DNA和RNA在结构上的区别 rna和dna的区别

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徐剑锋
生命起源问题一直是现代科学界最有争议的科学命题，存在许多猜想和假说。目前，化学进化论（包括RNA世界假说）为多数科学家所接受。该学说认为在原始地球的条件下，无机物可以转变为有机物，有机物可以发展为生物大分子，进而出现一个最简单、最原始的细胞，即原细胞（protocell）。原细胞要有以下三种物质共同构建而成：1.有自我复制能力的多聚物如核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）；2.有简单催化功能的蛋白质（由氨基酸组成）；3.有能形成简单细胞膜的磷脂（lipid）。在现代生物学的中心法则中，DNA 作为遗传物质可以自我复制，也可转录为信使RNA（mRNA），再由RNA翻译成蛋白质。但是生命起源学界却一直认为，生命起源的历史长河（大概四十亿年）中，RNA的出现要远早于DNA 。因为RNA既有DNA的自我复制功能，又具备蛋白质的催化性质，进而推测RNA可能是三者中最古老的分子（RNA世界假说）[1] 。
近年来RNA世界假说不断受到新研究发现的挑战，其中以英国皇家医学理事会分子生物学实验室的John Sutherland 课题组近期的研究发现最为引人注目。该课题组从系统化学(System chemistry)的角度阐述了在原始地球环境下，氢氰酸（HCN）可以合成原细胞所必需的三种物质的单体：核糖核苷酸、氨基酸和构成细胞膜的磷脂 [2]，因此推测RNA、蛋白质和磷脂可以同时存在于生命起源的原始汤中（Primordial Soup）。那么，RNA的分子表亲DNA呢？它是RNA长期进化的衍生物，还是和蛋白、磷脂一样，与RNA共生？这个命题可以从Sutherland实验室最新发表在自然主刊的该篇生命起源的论文得到解答。

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RNA和DNA的化学结构虽然相似，但骨架结构不同（RNA利用核糖骨架，而DNA利用脱氧核糖），其转化在现代生物学中需要复杂的酶 (核糖核酸还原酶) 催化，而酶由蛋白质组成。在没有酶存在的原始地球条件下，DNA是如何由RNA转化而来，最终又如何取代RNA成为遗传物质，这些是RNA世界假说无法解释的问题。在生命起源的研究中，史前合成（Prebiotic chemistry）有别于常规有机合成，要求研究者只能使用有明确地理学证据的、在史前环境下可以形成的有机或无机小分子，反应要模拟原始地球的地质和大气条件，且每一步化学反应的产物不能经过常规人为的分离纯化，这给化学研究人员带来了许多束缚和挑战。
有挑战就有机遇。John Sutherland 课题组近年（2017-2019年）的研究成果[3，4]表明，在同样的地球环境下，DNA和RNA的建筑模块脱氧核糖核苷和核糖核苷很有可能有共同的起源物质——核糖氨基恶唑啉（RAO）（图1）。这个起源物质有其独特的化学性质，容易从2-氨基恶唑和甘油醛的反应产物结晶析出[2，5，6]（此两种原料的史前合成来源请参考文献2，5，6）。沉淀、结晶、蒸发很有可能是仅有的几种史前(非人为)分离纯化方式，这是基于当时地球表面昼夜温差变化和雨水河流冲洗等地理现象的推测。更有意思的是，如果反应原料甘油醛不是消旋体的话，会得到对映体富集（enantioenriched）的RAO产物（也就是通过结晶得到的RAO的ee值要大于原料甘油醛的ee值）。当反应原料甘油醛达到60% 的ee（enantiomeric excess，对映体过量）值时，通过结晶能得到光学纯的RAO[7] 。这样以RAO为起源物质得到的核苷也会是光学纯的化合物，从而为解决生命体系中的手性问题提供了一个可能的方案。