在我们的细胞里，有成千上万种分子。神奇的是，在这个分子的汪洋大海中，分子之间却能够彼此识别，从成千上万种分子中准确地找到与自己有关的分子，并与之特异地结合，完成各种化学反应，使生命成为可能。可是细胞里既没有“交通警察”，分子也没有“眼睛”。那分子是通过什么方式“识别”对方的呢？
两个不同的分子的完美结合，需要有两个条件。一个是接触面的形状要高度配合。你凸出来的地方，我就要凹进去；你凹进去的地方，我就要凸出来。这就像碎成两半的卵石，断面是凸凹不平的，但是能够彼此完美地对上。由于不同石头断裂时的断面彼此不同，这块石头的断面就无法和另一块石头的断面对上。这就保证了分子结合的特异性。形状不合的就结合不到一起。中国古代调兵用的虎符，应用的就是这个原理。虎符外形是一只老虎，纵向分为两片。在外的将领手里有一片，皇帝手里有另外一片。皇帝要调兵，就派人把这半片虎符带去。只有两个半片能完美对上，才说明来人是真的带着皇帝的旨意来的。调兵可不是小事，弄不好是要亡国的。虎符的原理，说明形状相配是多么重要。可是我们身体里的分子早就“知道”这个原理了。
不过对于分子之间的作用，光是形状还不保险。细胞里的分子种类成千上万，万一有结合面相似的分子呢？细胞中的化学反应可是出不得差错的，弄不好就会“胞死人亡”。所以在形状之上，还要加一道“密”，这就是电荷也要配合。在接触面的各个区域里，你带正电的地方，我在相对的地方就得是负电。你是负电，我就得是正电。你没有电，我也得没有电。要是电荷不配对，正电荷与正电荷碰到一起，就会由于同性相斥的原理，把配错了的分子推开。所以在分子水平上，生命也是非常“聪明”的。这两道“密”（形状和电性）一加，任凭你分子千变万化，我也能准确地找到另一半。
下一个问题是，这种绝配是如何形成的呢？
我们细胞里的分子，主要是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、磷（P）几种原子组成的。碳原子彼此相连成为骨架，上面再接上各种功能基团，比如羟基—OH（羟发音“枪”，前面那个横道表示和骨架上的碳原子相连），巯基—SH（“巯”发音“球”），氨基—NH2，羧基—COOH（羧发音“梭”，里面的两个氧原子都直接和碳原子相连，其中一个氧原子上还连一个氢原子）等。这些原子通过“分享”它们的外层电子而结合在一起。
不过这个“分享”电子的情形要看是什么原子。碳原子很“平和”，和氢原子分享电子时，不“以大欺小”，而是“平等相待”。被碳原子和氢原子共享的那一对电子既不偏向碳原子，也不偏向氢原子，所以这样形成的联系（叫做化学键）不带电。我们叫它非极性键。
氧原子可不同了。它对电子很“贪心”，总想多得。所以被氧原子和氢原子共享的电子总是偏向氧原子一边的。这样，氧原子就带一些负电，氢原子就带一些正电，氧原子和氢原子之间的共价键也就被叫做极性键。
在羧基里面，不仅直接和氢原子相连的那个氧原子要从氢原子那里抢电子，另一个氧原子也不甘寂寞，通过碳原子间接地和氢原子抢电子。在两个氧原子的“夹攻”之下，氢原子就快抓不住电子了。有些这样的氢原子就干脆放弃，把电子完全交出，自己做个光溜溜的氢原子核（氢离子），离开分子，在水溶液中游荡，这就是我们说的“酸”（酸性就是溶液中氢离子浓度的量度，pH里面的那个H，指的就是氢离子）。醋（有效成分是乙酸CH3COOH）是酸的，就是分子里面的氧原子抢电子太厉害，形成氢离子的结果。除氧原子以外，氮原子也能“多占”它和氢原子之间的共用电子，使自己带部分负电，氢原子带部分正电，但程度不如氧原子那么强。
但是也不要把氧原子看成豪取强夺的“恶霸”。正是因为它抢电子的特性，分子带有氧的地方就会局部带电。而分子的局部带电正是为生命现象所必需的。
水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。可是两个氢原子也“打”不过一个氧原子，都得多分一些电子给氧原子，使它带部分负电荷，而两个氢原子带部分正电荷。带负电的氧原子就要和另一个水分子上带正电的氢原子互相吸引（这种联系叫做氢键），使水分子之间“抓”得很牢，不容易“飞”出液面去（即蒸发），所以水的沸点很高，要100℃才沸腾。
汽油是由碳原子和氢原子组成的分子的混合物。由于碳原子对氢原子“平等相待”，分子不带电，彼此吸引力很小，所以汽油极容易挥发。水分子比汽油中的分子小很多。要是它不局部带电，就会比汽油还容易挥发，在室温下就不可能有液态水了，生命也就难以形成。
蛋白质是由20种不同的氨基酸线性相连形成的。氨基酸的侧链（不参与氨基酸之间连接的部分）有的不带电，有的带正电，有的带负电。由于水分子是局部带电的，那些不带电的侧链在水中“不受欢迎”（所以叫做憎水的，或者叫做亲脂的）。这些被排斥的侧链只好彼此聚在一起，在这个过程中也把蛋白质“卷”成一定的形状：不带电的部分在内部，带电的侧链被水“欢迎”（所以叫做亲水的），位于外部。这样，蛋白质分子就既有了形状，又有了外部的电荷分布。根据蛋白质中20种氨基酸的排列情形不同，每一种蛋白质就有了自己特有的形状和表面电荷分布。我们前面说到的两种“加密”方式，就这样被“创造”出来了。
细胞里的其他小分子，也根据它们的分子形状和带电情况与蛋白质相互作用。由于蛋白质的形状和带电情况是高度特异的，每一个小分子也只会与它的代谢有关的蛋白质分子相互作用。它们的这种对应关系，是在长期进化过程中逐步发展完善起来的。
遗传物质DNA的形成也和蛋白质形成的原理类似。核苷酸上面的碱基（嘌呤和嘧啶）主要是碳和氢组成的平面形状的环，具有亲脂性。它们彼此叠在一起，位于DNA双螺旋的内部。磷酸根和核糖亲水，彼此连接，位于分子的外部。内部碱基上面的羟基和氨基由于氢原子带部分正电，可以和对面碱基上的氧原子和氮原子相互吸引，形成碱基配对。所以DNA双螺旋分子的形成，其实也是基于亲脂、亲水的原理。
这种亲水和亲脂的性质不仅在蛋白质和核酸分子的构造上起作用，在细胞膜的形成上也是必不可少的。最初的生命要在水中形成，首要条件就是把自己的内容物和环境分隔开来。这个“墙壁”不能溶于水，否则就当不成墙壁了。但是把汽油加到水里并不会在水中形成薄膜。所以这个“墙壁”必须里面是“油”，外面亲水。这个任务就由磷脂来担当。磷脂分子上有两个脂肪酸，它们长长的碳氢“尾巴”和汽油分子类似，是亲脂的，位于膜的内面。另一头的磷酸根是高度亲水的，朝向膜的外面。由于膜有两个面，所以膜是双层的。每一层的脂肪酸尾巴向内，彼此相接，形成油性的内层。磷酸根朝外，与水接触。
我们的日常生活中，也常用到亲脂和亲水的原理。比如衣服上有了油迹，怎么办呢？一种办法是用亲脂的液体（叫做有机溶剂，如四氯乙烯）去把油溶解掉，叫做“干洗”。其实干洗也用液体，不过用的不是水。最常用的还是水洗，用肥皂或其他去垢剂。它们分子的一端是亲脂的长碳氢链，相当于汽油，另一端是亲水的基团（如肥皂里面的羧基和洗衣粉里面的磺酸基）。亲脂的长链将油迹包裹，亲水的基团包在外面，就把污物带离衣物了。
氧、氮等原子对氢原子上电子的“掠夺”，造成了局部的电性，导致了分子的亲水性。而碳原子的“平等待人”又导致了亲脂性的产生。就是这两种性质的相互配合，使得生物大分子得以有特定的形状和电荷分布，使它们之间能够互相“认识”。这两种作用也使细胞膜能够形成，并且在细胞内形成各种结构。在此基础上，还能形成多细胞结构，以致整体人体。生命现象看似复杂，却有许多简单的基本原理在起作用。了解了这些基本原理，我们对这个世界的理解就又进了一步。
2.2 蛋白质的“十九般兵器”
《论语》中说，“工欲善其事，必先利其器”，是说要把一件事做好，必要的工具是不可少的。在现代火器出现之前，人们要狩猎或搏斗，自然可以拳打脚踢牙咬，也就是使用人体“自带”的工具。但是如果有武器相助，威力就大得多。古人早就懂得这个道理，所以发展出各式各样的武器。在《水浒传》中，八十万禁军教头王进教授九纹龙史进的，就有“十八般武艺”，也就是使用“十八般兵器”：矛、锤、弓、弩、铳、鞭、锏、剑、链、挝、斧、钺、戈、戟、牌、棒、枪、扒。
我们身体里面的蛋白质，负担的任务远比古代的武士进行搏斗为多。为了完成所有这些任务，蛋白质不但也有“十八般兵器”，而且比古代武士所用的还多一种，所以有“十九般兵器”。这些武器的名字中最后的两个字（氨酸）相同。为了看起来简洁，并且和上面的“十八般兵器”对应，我们在这里把这最后两个字略去，只写出它们前面的字，那就是丙、缬、亮、异亮、苯丙、脯、色、丝、酪、半胱、蛋、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏、天冬、谷、赖、精、组。这些武器到底是什么，我们后面再讲。在这里先说说蛋白质的重要性和任务。任务清楚了，蛋白质为什么要这么多种“武器”就清楚了。
蛋白质不仅是构成皮肤（如胶原蛋白）、毛发和指甲的材料，更与所有的生命活动有关。肌肉收缩需要蛋白纤维，物质转运需要各种蛋白转运器，识别敌友需要抗原识别蛋白，标记外来的异物需要抗体，血液凝固需要成纤维蛋白，调节血糖需要胰岛素，感知外界信号需要各种蛋白受体，把DNA缠绕成染色体需要组蛋白，控制基因的表达需要各种转录因子等。
除了以上功能以外，蛋白质最复杂、最繁重的任务，还是催化各种化学反应。生命活动是通过几千种化学反应来实现的，包括利用外来物质建造自己的身体，氧化食物中的分子以获取能量，生产前面提到的各种生命活动所需要的分子，如转运蛋白、抗体、激素、凝血因子等。化工厂里面要实现各种化学反应，常常使用高温、高压的条件。但是在人体中，一切化学反应却必须在恒定体温和常压下进行。这就给我们出了个难题。
比如在火力发电厂中，煤和石油是在高温下燃烧的。但是在常温下，放在空气中的煤和石油很稳定。把葡萄糖放在空气中，哪怕在大热天（到37℃），它也不能被氧气所氧化。这是因为，分子要进行化学反应，必须首先要得到足够的能量，把其中的化学键（把原子连接成分子的电子联系）打开。燃烧时上千度的高温能够提供足够的能量。但是在室温下，分子得不到所需的能量，化学反应也就难以进行。而在我们的身体中，葡萄糖却可以容易地被“燃烧”，变成二氧化碳和水，释放出我们身体所需要的能量。这是因为在体内，化学反应有蛋白质的帮助。蛋白质能把化学反应分成几步，每一步需要的能量都比较少，这就使得原来在体温下不能完成的化学反应也能顺利完成。反应完成以后，蛋白质又恢复原来的样子，本身并不消耗。这个过程就叫做催化。这些催化化学反应的蛋白质，就叫做酶。我们身体里面的几千种化学反应，都是由酶来催化的。
所以我们可以说，没有蛋白质就没有生命。蛋白质是一切生命活动的具体执行者。但是在过去的二三十年中，由于若干关键技术的突破（比如工具酶的发现与制备，克隆技术，聚合酶链式反应即PCR以及大规模测定DNA序列的技术等），分子生物学得到了迅猛的发展。而在同一时期中，对蛋白质进行研究的传统技术却没有多少突破性的进展，反而需要借助分子生物学的手段。因此，现在人们对DNA和基因谈论得很多，对蛋白质的注意力反而有所下降。
其实DNA不过是记载生物密码的分子。而且密码里面的信息，只和蛋白质有关。DNA的作用，就是为各种不同的蛋白质编码，并且和转录因子一起，准确地控制每种蛋白质出现的时间和地点，仅此而已。其余的工作都交给蛋白质去做。DNA并不记录脂肪和葡萄糖的分子结构，也不为胆固醇和血红素的分子编码。是蛋白质在合成和利用这些分子。因此，DNA携带蛋白质的信息，蛋白质使生命得以实现。已经绝灭的猛犸和尼安德人的DNA还基本上存在，但那已经不是生命。只有细胞（比如卵细胞）里面的蛋白质有可能使它们重新变为活的生物。恩格斯说，“生命是蛋白质的存在方式”，进化论者说，“生命是传递基因的工具”，两种说法都有其道理。现在，人的DNA序列已经完全弄清，我们已经进入“后基因时代”，是重新把注意力放到蛋白质身上的时候了。
蛋白质要执行各种功能，首先就要准确地与各种分子相结合。这就需要蛋白质的表面形状要和与它结合的分子的形状相符，而且结合处的带电情况也要相配。这就要求蛋白质分子有各种特异的形状和表面电荷分布。这是由上面所说的“十九般兵器”来实现的。
蛋白质是由二十种氨基酸线性相连形成的。每个氨基酸，就像它的名字所说的，分子上都有一个氨基（—NH2）和一个带酸性的羧基（—COOH）。它们都连在同一个碳原子上。一个氨基酸分子上的羧基可以和另一个氨基酸的氨基相连，形成的化学键叫肽键。几十或几百个氨基酸相连，就形成了蛋白质。
除甘氨酸以外，在这个同时与氨基和羧基相连的碳原子上，还连着一个功能基团。它们不参与肽键形成，所以叫做侧链。这样的侧链共有十九种。在氨基酸彼此相连形成蛋白质的线性分子后，这些侧链就“横着”伸出来，好像一根长绳子上等距离地分出许多短的绳子。这些功能基团长短和形状不同，性质各异。有的带正电（如赖氨酸、精氨酸、组氨酸），有的带负电（如谷氨酸、天冬氨酸），有的“亲水”（如半胱氨酸、丝氨酸、蛋氨酸、酪氨酸），有的亲脂（如丙氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）。在水溶液中，不带电的亲脂侧链“不受欢迎”，就像油与水不能混溶一样，只好彼此聚在一起，“藏”在蛋白质分子的内部。而带电的亲水侧链由于能与水分子“亲密相处”，就位于蛋白质分子的外面，包裹着“油性”的内核。这个过程也就把蛋白质分子“长绳子”“卷”成有一定形状的立体分子。而且蛋白质形状一固定，带电荷的侧链的位置也就被固定，形成蛋白质分子上特异的电荷分布。由侧链的种类和它们的排列顺序，就可以形成各式各样形状和电荷分布的蛋白质分子。这些具有特定形状和电荷分布的分子就可以去完成适合于它们的任务。所以说，这“十九般兵器”，第一步的任务不是对外，而是首先形成具有特定结构的蛋白质分子，也就是搭建“工作平台”。
对于酶来说，形状和电荷还不够，还必须有具体对其他分子进行“加工”的“工具”，这些“工具”也是由这十九种侧链来充当的。亲脂和亲水侧链可以结合于其他分子的亲脂和亲水部位，就像把要做手术的患者固定在手术台上。而具有不同电荷性质的侧链则可以直接参与化学反应，把它分成几个容易完成的步骤，像外科医生的手术器具。古代的武士每次一般只能使用一种武器，但是酶却可以同时使用多种武器，也就是多个侧链参与催化活动。不仅如此，这些参与化学反应的“兵器”在蛋白质分子中的排列，还能使它们位于化学反应所需要的空间位置。这些特点使得酶的催化高度有效，而且具有高度特异性（即一种酶只催化一种反应）。在许多情况下，这“十九般兵器”也就够用了，也就是蛋白质分子自己就能完成催化反应。
不过有些化学反应是很难进行的，就是有“十九般兵器”也无能为力。这个时候蛋白质就要请非蛋白物质来帮忙了。比如这“十九般兵器”都无法直接与氧相互作用。与氧有关的反应（比如血红蛋白运输氧和肝脏中的解毒酶在毒物分子上加上氧）就要请血红素分子来帮忙。血红素的中心有一个铁原子。它与蛋白结合之后，就能结合或活化氧原子。一些氧化还原反应也是难以在体温下进行的，光靠蛋白质自己还不行。这时蛋白质就请铁和硫的化合物来帮忙。这些被蛋白质“请”来帮忙的非蛋白物质就叫做“辅基”。人体中许多酶都带有辅基。
有人也许要问，既然蛋白质有时需要辅基，那为什么蛋白质只有十九种“武器”呢？为什么进化过程不给它多添一些武器呢？这样蛋白质的“本事”不是就更大了吗？这和蛋白质的合成过程有关。在合成蛋白质分子的“机器”（核糖体）中，氨基酸是一个一个按信使核糖核酸（RNA）上的编码依次加上去的。但是细胞里既没有“交通警察”，分子也没有“眼睛”。它们自己是不会“排队”的，而是乱挤乱撞。所以大家到达反应位置的机会均等，每次正确的氨基酸到达反应位置的机会只有1/20。DNA的组成成分只有4种，有效碰撞的概率就大得多，所以DNA合成的速度也快得多，每秒钟可以加上超过1000个核苷酸单位。蛋白质合成有20种氨基酸要添加，速度就慢多了，每秒钟只能加上18个氨基酸单位。要是再增加氨基酸的种类，蛋白的合成速度就更慢了，以致生命都难以维持。经过亿万年的进化，组成蛋白质的氨基酸的数量稳定在20种，是需要和可能彼此平衡的结果。
而且这“十九般兵器”并不是由谁“设计”的，而是在生物的进化过程在千千万万种不同的分子结构中，最后“选”定了它们。就在你看这篇文章的时候，这些“兵器”正在你的细胞里繁忙地工作，精确地完成我们的身体赋予它们的任务。我们虽然不能用眼睛“看见”它们，也感觉不到它们的存在，但正是由于它们神通广大，才使得生命成为可能。想到这里，我们不能不为生命的美妙和神奇而感动。
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发表于 2019-1-22 16:36:05