本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
研究生物體內代謝的化學家通常將其分為兩種：初級代謝和次級代謝。初級代謝關注基本生物分子（如蛋白質、糖類和脂類）的產生和反應。次級代謝指的是小分子的產生，這些小分子雖然不是必需的，但在各種關鍵功能中仍然很重要。
次級代謝在植物中尤其明顯。由於植物不像動物那樣可以移動，它們進化出了專門的策略來保護自己和繁殖。最成功的策略之一是利用次級代謝來產生種類繁多的小分子，這些小分子幾乎用於每一種可以想象到的功能，從防禦捕食者到與細菌建立共生關係，再到吸引授粉媒介。最重要的次級代謝物是生物鹼和萜烯，這兩種物質幾個世紀以來一直被人類用作藥物、香料、殺蟲劑和食物。生物鹼包括士的寧、嗎啡和咖啡因，萜烯包括薄荷醇、膽固醇和維生素A。抗生素也是次級代謝物。毋庸置疑，這些分子對人類商業和文化的影響是巨大的。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
次級代謝重要的另一個原因是它揭示了人類的關鍵生理過程。例如，人類產生膽固醇的生物合成途徑和酶與真菌產生麥角甾醇的途徑非常相似。參與這些途徑的酶通常會進行壯觀而優雅的舞蹈，其中多個化學鍵以精巧的時機和選擇性形成。跨不同物種比較這些酶的氨基酸序列可以提供有關其進化關係的有價值資訊。這種關係再次肯定了進化在為各種問題尋求共同的解決方案。
在研究次級代謝的進化歷史時，出現的問題之一是其酶是如何從協調初級代謝的酶中分離進化出來的。在最近發表在《科學》(1) 雜誌上的一篇展望文章中，索爾克研究所的一個小組假設基因複製可能在這些蛋白質的進化中發揮了主要作用。這裡的理由來自酶催化的反應型別。酶通常對給定的底物非常特異；事實上，有機化學家會不惜一切代價在他們的實驗室合成中實現這種特異性。但事實證明，次級代謝的酶不如其初級代謝的酶那麼特異；它們可以與許多不同種類的分子結合，並將它們轉化為不同的產物。用令人驚訝地成為科學文獻標準部分的術語來說，這些酶是濫交的。
這種廣泛的特異性是如何產生的？通常，當進化“固定”蛋白質基因中的功能時，很難在不引入有害甚至災難性影響的情況下篡改該功能。使這種冒險實驗成為可能的遺傳工具構成了進化最偉大的發明之一——基因複製。基因複製已被證明是增加基因組資訊含量和實現功能多樣性的有效策略。原理非常簡單。在某個時候，一個基因作為隨機事件經歷複製。此事件釋放了其中一個副本以進行突變，而不會危及原始功能，因為另一個副本未被觸及並繼續進行其業務。透過連續的進化和自然選擇，第二個副本通常最終突變為執行新穎且迄今為止未探索過的功能。現在每一種可能性都存在，即這些變化可能是deleterious的，並會使基因滅絕。但重要的那些是堅持下來的那些。由於進化包含的突變數量龐大，因此總會有一些突變會改善功能；一旦這種情況發生，自然選擇就會接管並保留這些變化。
基因複製的最佳例子之一是血液凝固酶的進化。有十幾種這樣的酶，跨物種比較它們的序列和基因表明，它們一定是從具有適度血液凝固能力的共同祖先開始的。連續的複製事件使該基因增殖成一個完整的凝血酶家族，每個家族都有自己的底物特異性。來自同一摺疊的另一個例子是珠蛋白基因家族的進化，其中血紅蛋白在血液中攜帶氧氣，肌紅蛋白在肌肉中結合氧氣。為一個關鍵系統（如血液凝固或運輸）構建整個蛋白質家族證明了基因複製的力量。
在次級代謝的情況下，作者假設酶一定經歷了複製，然後多樣化。一個典型的場景是，酶催化底物X反應的基因A 經歷複製。新基因現在可以自由地進行調整並經歷突變。其中許多是deleterious的或中性的，但在某個時候，單個突變或它們的組合會產生一個新的基因B，其蛋白質產物現在可以與底物X和Y結合；蛋白質變得濫交。如果Y在生物體的代謝中具有有價值的作用，並且因此對導致基因B的特定突變施加正向壓力，則尤其如此。如果你研究負責次級代謝的酶，你會發現它們中的許多實際上是濫交的，無論是在同一個生物中還是在不同的生物中。一個特別吸引人的例子是一種叫做二氫黃酮醇還原酶（DFR）的蛋白質，根據它所作用的生物，它可以從兩種不同的底物中產生紅色或藍色色素。適用於多個底物的情況也適用於酶促反應的多個最終產物；在一個引人注目的案例中，一種叫做TEAS的酶作用於單一底物，產生一個主要產物和不少於23個次要產物。濫交酶的確切功能將取決於物種、環境因素和進一步的遺傳事件，但基因複製似乎是最合理的通用機制。
然而，正如人類從痛苦的經驗中充分了解到的那樣，濫交是有代價的。在這種情況下，這些酶為其分子不正當關係付出的代價是活性喪失。正如作者所描述的那樣，這些酶與其分子夥伴的結合通常比初級代謝的酶結合得弱 30 倍。這個原理是普遍的；酶通常會犧牲效率來換取特異性。雖然文章沒有說，但我懷疑這種行為是否也會影響酶的靈活性，使它們更鬆散，以便容納更多不同的底物。這幾乎就像對一個底物不忠會影響它們的效能一樣。其中可能有一些教訓。
儘管類比具有暗示性，但這仍然是一個有趣的假設，並且似乎完全符合我們對進化的瞭解。進化已經開發出許多簡單的機制來探索多樣性並增加其宏大的生物化學交響曲中的分子參與者的數量。基因複製一直是zui成功的策略之一。下次您品嚐一杯咖啡、觀察傷口癒合或欣賞藍色或紅色的花朵時，請想想次級代謝，並感謝那些濫交的酶及其重複的基因。
參考文獻
1. 植物化學多樣性的興起，《科學》，2012：1667-1670
2. Jiang and Doolittle，《美國國家科學院院刊》，2003, 100, 7527