过渡金属催化剂是生命起源的关键

2010-9-06 15:43 来源: 科技日报
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  要解释生命如何在地球上出现这个悬而未决的大问题,就像是回答先有鸡还是先有蛋的悖论:诸如氨基酸和核苷酸这样的基本生化物质,是如何在生物催化剂(蛋白质或核酶)出现之前而完成其构造的?在最新一期《生物学通报》(The Biological Bulletin )上,科学家发表论文指出,或是第三种类型的催化剂启动了深海热泉中的新陈代谢以及生命。

  根据美国乔治梅森大学的哈罗德·莫洛维兹和维加亚萨拉斯·斯里尼瓦桑及圣达菲研究所的埃里克·史密斯提出的模型,包含过渡金属元素(铁、铜、镍等)和配体(小有机分子)的分子结构,可以催化基本生化物质(单体)的合成。单体是更加复杂的分子的基本构造模块,最终导致了生命的起源。

  莫洛维兹表示,在过去的50年里,生命起源理论研究中一直存在着一个大问题,那就是“你需要大蛋白分子作为催化剂来形成单体,但你又需要单体来制作催化剂”。对此问题,莫洛维兹提出的解释是,可从这些小的金属配体催化剂入手,从而制造出用以形成大蛋白催化剂的单体。

  过渡金属原子作为金属配体复合物的核心,必定被其他配体包围着。莫洛维兹和他的同事提出,深海热泉中简单的过渡金属配体复合物可催化产生更复杂分子的反应。之后,这些日益复杂的分子在效率越来越高的过渡金属配体复合物催化剂中扮演着配体的角色。渐渐地就累积起了新陈代谢的基本分子成分,并自我组织起奠定生命基础的化学反应网络。

  莫洛维兹说:“我们曾经认为,如果我们了解了碳、氢、氮、氧、磷、硫在做什么,我们就理解了生物学。但是,我们现在发现,还有一些其他罕见的元素——过渡金属在生物学中也是必需的,因此,我们必须要问,它们在生命起源中又发挥了怎样的作用?”莫洛维兹目前正在列出构成了地球上大部分生物质的元素清单。

  研究人员指出,生命形式的出现是过渡金属和配体场论独特性的自然结果,该理论描述了配体复合物的特性。莫洛维兹说:“这种思想发端于对元素周期表的研究。我们强烈地感到,除非你能看到生命是如何以某种化学方式出现的,否则你永远无法真正地解决这个问题。”

  莫洛维兹和他的同事们正准备用实验方法来测试以不同配体制成的过渡金属配体复合物的催化性能。配体已知会和过渡金属紧密结合,包括在三羧酸循环过程(许多微生物所必需的一系列生化反应)中产生的分子。莫偌维兹表示,他们认为生命始于三羧酸循环,同时有证据显示,在深海热泉的环境中有循环的中间物质形成。科学家计划用这些中间物质分子与不同的过渡金属混合,将它们加热到不同温度并维持相应的一段时间,然后检查会有何种催化剂产生。

  这类实验有望帮助了解在奠定生命基础时,究竟发生了何种催化反应。该假说还提出了生命的出现也许不止一次。研究人员表示,生命也许有多次起源,如果能在宇宙其他地方发现生命,这些生命和人类生命也许非常相似,因为它们与人类都是基于相同的过渡金属和配体。目前,这还只是个猜想,不过这或许会成为生命起源研究的核心观点。