從右旋DNA說起——DNA雙螺旋為什麼大多是右旋?

2020-11-28 騰訊網

作者 | 內含子

如今，即使非生化專業的人對DNA雙螺旋的形象也很熟悉了。不過，很多人並沒有注意到DNA雙螺旋的「手性」，包括我國很多科普媒體的小編，他們用的雙螺旋圖幾乎兩種手性是一半對一半的。

螺旋的手性是什麼呢？通俗地說，就像飲料瓶口的螺紋。你買一瓶飲料或者飲用水，想都不想就會逆時針方向把它擰開。假使瓶口的螺紋方向是隨機的，有時需要逆時針擰開，有時順時針才能擰開，你可能會瘋掉，大罵生產瓶子的是弱智。可是你知道嗎？我看到科普文章或者科技新聞上面左旋DNA的配圖也是這種感覺。

DNA雙螺旋大多是右旋的。這是為什麼呢？

圖1

其實左旋DNA雙螺旋也是有的（圖1-2）。最著名的左旋DNA叫做Z-DNA。顯然，Z-DNA和最常見的右旋DNA（B-DNA）的外觀並不是鏡像對稱的關係。B-DNA很柔和，而Z-DNA很崢嶸。這就產生了一個問題：為什麼DNA雙螺旋大多是右旋的，為什麼左旋DNA和右旋DNA看上去並不是對稱的關係？

圖2

這一步有沒有涉及到關於對稱性的物理規律呢？並沒有。說穿了其實一點都不複雜，因為DNA是一種多聚物，而組成它的小分子本身就是不對稱的。DNA的全名叫脫氧核糖核酸，它是由脫氧核糖核苷酸組成的，而每一個脫氧核糖核苷酸又是由脫氧核糖、鹼基和磷酸組成的。其中，鹼基（嘌呤和嘧啶）是扁平分子，沒有手性；脫氧核糖則都是D-型的；磷原子也是手性原子，不過這裡我們不討論了。單單一個核糖就足夠了。構成DNA的小分子本身是不對稱的，這導致了DNA左旋和右旋的能量狀態是不同的，右旋是更穩定的狀態。

類似地，組成蛋白質的胺基酸都是L-型的（除了甘氨酸），因此蛋白質最常見的alpha-螺旋是右旋的。左旋的alpha-螺旋也有，但它和右手alpha-螺旋也不是對稱的關係。

而且，即使左手螺旋和右手螺旋看上去是對稱的，它們實際上仍然不是對稱的，因為組成它們的小分子本身是不對稱的。就像圖3，雖然兩個字母乍一看是對稱的，但每一個小單位都 是不對稱的。

圖3

那麼，就產生了一個問題：如果我們把生物界的小分子都換成鏡像分子，比如核糖、葡萄糖都換成L-型，胺基酸都換成D-型，能不能造出鏡像生物，他們有左旋的DNA，和左旋的alpha-螺旋蛋白，右旋的核小體……？

原則上是可以的。這實際上是宇稱守恆的問題。迄今人們發現的宇稱不守恆僅限於弱相互作用下的情況，並沒有發現化學發應中有宇稱不守恆的現象。生化反應也是化學反應，理論上在鏡像的世界裡，生化規律應該是不變的。

那麼，有沒有辦法驗證呢？比如造出一個「左旋」生命……

沒辦法。現在別說造出一個鏡像生命，就是造出一個普通的「右旋」生命也辦不到。生命活動的基本單位是細胞，我們至今沒法把一堆生化物質拼成一個細胞，所有的細胞都是之前的細胞分裂出來的。

那麼，退而求其次呢？我們知道病毒和類病毒是介於生命與非生命之間的物質，類病毒連蛋白質都不含，本身就是一個RNA分子。這個倒是可以，我們可以合成一個左旋的類病毒，不過仍然沒辦法驗證它的活性，因為找不到一個左旋的宿主供它們寄生。

如果再退而求其次呢？有些酶不是蛋白質，而是RNA，叫做核酶。最小的核酶就只有十幾個核苷酸組成。我們可以合成左旋的核酶，檢測它們的酶活性，這只是一步生化反應，不涉及一個生命過程。這方面的實驗已經有人做過了，結果左旋的核酶也是有活性的。

可是，基本沒辦法再推進了。

然後，人們還是要問：既然生命世界是宇稱守恆的，為什麼我們現在的生物都是右旋的呢？為什麼不會同時存在左旋和右旋的生命呢？

一般認為這只是一個偶然的結果。生命的起源經歷了漫長的化學進化，可以認為左旋生命與右旋的原始生命產生的機會是均等的，最初甚至可能共存過，維持彼此消長的平衡，可一旦天平傾斜超過某個程度，便再也回不來了，就像螺絲釘的螺紋，最初發明的時候可能兩個方向都有，可後來右旋螺紋成了主流，進而成了行業規範，左旋便沒有市場了（除了一些特殊的場合）。

生化物質幾乎全是生命合成的，自然界本來很少。葡萄糖是光合作用的酶系合成的，磷脂、核糖、胺基酸都是酶催化合成的，酶是基因編碼的，基因記錄在核酸上，核酸又是酶合成的……這樣就形成了一個閉環，不符合這個行業標準的生命就不可能產生了。

-完-

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