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本文聚焦 RNA 起源，探讨 ds-NAs 结构特征形成原因，提出拉链模型等进行解释。
# RNA 的起源：双链核酸（ds-NAs）的反平行性、螺旋性和右手螺旋性的解释
一、引言
近年来，地球生命起源的研究备受关注，相关成果和理论通过多种途径广泛传播。在众多解释中，排除超自然因素，主要有泛种论和自然发生论（abiogenesis）两种。泛种论认为生命源于外星，借助陨石等携带的前生物材料或微生物来到地球；而自然发生论则有更多研究支持，它主张生命起源于早期地球的小分子有机物和无机磷酸盐，历经漫长的化学演化和自组装过程。
早期研究中，奥帕林的 “蛋白质凝聚体”、凯恩斯 - 史密斯关于黏土的研究，以及 “类蛋白微球”“球粒” 等，都为解释生命起源提供了思路。如今，人工智能也被应用于这一领域。在生命起源过程中，从化学到生物学的转变至关重要。在适宜条件下，小分子有机物逐渐形成复杂分子，进而产生具有自我催化和复制特性的 RNA 分子，“RNA 世界” 假说认为 RNA 在早期地球扮演着关键角色，是遗传信息的载体和化学催化剂。
不过，RNA 世界的形成过程仍存在诸多未解之谜，比如非模板和非酶促 RNA 合成的复杂性，促使科学家提出古代代谢系统来解释生命起源。尽管有机分子可通过太空陨石获得，也能在地球前生物时期合成，但 RNA 世界最初如何形成仍是研究的焦点。本文旨在探讨双链核酸（ds-NAs）为何呈反平行、螺旋结构且具有右手螺旋性，聚焦于单链和双链 RNA（ss - 和 ds-RNA）的起源。
二、RNA 的一般结构
RNA 的结构根据多核苷酸链的数量可分为单链（ss）和双链（ds）两种形式，这与 DNA 类似。值得注意的是，单链核酸是 3’ - 5’ 方向的聚合物，而在双链核酸中，核糖 - 磷酸链的方向却相反，呈反平行排列。
三、RNA 构建模块的起源
“前生物化学” 涵盖了多种形成有机分子的化学过程，其能量来源广泛，包括放电、加热、放射性以及各种辐射等。简单气体在放电条件下可产生多种物质，为前生物汤中的有机化合物起源提供了线索。
四、分子建模
在核酸研究中，物理和计算分子模型常用于分析和展示化学结构及反应，帮助科研人员深入理解核酸的奥秘。
五、核糖的手性
由于碳原子的不对称取代，有机化合物往往具有不同的旋光性。地球上所有生物的构成单元都具有手性，其中 L - 氨基酸和 D - 核糖分别是蛋白质和核酸的构建单元。
六、核苷堆积
氢键连接的碱基对存在两种二重对称性，这取决于 C1’ - N 键的方向，可形成平行或反平行链。早期研究发现，鸟苷和肌苷核苷晶体中的碱基堆积是反向的，而碱基单独堆积时情况有所不同。
七、黏土基质
许多矿物质与前生物化学和生命起源相关，其中硅铝酸盐黏土，如层状硅酸盐，在生物发生过程中起着重要作用。蒙脱石是一种常见的三层黏土，由外部的四面体硅酸盐片和内部的八面体氧化铝组成。
八、磷酸桥接
在双链核酸中，堆积和配对碱基之间的距离为 3.4 ?，而自插层会使同一条链上未配对碱基之间的距离达到 6.8 ?。在黏土基质中，核糖羟基与地热诱导的三磷酸和多磷酸发生磷酸连接，形成自插层多核苷酸。
九、自组装拉链模型
具有反向堆积的自插层多核糖核苷酸结构类似分子拉链，因此被称为拉链模型。这一模型展现了 RNA 分子在特定条件下的自组装过程，其结构在蒙脱土笼的 T 层内呈现出独特的特征。
十、右手螺旋性
在适宜的水温、压力、渗透压、盐度和 pH 条件下，自插层多核糖核苷酸从黏土笼中释放出来，单链 RNA 链解开堆积形成无规卷曲单链。随后，核糖 - 磷酸链通过倾斜 50 - 60° 并改变键角，将碱基间距离从 6.8 ? 缩短至 3.4 ?，从而形成右手螺旋结构。
十一、从堆积核苷到 RNA 双链体
拉链模型基于自组装的 D - 核糖核苷在蒙脱土支架内的主要疏水相互作用，这一过程经历多个阶段。在阶段 D，单链 RNA 链具有较大的自由度，呈现可变的无规卷曲构象。相邻的单链对应着变性 - 复性过程。
十二、原始发夹基序
除了简单的单链和双链 RNA，还可能形成许多具有生物学意义的复杂结构和构象。拉链模型显示，最简单的寡聚单元是具有未配对自由末端的双链 RNA（茎），可通过磷酸桥连接形成茎环结构，即原始发夹基序（Original Hairpin Motif，OHM）。利用合适的 D - 核糖核苷二聚体和匹配序列，两条单链有望形成完全配对的 RNA 双链体。
十三、RNA 的前生物复制
与如今复杂的 DNA 和 RNA 复制转录过程不同，前生物（非酶促）RNA 复制被认为是一个更简单的化学过程。薛定谔和勒温曾提出，从物理角度看，遗传物质可被视为 “非周期性固体”，承载着遗传信息，但当时对其分子机制的了解还十分有限。
十四、碱基四联体和四链体
通过对 DNA 的理论和晶体学研究，科学家们发现了碱基三联体和对称碱基四联体的存在，还对多于四链的结构（多链体）进行了综述。三链螺旋核酸（三链体）也是已知的结构。
十五、RNA 结构与进化
依据 “RNA 世界” 的观点，RNA 的起源意义重大，它涉及催化活性、自我复制、进化潜力的产生，以及最终融入更复杂的前生物和生物体中。原始 OHM 和锤头状 RNA 逐渐进化为更复杂的核酶，tRNA 和 rRNA 也经历了进一步的演化。
十六、结论
- 反平行性：在蒙脱土基质中，嘌呤和嘧啶核苷的反向堆积以及高能多磷酸盐的桥接，可产生两个自插层且反平行的单链 RNA 分子（拉链模型）。
- 螺旋性：从黏土基质释放后，单链 RNA 链分离并形成螺旋状 RNA 双链体。
