分子之间怎样相互“认识”?

在《沉静下面的喧嚣》这篇文章中,我们谈到,在看似沉静的美女的细胞里,分子的运动却是超乎想象的激烈,每秒钟和别的分子碰撞成千上万次。神奇的是,在这种“乱糟糟”的环境中,一切生命活动却能够有条不紊地进行。分子之间能够彼此“辨别”,从成千上万种分子中准确地找到与自己有关的分子,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“认识”对方的呢?

两个不同的分子要完美“结合”,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,我就要凸出去。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”外形是一支老虎,纵向分为两片。在外的将领手里一片,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,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“秋”),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“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,在线扑克 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须的。

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,要摄氏100度才沸腾。

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“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。

细胞里的其它小分子,也根据它们的分子形状和带电情况和蛋白质相互作用。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环,具有亲脂性。它们彼此叠在一起,位于DNA分子内部。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“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,用肥皂或其它去垢剂。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。