用蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)作為分子化石追溯代謝進(jìn)化.pdf

1、在生命科學(xué)研究中，蛋白質(zhì)是重要研究對(duì)象之一。隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的不斷豐富，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能進(jìn)化的研究取得了很大的發(fā)展，尤其是酶結(jié)構(gòu)功能進(jìn)化。生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化作用下進(jìn)行的，然而這些反應(yīng)的進(jìn)化歷史尚屬未知。因此，本論文基于構(gòu)建的蛋白質(zhì)折疊類(lèi)型(F)、超家族(FSF)及家族(FF)系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)，追蹤了生物化學(xué)反應(yīng)中的代謝進(jìn)化事件。通過(guò)對(duì)整體代謝進(jìn)化、氨基酸生物合成、無(wú)機(jī)化學(xué)進(jìn)化、有氧代謝進(jìn)化及代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化等方面的研究，提出了蛋

2、白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)可以作為分子化石研究現(xiàn)代生物化學(xué)的起源與進(jìn)化，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生命進(jìn)化的本質(zhì)提供了有意義的線索，同時(shí)也顯示了該方法在追蹤其他進(jìn)化事件上的潛力。
　　研究表明，蛋白質(zhì)折疊類(lèi)型(F)和超家族(FSF)分子鐘可以追溯生物化學(xué)中進(jìn)化事件。半胱氨酸和組氨酸具有多種生物化學(xué)功能，對(duì)整個(gè)生命起著至關(guān)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(shí)間約為33～35億年前，該發(fā)現(xiàn)有助于深入認(rèn)識(shí)早期生命

3、的本質(zhì)。同時(shí)對(duì)含硫無(wú)機(jī)物的生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)早期的反應(yīng)基本上是與半胱氨酸代謝有關(guān)的，并且半胱氨酸的同化作用和異化作用幾乎是同時(shí)產(chǎn)生的(約36.8億年前)，隨后才有了硫酸鹽還原反應(yīng)，直到約29～30億年前第一次出現(xiàn)了氧，而之后的反應(yīng)基本屬于氧化產(chǎn)生硫酸的反應(yīng)。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(yīng)出現(xiàn)在25.1億年前，這些結(jié)果對(duì)深入研究硫的進(jìn)化有一定的意義。
　　相對(duì)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(chǔ)上，深入探討了蛋白質(zhì)FF作為分子鐘推斷生物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)化。第一，早期的FF(nd＜0.2)主要涉及初級(jí)代謝，嘌呤和嘧啶代謝出現(xiàn)的最早，其次是氨基酸、糖類(lèi)、輔因子、萜類(lèi)化合物、甘油酯類(lèi)和卟啉代謝等，進(jìn)一步證實(shí)了核苷酸代謝中能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的代謝起源。同時(shí)，早期FF對(duì)應(yīng)的途徑顯示了氨基酸生物合成上的進(jìn)化順序，這與其他方法推斷的氨基酸對(duì)應(yīng)到密碼子的時(shí)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(shí)了第一個(gè)原始酶是ATP水解酶類(lèi)。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(duì)應(yīng)的催化酶是磷酸吡哆醛合酶(EC1.4.3.5)。第四，通過(guò)對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化分析，證實(shí)了優(yōu)先添加原則。最后，通過(guò)酶催化反應(yīng)前后基團(tuán)轉(zhuǎn)移的分析，闡述了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中同樣也包含了地球化學(xué)進(jìn)化的印記。所有的研究結(jié)果顯示了“蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)可以作為分子化石”的巨大潛力。
　　本文用蛋白質(zhì)結(jié)