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第17章 构成生命的原料

第一篇第十六章构成生命的原料

如今生物学家进行的所有研究似乎最终都要向分子靠拢,研究衰老的在寻找衰老分

子或抗衰老分子,研究记忆的在寻找记忆分子,研究疾病的在寻找和某种疾病相关的分子。

据说,爱情也有它的分子基础。不管这些分子能否找到,有一点可以肯定,就是

一切生命现象都有其物质基础或者说分子基础。

地球上的各种生物在形态结构上虽然有很大的差别,但从物质组成上来看,都是由生命物质

所组成。分析各种生物的原生质化学成分,发现它们都是含有碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙

、钠、钾、镁等元素,生物分子并不含不同于地壳元素的任何特殊的元素。但是比较各种生

物分子的原子组成,我们会发现,生物只选择了自然界27种元素,而且都是轻元素。生物中

大多

数元素的原子序数低,只有三种元素的原子序数在34以上。生物体的元素丰富度不同于地壳

。地壳中最丰富的元素是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾和镁,典型的生物体中98%的原子

是碳、氢、氧和氮,1%的主要是钠、钙、磷和硫,再稍次是钾、镁和氯,其余皆以微量

或痕量存在。生物分子对地壳元素的这种选择引起了生物学家的极大兴趣,虽然我们还不能

给以完美的解释,但可以肯定这种选择取决于元素的结构和性质。

生物体内的分子,除了水以外都是含碳的化合物。那么碳原子有什么优秀的特性使得它成为

生物分子的中心呢?第一,碳原子具有不同寻常的成键能力,碳原子和碳原子之间可以单

键、双键、三键等彼此结合,这就有了各种各样的碳链,环状的、线状的或带有支链的。碳

原子还能和许多其他元素,如氧、硫、磷、氮、氢、氯等结合,并进一步与其他元素结合。

碳元素的兼容特点使其成为了地球上元素间的纽带,并产生了庞大的碳化合物家族。现在我

们知道,这一家族的种类达到了一百多万种,这要比其他91种元素彼此结合所能达到的数目

高出10倍以上。第二,当一个碳原子以四个单键和四个原子团结合时,碳原子和四个单键就

形成了一个四面体,四个原子或四个原子团位于四面体的四个顶角上,碳原子位于四面体的

中心。如果四个结合的原子或原子团彼此不同,中心碳原子就是一个不对称的中心,四个结

合基团相对于碳原子的排布就有两种方式,这两种方式之间的关系就像我们的左右手——能

相对重合,但不能重叠。这两种形式用化学方法是分不开的,只能根据光学性质的不同加以

鉴别,化学家称呼它们为光学异构体。

对生物体来说,最重要的碳化合物是蛋白质、核酸、多糖和脂肪。其中,最重要的是蛋白质

和核酸。

蛋白质是构成生命的基本材料,我们日常接触到的鸡蛋和牛奶都富含蛋白质,我们的肌肉、

血液、骨骼、指甲、头发以及各种酶和激素都是蛋白质。蛋白质的组成和结构具有非常大的

变化范围。实际上,生物分子的多样性,主要就是蛋白质的多样性。据估计蛋白质的种类可

达1010~1012种。蛋白质构造了一切细胞和组织,主宰和推动着一切生命活

动。生物催化剂——酶,生物体内所有的

代谢反应都离不开它,比如,我们每天吃饭时,你慢慢咀嚼饭粒一会儿后,就感觉到了甜味

。这主要是因为唾液里的淀粉酶,很快把米饭中淀粉(多糖)催化分解成了麦芽糖。麦芽糖分

解成葡萄糖后,被吸收进入血液成为血糖,血糖便可以在各种酶的催化下,经过复杂的生物

化学反应,为生命活动提供能量。心脏的跳动、肌肉的运动,大脑神经思维活动需要的能

量都从此获得。除此以外,生物体在生长、发育过程中,还有许许多多的生物化学反应,如

脂肪的合成和分解、蛋白质的合成和分解等生物化学反应都是靠酶催化的。酶是一种高效率

且作用专一的生物催化剂,它在生命活动中起着重要的作用,而它的化学本质仍是蛋白质。

核酸是另一类物质,核酸分为DNA和RNA两种,RNA是核糖核酸的的总称,DNA是脱氧核糖核酸

。RNA和DNA的结构极为相似,核酸的主要功能是贮存和传递遗传信息,它和蛋白质之间存

在着密切的联系。生命为什么选择了蛋白质和核酸?这是一个令人费解而又着迷的问题。

科学家推测,在生命发生阶段,被选择的物质并不一定有多么完美,在诞生生命的原始汤里

,它们可能像其他分子一样,非常粗糙,它们单独表现时也并不见得比其他分子有优越性,

但它们却成了生物分子,而且还是生物分子里的主要角色。一个可能的原因,是它们能相互

合作

,能较好地配合,而实现生命活动的有序性。在漫长的进化历程中,也许惟有这种密切合作

的团队精神才能抗衡严酷的地球环境,也才能使分子进化到现在这种相对完美的程度。

然而,我们知道,核酸的合成需要酶,而蛋白质的合成又需要核酸。那么生命之初,到底是

先有核酸,还是先有蛋白质?这样一个类似于“鸡生蛋、蛋生鸡”的问题一直困扰着人们。

蛋白质就其结构和功能而言,不可能起到遗传物质的作用。蛋白质主要由20种氨基酸构成,

这20种氨基酸的形状、大小、侧链都相差很大,况且不能复制。所以,人们认为最初的遗传

物质不是蛋白质,而是核酸。生物的遗传物质不是DNA,就是RNA,二者必居其一。

既然核酸的合成早于蛋白质,那么最初的遗传物质是DNA还是RNA?DNA肯定不是最初的遗传物

质,因为DNA是惰性的,其复制必须由DNA聚合酶来催化,而酶是蛋白质。近年来发现RNA具

有酶活性,很可能在几十亿年以前,具有合成酶活力的RNA起了作用。

科学家把具有酶活性的RNA命名为RNA拟酶,发现比此酶的两位美国科学家因此分享了1989年

度诺贝尔化学奖。

RNA催化功能的发现对于了解生命进化过程有着重大的意义。可以设想,原始生命出现之前

的环境中存有各种各样的核糖核苷酸。在这种条件下,某些核糖核苷酸自发随机连接起来,

成为不长的RNA。其中少数短RNA有酶学活性,能催化自身或其他的RNA的切割—连接反应,

甚至不精确的复制。经过亿万年的选优汰劣,终于出现了RNA世界。

根据从遗传信息到蛋白质合成的过程中RNA的多方面作用(信使分子、转运、构成核糖体),

人们早就推测RNA是生物体系中最早出现的大分子种类。因此RNA催化功能必

然出现在DNA成为遗传信息载体之前。也就是说,在原始生命中遗传信息载体是RNA而不是DN

A。后来,由于DNA的稳定性和空间结构方面的某种优势而取代RNA成为主要的遗传物质,而

最初的RNA被翻译成为蛋白质,且其中某些蛋白质又具备酶学活性。蛋白质酶是比RNA

拟酶更好的酶,前者催化反应精巧而细致,是钥匙和锁的关系;后者相形见绌,是门闩和闩

的关系。因而蛋白质酶取代RNA拟酶成为主要的催化剂。

有了蛋白质酶,就有可能出现反转录酶,把RNA反转录成DNA。有了DNA,才有可能出现高等

生物,才有可能出现人类社会。现今一切细胞,其遗传物质都是DNA而非RNA,这是DNA优于R

NA的又一证据。

然而RNA并没有销声匿迹,一切DNA生物必然伴随有RNA,RNA在微生物界仍保存着很大一片领

地。细菌、植物、动物和人都寄生着种类繁多的RNA病毒。有些RNA病病毒威力强大,如艾滋

毒令人谈虎色变;黄瓜花叶病毒遍布全球,危害各种作物;狂犬病毒几乎侵染一切哺乳动物

。

RNA、蛋白质和DNA三者,虽然“资历”不同,优、缺点各异,但是并不互相“扯皮”,互相

“诋毁”,而是各尽所能,同舟共济。正是这个非线性系统的不断完善、进化和发展,才创

造了独一无二的人类文化。

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