前生源磷酸盐在代谢网络起源中的作用
发布时间：2020-10-26 03:22
生命如何起源是自然科学中最重要且最具挑战的问题之一。众所周知,磷是生命不可或缺的元素。基于磷对现代生命的重要性,人们普遍认为磷在生命起源中起到重要作用。然而,最近Goldford等人构建了一个无磷参与的,具有前生源性质的代谢网络,并以此为依据提出一个全新的观点:原始新陈代谢可以在没有磷的情况下起源。该观点促使本研究重新审视磷酸盐在代谢起源中的作用。本研究在前期研究的基础上,将全面探讨磷酸盐在代谢网络起源中的作用,深化对生命起源的认识。1.原始代谢网络的构建本研究从最新的KEGG代谢反应数据出发,采用代谢网络扩张模拟方法,构建了不含磷酸盐的代谢网络,并通过与Goldford等构建的无磷代谢网络进行比较,证明了数据以及方法的可靠性。基于上述数据与方法,本课题以多种前生源磷酸盐作为种子,构建含有前生源磷酸盐的原始代谢网络。通过分析磷酸盐在代谢网络起源中的作用,发现磷依赖代谢网络对不同前生源磷酸盐具有鲁棒性。2.磷依赖代谢网络原始特征分析本研究采用生物信息学和化学信息学方法,从以下三个方面验证磷依赖代谢网络是否具有前生源代谢网络的性质。第一,依据生物共同祖先(Last Universal Common Ancestors,LUCA),所使用的酶的功能和结构特征,分析发现磷依赖网络包含了原始生命LUCA的部分代谢反应;第二,使用本实验室建立的基于蛋白质结构的分子钟推测,发现磷依赖网络和无磷网络起源于同一时期;第三,通过分析磷依赖代谢网络代谢化合物的化学性质,发现磷依赖代谢网络代谢中的代谢物较现代代谢物更易溶于水、极性更好、分子质量更小,符合早起源代谢物分子特性。结合以上分析,认为磷依赖代谢网络具有前生源代谢网络的性质。3.磷对原始物质代谢的作用通过KEGG代谢途径的富集分析,本课题对磷在原始代谢网络中的作用进行了深入探究,并发现磷促进了多种碳代谢途径以及碳水化合物代谢。这些代谢途径对于维持生命的能量代谢以及RNA世界的产生极为重要。此外,磷的存在还促进了复杂代谢物的产生及代谢网络中代谢物多样性的增加。4.磷对代谢网络扩张的热力学影响本研究利用热力学约束的网络扩张模拟算法对前生源磷酸盐对代谢网络的热力学影响进行了研究。通常认为,糖酵解途径可能是原始生命重要能量来源,因此本研究以糖酵解途径中的高能磷酸化中间产物甘油醛-3磷酸盐、甘油酸2-磷酸盐、甘油酸3-磷酸盐、葡萄糖6-磷酸盐、果糖6-磷酸盐、果糖1,6-二磷酸盐和磷酸烯醇丙酮酸等为例进行模拟。结果显示这些产物均可以有效的降低热力学瓶颈从而促进代谢网络的扩张。综上所述,本研究通过采用前生源磷酸盐进行了原始代谢网络扩张的模拟,结果显示依赖磷的代谢反应在生命起源的早期阶段就已经出现,磷酸盐在物质和能量代谢层面均具有促进代谢网络扩张的巨大潜力,初步证明了磷酸盐在代谢网络的起源中的重要贡献。本研究所得结果将深化对生命起源的认识,具有重要的基础科学意义。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q493
【部分图文】：
华中农业大学 2019 届博士研究生学位（毕业）论文环境中，中间产物产生的速率以及磷酸化中间产物的稳定性都得到了提高。Ralser 等认为拟海洋环境的这种催化能力是由其含有的高浓度金属离子导致的，且这些反应的发生顺序可能受到原始海洋还原性环境中丰富的二价铁离子的约束（Keller et al 2014）。因此，即使矿物无法起到催化或是保证反应有序发生的作用，原始海洋中的金属环境也可以促进新陈代谢的起源。
程（Yamagata et al 1991）。反应在如图 1.2 的装置中进行，首先通过将玄武岩、磷酸钙和磷矿岩的混合粉末加热至融化模拟火山的岩浆环境。然后在管道的一端加入水来模拟火山气体（主要是水蒸气）传输挥发性气体的过程，管道的另一端收集实验产生的气体经冷凝器（2℃）冷凝后的样品。分析样品成分发现该实验产生了可溶于水的多聚磷酸盐。通常认为原始大气由地球内部经高温加热形成的各种挥发气体组成，Yamagata 通过该实验验证了早期地球频繁的火山活动可以为原始大气提供大量磷酸盐的可能性。
图 1.3 不同代谢物对生态系统层面代谢网络规模的影响（Raymond and Segrè 2006）每个点代表了两个连续生成的网络。点的横坐标值表示的是第一个的网路的大小，该网络由一组随机选择谢物产生；点的纵坐标值表示的是第二个网络，该网络的种子集在第一个网络的种子集的基础上添加了图的 9 种代谢物之一。点的颜色代表了添加的不同的种子代谢物。根据网络的大小可以分成 I、II、III、IV 四网络，只有引入 O2作为种子代谢物的网络能够转变为 IV 组（虚线），即规模最大的一组代谢网络。igure 1.3 The Effect of Various Metabolites on the Network Scale of Ecosystem-Level MetaboNetworks（Raymond and Segrè 2006）h point represents two consecutively generated networks. The the abscissa value is the size of the first network, wherated from a randomly chosen seed set of metabolites; and the ordinate value is the size of the second network, wherated from that same seed set amended with the addition of one of the nine metabolites shown in the legend. The cots represents different metabolite which is added in the seed set to generate the second network. All networks cded into four different groups of I, II, III and IV, according to the size of the network. Only networks that introducesed metabolite are able to transition into group IV (dashed line), which is the group of largest metabolic networks.2017 年，Goldford 等人通过该模型探寻了代谢网络的起源。他们从一些简单的化学分子出发（不含含磷化合物）构建了一个拟原始代谢网络。为了模拟原始地
本文编号：2856412
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q493
【部分图文】：
华中农业大学 2019 届博士研究生学位（毕业）论文环境中，中间产物产生的速率以及磷酸化中间产物的稳定性都得到了提高。Ralser 等认为拟海洋环境的这种催化能力是由其含有的高浓度金属离子导致的，且这些反应的发生顺序可能受到原始海洋还原性环境中丰富的二价铁离子的约束（Keller et al 2014）。因此，即使矿物无法起到催化或是保证反应有序发生的作用，原始海洋中的金属环境也可以促进新陈代谢的起源。
程（Yamagata et al 1991）。反应在如图 1.2 的装置中进行，首先通过将玄武岩、磷酸钙和磷矿岩的混合粉末加热至融化模拟火山的岩浆环境。然后在管道的一端加入水来模拟火山气体（主要是水蒸气）传输挥发性气体的过程，管道的另一端收集实验产生的气体经冷凝器（2℃）冷凝后的样品。分析样品成分发现该实验产生了可溶于水的多聚磷酸盐。通常认为原始大气由地球内部经高温加热形成的各种挥发气体组成，Yamagata 通过该实验验证了早期地球频繁的火山活动可以为原始大气提供大量磷酸盐的可能性。
图 1.3 不同代谢物对生态系统层面代谢网络规模的影响（Raymond and Segrè 2006）每个点代表了两个连续生成的网络。点的横坐标值表示的是第一个的网路的大小，该网络由一组随机选择谢物产生；点的纵坐标值表示的是第二个网络，该网络的种子集在第一个网络的种子集的基础上添加了图的 9 种代谢物之一。点的颜色代表了添加的不同的种子代谢物。根据网络的大小可以分成 I、II、III、IV 四网络，只有引入 O2作为种子代谢物的网络能够转变为 IV 组（虚线），即规模最大的一组代谢网络。igure 1.3 The Effect of Various Metabolites on the Network Scale of Ecosystem-Level MetaboNetworks（Raymond and Segrè 2006）h point represents two consecutively generated networks. The the abscissa value is the size of the first network, wherated from a randomly chosen seed set of metabolites; and the ordinate value is the size of the second network, wherated from that same seed set amended with the addition of one of the nine metabolites shown in the legend. The cots represents different metabolite which is added in the seed set to generate the second network. All networks cded into four different groups of I, II, III and IV, according to the size of the network. Only networks that introducesed metabolite are able to transition into group IV (dashed line), which is the group of largest metabolic networks.2017 年，Goldford 等人通过该模型探寻了代谢网络的起源。他们从一些简单的化学分子出发（不含含磷化合物）构建了一个拟原始代谢网络。为了模拟原始地
本文编号：2856412
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