蛋白質(zhì)的“十九般兵器”

《論語》中說，“工欲善其事，必先利其器”，是說要把一件事做好，必要的工具是不可少的。在現(xiàn)代火器出現(xiàn)之前，人們要狩獵或搏斗，自然可以拳打足踢牙咬，也就是使用人體“自帶”的工具。但是如果有武器相助，威力就大得多。古人早就懂得這個道理，所以發(fā)展出各式各樣的武器。在《水滸傳》中，八十萬禁軍教頭王進教授九紋龍史進的，就有“十八般武藝”，也就是使用“十八般兵器”：矛、錘、弓、弩、銃、鞭、锏、劍、鏈、撾、斧、鉞、戈、戟、牌、棒、槍、扒。

我們身體里面的蛋白質(zhì)，負擔的任務(wù)遠比古代的武士進行搏斗為多。為了完成所有這些任務(wù)，蛋白質(zhì)不但也有“十八般兵器”，而且比古代武士所用的還多一種，所以有“十九般兵器”。這些武器的名字中最后的兩個字（氨酸）相同。為了看起來簡潔，并且和上面的“十八般兵器”對應(yīng)，我們在這里把這最后兩個字略去，只寫出它們前面的字，那就是丙、纈、亮、異亮、苯丙、脯、色、絲、酪、半胱、蛋、天冬酰胺、谷氨酰胺、蘇、天冬、谷、賴、精、組。

這些武器到底是什么，我們后面再講。在這里先說說蛋白質(zhì)的重要性和任務(wù)。任務(wù)清楚了，蛋白質(zhì)為什么要這么多種“武器”就清楚了。

蛋白質(zhì)不僅是構(gòu)成皮膚（如膠原蛋白）、毛發(fā)、和指甲的材料，更與所有的生命活動有關(guān)。肌肉收縮需要幾種蛋白纖維，物質(zhì)轉(zhuǎn)運需要各種蛋白轉(zhuǎn)運器，識別敵友需要抗原識別蛋白，標記外來的異物需要抗體，凝血需要成纖維蛋白，調(diào)節(jié)血糖需要胰島素，感知外界信號需要各種蛋白受體，把DNA纏繞成染色體需要組蛋白，控制基因的表達需要各種轉(zhuǎn)錄因子，等等。

除了以上功能以外，蛋白質(zhì)最復(fù)雜，最繁重的任務(wù)，還是催化各種化學反應(yīng)。生命活動是通過幾千種化學反應(yīng)來實現(xiàn)的，包括利用外來物質(zhì)建造自己的身體，氧化食物中的分子以獲取能量，生產(chǎn)前面提到的各種生命活動所需要的分子，如轉(zhuǎn)運蛋白，抗體，激素，凝血因子，等等。化工廠里面要實現(xiàn)各種化學反應(yīng)，常常使用高溫高壓的條件。但是在人體中，一切化學反應(yīng)卻必須在體溫和常壓下進行。這就給我們出了個難題。

比如在火力發(fā)電廠中，煤和石油是在高溫下燃燒的。但是在常溫下，放在空氣中的煤和石油卻很穩(wěn)定。把葡萄糖放在空氣中，哪怕在大熱天（到37攝氏度），它也不能被氧氣所氧化。這是因為，分子要進行化學反應(yīng)，必須首先要得到足夠的能量，把其中的化學鍵（把原子連接成分子的電子聯(lián)系）打開。燃燒時上千度的高溫能夠提供足夠的能量。但是在室溫下，分子卻得不到所需的能量，化學反應(yīng)也就難以進行。而在我們的身體中，葡萄糖卻可以容易地被“燃燒”，變成二氧化碳和水，釋放出我們身體所需要的能量（見我在《科學網(wǎng)》里的博文,《人體中“燒”氫的“發(fā)電廠”》）。這就是因為，在體內(nèi)，化學反應(yīng)有蛋白質(zhì)的幫助。蛋白質(zhì)能把化學反應(yīng)分成幾步，每一步需要的能量都比較少，這就使得原來在體溫下不能完成的化學反應(yīng)也能順利完成。反應(yīng)完成以后，蛋白質(zhì)又恢復(fù)原來的樣子，本身并不消耗。這個過程就叫做“催化”。這些催化化學反應(yīng)的蛋白質(zhì)，就叫做“酶”。我們身體里面的幾千種化學反應(yīng)，都是由酶來催化的。

所以我們可以說，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。蛋白質(zhì)是一切生命活動的具體執(zhí)行者。但是在過去的二，三十年中，由于若干關(guān)鍵技術(shù)的突破（比如工具酶的發(fā)現(xiàn)與制備，克隆技術(shù)，聚合酶鏈式反應(yīng)即PCR，以及大規(guī)模測定DNA序列的技術(shù)等等），分子生物學得到了迅猛的發(fā)展。而在同一時期中，對蛋白質(zhì)進行研究的傳統(tǒng)技術(shù)卻沒有多少突破性的進展，反而需要借助分子生物學的手段。因此，現(xiàn)在人們對DNA和基因談?wù)摰煤芏?，對蛋白質(zhì)的注意力反而有所下降。

其實DNA不過是記載生物密碼的分子。而且密碼里面的信息，只和蛋白質(zhì)有關(guān)。DNA的作用，就是為各種不同的蛋白質(zhì)編碼，并且和轉(zhuǎn)錄因子一起，準確地控制每種蛋白質(zhì)出現(xiàn)的時間和地點，僅此而已。其余的工作都交給蛋白質(zhì)去做。DNA并不記錄脂肪和葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)，也不為膽固醇和血紅素的分子編碼。是蛋白質(zhì)在合成和利用這些分子。因此，DNA攜帶蛋白質(zhì)的信息，蛋白質(zhì)使生命得以實現(xiàn)。已經(jīng)絕滅的猛犸和尼安德人的DNA還基本上存在，但那已經(jīng)不是生命。只有細胞（比如卵細胞）里面的蛋白質(zhì)有可能使它們重新變?yōu)榛畹纳?。恩格斯說，“生命是蛋白質(zhì)的存在方式”，進化論者說，“生命是傳遞基因的工具”，兩種說法都有其道理?，F(xiàn)在，人的DNA序列已經(jīng)完全弄清，我們已經(jīng)進入“后基因時代”，是重新把注意力放到蛋白質(zhì)身上的時候了。

蛋白質(zhì)要執(zhí)行各種功能，首先就要準確地與各種分子相結(jié)合。這就需要蛋白質(zhì)的表面形狀要和與它結(jié)合的分子的形狀相符，而且結(jié)合處的帶電情況也要相配。這就要求蛋白質(zhì)分子有各種特異的形狀和表面電荷分布（見我在這個專欄里的文章《分子之間怎樣相互“認識”？》）。這是由上面所說的“十九般兵器”來實現(xiàn)的。

蛋白質(zhì)是由二十種氨基酸線性相連形成的。每個氨基酸，就像它的名字所說的，分子上都有一個氨基（-NH2）和一個帶酸性的“羧基”（COOH，“羧”發(fā)音“梭”）。它們都連在同一個碳原子上。一個氨基酸分子上的羧基可以和另一個氨基酸的氨基相連，形成的化學鍵叫肽鍵。幾十或幾百個氨基酸相連，就形成了蛋白質(zhì)。

除甘氨酸以外，在這個同時與氨基和羧基相連的碳原子上，還連著一個功能基團。它們不參與肽鍵形成，所以叫做“側(cè)鏈”。這樣的側(cè)鏈共有十九種。在氨基酸彼此相連形成蛋白質(zhì)的線性分子后，這些側(cè)鏈就“橫著”伸出來，好像一根長繩子上等距離地分出許多短的繩子。這些功能基團長短和形狀不同，性質(zhì)各異。有的帶正電（如賴氨酸，精氨酸，組氨酸），有的帶負電（如谷氨酸，天冬氨酸），有的“親水”（如半胱氨酸，絲氨酸，蛋氨酸，酪氨酸），有的“親”脂（如丙氨酸，苯丙氨酸，亮氨酸，異亮氨酸）。在水溶液中，不帶電的“親脂”側(cè)鏈“不受歡迎”，就像油與水不能混溶一樣，只好彼此聚在一起，“藏”在蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部。而帶電的“親水”側(cè)鏈由于能與水分子“親密相處”，就位于蛋白質(zhì)分子的外面，包裹著“油性”的內(nèi)核。這個過程也就把蛋白質(zhì)分子“長繩子”“卷”成有一定形狀的立體分子。而且蛋白質(zhì)形狀一固定，帶電荷的側(cè)鏈的位置也就被固定，形成蛋白質(zhì)分子上特異的電荷分布。由側(cè)鏈的種類和它們的排列順序，就可以形成各式各樣形狀和電荷分布的蛋白質(zhì)分子。這些具有特定形狀和電荷分布的分子就可以去完成適合于它們的任務(wù)。

所以說，這“十九般兵器”，第一步的任務(wù)不是對外，而是首先形成具有特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，也就是搭建“工作平臺”。

對于酶來說，形狀和電荷還不夠，還必須有具體對其它分子進行“加工“的”工具”，這些“工具”也是由這十九種側(cè)鏈來充當?shù)?。親脂和親水側(cè)鏈可以結(jié)合于其它分子的親脂和親水部位，就像把要做手術(shù)的病人固定在手術(shù)臺上。而具有不同電荷性質(zhì)的側(cè)鏈則可以直接參與化學反應(yīng)，把它分成幾個容易完成的步驟，像外科醫(yī)生的手術(shù)器具。古代的武士每次一般只能使用一種武器，但是酶卻可以同時使用多種武器，也就是多個側(cè)鏈參與催化活動。不僅如此，這些參與化學反應(yīng)的“兵器”在蛋白質(zhì)分子中的排列，還能使它們位于化學反應(yīng)所需要的空間位置。這些特點使得酶的催化高度有效，而且高度特異（即一種酶只催化一種反應(yīng)）。在許多情況下，這“十九般兵器”也就夠用了，也就是蛋白質(zhì)分子自己就能完成催化反應(yīng)。

不過有些化學反應(yīng)是很難進行的，就是“十九般兵器”也無能為力。這個時候蛋白質(zhì)就要請非蛋白物質(zhì)來幫忙了。比如這“十九般兵器”自己都無法直接與氧相互作用。與氧有關(guān)的反應(yīng)（比如血紅蛋白運輸氧和肝臟中的解毒酶在毒物分子上加上氧）就要請血紅素分子來幫忙。它的中心有一個鐵原子。它與血紅素和蛋白結(jié)合之后，就能結(jié)合或活化氧原子。一些氧化還原反應(yīng)也是難以在體溫下進行的，光靠蛋白質(zhì)自己還不行。這時蛋白質(zhì)就請鐵和硫的化合物來幫忙。這些被蛋白質(zhì)“請”來幫忙的非蛋白物質(zhì)就叫做“輔基”。人體中許多酶都帶有輔基。

有人也許要問，既然蛋白質(zhì)有時需要輔基，那為什么蛋白質(zhì)只有十九種“武器”呢？為什么進化過程不給它多添一些武器呢？這樣蛋白質(zhì)的“本事”不是就更大了嗎?？這就和蛋白質(zhì)的合成過程有關(guān)。在合成蛋白質(zhì)分子的“機器”（核糖體）中，氨基酸是一個一個按信使核糖核酸（RNA）上的編碼依次加上去的。但是細胞里既沒有“交通警察”，分子也沒有“眼睛”。它們自己是不會“排隊”的，而是亂擠亂撞。所以大家到達反應(yīng)位置的機會均等（見我在這個專欄里的另一篇文章《沉靜下面的喧囂》），每次正確的氨基酸到達反應(yīng)位置的機會只有二十分之一。DNA的組成成分只有四種，有效碰撞的幾率就大得多，所以DNA合成的速度也快得多。蛋白質(zhì)合成有二十種氨基酸要添加，速度就慢多了。要是再增加氨基酸的種類，蛋白的合成速度就更慢了，以致生命都難以維持。經(jīng)過億萬年的進化，組成蛋白質(zhì)的氨基酸的數(shù)量穩(wěn)定在二十，是需要和可能彼此平衡的結(jié)果。

而且這“十九般兵器”并不是由誰“設(shè)計”的，而是在生物的進化過程在千千萬萬種不同的分子結(jié)構(gòu)中，最后“選”定了它們。就在你看這篇文章的時候，這些“兵器”正在你的細胞里繁忙地工作，精確地完成我們的身體賦予它們的任務(wù)。我們雖然不能用眼睛“看見”它們，也感覺不到它們的存在，但正是由于它們神通廣大，才使得生命成為可能。想到這里，我們不能不為生命的美妙和神奇而感動。