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水微滴中嘌呤和嘧啶核苷的非生物合成

有一种关于生命起源的假设是,在现代细胞出现之前,地球上就已经存在着一个RNA世界。根据这一假设,RNA在原始细胞中存储遗传信息和催化化学反应。然而,该假说的一个主要缺失环节是如何从更简单的分子构建核糖核苷,这是核糖核酸的构建块。这一挑战似乎相当艰巨,因为从核糖和一些合适的核碱基(如嘌呤腺嘌呤和鸟嘌呤,以及嘧啶尿嘧啶胞嘧啶)在水溶液中制造核糖核苷是热力学上的难题。最近,科学家研究了通过绕过生物合成机理从而生物前合成嘌呤和嘧啶核苷的可能途径。这些路线需要不同的环境,尽管如果嘌呤和嘧啶核苷可以在相同的环境中缩合以制备RNA可能更有利。此外,这些机制需要复杂的顺序反应,反应时间通常以天为单位,这可能会使它们与创建RNA可能发展的生物前化学物质的相关性降低。如下所述,我们提出了一种合成核糖核苷的替代路线,该路线似乎足够温和普遍,以至于它可能在将较简单的分子转变为生物分子方面发挥了作用。

在细胞中,核糖核苷的合成有两条途径:核苷酸代谢和回收途径。在核苷酸代谢中,由D-核糖-5-磷酸(Rib-5-P)和核苷酸碱基形成的5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)被改变为一个核苷酸和两个磷酸。作为回收途径的一部分,RIB-1-P和核酸酶被转化为核糖核苷和磷酸,如图1所示。体内的抢救途径是从有机中间体合成核糖核苷的反应。具体地说,通过磷酸化酶将Rib-1-P添加到游离核酸酶中以形成核糖核苷。这两个反应最重要的部分是核糖中第一个位置(C1)上的碳原子与核酸酶相连。

水微滴中嘌呤和嘧啶核苷的非生物合成

图1:以Rib-1-P为中间体的非生物回收途径生物前合成核糖核苷的反应机理

在最近的一项研究中,科学家展示了使用含水的高表面积微滴形成RIB-1-P的合成途径。这种表面或近表面反应绕过了缩合反应的基本热力学问题。有人认为,空气和水为生物前合成生物分子提供了有利的环境。使用以上述非生物方式制成的Rib-1-P和图1所示的回收途径,我们成功地在微滴中生成了尿苷(U),这是嘧啶核苷之一。然而,我们没有调查这个过程是否代表了生成嘌呤和嘧啶核苷的一般非生物途径。在这里,我们展示了核糖核苷腺苷(A),胞苷(C)和肌苷(I)的非生物生成,通过跨越这些反应的热力学屏障,在室温水微滴的表面或附近。鸟嘌呤实际上不溶于水,这就排除了含有鸟嘌呤的水溶液微滴的产生。然而,肌苷(I)可以与胞苷(C)碱基配对,因此可以合成全碱基对的核糖核苷,并在相同的生物前条件下存活。在微滴中,少量浓度的二价镁离子(Mg2+),地壳的主要元素之一,用于催化这一过程。由于薄雾、云层和雾气被认为在早期地球上很常见,这些发现提供了关于RNA世界如何形成的一个可能缺失的环节。

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