RNA世界背景下生命手性起源和原始细胞出现的机制的计算机模拟

摘要

现代生物的两大构成物质核酸和蛋白质均为一种手性的分子构成，而非生物环境中的手性物质则一般为两种手性分子的等量混合物（外消旋体）。那么从非生命界到生命界，这种手性破缺是如何出现的呢？我们在RNA世界的背景下，通过计算机模拟，对生命起源过程中可能出现的手性起源进行了探究。RNA链执行的模板介导的连接反应与矿物催化的自然连接反应具有自催化的特性，而这两种自催化反应在系统中的启动具有一定门槛。模拟结果表明，当门槛足够高时，这两种自催化反应都能扩大初始的手性破缺，实现手性分化。门槛越高，最终的系统手性分化程度越高。而RNA链具有手性选择性是矿物催化的自然连接反应和模板介导的连接反应的自催化特性的保障。另外，研究中我们有些意外地发现，异手性底物导致的RNA链延伸终止效应也是手性破缺产生的一种机制。伴随着系统手性分化程度的提高，系统中RNA的链长得以增加，RNA的序列复杂度得以提高，系统能够向分子种类多样化方向发展，从而一定长度的有特异序列的功能性RNA分子（核酶）更容易出现。而核酶的出现将藉住其功能进一步促进手性分化，最终使生命界的单手性特性不可逆转。 本论文的另一部分工作涉及RNA世界中原始细胞的出现。从分子自复制到原始细胞形式的出现是生命早期进化过程中的一次重要转变。细胞膜所具有的空间约束作用对于分子之间的合作具有很大的意义，因此RNA世界发展到一定复杂度时，细胞的出现几乎是必然的。我们基于核苷酸合成酶和RNA复制酶的合作构建了模型，对细胞的出现进行了模拟，并深入分析了细胞的特性，发现细胞膜不仅在双酶合作上体现了有利之处，同时对抵抗寄生、适应水溶液环境方面也起到重要的作用。另外，细胞膜对于原料进入的阻滞是细胞形式的最大弱势。总的说来，在自然选择的压力下，细胞形式应该在生命起源过程中很早就出现，最终形成生命世界的基本结构单位。

目录

声明

摘要

1．1手性介绍

1．2手性与生命的关系

1．3 RNA世界假说

1．4手性起源与生命起源的关系

1．4．1手性对生命起源的影响

1．4．2手性与生命起源的关系

1．4．3手性的物理化学起源

1．4．4生物界的手性起源

1．5 RNA世界中细胞的出现

第2章研究方法

2．1蒙特卡罗模拟简介

2．2实验模型构建

2．2．1手性起源模型

2．2．2细胞出现模型

第3章结果分析

3．1模板介导的复制反应

3．1．1完全手性选择性

3．1．2非完全手性选择性

3．1．3复制效率的影响

3．1．4手性选择性的影响

3．1．5抑制终止效应

3．2矿物催化的自然连接反应

3．2．1无接种下的自发手性分化

3．2．2自然连接独立引发系统手性分化

3．2．3引物机制的引入

3．2．4手性选择性的影响

3．2．5门槛效应

3．3模板介导复制与自然连接的协同

3．3．1弱模板催化效应下的手性均衡

3．3．2弱自然连接效应下的手性均衡

3．3．3两种效应的协同

3．4．1核苷酸合成核酶

3．4．2连接酶

3．4．3从自然合成到核酶催化

3．5细胞出现

3．5．1从裸酶到细胞

3．5．2细胞有利于酶合作

3．5．3细胞移动

3．5．4细胞抵抗寄生

3．5．6水溶液中的原料移动

第4章讨论

4．1 RNA链介导的手性放大

4．2门槛效应

4．3抑制终止效应

4．4从分子到细胞

第5章结论

5．1 RNA世界中手性的起源

5．2 RNA世界中细胞的出现

参考文献

致谢