Chapter 12 螺旋與生命

1、Chapter 12 螺旋與生命 As naturalists have pointed out, right-handedness is one of the laws of nature. Stars（恒星） and their planets（行星） move and rotate from right to left. Man usually employs his right hand rather than his left hand, and consequently the things around him, such as staircases, locks, watch

2、springs, etc., are made to be used from right to left. Now nature generally follows this law for the spirals on its shells. They are all right-handed, with rare exceptions, and when one happens to find a specimen that is left-handed, collectors will pay you its weight in gold.-From 20,000 Leagues Un

3、der the Sea(海底兩萬(wàn)里） by Jules Verne1 在自然界里，隱藏著生命與非生命的一個(gè)共同現(xiàn)象，這就是螺旋。自從最早發(fā)明螺旋式水泵的阿基米德寫(xiě)出第一部關(guān)于螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)著作以來(lái)，有關(guān)螺旋的奧謎便為人們?nèi)找媪私獠⒓右詰?yīng)用。有趣的是整個(gè)生物界也都存在著螺旋現(xiàn)象。2 一、生命中的螺旋現(xiàn)象眾所周知，蛋白質(zhì)、核酸及多糖等是構(gòu)成生命的主要物質(zhì)。這些高分子物質(zhì)按照一定的分子邏輯組成了各種生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。近代生物學(xué)和分子生物學(xué)的研究成果向人們展示出：這些生命分子都存在螺旋結(jié)構(gòu)。3 在二十世紀(jì)三十年代，Astbury首先完成了蛋白質(zhì)的X-射線研究，發(fā)現(xiàn)毛發(fā)、羊毛和-角蛋白類(lèi)的某些其它纖維

4、狀蛋白質(zhì)都展示了相似的X-射線圖譜。圖譜表明：這些蛋白質(zhì)沿著它們的長(zhǎng)軸具有0.50.55 m的大周期。他得出結(jié)論：在和角蛋白中多肽鏈?zhǔn)且圆煌绞奖P(pán)旋或卷曲著。1950年，Pauling和Corey進(jìn)一步研究并設(shè)計(jì)了一種最能說(shuō)明圖譜結(jié)果的多肽鏈折疊模型螺旋體?，F(xiàn)知，不但纖維蛋白有-螺旋，而且球狀蛋4白質(zhì)也有-螺旋。當(dāng)然目前已發(fā)現(xiàn)在蛋白質(zhì)中除Pauling等最初發(fā)現(xiàn)的-螺旋（-3.613）外，還有310螺旋及螺旋。至今，絕大多數(shù)被測(cè)天然蛋白質(zhì)都是右手-螺旋。但是Roche與Veerdouw于1978年發(fā)現(xiàn)嗜熱菌蛋白酶的結(jié)晶中存在左手-螺旋 在核酸研究方面，Watson 和Crick在總結(jié)了Astb

5、ury、Franklin及Wilkins等人的研究成果的基礎(chǔ)上，于1953年提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這一學(xué)說(shuō)被稱(chēng)之為分子生物學(xué)的第一原理。根據(jù)他們的學(xué)說(shuō)，DNA分子是右手螺旋體。但在1979年，Rich等正式宣布發(fā)現(xiàn)了左手螺旋DNA。至于RNA也同樣存在螺旋狀結(jié)構(gòu)。5 更有甚者，亞細(xì)胞器甚至病毒顆粒同樣具有螺旋結(jié)構(gòu)。典型的例子就是Finch和Klug等發(fā)現(xiàn)的核小體就是有DNA分子纏繞若干組蛋白而形成的螺線管、超螺線管，最后形成染色體。又如細(xì)胞的骨架結(jié)構(gòu)微管也呈螺旋狀，并且凡由微管構(gòu)成的細(xì)胞器如鞭毛、纖毛、中心體等均保持著螺旋結(jié)構(gòu)。 由此可見(jiàn)，生命中的螺旋現(xiàn)象具有普遍性。6二、 非生命

6、中的螺旋現(xiàn)象 避開(kāi)人為的螺旋現(xiàn)象不談，在自然界中存在著十分有趣的螺旋現(xiàn)象。 1962年，美國(guó)MIT機(jī)械工程系主任Sharpiro教授及后來(lái)的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的特別會(huì)員A.M.比尼博士等發(fā)現(xiàn)，位于北半球的澡盆里的水當(dāng)撥去塞子后，水流出時(shí)所產(chǎn)生的旋渦其旋轉(zhuǎn)方向是向左，在南半球則為右。而在赤道則幾乎沒(méi)有旋渦產(chǎn)生。他們把這一現(xiàn)象歸結(jié)于地球旋轉(zhuǎn)這一自然力的作用。 7 在浩然的大海里，澎湃的海水一刻也不會(huì)安靜，它們?cè)诓煌５丨h(huán)流?？茖W(xué)家們認(rèn)為，即使是無(wú)風(fēng)之日，海水也同樣可以形成旋流。 更使人驚訝的是，1982年2月，美國(guó)基皮克天文臺(tái)的天文學(xué)家們首先觀察到日面上有螺旋型的斑點(diǎn)。 從微觀的電子到宏觀的行星，它們的運(yùn)

7、動(dòng)都存在著一個(gè)共同的現(xiàn)象螺旋運(yùn)動(dòng)。 8三、 螺旋與生物進(jìn)化 達(dá)爾文進(jìn)化論認(rèn)為，各種生物都是從共同的祖先發(fā)展進(jìn)化而來(lái)。因此這就決定了生命有其同一性即生命是從無(wú)機(jī)物到有機(jī)物，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低等到高等這樣的方式向前發(fā)展的?，F(xiàn)已公認(rèn)，海洋是生命起源的搖籃。海洋動(dòng)力學(xué)的研究指出，海洋中普遍存在中尺度旋渦，且非“大洋風(fēng)生環(huán)流”。設(shè)想原始海洋中也普遍存在旋渦，那末生命中的螺旋現(xiàn)象的產(chǎn)生原理是不是這樣的：9 溶解于原始海洋中的各種有機(jī)物，受到海洋流動(dòng)力學(xué)的作用而聚集在一起。在一定的溫度、壓力和一些無(wú)機(jī)物的催化下合成多肽和多核苷酸等大分子有機(jī)物，當(dāng)這些分子鏈增長(zhǎng)到一定數(shù)值時(shí)，隨著海水旋轉(zhuǎn)被“搓”成了螺旋狀結(jié)構(gòu)

8、。后者隨旋渦運(yùn)動(dòng)可相互作用成更大的顆粒。這些顆粒通過(guò)吸附作用，集聚其它必須物質(zhì)便可形成原始生命了。10 現(xiàn)知蛋白質(zhì)都是由L-型氨基酸構(gòu)成。如何解釋這一現(xiàn)象？ 假定在原始海洋中D-、L-型氨基酸形成多肽的機(jī)會(huì)均等，這樣一來(lái)，海水中既有D-型氨基酸多肽，又有L-型氨基酸多肽，還有DL-型氨基酸混合多肽（現(xiàn)已知細(xì)菌胞壁中的胞壁質(zhì)就含有L-Ala、D-Glu、L-Lys和D-Ala組成的短肽）。但由于結(jié)構(gòu)的差異，抑或說(shuō)分子內(nèi)能高低不等，D-型氨基酸多肽和DL-型氨基酸混合多肽的分子脆性大，在搓成螺旋狀的過(guò)程中易斷裂、分解。這樣一來(lái)，在蛋白質(zhì)分子中就找不到D-型氨基酸了，它只能以小肽或游離狀態(tài)存在。11 至于以右手螺旋還是左手螺旋存在則必須遵守立體化學(xué)原則。由于多肽鏈中的氨激基酸均為L(zhǎng)-型，在左手-螺旋中側(cè)鏈碳原子接近羥基氧原子，能量較高即分子不穩(wěn)定，而右手螺旋中該鍵自由度較大，能量較低。因此在生命的螺旋結(jié)構(gòu)，在天然狀態(tài)一般以右手螺旋存在。但也有例外。從海洋環(huán)流方向來(lái)看，由于多肽鏈和多核苷酸鏈所受到的力不同。理應(yīng)有右手和左手兩種螺旋體產(chǎn)生?，F(xiàn)有的資料表明。自然界中的多肽鏈和DNA鏈等大分子確實(shí)有左右兩種形式的螺旋存在，只是在數(shù)量上有多少罷了。12 總之，生命中的螺旋