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第15章 生命化学故事(2)

在这里,另一个疑问也可以迎刃而解了。像人类这样复杂生命,各种生命结构和生命现象都有对应的蛋白质来体现;这些种类繁多的蛋白质,正是地球上生命种类繁多的物质基础。正是由于每种蛋白质都是由20种常见氨基酸等结构基元按照不同的排列方式组合而成,蛋白质的可能种类便是数目庞大,足以体现生命过程的复杂性与多样性了。

由于生命过程中体内环境的特殊性,人类对于蛋白质存活的生物体内环境中所表现的特殊性质研究尚处于开始阶段。在体外,我们对蛋白质的性质有了初步的了解。

首先,由于氨基与羧基的存在,蛋白质具有一定的酸碱性质,而且氨基酸与氨基酸的化学结合在一定的环境中可以被打断,从而蛋白质能够发生水解反应,被断裂成许多小段甚至是单个的氨基酸分子。这一性质在食物的消化过程中是极为明显的。我们吃进去的蛋白质,在胃、小肠等不同的部位,能够在相应消化液中特殊化学物质的作用下发生断裂,最终经过消化水解而全部形成氨基酸,这样才可以被小肠壁吸收,成为实际上进入人体循环系统的营养成分。除了这些性质之外,我们还知道透明的黏稠的鸡蛋清加热煮熟后会形成白色凝固的蛋白。这个过程,实际上是常温下毫无规律地团在一起的肽链在加热过程中,分子结构变得松散,一条条长链相互交织在一起,从而形成了紧密的网,也就是我们看到的凝固的蛋白了。这种凝结过程,也是蛋白质的一种重要性质,我们称为变性。不仅是加热可以使蛋白质发生变性凝结,紫外线照射、高压、有机试剂、过酸过碱都容易引起蛋白质变性,使它的结构发生变化。生物活性丧失,一些物理化学性质也会发生相应的变化。利用这个变性性质,我们可以用加热或某些消毒剂的方法来使病菌的蛋白质发生变性,从而使它们失去对人或动物的危害活性。另外,煮熟的食物容易消化,也是因为分子结构在变性后变得松散,容易被消化液水解消化。

当然,蛋白质在生活着的细胞里的性质,将会与在外界环境中的蛋白质有巨大的差异。尤其是蛋白质的复杂的重要的生理功能是与它的细微立体构象密切关系的,而这种构像一般只有在细胞的生活环境中保持得最好。因而,现在的科学家对蛋白质的生理功能的研究,往往在生命环境或模拟生命环境中进行,从而得到了更加科学的结果。我们期待着有一天,蛋白质这种生物活性的高分子的一切生理性质都能展现在我们面前,那时,生命的奥秘将不再是那么神秘,因为我们可以说:我们已经完全了解了生命存在的基石!

让我们再来回顾一下蛋白质在我们人类体内的旅行吧,在我们每天摄取的食物之中,有许许多多的植物蛋白或动物蛋白(这是由植物或动物利用它们各自吸收的营养成分合成的)。经过我们消化系统时,在胃里的消化液——胃液中的蛋白水解酸的作用下分解成一些肽链片段,然后进入肠道;小肠里的胰蛋白酶、肠肽酶再进一步将它们水解,就分解成了单个的各种常见的氨基酸。只有这些小分子的氨基酸才可以被小肠的壁吸收,从而真正进入人体的循环系统。血液将这些营养成分运送到需要它们的地方,我们的组织细胞再将这些氨基酸原料合成为我们需要的具有各种复杂生理功能的新的蛋白质。而我们体内原有的蛋白质就被分解了,变成别的物质,比如变成尿素尿酸排出体外,同时也为我们的生命活动提供了一部分能量,这样,我们体内的蛋白质就完成了新旧交替,也就是它自身的新陈代谢过程。

蛋白质的新陈代谢也就是生命的发生、发展、成熟和衰老,直到消亡的过程。生长阶段里的生命,摄入体内的营养成分形成的新的蛋白质远多于身体消耗分解的旧的蛋白质,所以我们的身体才能长大,生命力才能更加旺盛,生命活动也就更加强烈。成熟阶段,生命摄入的蛋白质与消耗的蛋白质总量大致平衡,生命也就得以保持旺盛。当摄入体内的蛋白质少于消耗量时,我们的生命也就进入了衰老甚至消亡的过程。这也正是印证了恩格斯的光辉论断:

“生命,是蛋白体的存在方式,这种存在方式的本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新!”

破译生命的密码

生命的过程,是一个由萌芽、发展、成熟走向衰老和死亡的新陈代谢的过程。个体的生命,在宇宙的历史上只是极其短暂的一瞬间,不过,正是由这无数的一瞬间相互接力,才有了物种的生命的延续,以及生命的完善与进化。

生物体在它短暂的一生中,都承担着繁殖下一代,使种族的生命得以不断延续的义务。在新生命的萌芽与发育过程中,我们知道,遗传物质DNA分子起了信息载体的重要作用。“种瓜得瓜,种豆得豆”,这便是因为上一代的“父”与“母”在发育成熟之后,将自身的DNA分子复制了一模一样的另一份DNA分子来传给子代。复制时,DNA分子的双螺旋结构解开,碱基对分开,形成两条分开的模板链。然后,根据A与T、G与C配对的原则,利用细胞中的合成核酸的碱基等原料,与模板链一一配对,逐个连接,最后形成了新的子代DNA分子双链。新的DNA分子中,各有一条链是来自父代的旧链,而另一条是互补的新链,这样子代DAN分子上的碱基序列与父代的DNA分子的碱基序列完全相同,生命的信息便在这DNA分子的复制与遗传中得到了继承和发展。

DNA是遗传的,然而,对于生命活动具有重要的功能的蛋白质却无法直接由父代传给子代。生命的性状要求蛋白质来体现,父代的生物性状是怎样通过DNA的遗传来达到下一代的蛋白质呢?原来,父代的生物性状是由自己的DNA的碱基序列来决定的,这些信息通过DNA分子的自我复制与遗传让子代继承了下来。然后,子代的蕴含有生命蓝图的DNA分子,就根据自身的碱基序列,通过细胞质中RNA的中间传递作用,由细胞的蛋白质生产工厂——核糖体生产出各种各样的蛋白质,例如各种组织蛋白、纤维蛋白、蛋白激素、蛋白抗体、酶蛋白,以及血红蛋白等等。由不同物种的DNA碱基序列决定的自然界各种有机体的蛋白质,种类成千上万,各自表达着自己独立的物种的个性特征。这个由父代DNA直到子代的生物性状的过程,可以表示如下:

复制DNA转录mRNA(信使RNA)转运RNA(tRNA)蛋白质表达生物性状子代细胞核中DNA分子上的遗传信息,便是由可以穿过核膜的信息使RNA传递到细胞质中的。它进入核后,将DNA分子上的关于如何合成蛋白质的指令转录下来,然后穿过核膜,来到细胞质中的核糖体这个蛋白质工厂中,传递着遗传信息。mRNA在这里决定着参与合成蛋白质的氨基酸种类,数量以及各种氨基酸的排列顺序等,细胞质核糖体在合成蛋白质时,都是根据mRNA中传递来的这些信息,由转运RNA运来合适的氨基酸,再相互结合而成为蛋白质的。这个过程,由DNA的碱基顺序变为蛋白质的氨基酸顺序,因而称为“翻译”过程。

翻译?把DNA的碱基顺序“翻译”为蛋白质的氨基酸顺序?这中间是怎样一种必然的联系呢?

我们知道,在世界上的不同地区生活的人们,他们有着不同的信息记录方式,有着不同的语言。如果要相互交流信息,就需要在两种语言之间建立某种双方共同认可的联系,然后,根据这种联系来对两种语言进行相互的翻译。像我们学习的英语,要与汉语进行翻译时,我们就要在由不同字母拼写成的英语单词与由不同汉字组成的中文词语之间,先有一个约定俗成的联系,如“English”对应着“英语”,“Chinese”对应着“汉语”等。同样,如果我们有急事需要告诉远方的亲友时,我们会去邮局发电报(或打电话过去)。我们写好电文交给报务员,报务员则根据电报密码与电文中的汉字的关系进行编码,再用发报机快速地传给对方邮局。对方邮局收到电报后,又根据密码表将电报码翻译为汉字电文,这样我们的亲友就可以看明白我们所讲的事情了。

事实上,在自然界里,DNA分子中的碱基排列顺序也是一份密码。英语里,单词由26个英文字母的若干个排列而成,单词又对应着一定的中文意义;在电报码里,每一组电报码由短、长的电报信号按一定的方式排列而成,电报码与汉字之间也有相互对应的关系。而在DNA分子中,我们知道有4种不同的碱基对,它们排列成一定的形式,也对应着某种固定的氨基酸;DNA分子中某一个有效的碱基排列片段——即一般说的基因片段,则对应着由若干氨基酸组成的特定蛋白质,这一种对应关系,也就是生命的密码了。

人们经过长期的研究,逐渐积累了无数的经验性结论,终于,到了20世纪的60年代中期,生命的全部遗传密码被成功地破译了,并且编制出了遗传密码表。

当DNA上的遗传信息转录到mRNA分子上时,A、T、G、C四种碱基的排列顺序就相应地变成了对应的U、A、C、G四种碱基排列顺序,mRNA分子中碱基所组成的密码就称为遗传密码,与英语单词长短不定不同,遗传密码固定由3个碱基构成一个密码单位,对应一种氨基酸,因而称为三联体密码。4种碱基任取3个来组成密码,可能的排列方式有64种,因此,20种常见的氨基酸中每一种常常不止对应一种三联体密码,有“一词多义”的现象。例如,DNA基因上的AAT和AAC两个片段转录到mRNA上后,变成了UUA和UUG,实际上这都是亮氨酸这个氨基酸的密码。

这样,遗传密码便使DNA上的遗传信息具体表达到了氨基酸顺序上,后代的生物性状便由这些在DNA控制下合成的蛋白质表达了出来。不过值得注意的是,虽然生物界的遗传信息都是以核酸上的碱基顺序来体现,各种生物体的遗传密码也完全相同,但这些,仅仅是遗传信息在表达过程中的形式上的一致。生物界的各个物种,生物特性各有千秋,遗传信息的内容千差万别,虽然都是由生物界的通用语言和通用密码方式来表达,但表达出来的内容却各有奇妙之处,因而才构成了生物世界的丰富多彩。

小屋与燃料库

生命的发展过程是一个从简单到复杂的漫长的过程,从非细胞结构的病毒到原核细胞生物,生命便开始寄托在一个相对封闭的内环境中;由原核细胞到真核细胞,再由单细胞生物到多细胞生物,生命现象逐渐变得加倍的复杂,不过,这些复杂是由众多的生命体的基本结构单位——细胞来共同协同作用的结果,每一个细胞的生命活动,都可以在一定的角度上去反映整个的生命。

让我们来看一看细胞的结构吧。它的中心是细胞核,里面存放的是含有DNA分子的染色体,因而是细胞的司令部和信息中心,是细胞结构的核心部分,难怪它包着一层核膜,挂上“闲人免进”的牌子,将细胞里的别的好些物质都婉拒于门外。细胞核外的细胞质,这是一个原生质实体,内中漂浮着核糖体、内质网、中心体、线粒体等细胞器,这些细胞器各是细胞里的一个职能车间,各司其职,像核糖体是负责蛋白质制造的车间,而线粒体则是动力车间等等。细胞的生命活动便主要在细胞质和细胞器里进行:合成和分解某些特定的物质,氧化分解营养成分并提供细胞生命活动所需要的能量;还有重要的一项,与外界进行物质交换,运进营养成分,运出生活垃圾和合成的供给身体其他部分的产品,这项功能便是细胞与外界的交流。由于细胞质是由细胞膜包裹着的,它便使细胞形成了一间相对独立相对封闭的小屋,里面的物质就再也不能随便开小差溜号,外面的东西,也就不能轻易冒犯这间屋子的主人。细胞膜使细胞这间小屋对物质的交流有了主动的选择性,谁进谁出都不再是随意的、自发的,而是听从命令的、自觉的,因而,这垛墙围成的小屋,使细胞内环境有了相对的稳定性,从而保证了生命活动稳定,有条不紊地进行。

正是由于细胞的奇妙的封闭结构和它与外界所进行的特殊的物质交换过程,使科学家们对这间小屋的建筑结构产生了浓厚的兴趣:细胞膜究竟是由什么物质构成的呢?它的奇特的功能来自于什么样的一种奇妙的结构?经过多年的努力,科学家们终于发现这原来是由磷脂这种物质引起来的。

磷脂,其实是一类范围很广的物质——脂类中的一种。它与其他脂类在化学组成和化学结构上有很大的差异,不过,它也具有脂类物质的共同特征:不溶于水,易溶解于乙酶、苯、氯仿等非极性溶剂中,可以被这些溶剂从细胞和组织中萃取分离出来,正是由于科学家们发现细胞在这些溶剂中失去了小屋的建筑结构而破裂,他们才得以发现小屋的建筑材料就是磷脂。

作为细胞膜这些生物膜的磷脂主要是甘油磷脂,它的化学结构和主干是具有三个羟基的甘油,甘油骨架上端连着一个磷酸,磷酸再与别的极性物质相连,从而构成了磷脂的极性头部;甘油的另外两个羟基则与有着长长的非极性碳链的脂肪酸相连,组成了磷脂的两条非极性的尾巴。这个结构可以表示如下:OCOCH3CHOOCCH2OPOOXO

甘油磷脂的极性头部与非极性尾部这种奇特的结构,正好决定了由它所组成的生物膜的奇特功能。

在细胞膜的细微结构中,科学家们发现细胞膜是由两层磷脂构成的。无数的磷脂分子,头挨着头,尾并着尾,紧密贴合,排列成致密的磷脂层,然后,在一层磷脂层的倒立的非极性尾部上面,再重上一层正立的磷脂层,这就构成了磷脂双层膜。不过,由于这两层都是非极性的尾部与尾部相贴在夹层中间,所以从膜的两面看,都只是磷脂的极性头部。这样的磷脂双层膜,很致密,有弹性和流动性,保证了细胞的内部成分和细胞形态的稳定性,使细胞的内涵物与外环境分开,具有了恒定的、动态的内环境,从而使整个细胞活动有条不紊,协调一致地进行。

不过,要有物质交换的功能,只有这么一层磷脂双层膜是不够的,于是细胞在磷脂膜构成的小屋的墙上装上了门和窗——载体蛋白质,它们为物质进出细胞膜提供了通道,于是细胞这间小屋的建筑框架,从结构上到功能上都已经全了。

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