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分子的世界是变化多端的,微小的变化就能改变分子的结构

这个是认证

太空生物学

2021-05-15 13:46

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著者:黄媂         编著:


这一期的文章本应该是从一只吃了浆果以后翩翩起舞的山羊开始的,但是这个例子要用几个段落来说明,这里我就不再描述了,今天换一个例子来简单作为文章的开端——六边形和五边形

六边形·「嘧啶

一种六边形的结构它只和香味有关,这种六边形的结构被称为「嘧啶」,「嘧啶」本来就是属于氮杂笨,也就是6个碳原子构建在一起形成一个正六边形的苯环,如下图的图中说明,分别把每一个环上的碳原子按照序列号1、2、3、4、5、6依次编排,假如里面的1和3号的碳原子分别被两个氮原子取代掉,形成的结构叫做「嘧啶」。碳原子可以很轻易地组合成各种各样的结构,假如一个环形的六边形全部都是由6个碳原子组合而成那么就特别容易产生香气,即便六边形上面的6个碳原子其中的2个被别的元素原子取代了,这种结构也往往会保留着容易产生香气这种特性,但值得注意的是——并不是这种 六边形的结构天生就容易产生香气,而是这种六边形的单元在生命世界当中无处不在,所以动物的感官才能够进化出把香气这种化学信号识别出来的感官系统

图解:六边形结构「嘧啶」

五边形·「咪唑

碳原子也可以是由五边形组成的,和上面的一样,分别把每一个环上的碳原子按照序列号1、2、3、4、5依次编排,假如把原本5个碳原子的1号和3号两个点位被氮元素杂换取代,形成的结构叫做「咪唑」,在生活中我们经常会接触到各种各样的咪唑,比如抗菌时用的「硝基咪唑」、驱肠虫时用的「左旋咪唑」等等,从这两种常用的「咪唑」就能够知道这个小小的五边形环在各种各样的分子结构里面是多么的常见。

图解:五边形结构「咪唑」

假如六边形嘧啶五边形咪唑」这两者的分子结构通过共享一边条的方法结合在一起形成的分子结构叫做嘌呤」。


命中注定和闺蜜:「嘌呤」与「嘧啶」

我国唐代的著名诗人杜甫在他的著作《不见》中就已经引用“飘零酒一杯”这句话来描述了嘌呤」,嘌呤这种分子结构有所了解了。在这首诗中就很容易就会让人猜测到杜甫非常有可能是得过痛风的,然而嘌呤也正是诱发痛风的直接原因,杜甫知道一杯酒里面嘌呤的含量是非常多的,因此杜甫就把嘌呤的谐音以“飘零”的方式表达出来了,假如用现代的语言来表达的话我想这句话必定是:“都是酒惹的祸!”

嘌呤」与「嘧啶就好比一对命中早已注定的好闺蜜

嘌呤分子嘧啶分子一起组合成 DNA双螺旋台阶,这两个分子通过氢键紧密地连接在一起,二者的比例在人的体内几乎是一样多的,值得注意的是它们都具有自发抑制性的体系。当嘌呤的含量有所上升的时候会自我抑制嘌呤的含量作进一步提升,同时也会激发嘧啶的上升。反过来当嘧啶的含量有所上升的时候,嘧啶也会自我抑制不再让含量上升,同时也会激发嘌呤的上升,因此嘌呤分子嘧啶分子的数量一直是处于一种近似平衡的状态。

  • DNA里面的嘌呤一共有两种类型:腺嘌呤·A鸟嘌呤·G
  • DNA里面的嘧啶一共有两种类型:胸腺嘧啶·T胞嘧啶·C

腺嘌呤一定是和胸腺嘧啶配对的「A↔T」,鸟嘌呤也一定是和胞嘧啶配对的「G↔C」。简单点来说DNA螺旋线形结构里面只有的两个组合:「A↔T」与「G↔C」。俗话说10只手指有长短,嘌呤与嘧啶在配对的时候也难免会出错,错配成「A↔C」、「G↔T」但是出现的机率是十分渺茫的。

图解:分子化学式

DNA为什么一定要「A↔T」与「G↔C」这样配对呢?

DNA的磷酸骨架也就是楼梯的宽度只可以同时容纳3个苯环,上述已经为大家讲述了嘌呤分子是一个五边形和一个六边形的双环,而嘧啶分子是一个单独的六边形环,因此3个苯环的宽度刚刚好只可以容纳1个嘌呤分子」、1个嘧啶分子」。作为连接节点氢键数量的搭配是不一样的,A与T组合氢键的数量是3条,G与C组合氢键的数量只有2条,因此就不容易发生错配的情况。

图解:腺嘌呤胸腺嘧啶配对「A↔T」,鸟嘌呤胞嘧啶配对「G↔C」


分子的世界是变化多端的

分子结构上的每一个点位随时都有可能会被其他的原子或原子团取缔,从而发生改变或附着成新的原子,因此衍生出来的生物是多种多样的,生命正是在这种多样化的组合配对下不断开辟出新的道路进行复杂的功能,在进化的道路上一些善于辅助的小零件分子特别受欢迎,比如所有的植物都含有一种学名叫做「a-甲基化转移酶」的蛋白质。


a-甲基化转移酶」其实就是一个体积非常小的原子团也就是一个小零件,但是这个小零件遍布了整个DNA链条,到处都可以看到,简单来说「a-甲基化转移酶」就是DNA链条上的“甲基化修饰”,这些被修饰过的DNA链条就如同一个开关器,DNA链条代码功能的生效与否是受这个开关器控制的,是组成进化机制最重要的环节,这种现象简称「DNA表观」。

生命能够透漏的信息不仅要考虑DNA的代码,而且还要考虑控制这些代码表达与否的表观,「DNA表观」提供了生命世界为何会是丰富多彩重要的进化方式,如果想要对某个结构进行甲基化或者“修饰”就必须要有对配合的零件,「a-甲基化转移酶」就是这个符合要求的零件。

所有的植物都含有「a-甲基化转移酶」,作为DNA双螺旋的必要零件「嘌呤」类分子必定是在很古老的时期就已经在植物体内演化出来了,在漫长的演化过程中不断被「a-甲基化转移酶」改造,最终一种叫做「黄嘌呤」的分子演化出了一种变形的机制,转移酶把「黄嘌呤」分子切开一条小缝隙,然后伸出一条被一类酶安装了一个零件的旋臂之后又有另外两类酶分别对「黄嘌呤」分子进行各自的改造。

当这3种酶按部就班对黄嘌呤分子进行改造之后,作为前体的黄嘌呤虽然是改变了原本的模样,但是它仍然是保持着最初的五边形搭配六边形的双环外形,也延续了起初嘌呤结构里杂化氮元素的存在,与原本的黄嘌呤分子不同的是位点上被镶嵌进了氧原子,于是受到改造后的黄嘌呤分子就有了一个全新名字——「咖啡因

图解:「咖啡因」分子化学结构示意图


结语·自然界与「咖啡因」

咖啡因」分子在自然界是普遍存在的,同时也是生命演化环节重要的一部分,经过了漫长演化的「咖啡因」分子渐渐在生命世界里突显了自己独有的一些特性:

余生结语——“当一颗含有「咖啡因」的树生长在我旁边的时候,它的叶子或者果实掉落在地上的时候,「咖啡因」会渗透到四周围的土壤里,使得一定范围内的植物的生长会被抑制,这无疑是一种竞争优势。”

黄媂结语——“对于觅食类的昆虫来说,假如不小心吃了含有「咖啡因」的植物,轻则昏迷、重则死亡,这无疑是植物自我提升免遭虫害的一种手段。”

植物说——“假如我在果实中掺入剂量少一点的「咖啡因」是不会对昆虫有负面影响的,反而还会吸引它们过来为植物与植物间进行播种,这有助于植物和动物之间建立一种特别的合作关系。”

动物说——“我是一只生长在埃塞俄比亚的山羊,当我吃了那些含有「咖啡因」的浆果以后就开始翩翩起舞了,正困为这一点我这只山羊与「咖啡因」的编年史就被世人了解了。”

「咖啡因」是自然界偶然创造的吗?

当然不是!

原因在于我们日常生活的一些饮料,比如茶叶、可可或者柑橘植物里都拥有「咖啡因」,值得说明的是——虽然这些物品里面所含有的「咖啡因」和咖啡含有的「咖啡因」完全是同一种的分子,但是二者改造的顺序、修饰零件以及作为原始共键的前体分子完全是不相同的。二者都是各自在不同的时间、不同的地点、用不同的方法独立进化出来的,科学上把这种现象称为「趋同进化」。

举例说明:

鸟类和蝙蝠都拥有翅膀,但是它们的区别在于鸟类的翅膀纯属是一对带有羽毛且只能用于飞行的翅膀,然而蝙蝠的翅膀却多了一双带有利爪的钩。鸟类和蝙蝠翅膀的功能大致相同,演化却是各异的。

图解:鸟类和蝙蝠翅膀对比图

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