生命活動中的弱化學作用

摘 要： 氫鍵、范德華力、疏水相互作用是生命體系中廣泛存在的幾種弱化學作用，它們幾乎參與了細胞內(nèi)生物化學過程的每個方面。本文主要立足于生物化學功能的角度，比較詳細地闡述了弱化學作用在生物分子的維持、生物催化、生物信號和基因表達等方面的作用，旨在說明弱化學作用在生命活動中的重要性。

關(guān)鍵詞： 弱化學作用 生物催化 生物信號 基因表達

生命世界是由元素及其化合物組成的物質(zhì)世界，生命世界的結(jié)構(gòu)體系符合化學的基本規(guī)律。生物體系中的化學作用可大致分為兩類：一類是以共價鍵為主的強化學鍵，例如連接葡萄糖分子的糖苷鍵，連接甘油和脂肪酸分子的酯鍵，連接氨基酸分子的肽鍵，以及連接核苷酸分子的磷酸二酯鍵等。另一類則是以非共價鍵為主弱化學作用，包括氫鍵、范德華力、疏水相互作用等。本文并未從化學角度詳細闡述上述弱化學作用的本質(zhì)，而是立足于生物化學功能的角度，比較詳細地闡述了弱化學作用在生物分子的維持、生物催化、生物信號和基因表達等方面的作用，旨在說明弱化學作用在生命活動中的重要性。

1.弱化學作用與生物分子的維持

蛋白質(zhì)和核酸是最重要的生物大分子，其作用涉及生命活動的方方面面。從一級結(jié)構(gòu)看，蛋白質(zhì)是由許許多多氨基酸通過肽鍵連接而成的長鏈，有些蛋白可能帶有不止一條氨基酸鏈。核酸則是由核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成的長鏈，其中DNA是雙鏈，RNA是單鏈。肽鍵和磷酸二酯鍵構(gòu)筑起蛋白質(zhì)和核酸的共價結(jié)構(gòu)。但是，僅僅有共價結(jié)構(gòu)，這些分子還不能真正表現(xiàn)出生物活性，它們的生物活性依賴于由大量弱化學作用構(gòu)建起來的特定的空間構(gòu)象。理論上，由于構(gòu)筑生物大分子的許多共價鍵都在一定程度上允許連接在它們上的原子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此這些大分子在隨機熱能的影響下能折疊纏繞成的空間構(gòu)象幾乎是無限的，但事實上，每種生物大分子總是只存在一種特定的具有生物學活性的天然構(gòu)象，這得益于這些分子中廣泛存在的弱化學作用[1]。盡管單獨的弱化學鍵強度不大，但大量的弱化學作用堆積起來，造就了生物大分子最為適宜的空間形態(tài)，使它們能夠維持自身的穩(wěn)定并順利地執(zhí)行生物學功能。由肽鍵串聯(lián)起的多肽鏈按照一定的順序盤曲折疊，就形成多肽鏈特定的二級結(jié)構(gòu)，例如α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角等，這些二級結(jié)構(gòu)的進一步組合，就逐漸形成空間構(gòu)象更加復雜的球狀亞基，即蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)，某些蛋白質(zhì)還存在四級結(jié)構(gòu)，即由多個球狀亞基相互締合，形成更大更復雜的多亞基聚合體。只有形成特定的空間構(gòu)象，蛋白質(zhì)才能執(zhí)行它的生理功能，而這種構(gòu)象的形成和穩(wěn)定都需要弱化學作用的維持。由磷酸二酯鍵串聯(lián)起的多聚核苷酸鏈，也需要在弱化學作用的維系下形成特定的構(gòu)象。例如DNA的雙螺旋構(gòu)象，是它執(zhí)行各種生物學功能的結(jié)構(gòu)基礎。而看似簡單的單鏈RNA，也在弱化學鍵的作用下折疊成各種局部的二級結(jié)構(gòu)，以此完成它的并不簡單的生物學使命。

2.弱化學作用與生物催化

生物最基本的特征是新陳代謝，新陳代謝是生物體內(nèi)全部化學反應的總和。生物體內(nèi)如此復雜的化學反應之所以能夠高度有序地進行，是因為細胞內(nèi)無處不在的一種極為高效的生物催化劑——酶的作用。酶的兩項重要功能：選擇特異性底物和完成催化反應都離不開弱化學鍵的作用。酶分子的活性中心包括底物結(jié)合部位和催化部位兩部分，前者決定酶結(jié)合底物的專一性，后者催化新化學鍵的形成。酶的活性中心只占整個酶分子的一小部分，但其功能的發(fā)揮離不開由弱化學作用構(gòu)建起來的整個酶分子的空間構(gòu)象。底物通常結(jié)合到酶分子表面的特定口袋中，這種特異性的口袋是由弱化學作用維系的，它具有極高的分辨能力，可以順利區(qū)分兩種相同氨基酸的旋光異構(gòu)體。酶與底物的結(jié)合也不是機械的靠近，而是需要酶分子，或者某些情況下酶分子和底物分子都改變自身的構(gòu)象，通過弱化學作用重排出一個更加適宜的構(gòu)象來實現(xiàn)。酶與底物的這種結(jié)合過程稱為誘導契合。在酶的催化下，某些在體外極難發(fā)生的化學反應，卻可以在溫和的細胞環(huán)境中高效地進行。這是因為酶分子為這些反應的進行創(chuàng)造了極其有利的微環(huán)境。許多酶分子中，直接參與化學反應的基團很少，卻有大量的基團通過弱化學作用為反應的發(fā)生創(chuàng)造條件或者是用于維持酶分子自身構(gòu)象的穩(wěn)定。例如在溶菌酶的催化機制中，直接參與反應的只有Glu■和Asp■，但整個溶菌酶分子通過弱化學作用為這兩個基團創(chuàng)造了極其有利的微環(huán)境，使得Glu■位于非極性區(qū)而Asp■位于極性區(qū)，這有利于活性中心的穩(wěn)定和催化反應的順利進行。此外，弱化學作用還參與了一些酶分子活性的調(diào)節(jié)過程?？傊毎麅?nèi)生物催化的實現(xiàn)離不開酶分子本身及酶分子與底物分子或其他分子之間的弱化學作用[2]。

3.弱化學作用與生物信號

生物催化作用使得細胞內(nèi)紛繁復雜的化學反應能夠高效有序地進行，但是，由于生物體處于復雜多變的環(huán)境中，因此需要經(jīng)常根據(jù)環(huán)境的變化而對細胞內(nèi)的代謝活動進行調(diào)節(jié)，這個過程是通過生物信號的傳遞來實現(xiàn)的。激素是最重要的一類生物信號，人和動物的激素是由某些內(nèi)分泌腺合成的，通過血液循環(huán)運往全身，并在特定的組織處引發(fā)特定的生理效應。由此可見，生物體內(nèi)的各個組織，都生存在一個充滿信號的環(huán)境中，但是這些組織必須對周圍環(huán)境中的信號做出篩選，即從胞外復雜多變的信息流中選擇自己需要的信號傳遞下去，以啟動期待的應答。這個過程是通過配體與受體的結(jié)合來實現(xiàn)的。胞外存在的各種信號分子都是配體，而這些配體必須首先在特定的靶細胞表面或靶細胞內(nèi)找到相應的受體，而后才能將它所攜帶的信號傳遞下去。配體與受體的結(jié)合是一個由弱化學作用介導的分子識別過程。合適的配體由于在分子性狀上與受體表面的某些區(qū)域互補，因此能夠與受體形成比較穩(wěn)定的弱化學作用，不合適的受體則由于空間效應無法靠近受體，因此無法與受體結(jié)合。配體與受體的結(jié)合具有重要的意義，它使得不同的細胞能夠有選擇地接收并傳遞針對自己的信號，從而避免了生物信號傳遞的混亂。弱化學作用在生物信號傳遞中的另一個重要作用是它介導了信號轉(zhuǎn)導中許多重要的分子識別過程。一些信號轉(zhuǎn)導過程中的關(guān)鍵組分帶有某些特殊的結(jié)構(gòu)域，例如SH■結(jié)構(gòu)域、SH■結(jié)構(gòu)域等，這些結(jié)構(gòu)域可通過弱化學作用與其他某些結(jié)構(gòu)域結(jié)合。帶有上述結(jié)構(gòu)域的信號轉(zhuǎn)導組分可在弱化學作用的維系下結(jié)合成一個個巨大的分子支架，成為細胞信號轉(zhuǎn)導通路中的一個個重要的節(jié)點，從而介導了細胞內(nèi)不同信號通路之間的串擾及對細胞信號轉(zhuǎn)導過程的調(diào)控，使得細胞內(nèi)的信號傳遞更加精準有序[3]。

4.弱化學作用與基因表達

一切生命活動從根本上是基因選擇性表達的結(jié)果。基因表達的核心事件可概括為轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程，但是，為了確保這個細胞內(nèi)極其重要的生命活動精確可控地進行，還有大量的分子生物學事件伴隨著基因表達過程的始終，而這些事件無不依賴于生物大分子之間的弱化學作用。

轉(zhuǎn)錄的起始首先需要順式作用元件和反式作用因子間的相互識別。順式作用元件是指DNA上位于轉(zhuǎn)錄起點附近的一些DNA序列元件，例如啟動子、增強子、弱化子等。反式作用因子是能與特定的順式作用元件結(jié)合，對基因表達起調(diào)控作用的蛋白質(zhì)，例如數(shù)量眾多的轉(zhuǎn)錄因子等。順式作用元件在結(jié)構(gòu)上是雙螺旋狀態(tài)的DNA片段，這些雙螺旋DNA的大溝和小溝中存在著大量的氫鍵受體和供體，而作為反式作用因子的蛋白質(zhì)分子的特定區(qū)域又帶有相應的氫鍵供體和受體，因此以氫鍵為主的弱化學作用便可介導順式作用元件與反式作用因子的結(jié)合。例如真核生物在轉(zhuǎn)錄尚未開始時，一個特定的轉(zhuǎn)錄起始因子TFIID通過將一個β折疊片段插入DNA雙螺旋的小溝，實現(xiàn)其與啟動子序列的結(jié)合[4]。在這之后，在大量的弱化學作用的幫助下，RNA聚合酶和其他轉(zhuǎn)錄起始因子便在啟動子周圍聚集并組裝，轉(zhuǎn)錄便因此而起始。

在轉(zhuǎn)錄的過程中，RNA聚合酶通過催化磷酸二酯鍵的形成，不斷地向正在延伸的新生RNA鏈中添加核糖核苷酸。不斷前進的RNA聚合酶也被大量的轉(zhuǎn)錄因子包圍，這些轉(zhuǎn)錄因子一方面通過弱化學作用為RNA聚合酶創(chuàng)造了良好的微環(huán)境，提高了轉(zhuǎn)錄效率，另一方面通過弱化學作用募集其他因子，逐漸開始對原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進行加工。由于真核生物的基因是不連續(xù)的，編碼蛋白質(zhì)的外顯子被不編碼蛋白質(zhì)的內(nèi)含子隔開，因子真核轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需要經(jīng)歷一個“內(nèi)含子剪接”的加工過程。剪接過程的化學反應十分簡單，就是兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)酯反應，但是，這個過程的實現(xiàn)離不開依靠弱化學作用裝配起來的龐大剪接復合體，以及由它創(chuàng)造的適宜轉(zhuǎn)酯反應進行的微環(huán)境。

蛋白質(zhì)的翻譯過程較RNA的轉(zhuǎn)錄更加復雜，因為它需要將4個字母的核苷酸語言解碼為20個字母的氨基酸語言，而在這個復雜的轉(zhuǎn)換中，弱化學作用也起到了至關(guān)重要的作用。tRNA是翻譯過程中的信息解碼器，tRNA本身是一段不長的RNA鏈，卻折疊成復雜的空間結(jié)構(gòu)以適應它的各種功能。在翻譯過程中，tRNA的作用是將自身攜帶著的氨基酸分子搬運到由mRNA上的密碼子指定的位點，在這里氨基酸可以摻入正在延伸的多肽鏈中。tRNA上的反密碼子通過氫鍵與mRNA上的密碼子配對，并因此將mRNA上的密碼子順序轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯逆溨械陌被犴樞?。在tRNA執(zhí)行它的使命之前，首先需要氨酰-tRNA合成酶將特定的氨基酸連接到特定的tRNA上。氨酰-tRNA合成酶需要借助弱化學作用執(zhí)行兩項篩選功能。第一，它需要選擇并結(jié)合正確的氨基酸。氨酰-tRNA合成酶分子上有一個結(jié)合氨基酸的催化口袋，由于弱化學作用的存在，正確的氨基酸與這個催化口袋結(jié)合的能力明顯高于其他氨基酸，這使得正確的氨基酸能夠優(yōu)先與合成酶結(jié)合。但是，這種篩選機制在面對形狀大小都差不多的兩個氨基酸時，就不再那么靈敏了。例如，纈氨酸和異亮氨酸都可以進入異亮氨酰-tRNA合成酶的催化口袋，但是，在隨后的步驟中，纈氨酸由于體積相對較小，可以再進入異亮氨酰-tRNA合成酶的另一個編輯口袋，而異亮氨酸則由于體積較大而無法進入這個口袋，纈氨酸進入這個口袋后將被水解掉。由此可見，氨酰-tRNA合成酶通過如此精密的機制來確保它所攜帶的是正確的氨基酸。氨酰-tRNA合成酶執(zhí)行的第二項篩選是將已經(jīng)選好的氨基酸連接到相應的tRNA分子上。氨酰-tRNA合成酶能夠識別一組同工tRNA，這可能涉及氨酰-tRNA合成酶與tRNA分子某些空間結(jié)構(gòu)的識別，科學家將氨酰-tRNA合成酶識別tRNA的規(guī)律稱為第二套遺傳密碼，這套遺傳密碼遠比第一套遺傳密碼復雜，人們至今還無法破譯，但可以確定，在這里起主要作用的，仍然是酶與tRNA分子間的弱化學作用。

多肽鏈的合成是在核糖體上進行的。核糖體是由RNA和蛋白質(zhì)組裝而成的超分子機器，核糖體組分之間普遍存在的弱化學作用，不但穩(wěn)定了核糖體的結(jié)構(gòu)，而且在核糖體的大小亞基接觸面上創(chuàng)造出了幾個重要的活性位點，使多肽鏈合成時的進位、轉(zhuǎn)肽、移位反應能夠順利進行。多肽鏈合成后需被運送到細胞內(nèi)特定的位點。某些多肽鏈在開始合成后不久，就在信號肽的作用下轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中一邊繼續(xù)合成一邊開始加工，這樣的機制稱為共翻譯運輸。在共翻譯運輸中，新生的肽鏈通過一種特殊的機制被引導入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中逐漸折疊出特定的空間結(jié)構(gòu)，而后再被送入高爾基體進行進一步加工，最終被送入細胞的特定場所或分泌到細胞外，這些過程都離不開弱化學作用的支持。其他有些多肽鏈則是在細胞質(zhì)中游離的核糖體上合成的，而后再在特定信號序列的作用下轉(zhuǎn)移至線粒體或者葉綠體中，這稱為翻譯后運輸。根據(jù)攜帶信號序列的不同，翻譯后運輸?shù)牡鞍踪|(zhì)或者被插入線粒體或葉綠體膜，或者進入線粒體或葉綠體基質(zhì)，也或者進入線粒體或葉綠體的膜間隙中，而這些蛋白質(zhì)的分選行為，也離不開弱化學作用。由此可見，從特定的DNA片段開始轉(zhuǎn)錄，直到新合成的多肽鏈折疊完成并運向特定的部位，弱化學作用在基因表達的全過程中無處不在，它們是維持基因表達過程順利有序進行的重要力量。

參考文獻：

[1][美]艾伯茨，等.張新躍，等譯.細胞的分子生物學[M].北京：科學出版社，2008.

[2]王鏡巖，朱圣庚，徐長法，等.生物化學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]王金發(fā).細胞生物學[M].北京：科學出版社，2003.

[4][美]沃森，等.楊煥明，譯.基因的分子生物學[M].北京：科學出版社，2009.