第四节
RNA催化了最早的生命

我们在上一节中提到的那些在自然条件下形成的有机分子还没有组成生命。它们的合成需要多种条件的配合，而这些条件不是始终不变，永远存在的。条件合适时，这些有机分子可以不断产生；条件变化时，它们又以各种方式不断地被破坏。如果这些有机分子具有自我产生的能力，就可以减少对自然条件的依赖，不断地用环境中的物质来生产自己，从而形成一个比较稳定的系统。

假设有A和B两种分子，它们在环境因素（例如放电，加热，或者矿物质催化）的帮助下结合，成为产物分子T。如果T能够同时结合A和B，并且能够催化A和B结合成T，这就是一个自催化系统。它不再依赖环境因素来形成T，因为T就能催化自己的形成。什么分子能够具有这样的能力呢？可能许多人会想到蛋白质，因为细胞里面数以千计的化学反应都是由蛋白质来催化的，无论是葡萄糖、脂肪酸，DNA的复制，DNA的信息被“转录”到RNA上，都是由蛋白质来催化的。科学家还给这些具有催化能力的蛋白质取了一个名字，叫做酶（enzyme）。在很长的时间里，人们相信，细胞里面所有的催化过程都是由蛋白质来完成的。即使蛋白质自己的合成，也是由含有蛋白质的复合物——核糖体（ribosome）来实现的。

核糖体是巨大的蛋白质复合物。例如真核细胞的核糖体分为“小亚基”和“大亚基”两部分（图1-9）。小亚基含有33种蛋白质，大亚基含有46种蛋白质。和其他的酶不同，核糖体还含有核糖核酸（RNA），所以是蛋白质和RNA的复合物。小亚基含有1个RNA分子，大亚基含有4个RNA分子，总的蛋白量和总的RNA量的比例大约是1:1。在过去，RNA被认为是只起结构的作用，因为“酶催化一切反应”的观点已经根深蒂固，而且受到几乎所有实验事实的支持。

然而，奇怪的事情发生了。1978年，美国科罗拉多大学的托马斯·切赫（Thomas Robert Cech，1947— ）想提取“剪接”一种核糖核酸的酶。许多真核生物的基因为蛋白质编码的DNA序列并不是连续的，而是分成为蛋白质编码的序列——外显子（exon），中间被不为蛋白质编码的序列——内含子（intron）隔开。在基因的信息被转录到信息核糖核酸（mRNA，即messenger RNA）上时，这些不编码的DNA序列也一起被转录。接着细胞对这些mRNA进行加工，把内含子切掉，再把外显子连在一起，这个过程叫做mRNA的剪接（splice）。剪接后的mRNA含有连续的编码序列，再到核糖体中指导蛋白质的合成。切赫研究的是核糖体中的RNA（rRNA,即ribosome RNA），因为这种RNA在细胞中的含量特别丰富，容易大量得到。这种RNA虽然不为蛋白质编码，但是也含有外显子和内含子，内含子的序列不能出现在最后的rRNA序列中，因此也需要被剪掉。一开始，切赫也认为进行剪接的酶一定是蛋白质，他想先把这个rRNA提纯，然后再逐步把细胞里面的成分加进去，看看哪种成分具有剪接酶的活力。但是无论他如何提纯这个rRNA，剪接反应照样发生，而不需要添加任何成分。最后他发现，这种剪接活动根本不需要蛋白质，是这个rRNA分子自我剪接！这是一个破天荒的发现，原来RNA也有催化能力。由于这个发现，切赫被授予1989年的诺贝尔化学奖。具有催化功能的RNA也被叫做核酶（ribozyme），虽然它不是蛋白质。

核酶的发现使得科学家猜想，核糖体中的RNA是不是也有催化作用。实验结果表明，去除核糖体中的蛋白质只会降低而不能消除核糖体合成蛋白质的活性，但是除去RNA却会使核糖体合成蛋白质的活性完全消失。对核糖体精细结构的分析表明，在合成蛋白质的“反应中心”（实际把氨基酸加到合成中的蛋白质链上的地方）只有RNA分子，而没有蛋白质分子，说明蛋白质的合成是由RNA来催化的。也就是说，似乎无所不能的蛋白质竟然不能催化蛋白质自己的形成！从最初的生命出现到人的出现，其间有几十亿年的时间，蛋白质的合成竟然还是由RNA来催化的，这说明RNA很可能是生命最早的核心分子。科学家们已经发现RNA能够剪接自己和催化蛋白质的合成，下一个关键的实验就是检查RNA是不是也有催化合成自己的能力。

2002年，美国斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的保尔（Natasha Paul）和玖易斯（GeraldJoyce）就用实例证明了这一想法。他们合成了3个RNA分子，分别是A（48个核苷酸单位长）、B（13个核苷酸单位长）和T（A和B连在一起）。在设计这些RNA时，他们考虑到了其他具有催化作用的RNA的结构，同时让T能够以碱基配对的形式同时结合A和B。当把A和B混合在一起时，它们自动相连成为T的速度非常缓慢。而当把产物T加入到试管中时，T形成的速度加快了3亿倍，说明产物T的确能够有效地催化自身的合成（图1-10）。不仅如此，核酶还可以用DNA作为模板，把核苷酸连起来，形成RNA分子，相当于DNA转录成RNA时用的RNA聚合酶。这些结果表明，RNA不仅能够自我剪接，可以催化蛋白质的合成，而且可以催化自己的合成。

RNA分子的这种催化能力来自两个因素：碱基配对所形成的空间结构和能够起催化作用的磷酸基团和羟基。RNA由4种核苷酸（腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸、尿苷酸，分别用字母A、G、C、U代表）线性相连组成（图1-11）。

在图1-11中，四种核苷酸的核糖和磷酸部分都是一样的，是它们所含的碱基[腺嘌呤（adenine）、鸟嘌呤（guanine）、胞嘧啶（cytosine）、和尿嘧啶（uracil）]不同。其中嘧啶含有一个环状结构，而嘌呤是两个环并在一起的结构。这些环上的原子多数为碳原子，但是也含有一个或两个氮原子。由于环内有多个双键（原子之间以两个化学键相连），这些碱基分子的形状都是平面的。环上的碳原子可以形成“羰基”（C=O），其中的氧原子带一些负电。环上的氮原子有的只和环内的碳原子相连，有的还连上一个氢原子。由于氮原子和氧原子在同一主族中，性质相似，氮原子也有吸电子的特性，使得环内的氮原子带一些负电，而与氮原子相连的氢原子带一些正电。此外，腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶的环上还连有氨基（—NH2），其中的氮原子也带一些负电，与其相连的氢原子带一些正电。

碱基的形状和它们上面所带的多个电荷，使得碱基之间可以两两配对。一个碱基羰基上面的氧原子和另一个碱基氨基上的氢原子之间，一个碱基上不带氢原子的氮原子和另一个碱基上与氮原子相连的氢原子之间，就可以通过正负电荷相互吸引，即通过氢键形成碱基配对（base paring）。根据这些碱基的形状和电荷的分布，腺嘌呤（A）只能和尿嘧啶（U）之间形成A-U配对，鸟嘌呤（G）只能和胞嘧啶（C）之间形成G-C配对。其他的配对方式都不可能。例如腺嘌呤和腺嘌呤之间，或者腺嘌呤和胞嘧啶之间，都不可能配对。RNA分子的长链通过分子内碱基之间的这些配对，可以形成各种复杂的空间结构，而这些空间结构是为RNA分子的催化功能所需要的（图1-12）。

有了空间结构，还需要有能够催化化学反应的基团，这就是RNA分子中的磷酸基团和核糖上的那个自由羟基。科学家用X-射线衍射的方法，测定了RNA分子的详细结构，发现与催化过程密切相关的，正是磷酸基团和核糖上第2位的羟基（图1-13）。

从RNA分子的这些特性，我们可以对RNA分子的产生做一些猜想。磷酸分子中，有3个羟基与磷原子相连，它们可以和其他分子上的羟基反应，形成酯键（酸和醇之间形成的化学键）。而糖分子（例如核糖）含有多个羟基，磷酸分子可以通过与两个糖分子上的羟基形成酯键，形成糖-磷酸-糖-磷酸-糖-磷酸这样的长链。从太空环境中形成的有机分子的多样性来看，这样的长链也是可以形成的。如果在糖分子上又连上碱基中的嘌呤和嘧啶，嘌呤和嘧啶之间就有可能形成氢键，使原来的长链形成空间结构，也使连有碱基的磷酸-糖长链具有更好的催化能力。一开始与磷酸相连的糖分子和碱基都各式各样，但是具有优良碱基配对和含有核糖的分子逐渐在竞争中胜出，成为上面介绍的RNA分子。

除了这些特性以外，RNA分子还有一个功能，就是储存信息。RNA是由4种核苷酸组成的，相当于用4个字母写成的序列。这4个字母的不同排列就可以代表不同的信息，好像英文字母的不同排列可以形成不同的词汇一样。这样，RNA就具备了生命核心分子所有的特性：能够催化各种化学反应、能够自我复制、能够储存信息、并且能够把信息传给下一代。在生命形成的早期，会有各种结构的RNA形成，它们在序列、复制自己的能力、稳定性上也会有差别，同时它们又使用同样的结构单位（核苷酸）来建造自己。这样，不同的RNA分子之间就会出现争夺建造原料的竞争，只有那些具有最佳性能的RNA分子能够存活下来，成为形成最初生命的核心分子。这种能够自我维持，并且能够通过竞争来改善自己的化学系统，就是生命的雏形。

随着生命的演化，RNA的催化作用逐渐被蛋白质取代，因为蛋白质是由20种氨基酸组成的，能够形成更为复杂的结构和更为多样的功能，包括催化化学反应的能力（见第二章第三节）。RNA储存信息的功能也逐渐被脱氧核糖核酸（DNA）取代，因为DNA的双螺旋结构更为稳定，更适合作为储存遗传信息的分子（见第二章第五节）。现在，RNA作为生命最初的分子的观点已经被人们广泛接受。