#耐高温 E'I 酶的发现对于 反 JB8
应在分子生物学中的广泛应用有着里程碑式的意义$
自然界中的多数酶在高温时会变性失活#但 E'I 酶可以
耐受 F$G以上的高温而不失活#所以不需要在 的 JB8
每个循环加酶#这使 JB8的操作变得非常简捷#也大大
某些遗传结构是古核细胞所独有的#如 的 -879 E !B臂上没有胸腺嘧啶等$ 典型的例子是已经测序的 詹氏甲烷球菌的 %?$$ 多个编码基因中约有 0$@是特 有的$ 5=/!核糖体!多数古核细胞的核糖体为 含有 ?$6# 0$ 多种蛋白质#介于原核细胞与真核细胞之间#其 879 和蛋白质的性质更接近于真核细胞$ 抑制原核细胞核 糖体的抗生素不能抑制古核细胞的蛋白质合成#可见 它们之间核糖体差异较大$ $"古核细胞的种类与应用前景
古核细胞包括生存于深海热泉或火山地的嗜热 菌%生存于盐湖的嗜盐菌#以及分布于沼泽%土壤中的 嗜中性菌$ 在此重点介绍嗜热菌%产甲烷菌%盐细菌及 氨氧化细菌$ "=%!嗜热菌!嗜热菌是在高温环境下生/ 卷"第 % 期
物#普通嗜热菌能够在 /#G至 ##G的温度下生存#超
-5-
生物学教学 5$%F 年!第 // 卷"第 % 期
极端环境中的生命 古 核生物概述
黄艳萍 肖义军 !
! !! 福建师范大学生命科学学院!福州!"#$%$&"
摘!要!一般认为#古核细胞在进化上介于原核细胞与真核细胞之间$ 古核生物多生存于高温或高盐的极端环境#其新陈代谢方 式与原始地球环境相适应#是细胞起源与进化的研究热点$ 本文概述古核细胞与生命起源的关系以及古核细胞的种类及其应用 价值$ 关键词!古核细胞!细胞进化!生命起源!原核细胞!真核细胞
降低了成本$
古核生物也称为古核细胞#涉及的种类繁多#各具 特点(多生存于高温%高盐的极端环境#新陈代谢方式 与原始地球环境相适应$ 古核细胞在细胞起源与进化 过程中可能起到了极为重要的作用#已然成为该研究 领域的热点$ !"古核细胞与生命进化
地球约形成于 /0 亿年前#目前关于生命起源的学 说主要有两种) 一种认为生命起源于冻结在星际尘埃 中的星际分子!如氰及甲醛等"#大量星际分子伴随彗 星撞击地球后#参与原始地球的化学进化从而产生了 生命(另一种认为生命起源于深海热泉#这些热泉多位 于大洋深处的洋嵴上#洋嵴下的岩浆喷出的物质如 1热2量% 3的+交等流金#属最和终4形5成6%原7始4/生等命气体体$与海水进行物质与
嗜热菌能够在 &$G至 高 %%$G 温下生存#%F&" 年更是
在太平洋底部发现了可生长在 5#$G A"$$G高温下的
嗜热菌$ 嗜热菌的耐热机理主要有) "细胞膜结构具
有特殊的适应性#如细胞膜上具有多个隐窝#脂双层中
含有特殊结构复合类脂#饱和脂肪酸比例高于不饱和
脂肪酸等(#遗传物质化学结构具有特别的适应性#如
!!长期以来#生物界被划分为真核生物和原核生物两 大类$ 以前认为属于原核生物的古细菌!'()*'+,')-+(.'"# 虽然其细胞核无核膜#但不少分子特征与真核细胞相 似#因此现在一般认为古细菌是在进化上介于原核细 胞与真核细胞之间的一个生物类群$ 有文献提出#将 生物界划分为原核生物%古核生物! '()*'+'" 和真核生 物三个类群&%' $
由于古核细胞与真核细胞在基因结构%879聚合酶 结构%基因的转录与翻译机制等方面更为相似#科学家 推测真核细胞的原核祖先极有可能源于古核细胞的分 支$ 现在#古细菌被分为泉古细菌!)(+2'()*'+:-'"和广 古细菌! +;(<'()*'+:-'" # 前 者 与 原 核 生 物 更 为 接 近# 后 者与真核生物更相似$
#"古核细胞的分子特征 古核细胞没有核膜#但其分子特征在很多方面与
真核细胞相似$ 基因组相关序列的对比显示#古核细 胞与真核细胞的亲缘关系更近#体现于以下几个方面) 5=%!细胞壁!古细菌与真细菌一样具有细胞壁#但没 有胞壁酸和 > 氨基酸#由于细胞壁成分不同#作用于 真细菌的溶菌酶及青霉素%万古霉素对古细菌均没有 作用$ 5=5!质膜!古核细胞的质膜虽然也由脂质与蛋白质 组成#但与细菌和真核细胞均不同$ 例如#古核细胞的 膜脂由甘油醚而不是甘油酯构成#膜脂中还含有?@ A "$@的非极性脂质,,,鲨烯衍生物(极端嗜热菌的质 热膜菌是在由高B/温$四条乙件醚下组的成生的存单$层膜#该结构有利于极端嗜 5="!>79与基因结构!古核细胞的遗传装置的结构 和组成介于原核细胞和真核细胞之间$ 与原核细胞相 同的是古核细胞的 也 >79 为环状#有操纵子#大部分 没有内含子#有多基因 分子 C879 $ 与真核细胞相似 的特征为 -879% 以 (879 及部分基因中含有内含子# >79与组蛋白结合形成类似核小体的结构#>79存在 重复序列 聚 #879 合酶为复杂多聚体#翻译起始氨基 酸是 等 D+- $
化石资料分析显示#最初形成的细胞是原核细胞# 原核细胞经历 5$ 亿年的演化才出现真核细胞$ 远古 时期的原核生物可分为两类) 一类是真细菌!如蓝细 菌%支原体%衣原体以及螺旋体等"(另一类是古细菌 !如产甲烷菌%盐杆菌以及热原质体等"$ 在 "$ 亿年 前#古细菌就繁盛于地球上#其生存环境与原始地球的 高温%高盐%缺氧的条件极为相似#具有严格厌氧的特 性$ 古核细胞的生命特征与原核细胞和真核细胞既有 相似 之 处% 也 有 不 同 之 处# 因 此 被 称 为 * 第 三 生 命 形态+&5' $