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,自然可以拳打足踢牙咬,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。肌肉收缩需要几种蛋白纤维,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,凝血需要成纤维蛋白,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却很稳定。把葡萄糖放在空气中,哪怕在大热天(到37摄氏度),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,分子却得不到所需的能量,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(见我在《科学网》里的博文,《人体中“烧”氢的“发电厂”》)。这就是因为,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,在线扑克 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(见我在这个专栏里的文章《分子之间怎样相互“认识”?》)。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,“羧”发音“梭”)。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,还必须有具体对其它分子进行“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它分子的亲脂和亲水部位,就像把要做手术的病人固定在手术台上。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,而且高度特异(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“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”自己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。它的中心有一个铁原子。它与血红素和蛋白结合之后,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??这就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(见我在这个专栏里的另一篇文章《沉静下面的喧嚣》),每次正确的氨基酸到达反应位置的机会只有二十分之一。DNA的组成成分只有四种,有效碰撞的几率就大得多,所以DNA合成的速度也快得多。蛋白质合成有二十种氨基酸要添加,速度就慢多了。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二十,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。