蛋白质的结构功能与运动(精)/软物质前沿科学丛书

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第1章 引言
　　1.1 蛋白质在生物体内的重要性
　　1.1.1 生命，蛋白质与神秘力量
　　什么是生命？假设你向一位18世纪早期的科学家问这个问题，他（她）很可能会提到“生命力（vital forces）”——一种存在于生物体内，且神奇、超自然的能量；这种能量可以使生物体存活并且行使功能。这种“生命力”的概念实际上非常古老，很可能是由古希腊先哲之前的古埃及人提出的。然而，尽管在上个千年之中有关物理学、化学，以及生理学的大量科学发现得以揭示，但是直到150年前，人们依然广泛接受生物体内存在独特的超自然“生命力”的观念[1]。从19世纪初起，伴随关于自然与生理的机械论观点的逐步传播，改变发生了[2]。一些哲学家假设，一切和生命有关的现象都可以用与无机世界相同的物理及化学法则来解释[3]。这种原则的一个重大突破是由Louis Pasteur（1822～1895）实现的，他证明了由糖到乙醇的化学转化过程（即发酵过程）是一种微生物生长的结果。在此情况下，Pasteur建立了生命过程与化学反应的联系。基于这种用物理化学来诠释生命的探讨的又一个进展，是由Marcellin Berthelot与Eduard Buchner（图1.1）等科学家实现的。他们不仅证明了发酵过程，还证明了更多其他与生命有关的过程，都可以在没有微生物的条件下重复出来，只要采用从微生物当中提取出的物质即可Buchner因这项工作，获得了1907年的诺贝尔化学奖。这也是诺贝尔化学奖第一次颁发给了一位生化学家。。尽管这些物质的化学性质最开始并没有明确，但在后来的探索中，它们都被确定为蛋白质。这些蛋白质起到催化剂的作用，即它们加速了细胞或组织中的化学反应而并不改变自身的性质。因此，上述发现引发了科学思考的一个重大转折：生命不再被认为是发生于生物体内神秘及模糊的现象，而是一系列由蛋白质起主导作用的化学反应过程的结果。实际上，上述观点已成为现代生物化学及分子生物学的基石。自此之后，除了起催化作用的蛋白质，被命名为“酶（enzyme）”，更多起其他重要功能的非催化蛋白也不断地被发现。在此期间最重要的发现可能是血红蛋白（hemoglobin）。这是一类在动物体内从肺部运送氧气（O2）到身体的器官与组织，并运回代谢废物二氧化碳（CO2）的蛋白质。更进一步，在20世纪下半叶开始的由破译DNA结构及基因编码引发的遗传学革命中，大量的事实证明了蛋白质不仅仅是细胞与组织内的活跃的“分子机器”（molecular machine），还是基因的主要产物，负责遗传信息的表达（多种作用之一）。
　　图1.1 Eduard Buchner，1907年诺贝尔化学奖获得者。图像来自Wikipedia（来自Nobel-Foundation Eduard Buchner.Wikipedia，the Free Encyclopedia，1907）
　　在这本书里，我们的目的是以机械论的方式向读者呈现蛋白质作用的原理。本书最适合具有生物化学及细胞生物学背景的读者。针对那些不熟悉生物科学的读者，我们将采用如下内容来解释生物体的基本构造，以及蛋白质的主要功能。
　　1.1.2 生物体的分子组织
　　地球遍布着巨量不同种类的生物体。物种的数目估计有数百万[5]。尽管物种之间存在着由不同形态、行为、饮食、生殖模式所体现的巨大多样性，但它们中有一种普遍的共性，那就是一切生物体都是由细胞构成的[2，6，7]。事实上，基本的细胞结构存在于单细胞的细菌中，亦存在于由数十个几乎完全相同的细胞所组成的无脊椎生物中，还存在于由数万亿个形态与生化性质迥然不同的细胞所组成的哺乳动物中（包括人类）。这数万亿个细胞逐层地分为组织与器官，并行使着不同的功能。直到17世纪光学显微镜发明时，人们才意识到细胞的存在。这是因为即便是最大的细胞，其尺度也至少小于人眼所能识别极限的1/5。通常来说，人们按细胞把其所属的生物体分为两大类。第一类称为原核生物prokaryote（或称为原核细胞，译者注），其尺度很小（微米级，相当于1μm=10-6m），并缺乏任何可观测到的内部组织。原核生物细胞是由类脂膜（lipid membrane，又名胞质膜plasma membrane）（有时亦称细胞膜cellular membrane，译者注）包裹内部的水相环境（细胞质cytoplasm）所组成。细胞质是所有生命过程发生的地点，并通过胞质膜与细胞的外部环境隔离。原核生物包括了所有的细菌，而细菌是地球上数量最庞大的生命形式。除了胞质膜，细菌细胞还具有细胞壁cell wall，它们从物理上隔离外部环境以保护细胞。
　　图1.2 真核生物细胞的内部组织的图示。（1）核仁；（2）核；（3）核糖体；（4）囊泡；（5）粗面内质网（rER）；（6）高尔基体；（7）细胞骨架；（8）光面内质网（sER）；（9）线粒体；（10）液泡；（11）胞液；（12）溶酶体；（13）中心粒。图像来自Wikipedia（来自Messer-Woland and Szczepan Diagram of a typical animal cell.Wikipedia，the Free Encyclopedia）
　　第二类同时也是更加先进的细胞种类，可称为真核生物eukaryote（或称为真核细胞，译者注）。它的尺度比起原核生物细胞来说要大得多，其半径为10～100μm。真核细胞的细胞质除了细胞液cytosol（或简称为胞液，译者注），还包括了行使不同细胞功能的内部区室inner compartment（细胞器organelle）（图1.2）。细胞核nucleus包含了细胞的遗传物质。细胞核中心有一块称为核仁nucleolus的区域，其功能是建造细胞遗传物质生物合成所需的机械组件。线粒体mitochondria是细胞的“发电厂（power station）”，它从食物中提取化学能量并将其存储为生物体可用的能量货币。内质网endoplasmic reticulum（ER）是从细胞核开始向周围延伸的一种由类细胞膜结构围成的隧道系统（此段定义参考了维基百科，译者注）。它负责合成与修饰膜蛋白membrane protein及其他蛋白质（包括排出细胞的分泌蛋白与转入其他细胞器的蛋白质）。上述过程发生的区域为粗面内质网rough endoplasmic reticulum（rER）。作为主要的细胞生物合成中心，ER还负责合成大部分脂类lipid，这个过程发生在被称为光面内质网smooth endoplasmic reticulum（sER）的区域。高尔基体Golgi apparatus是位于细胞内部边缘的由类细胞膜结构堆成的多层平板状扁囊（此段定义参考了维基百科）。它接受来自内质网的蛋白质或脂类分子，并把它们按照其指定的细胞目的地（其中亦包括分泌出细胞）进行分类。真核生物细胞可进一步划分为植物细胞与动物细胞。植物细胞包含了一些动物细胞所不具备的特征。首先是细胞壁cell wall，它位于细胞膜外周并为细胞提供机械支撑。其次是液泡vacuole，它起到了如下作用：①储藏养分、代谢物与色素；②参与细胞组件的降解；③调控细胞尺度和pH（酸碱值，译者注），以及膨胀压turgor pressure。再次是叶绿体chloroplasts，它除了存在于植物中还存在于藻类中，并且是光合作用photosynthesis的主要发生场所。光合作用是高度复杂的过程，它利用太阳能将大气环境中的CO2合成为碳水化合物carbonhydrate（又称为“糖”）。换句话说，叶绿体将无机碳转化为了有机碳。在这种情况下，植物与藻类为高等生物，如鱼类、昆虫类、爬行类、鸟类与哺乳类，提供了最基本的新陈代谢燃料（原文为fuel，译者解释为“新陈代谢燃料”，参考了维基百科）与生物合成组件（原文为building block，译者解释为生物合成组件，参考了维基百科）。
　　除了具有尺度较大并且结构较复杂的细胞器，真核细胞还具有多种执行不同功能的囊泡vesicle。例如，作为代谢物处置单元的溶酶体lysosome，其包含具有降解作用的水解酶hydrolytic enzyme，用来分解老旧或已损坏的生物分子和细胞器（原文为outdated，译者将其做更细致的展开，参考了维基百科），以及透过细胞的化学物质。另一类包含氧化酶oxidizing enzyme的囊泡，称为过氧化物酶体peroxisome。氧化酶通过作用于不同的分子而达到不同的目的。例如，中和药物分子或中和毒物分子。最后一类重要的囊泡是转运囊泡transport vesicle。它们的作用是：①在不同细胞器之间转运蛋白质与脂类；②将特定的蛋白质整合到细胞膜上；③将胞内蛋白质或其他物质传送到胞外（即胞吐作用exocytosis）；④将胞外蛋白质或其他物质传送到胞内（即胞吞作用endocytosis）。
　　将生物体划分为真核生物与原核生物不仅是由于它们不同的细胞结构，还考虑到它们在这个星球上的进化因素。尽管我们不能确定生命何时在地球上诞生，但种种证据表明早在38亿～32亿年前，单细胞形态的原核生物就已经出现了[9-12]。这些简单的生物体经过漫长的突变与自然选择的演化，形成了大量形态与代谢过程迥异的细菌。但在接下来的20亿年里，地球上以细菌为代表的基本原核生物的细胞结构不再发生显著变化。另外，事实上人类已知最早的真核生物仅仅出现在15亿年前左右。按照目前已接受的理论，这些原初真核细胞仅包含了非常简单的内部区室inner compartment。具体来说，这些区室是由内吞进细胞的膜组成的。这些膜逐步发展成为细胞核、内质网和高尔基体。而线粒体与叶绿体出现的时间要晚一些。根据对这些细胞器的特性判断，Lynn Margulis提出了内共生学说endosymbiotic theory[13]：线粒体与叶绿体分别起源于具有氧化代谢与光合作用的古老的细菌，而在后来被原初真核细胞吞入体内。但是这些细菌躲开了被宿主细胞吞噬消灭的命运，并在经历漫长的演化后逐渐丧失了独立的特征而与宿主细胞融为一体，变成了尽管依赖于宿主细胞但依然具有祖先遗留下来的代谢功能的细胞器[13，14]。
　　单细胞生物体一直独占地球直到大约10亿年前第一个简单多细胞生物出现为止。大约6亿年前，即寒武纪时期Cambrian，出现了一次由复杂多细胞构成的生物体的大爆发。尽管这次让多细胞生物体无论是数量还是种类都大幅增长的寒武纪大爆发的原因一直待解，但人们还是根据当时的地球大气含氧量达到最大值这个事实推测出，两者应该具备一定的关联。因为复杂多细胞生物的高耗氧量让它们无法在低氧环境下形成。无论如何，由复杂多细胞生物出现后发生的一系列进化事件，最终导致了高等生物中组织与器官的形成。
　　为何细胞结构对维持生命的机能是如此的重要？在诸多可能的答案中，最基本的一条是说细胞可以赋予它们所塑造的生物体以独特性。具体来说，这种独特性是细胞从外部环境中创造出的一个与其物理与化学性质迥异的内部环境。而所谓的“生命过程”，即细胞介导的能量产生、构造复杂物质、降解代谢物、生长、分裂、移动等，正是这种独特性的具体表现。但是人们不禁会问，细胞在化学意义上的独特性似乎很奇怪，因为所有生物体都是由组成无生命物质相同的原子所构成的。而事实上，一切构成活体组织的碳、氢、氧、氮、硫原子，都是从地壳或者从大气中获得的。但是，化学成分与分子成分存在显著的区别。具体来说，生物细胞的独特性并不是以其原子成分来体现的，而是这些原子以何种具体的形式组织为分子。尽管细胞内部存在着如水（H2O）、气体（O2、N2、CO2）、金属与矿物质等简单分子，构成了无生命物质环境，但除此之外，细胞还包括了大量结构复杂的分子。这些结构复杂的分子，称为高分子macromolecules（亦可称为大分子），往往包含几千甚至几百万个原子。高分子可分为四大类：蛋白质protein，碳水化合物carbohydrate（亦可称为糖类，译者注），核