N-磷酰化氨基酸与遗传密码起源关系的理论研究

摘要

在早期地球环境条件下生物有机大分子的起源问题一直是生命起源研究的焦点.实验发现磷酰化氨基酸可以自催化、自组装形成多肽和聚核苷酸,形成一个把核酸合成和蛋白质合成偶联起来,在物质交换和能量交换上自循环的体系.在此基础上,赵玉芬院士提出这一体系有可能是前生命时期化学进化的最小进化系统,核酸和蛋白质同时产生的生命起源理论.以该系统为基础,该文提出在核酸蛋白质共起源的过程中由于化学选择性的影响形成了原始遗传密码的雏形的假设,并且用理论化学的方法进行了研究.对磷酰化氨基酸自催化反应机理研究结果表明,带有一个核苷的五配位磷酰化氨基酸与另一核苷分子反应生成带有两个核苷的六配位磷酰化氨基酸的过程是该二聚反应的关键步骤.在该二聚反应过程中,带有负电荷的碱基-核苷分子进攻五配位磷,引起磷的构型价态变化,由三角双锥的五配位磷的构型变成八面体的六配位磷中间体构型.采用PM3半经验量子化学计算方法结合从头算Ab initio计算方法对该六配位磷酰化氨基酸中间体和相应的五配位中间体的相对势能差进行了计算.并按照中间体相对势能较小则反应速度较快的原则推测五配位磷酰化氨基酸向六配位中间体转化的二聚反应的选择性.计算结果表明氨基酸残基对20种常见氨基酸形成的磷酰化氨基酸上的核苷酸二聚反应的选择性有明显影响.在氨基酸残基对不同排列顺序的碱基对组合的选择情况中,有14种符合、4种不符合、2种不明显符合遗传密码表的规律.计算得到的优势碱基组合与遗传密码表基本符合,为遗传密码起源提供了新线索.并进一步采用统计学的独立样本t检验方法验证了该结论.遗传密码起源与生命分子化学进化的研究不仅对于生命起源过程的探讨、基因组学和蛋白组学的研究、早期地球环境的研究等具有重要意义;而且对于有机体(包括人类)的发生发展与其生存环境和生态环境的关系研究提供了有价值的、分子水平因素的参考意见.

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1基于N-磷酰化氨基酸的生命起源学说

1.2前生命时期生命大分子起源的研究进展

1.3遗传密码与生物信息学的发展

1.4本文主要研究内容

第2章遗传密码和磷酰化氨基酸的关系

2.1从化学进化向生命体进化的过渡

2.1.1奥巴林的团聚体实验及其存在问题

2.1.2福克斯的类蛋白微球体实验

2.1.3 Eigen的超循环组织模型

2.1.4赵玉芬等的“磷调控中心理论”

2.2遗传密码的研究概况

2.2.1遗传密码的发现

2.2.2遗传密码的进化

2.3磷酰化氨基酸与遗传密码之间的联系

2.4计算模型

2.5计算方案

第3章量子化学计算方法与计算结果

3.1量子化学计算方法

3.2薛定谔方程(Schrodinger equation)

3.2.1单粒子体系的薛定谔方程

3.2.2多粒子体系的薛定谔方程

3.3半经验分子轨道方法的理论基础

3.3.1 MNDO方法的理论基础

3.3.2 CNDO的发展及PM3方法

3.3.3半经验方法与从头算方法的比较

3.4计算方法的选择

3.5计算软件

3.5.1 Hypchem7.0计算软件

3.5.2 Gaussian 03软件

3.5.3批量分子结构辅助处理软件

3.6结构输入和计算

3.7计算结果及讨论

3.7.1半经验方法的结果分析

3.7.2统计学验证

3.7.3 RHF从头算方法验证

3.8小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢