地球生命中各种各样的蛋白质为什么仅仅由20种氨基酸构成？
posted on 11 Sep 2021 under category 自然科学
蛋白质由氨基酸组成，在非生物领域，存在着数百种氨基酸，但地球生命中各种各样的蛋白质仅仅由20种氨基酸构成，为什么呢？
对于这个问题，一开始的研究认为，给定一些随机的变化，生命不一定会预先选定20种氨基酸，但也有一些结果表明演化是非随机的。然而，2011年，盖尔·菲利普（Gayle Philip）和斯蒂芬·弗里兰（Stephen Freeland）在《天体生物学》上发表了一篇精妙的研究论文，在论文的开头，他们提出，在所有决定蛋白质结构的氨基酸性质中，有三种性质特别重要：
首先，氨基酸的大小将在很大程度上决定氨基酸长链的折叠，以及它是否能够正确缠绕成为活性分子。
其次，氨基酸的带电性也十分关键，带负电荷与带正电荷的氨基酸能够相互吸引，形成一种“桥梁”加固蛋白质结构。在整个蛋白质中有无数这样的“桥梁”，它们是氨基酸链形成清晰、有序的结构，能够正常执行功能的重要保障。
最后一种性质是氨基酸的疏水性。由于不同蛋白质所处环境不同，有些蛋白质可溶于水，而有些则处于几乎无水的细胞膜中，根据不同情况，蛋白质需要对水分子表现出不同的亲和力。氨基酸的亲疏水性将会改变蛋白质间的相互作用，也会决定蛋白质是否会被吸引到某些缺水的细胞环境中，例如细胞膜的深层内部。
菲利普和弗里兰首先选取了一些氨基酸，然后通过计算机程序从中再选出一种组合，选取的标准是该组氨基酸需涵盖各种不同的大小、电荷以及亲疏水性。除此之外，各种参数需均匀分布于整个范围内，防止生化属性处于某个特定区段的氨基酸过多重复。菲利普和弗里兰认为这种分布模式对生命而言是最佳的。均匀的分布使得生命可以方便地找到任何足够接近理想产物的氨基酸。举个现实生活中的例子，这些性质多样的氨基酸就像工具箱中各种尺寸的螺丝刀。我们肯定不希望它们全是大号或小号。相反，我们希望从大到小每种尺寸都有一把，这样才能大概率保证在你想要拆下一扇旧门的门闩的时候，工具箱有你需要的尺寸的螺丝刀。
他们将生命中实际使用的20种氨基酸与陨石中50种氨基酸的100万种随机组合进行了比较，发现真实氨基酸在三个关键因素方面的覆盖率比任意一组模拟氨基酸都高。这说明，生命对于氨基酸的选择绝不是随机的，相反，氨基酸的种类很有可能是通过演化选择得出，以获得对蛋白质有利、广泛、均匀的分布模式——就像人们更愿意购买工具种类更多、更灵活方便的工具箱一样。
——《生命的实验室》第7章