分子之間怎樣相互“認識”？

在《沉靜下面的喧囂》這篇文章中，我們談到，在看似沉靜的美女的細胞里，分子的運動卻是超乎想象的激烈，每秒鐘和別的分子碰撞成千上萬次。神奇的是，在這種“亂糟糟”的環(huán)境中，一切生命活動卻能夠有條不紊地進行。分子之間能夠彼此“辨別”，從成千上萬種分子中準確地找到與自己有關(guān)的分子，完成各種化學反應，使生命成為可能。
可是細胞里既沒有“交通警察”，分子也沒有“眼睛”。那分子是通過什么方式“認識”對方的呢？
兩個不同的分子要完美“結(jié)合”，要有兩個條件。一個是接觸面的形狀要高度配合。你凸出來的地方，我就要凹進去；你凹進去的地方，我就要凸出去。這就像碎成兩半的卵石，斷面是凸凹不平的，但是能夠彼此完美地對上。由于不同石頭斷裂時的斷面彼此不同，這塊石頭的斷面就無法和另一塊石頭的斷面對上。這就保證了分子結(jié)合的特異性。形狀不合的就結(jié)合不到一起。
中國古代調(diào)兵用的“虎符”，應用的就是這個原理。“虎符”外形是一支老虎，縱向分為兩片。在外的將領(lǐng)手里一片，皇帝手里有另外一片?；实垡{(diào)兵，就派人把這半片“虎符”帶去。只有兩個半片能完美對上，才說明來人是真的帶著皇帝的旨意來的。調(diào)兵可不是小事，弄不好是要亡國的。“虎符”的原理，說明形狀相配是多么重要?？墒俏覀兩眢w里的分子早就“知道”這個原理了。
不過對于分子之間的作用，光是形狀還不保險。細胞里的分子種類成千上萬，萬一有結(jié)合面相似的分子呢？細胞中的化學反應可是出不得差錯的，弄不好就會“胞死人亡”。所以在形狀之上，還要加一道“密”，這就是電荷也要配合。在接觸面的各個區(qū)域里，你帶正電的地方，我在相對的地方就得是負電。你是負電，我就得是正電。你沒有電，我也沒有電。要是電荷不配對，正電荷與正電荷碰到一起，就會由于“同性相斥”的原理，把配錯了的分子“推開”。
所以在分子水平，生命也是非常“聰明”的。這兩道“密”（形狀和電性）一加，任憑你分子千變?nèi)f化，我也能準確地找到“另一半”。
下一個問題是，這種“絕配”是如何形成的呢？
我們細胞里的分子，主要是由碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、磷（P）幾種原子組成的。碳原子彼此相連成為骨架，上面再接上各種“功能基團”，比如羥基 —OH（“羥”發(fā)音“槍”，前面那個橫道表示和骨架上的碳原子相連），巰基—SH（“巰”發(fā)音“秋”），氨基—NH2，羧基—COOH（“羧”發(fā)音“梭”，里面的兩個氧原子都直接和碳原子相連，其中一個氧原子上還連一個氫原子）等等。這些原子通過“分享”它們的外層電子而結(jié)合在一起。
不過這個“分享”電子的情形要看是什么原子。碳原子很“平和”，和氫原子分享電子時，不“以大欺小”，而是“平等相待”。被碳原子和氫原子共享的那一對電子既不偏向碳原子，也不偏向氫原子，所以這樣形成的聯(lián)系（叫“化學鍵”）不帶電。我們叫它“非極性鍵”。
氧原子可不同了。它對電子很“貪心”，總想多得。所以被氧原子和氫原子共享的電子總是偏向氧原子一邊的。這樣，氧原子就帶一些負電，氫原子就帶一些正電，氧原子和氫原子之間的共價鍵也就被叫做“極性鍵”。
在羧基里面，不僅直接和氫原子相連的那個氧原子要從氫原子那里搶電子，另一個氧原子也不甘寂寞，通過碳原子間接地和氫原子搶電子。在兩個氧原子的“夾攻”之下，氫原子就快抓不住電子了。有些這樣的氫原子就干脆放棄，把電子完全交出，自己做個光溜溜的氫原子核（氫離子），離開分子，在溶液中游蕩，這就是我們說的“酸”（“酸性”就是溶液中氫離子濃度的量度，pH里面的那個H，指的就是氫離子）。醋（有效成分是乙酸 CH3COOH）是酸的，就是分子里面的氧原子搶電子太厲害，形成氫離子的結(jié)果。
除氧原子以外，氮原子也能“多占”它和氫原子之間的共用電子，使自己帶部分負電，氫原子帶部分正電，但程度不如氧原子那么強。
但是也不要把氧原子看成豪取強奪的“惡霸”。正是因為它搶電子的特性，分子帶有氧的地方就會局部帶電。而分子的局部帶電正是為生命現(xiàn)象所必須的。
水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的?？墒莾蓚€氫原子也“打”不過一個氧原子，都得多分一些電子給氧原子，使它帶部分負電荷，而兩個氫原子帶部分正電荷。帶負電的氧原子就要和另一個水分子上帶正電的氫原子互相吸引（這種聯(lián)系叫做“氫鍵”），使水分子之間“抓”得很牢，不容易“飛”出液面去（即“蒸發(fā)”），所以水的沸點很高，要攝氏100度才沸騰。
汽油是由碳原子和氫原子組成的分子的混合物。由于碳原子對氫原子“平等相待”，分子不帶電，彼此吸引力很小，所以汽油極容易揮發(fā)。水分子比汽油中的分子小很多。要是它不局部帶電，就會比汽油還容易揮發(fā)，在室溫下就不可能有液態(tài)水了，生命也就難以形成。
蛋白質(zhì)是由20種不同的氨基酸線性相連形成的。氨基酸的“側(cè)鏈”（不參與氨基酸之間連接的部分）有的不帶電，有的帶正電，有的帶負電。由于水分子是局部帶電的，那些不帶電的側(cè)鏈在水中“不受歡迎”（所以叫做“憎水”的，或者“親脂”的）。這些被“排斥”的側(cè)鏈只好彼此聚在一起，在這個過程中也把蛋白質(zhì)“卷”成一定的形狀：不帶電的部分在內(nèi)部，帶電的側(cè)鏈被水“歡迎”（所以叫做“親水”的），位于外部。這樣，蛋白質(zhì)分子就既有了形狀，又有了外部的電荷分布。根據(jù)蛋白質(zhì)中20種氨基酸的排列情形不同，每一種蛋白質(zhì)就有了自己特有的形狀和表面電荷分布。我們前面說到的兩種“加密”方式，就這樣被“創(chuàng)造”出來了。
細胞里的其它小分子，也根據(jù)它們的分子形狀和帶電情況和蛋白質(zhì)相互作用。由于蛋白質(zhì)的形狀和帶電情況是高度特異的，每一個小分子也只會與它的代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)分子相互作用。它們的這種對應關(guān)系，是在長期進化過程中逐步發(fā)展完善起來的。
遺傳物質(zhì)DNA的形成也和蛋白質(zhì)形成的原理類似。核苷酸上面的堿基（嘌呤和嘧啶）主要是碳和氫組成的環(huán)，具有親脂性。它們彼此疊在一起，位于DNA分子內(nèi)部。磷酸根和核糖親水，彼此連接，位于分子的外部。內(nèi)部堿基上面的羥基和氨基由于氫原子帶部分正電，可以和對面堿基上的氧原子和氮原子相互吸引，形成堿基配對。所以DNA雙螺旋分子的形成，其實也是基于親脂親水的原理。
這種“親水”和“親脂”的性質(zhì)不僅在蛋白質(zhì)和核酸分子的構(gòu)造上起作用，在細胞膜的形成上也是必不可少的。最初的生命要在水中形成，首要條件就是把自己的內(nèi)容物和環(huán)境分隔開來。這個“墻壁”不能溶于水，否則就當不成墻壁了。但是把汽油加到水里并不會在水中形成薄膜。所以這個“墻壁”必須里面是“油”，外面親水。這個任務就由磷脂來擔當。磷脂分子上有兩個脂肪酸，它們長長的碳氫“尾巴”和汽油分子類似，是親脂的，位于膜的內(nèi)面。另一頭的磷酸根是高度親水的，朝向膜的外面。由于膜有兩個面，所以膜是雙層的。每一層的脂肪酸尾巴向內(nèi)，彼此相接，形成油性的內(nèi)層。磷酸根朝外，與水接觸。
我們的日常生活中，也常用到親脂和親水的原理。比如衣服上有了油跡，怎么辦呢？一種辦法是用親脂的液體（叫“有機溶劑”，如四氯乙烯）去把油溶解掉，叫做“干洗”。其實干洗也用液體，不過用的不是水。最常用的還是水洗，用肥皂或其它去垢劑。它們分子的一端是親脂的長碳氫鏈，相當于汽油，另一端是親水的基團（如肥皂里面的羧基和洗衣粉里面的磺酸基）。親脂的長鏈將油跡包裹，親水的基團包在外面，就把污物帶離衣物了。
氧、氮等原子對氫原子上電子的“掠奪”，造成了局部的電性，導致了分子的親水性。而碳原子的“平等待人”又導致了親脂性的產(chǎn)生。就是這兩種性質(zhì)的相互配合，使得生物大分子得以有特定的形狀和電荷分布，使它們之間能夠互相“認識”。這兩種作用也使細胞膜能夠形成，并且在細胞內(nèi)形成各種結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，還能形成多細胞結(jié)構(gòu)，以致整體人體。生命現(xiàn)象看似復雜，卻有許多簡單的基本原理在起作用。了解了這些基本原理，我們對這個世界的理解就又進了一步。