生命元素Zn在生命体内的发展与演化

《生命元素Zn在生命体内的发展与演化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生命元素Zn在生命体内的发展与演化（4页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、生命元素 Zn 在生命体内的发展与演化摘要：简单介绍了生命元素的组成以及Zn的重要作用，讨论了生命元素Zn的发展及其在生 物体内的演化的有关假设。关键词：生命元素，锌，发展和演化1生命元素的组成生命元素，顾名思义，就是构成生物的组成部分，维持生物正常功能(生长、发育、繁殖)所 必需的化学元素。而以人体为例，可以将人体中60多种生命元素主要分为以下四类：一.必须的宏量元素：O,C,H,N,Ca, P K, S, Na, Cl, Mg； 二.必须的微量元素： Fe,Zn,Cu,Cr,Co,l,Se,Mo；三。可能必须的微量元素：Mn,Si,Ni,B,V；四.具有潜在毒性，但在低 剂量时，对人体可能

2、具有功能的微量元素：F,Pb,Cd,Hg,As,AI,Li,Sn；五.非必需和未确定的元 素： Rb,Sb,Bi,Ga,ln,Tl,Te。表 1 人体内微量生命元素的均值(%)元素24CrMn2526Fe27CO29CUZn30含量8.60X 10-61.00X 10-45.70X 10-34.30X 10-61.40X 10-43.30X 10-3以上的分类不仅是对人体，而且对所有的生物体来说几乎是相同的，当然在具体的组成 元素上还是有着一定的差别，例如植物与动物之间，水生动物和陆生动物之间等等。微量元 素在生命体内起着非常重要的作用，表1 中给出了微量元素在人体内的均值，我们可以看到 微量

3、元素锌在人体内占有较大的比例，起着至关重要的作用。本文主要在讨论生命元素Zn的有关发展演化过程。2. 生命体中锌元素的重要作用锌元素与生命体的很多生命活动都有着密切的联系，并在其中发挥着许多关键作用，主 要体现在生命遗传和酶两个方面：(1) 锌元素在遗传方面的作用主要是通过锌指蛋白来实现的。锌指蛋白是一类具有手指状结 构域 为C2H2型、C4型和C6型。锌指通过与靶分子DNA、RNA、DNARNA的序列特 异性结合，以及与自身或其他锌指蛋白的结合，在转录和翻译水平上调控基因的表达。(2) 锌元素与酶的构成有密切关系，它决定并影响着80种以上酶的活性，如碳酸酐酶和羧肽 酶起催化作用，天冬氨酸转氨

4、甲酰酶起结构作用，亮氨酸氨基肽酶起活性调节作用等。3. 生命元素 Zn 的发展演化过程生物中的重要功能，使我们不由地去探索它在生物的发展演化过程中起着怎样的作用， 科学家们也因此提出了许多假设。无生源说是一个很重要的假说。基于无生源说，我们对生 命起源提出的更深层次的条件生物能的、物理的、地质的条件。其中Armen YMulkidjanian*1,2 and Michael Y Galperin*3 提出的几种假设受到了科学界的广泛关注。基于“无生源说”，Armen Y Mulkidjanian提出了生命进化的一种可能情况即“锌元素 的世界”：地球上生命的出现，是受到丰富的太阳紫外线的辐射驱动

5、的，是在以硫化锌及与 其类似的有光合活性的多孔沉淀形的建筑基础上形成的，这类类似的多孔型沉淀在现代的深 海热液喷口也有发现。在原始年代，大气的主要成分是二氧化碳，这使得大气压力很高，在 这种原始的高压下，硫化锌表面附近的二氧化碳受到太阳辐射就可以在硫化锌的催化下进行 固定，从而在地表形成沉淀。具体一点说，生命（有生命的有机物）只在有能量流动的情况下才能够存在。生命对能 量的持续性提出了很高的要求，由此，我们需要高度关注地球生命进化过程中在各种地质时 期都保持持续不变的能量流。而又由于原始地球的大气层以二氧化碳为主，因此，生命早期 的时候，能量的主要去向是进行二氧化碳的固定，从而形成各种生命所需

6、的有机物。目前， 科学研究发现，生物固定的二氧化碳所需的能量主要有两个来源：（1）地球表面太阳光照 射下，生命体内发生光合作用，利用 UV 的能量将二氧化碳转化为有机物；（2）海洋环境中， 海洋热液和其它含氧水域的氧化还原电位不同，利用它们之间的电位差可以进行二氧化碳的 固定，生成有机物。因此，一些学者认为，太阳辐射是自然发生说的驱动力。还有些学者推 测，是海底火山口或者深海铁矿表面的氧化还原失衡催发了第一个生物的诞生。但原始生命 和现代海底生物群是不可能直接模拟的，我们只能根据各种实际勘测的结果进行合理的推测。 海底火山温泉和海底溶解氧之间的氧化还原电位差只是在20 亿年前（海底溶解氧由于蓝

7、藻 的光合作用达到饱和状态）跨度很大（大于leV），可以开发利用的；到了现代，这个电位 差已明显减小，不可再用。而且原始大气层中氧气匮乏，臭氧匮乏（故UV可以直接到达地 表），二氧化碳颇多，按照现代大气的比例，光催化的化学合成似乎更为合理。这也就佐证 了前面的假设一一太阳光UV的辐射驱动了生命的产生。光合作用合成有机物，为什么是在ZnS表面进行呢？ Armen Y Mulkidjanian提出了猜 测，ZnS对于光合作用有良好的促进作用，表现在三个方面（1）作为催化剂，催化C02的 固定，进而形成生物大分子，促进生命的起源和发展；（2）作为简单小分子合成生物高聚 物的反应模板，提供反应场所；（

8、3） ZnS是多孔型结构，可以吸收过量的UV辐射，防止生 物大分子的光解，为生命的起源保留最初的原料。在此，我们了解到，地球上生命的起源依赖于太阳辐射下多孔型ZnS催化的光合作用， 光合作用合成了生物大分子，然后就有了生命。那么生命又是如何演化至今的呢？ Zn 在其 中又起着什么关键作用呢？我们猜想，生命演化过程中，Zn对于生命的遗传（RNA和DNA） 和发展演化都会起到重要作用。在生命出现的早期，生命为自我复制体系，就可以推测最早出现的生物大分子应既可以 作为具有遗传载体信息的载体，又可以作为具有催化活性的酶， DNA 仅具有信息载体功能， 而无酶活性，RNA既有载体功能又有酶的催化功能。因

9、此推测RNA进化上比DNA靠前。而在 现代生物中锌对 RNA 的转录，翻译都有着重要作用，会使我们联想到，在远古时代，锌对 RNA的产生与生命的起源是否有一定的联系。由此Armen Y Mulkidjanian*1,2 and Michael YGalperin*3推测，RNA在产生过程中，锌对形成RNA的结构有着重要作用。锌在从蛋白质 数据库和核酸数据库中，锌与RNA结合形式有着高达64种不同的结构，这是高于其他过渡 金属的。并且推测锌在RNA分子中可能是起着催化作用，据我们所知，具有催化活性的RNA 分子目前所了解到的仅有核酶，而 RNA 分子周围有不同的阳离子，它们可以稳定带有负电 荷的

10、磷酸基团的骨架，于是对于RNA分子，与它结合的金属特异性大大降低。的确，有关核 酶的催化相关的金属离子通常很难确定。但是在大多数情况下，核酶的催化活性可以通过加 入二价阳离子而恢复，如Mg2 +，Zn2 +，Mn2 +，Cd2 +，Pb2 +。然而，在某些情况下，只 有特定的阳离子，如锌+或Mn2,才能够核酶恢复活性。因此，早期生命进化过程中，RNA 分子中富含锌离子似乎是合理的。此时，如果以同样的逻辑去推测锌在古代蛋白质中所留下的痕迹，并结合前面所述，硫 化锌能促进光合作用的产生，并释放锌离子。相对于RNA,锌离子与蛋白质的结合更容易， 而且近来的研究也已经有锌离子介导的折叠蛋白质被发现，由

11、此，他们又提出了另一个假设： 锌离子与古老的进化时期蛋白质的折叠有关。并通过研究超折叠家族在所有的古菌，细菌和 真核生物所占比例及各种金属的比例给出了古老蛋白质进化折叠过程中富含锌离子可能性。 又由最近的研究发现，在蛋白质或有机辅因子缺乏的情况下，核酶，特别是人工的，能 催化不同类型的化学键分解与形成，并且通过酸碱催化促进基团转移反应。而由现代生物体 锌对基因的调控起着一定的催化作用，我们可以料想是不是地球上出现的第一个酶也有类似 的催化作用，那第一个酶中有没有可能含有锌离子，锌离子又有着什么作用；由此，他们提 出了另一个假设：锌离子能够促进古老进化中的酶对化学键的断裂与合成。Zerklean

12、d co-workers最近分析了生物地球化学的特征，尝试重建在进化过程中，酶中金属含量的变 化，他们的重建显示了在非常早期的生活中，有37%的金属酶是依靠锌的，虽然在现代生物 中，比例降到了 19%。这些数据说明，假定的进化过程，主要依靠含锌酶的催化作用是可能 的。而在检测锌是否对化学键的断裂与形成及基因转移反应有作用时，需要了解关于金属作 为作为催化剂，而不是作为结构元素的信息。研究者调查了 Metal-MACiE数据，从表2,铁， 铜和钼的催化活跃在氧化还原酶（催化电子转移反应），而Zn2 +的离子是主要的金属辅因 子水解酶（在一个水分子的参与下催化断裂化学键）和裂解酶（通过非水解和氧化

13、的方法催 化各种化学键断裂）。这也一定程度上验证了假设的准确性。表2各种酶的催化活性对金属的依赖性酶的种类ZnMnFe3+Fe2+CuCoNiMo氧化还原酶类113366117转移酶类15水解酶类174111裂解酶类62111异构酶类25一连接酶类通过上面的讨论，我们在一定程度上验证了“锌世界”的假设，这一假说，可以解释一 些目前为止仍然没有得到合理化解释的现象，它最关键的假设是第一种生命形式诞生于光合 作用，以及锌在生命的产生（光合作用中二氧化碳的固定）和发展演化过程（遗传信息的表 达及参与酶合成和作用）中的重要推动作用。但是这只是我们对于锌与地球上生命起源发展 的猜想，还有做很多进一步的工

14、作去探索锌的发展，生命的发展。参考文献1 Armen Y Mulkidjanian1,2 On the origin of life in the Zinc world: 1. Photosynthesizing, porous edificesbuilt of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth Biology Direct 2009.8.24 10.1186/1745-6150-4-262 Armen Y Mulkidjanian*i,2 and Michael Y Galperin*3：

15、 On the origin of life in the Zinc world. 2.Validation of the hypothesis on the photosynthesizing zinc sulfide edifices as cradles of life onEarth Biology Direct 2009.8.24 10.1186/1745-6150-4-273 Zerkle AL, House CH, Brantley SL: Biogeochemical signatures through time as inferred fromwhole microbial genomes. American Journal of Science005, 305（6 8）:467-502.4朱万森 生命中的化学元素复旦大学化学系，2008年8月15-27王学琳，孙淑萍生命元素与微量元素，微量元素与健康研究，2000, vol.17, No.3钟强，赵书红锌指蛋白核酸酶的作用原理及其应用遗传2011年第2期（33）7钟晓东，吴育平等微量元素平衡失调危害人体健康广东微量元素科学2013年20卷（4）