量子化学解决了氨基酸的奥秘

前13个氨基酸的特征是化学硬度和电子能级非常相似（在图像中显示为一个圆圈）。在进化过程中，新氨基酸变得越来越柔软和不成熟，这反映在不同的能级上（在以多个同心圆表示的图像中）。

美因茨约翰内斯古腾堡大学病理生物化学研究所的Matthias Granold博士和Bernd Moosmann教授领导的研究人员使用量子化学方法解决了最古老的生物化学难题之一。他们发现了为什么有20种氨基酸构成当今所有生命的基础，即使随着时间的推移产生的前13种氨基酸足以构成所需功能蛋白的完整组成部分。决定性因素是新型氨基酸的化学反应性强，而不是其空间结构。总部位于美因兹的研究人员在领先的PNAS杂志上发表的论文中还假设，生物圈中氧气的增加触发了向蛋白质工具箱添加补充氨基酸。

地球上的所有生命都基于20种氨基酸，这些氨基酸受DNA控制形成蛋白质。在遗传的DNA中，总是三个连续的DNA碱基或密码子，它们结合起来“编码”这20个氨基酸中的一个。由此产生的密码子网格就是所谓的遗传密码。“数十年来，研究人员一直感到困惑，为什么进化论选择了这20个氨基酸进行基因编码，”伯恩德·莫斯曼（Bernd Moosmann）教授说。“特别难以解释最后和最新的七个氨基酸的存在，因为合适的和功能性蛋白质可以仅使用前一个和最古老的10至13个氨基酸进行组装。”

在一种新方法中，研究人员将地球上生命所使用的所有氨基酸的量子化学与引入陨石的太空氨基酸以及现代参考生物分子的量子化学进行了比较。他们发现，较新的氨基酸已系统地变软，即更容易反应或易于发生化学变化。Moosmann解释说：“从太空中的死化学到今天我们这里的生物化学的转变，其特点是柔软度增加，从而提高了结构块的反应性。”研究人员能够在生化实验中验证其理论计算的结果。在新氨基酸方面，功能方面也必须发挥重要作用，因为这些新来者在构建蛋白质结构时几乎没有表现出特殊的优势。

然而，仍然存在为什么首先将软氨基酸添加到工具箱中的问题。这些容易反应的氨基酸到底应该与什么反应？根据他们的研究结果，研究人员得出结论，由于生物圈中氧气含量的增加，至少添加了一些新氨基酸，特别是蛋氨酸，色氨酸和硒代半胱氨酸。这种氧气促进了有毒自由基的形成，从而使现代生物和细胞暴露于巨大的氧化应激中。新氨基酸与自由基发生化学反应，从而以有效的方式清除了它们。氧化后的新氨基酸反过来在氧化后很容易修复，但是它们保护了其他更有价值的生物结构，这些结构无法修复，不受氧引起的损害。因此，新氨基酸为所有活细胞的远祖提供了非常真实的生存优势，使它们能够在地球上更具氧化性的“勇敢”新世界中获得成功。“鉴于此，我们可以将氧气的特征描述为作者为遗传密码添加了最后的含义，” Moosmann说。

出版物：Matthias Granold等人，“氧气驱动的氨基酸库的现代渗透”，PNAS，2018年； doi：10.1073 / pnas.1717100115