用蛋白質(zhì)空間結構作為分子化石追溯代謝進化.pdf

1、在生命科學研究中，蛋白質(zhì)是重要研究對象之一。隨著蛋白質(zhì)結構數(shù)據(jù)的不斷豐富，蛋白質(zhì)結構功能進化的研究取得了很大的發(fā)展，尤其是酶結構功能進化。生物體內(nèi)的化學反應幾乎都是在酶的催化作用下進行的，然而這些反應的進化歷史尚屬未知。因此，本論文基于構建的蛋白質(zhì)折疊類型(F)、超家族(FSF)及家族(FF)系統(tǒng)發(fā)生樹，追蹤了生物化學反應中的代謝進化事件。通過對整體代謝進化、氨基酸生物合成、無機化學進化、有氧代謝進化及代謝網(wǎng)絡進化等方面的研究，提出了蛋

2、白質(zhì)空間結構可以作為分子化石研究現(xiàn)代生物化學的起源與進化，為進一步認識生命進化的本質(zhì)提供了有意義的線索，同時也顯示了該方法在追蹤其他進化事件上的潛力。
　　研究表明，蛋白質(zhì)折疊類型(F)和超家族(FSF)分子鐘可以追溯生物化學中進化事件。半胱氨酸和組氨酸具有多種生物化學功能，對整個生命起著至關重要的作用。利用最新建立的蛋白質(zhì)F和FSF分子鐘，推斷出半胱氨酸和組氨酸生物合成的起源時間約為33～35億年前，該發(fā)現(xiàn)有助于深入認識早期生命

3、的本質(zhì)。同時對含硫無機物的生物化學反應進行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)早期的反應基本上是與半胱氨酸代謝有關的，并且半胱氨酸的同化作用和異化作用幾乎是同時產(chǎn)生的(約36.8億年前)，隨后才有了硫酸鹽還原反應，直到約29～30億年前第一次出現(xiàn)了氧，而之后的反應基本屬于氧化產(chǎn)生硫酸的反應。另外，還發(fā)現(xiàn)了同化和異化硫酸鹽還原途徑出現(xiàn)比較早，并且推斷了生成硫化物的反應出現(xiàn)在25.1億年前，這些結果對深入研究硫的進化有一定的意義。
　　相對于蛋白質(zhì)F或

4、FSF，蛋白質(zhì)FF與功能聯(lián)系更密切。在蛋白質(zhì)F和FSF分子鐘的基礎上，深入探討了蛋白質(zhì)FF作為分子鐘推斷生物化學反應進化。第一，早期的FF(nd＜0.2)主要涉及初級代謝，嘌呤和嘧啶代謝出現(xiàn)的最早，其次是氨基酸、糖類、輔因子、萜類化合物、甘油酯類和卟啉代謝等，進一步證實了核苷酸代謝中能量轉(zhuǎn)換反應的代謝起源。同時，早期FF對應的途徑顯示了氨基酸生物合成上的進化順序，這與其他方法推斷的氨基酸對應到密碼子的時間順序是一致的。第二，確定了最古老

5、的酶是ATP磷酸水解酶(EC3.6.3.49)，證實了第一個原始酶是ATP水解酶類。第三，確定了最早利用氧氣的家族是b.45.1.1，出現(xiàn)在約29億年前，對應的催化酶是磷酸吡哆醛合酶(EC1.4.3.5)。第四，通過對代謝網(wǎng)絡的進化分析，證實了優(yōu)先添加原則。最后，通過酶催化反應前后基團轉(zhuǎn)移的分析，闡述了蛋白質(zhì)結構中同樣也包含了地球化學進化的印記。所有的研究結果顯示了“蛋白質(zhì)空間結構可以作為分子化石”的巨大潛力。
　　本文用蛋白質(zhì)結