生命活動(dòng)中的弱化學(xué)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(xué)作用，它們幾乎參與了細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)過程的每個(gè)方面。本文主要立足于生物化學(xué)功能的角度，比較詳細(xì)地闡述了弱化學(xué)作用在生物分子的維持、生物催化、生物信號(hào)和基因表達(dá)等方面的作用，旨在說明弱化學(xué)作用在生命活動(dòng)中的重要性。

關(guān)鍵詞： 弱化學(xué)作用 生物催化 生物信號(hào) 基因表達(dá)

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(xué)的基本規(guī)律。生物體系中的化學(xué)作用可大致分為兩類：一類是以共價(jià)鍵為主的強(qiáng)化學(xué)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(jià)鍵為主弱化學(xué)作用，包括氫鍵、范德華力、疏水相互作用等。本文并未從化學(xué)角度詳細(xì)闡述上述弱化學(xué)作用的本質(zhì)，而是立足于生物化學(xué)功能的角度，比較詳細(xì)地闡述了弱化學(xué)作用在生物分子的維持、生物催化、生物信號(hào)和基因表達(dá)等方面的作用，旨在說明弱化學(xué)作用在生命活動(dòng)中的重要性。

1.弱化學(xué)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(dòng)的方方面面。從一級(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jià)結(jié)構(gòu)。但是，僅僅有共價(jià)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(xué)作用構(gòu)建起來(lái)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(jià)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(jī)熱能的影響下能折疊纏繞成的空間構(gòu)象幾乎是無(wú)限的，但事實(shí)上，每種生物大分子總是只存在一種特定的具有生物學(xué)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(xué)作用[1]。盡管單獨(dú)的弱化學(xué)鍵強(qiáng)度不大，但大量的弱化學(xué)作用堆積起來(lái)，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(xué)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(jí)結(jié)構(gòu)，例如α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角等，這些二級(jí)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步組合，就逐漸形成空間構(gòu)象更加復(fù)雜的球狀亞基，即蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，某些蛋白質(zhì)還存在四級(jí)結(jié)構(gòu)，即由多個(gè)球狀亞基相互締合，形成更大更復(fù)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(xué)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(xué)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(xué)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。而看似簡(jiǎn)單的單鏈RNA，也在弱化學(xué)鍵的作用下折疊成各種局部的二級(jí)結(jié)構(gòu)，以此完成它的并不簡(jiǎn)單的生物學(xué)使命。

2.弱化學(xué)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(xué)反應(yīng)的總和。生物體內(nèi)如此復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)之所以能夠高度有序地進(jìn)行，是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)無(wú)處不在的一種極為高效的生物催化劑——酶的作用。酶的兩項(xiàng)重要功能：選擇特異性底物和完成催化反應(yīng)都離不開弱化學(xué)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(xué)鍵的形成。酶的活性中心只占整個(gè)酶分子的一小部分，但其功能的發(fā)揮離不開由弱化學(xué)作用構(gòu)建起來(lái)的整個(gè)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(xué)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(jī)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(xué)作用重排出一個(gè)更加適宜的構(gòu)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。酶與底物的這種結(jié)合過程稱為誘導(dǎo)契合。在酶的催化下，某些在體外極難發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，卻可以在溫和的細(xì)胞環(huán)境中高效地進(jìn)行。這是因?yàn)槊阜肿訛檫@些反應(yīng)的進(jìn)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(xué)反應(yīng)的基團(tuán)很少，卻有大量的基團(tuán)通過弱化學(xué)作用為反應(yīng)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(jī)制中，直接參與反應(yīng)的只有Glu■和Asp■，但整個(gè)溶菌酶分子通過弱化學(xué)作用為這兩個(gè)基團(tuán)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(yīng)的順利進(jìn)行。此外，弱化學(xué)作用還參與了一些酶分子活性的調(diào)節(jié)過程?？傊?xì)胞內(nèi)生物催化的實(shí)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(xué)作用[2]。

3.弱化學(xué)作用與生物信號(hào)

生物催化作用使得細(xì)胞內(nèi)紛繁復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)能夠高效有序地進(jìn)行，但是，由于生物體處于復(fù)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(duì)細(xì)胞內(nèi)的代謝活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這個(gè)過程是通過生物信號(hào)的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。激素是最重要的一類生物信號(hào)，人和動(dòng)物的激素是由某些內(nèi)分泌腺合成的，通過血液循環(huán)運(yùn)往全身，并在特定的組織處引發(fā)特定的生理效應(yīng)。由此可見，生物體內(nèi)的各個(gè)組織，都生存在一個(gè)充滿信號(hào)的環(huán)境中，但是這些組織必須對(duì)周圍環(huán)境中的信號(hào)做出篩選，即從胞外復(fù)雜多變的信息流中選擇自己需要的信號(hào)傳遞下去，以啟動(dòng)期待的應(yīng)答。這個(gè)過程是通過配體與受體的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。胞外存在的各種信號(hào)分子都是配體，而這些配體必須首先在特定的靶細(xì)胞表面或靶細(xì)胞內(nèi)找到相應(yīng)的受體，而后才能將它所攜帶的信號(hào)傳遞下去。配體與受體的結(jié)合是一個(gè)由弱化學(xué)作用介導(dǎo)的分子識(shí)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(bǔ)，因此能夠與受體形成比較穩(wěn)定的弱化學(xué)作用，不合適的受體則由于空間效應(yīng)無(wú)法靠近受體，因此無(wú)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(xì)胞能夠有選擇地接收并傳遞針對(duì)自己的信號(hào)，從而避免了生物信號(hào)傳遞的混亂。弱化學(xué)作用在生物信號(hào)傳遞中的另一個(gè)重要作用是它介導(dǎo)了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中許多重要的分子識(shí)別過程。一些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xué)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)組分可在弱化學(xué)作用的維系下結(jié)合成一個(gè)個(gè)巨大的分子支架，成為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的一個(gè)個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，從而介導(dǎo)了細(xì)胞內(nèi)不同信號(hào)通路之間的串?dāng)_及對(duì)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的調(diào)控，使得細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞更加精準(zhǔn)有序[3]。

4.弱化學(xué)作用與基因表達(dá)

一切生命活動(dòng)從根本上是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。基因表達(dá)的核心事件可概括為轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程，但是，為了確保這個(gè)細(xì)胞內(nèi)極其重要的生命活動(dòng)精確可控地進(jìn)行，還有大量的分子生物學(xué)事件伴隨著基因表達(dá)過程的始終，而這些事件無(wú)不依賴于生物大分子之間的弱化學(xué)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(shí)別。順式作用元件是指DNA上位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)附近的一些DNA序列元件，例如啟動(dòng)子、增強(qiáng)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(duì)基因表達(dá)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(yīng)的氫鍵供體和受體，因此以氫鍵為主的弱化學(xué)作用便可介導(dǎo)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(shí)，一個(gè)特定的轉(zhuǎn)錄起始因子TFIID通過將一個(gè)β折疊片段插入DNA雙螺旋的小溝，實(shí)現(xiàn)其與啟動(dòng)子序列的結(jié)合[4]。在這之后，在大量的弱化學(xué)作用的幫助下，RNA聚合酶和其他轉(zhuǎn)錄起始因子便在啟動(dòng)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(jìn)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(xué)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(xué)作用募集其他因子，逐漸開始對(duì)原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)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(gè)“內(nèi)含子剪接”的加工過程。剪接過程的化學(xué)反應(yīng)十分簡(jiǎn)單，就是兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，但是，這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)離不開依靠弱化學(xué)作用裝配起來(lái)的龐大剪接復(fù)合體，以及由它創(chuàng)造的適宜轉(zhuǎn)酯反應(yīng)進(jìn)行的微環(huán)境。

蛋白質(zhì)的翻譯過程較RNA的轉(zhuǎn)錄更加復(fù)雜，因?yàn)樗枰獙?個(gè)字母的核苷酸語(yǔ)言解碼為20個(gè)字母的氨基酸語(yǔ)言，而在這個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換中，弱化學(xué)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(zhǎng)的RNA鏈，卻折疊成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)以適應(yīng)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(yùn)到由mRNA上的密碼子指定的位點(diǎn)，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(duì)，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(xué)作用執(zhí)行兩項(xiàng)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(gè)結(jié)合氨基酸的催化口袋，由于弱化學(xué)作用的存在，正確的氨基酸與這個(gè)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(jī)制在面對(duì)形狀大小都差不多的兩個(gè)氨基酸時(shí)，就不再那么靈敏了。例如，纈氨酸和異亮氨酸都可以進(jìn)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(duì)較小，可以再進(jìn)入異亮氨酰-tRNA合成酶的另一個(gè)編輯口袋，而異亮氨酸則由于體積較大而無(wú)法進(jìn)入這個(gè)口袋，纈氨酸進(jìn)入這個(gè)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(jī)制來(lái)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(xiàng)篩選是將已經(jīng)選好的氨基酸連接到相應(yīng)的tRNA分子上。氨酰-tRNA合成酶能夠識(shí)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(shí)別，科學(xué)家將氨酰-tRNA合成酶識(shí)別tRNA的規(guī)律稱為第二套遺傳密碼，這套遺傳密碼遠(yuǎn)比第一套遺傳密碼復(fù)雜，人們至今還無(wú)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(xué)作用。

多肽鏈的合成是在核糖體上進(jìn)行的。核糖體是由RNA和蛋白質(zhì)組裝而成的超分子機(jī)器，核糖體組分之間普遍存在的弱化學(xué)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(gè)重要的活性位點(diǎn)，使多肽鏈合成時(shí)的進(jìn)位、轉(zhuǎn)肽、移位反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。多肽鏈合成后需被運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)特定的位點(diǎn)。某些多肽鏈在開始合成后不久，就在信號(hào)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(jī)制稱為共翻譯運(yùn)輸。在共翻譯運(yùn)輸中，新生的肽鏈通過一種特殊的機(jī)制被引導(dǎo)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(jìn)行進(jìn)一步加工，最終被送入細(xì)胞的特定場(chǎng)所或分泌到細(xì)胞外，這些過程都離不開弱化學(xué)作用的支持。其他有些多肽鏈則是在細(xì)胞質(zhì)中游離的核糖體上合成的，而后再在特定信號(hào)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(yùn)輸。根據(jù)攜帶信號(hào)序列的不同，翻譯后運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)或者被插入線粒體或葉綠體膜，或者進(jìn)入線粒體或葉綠體基質(zhì)，也或者進(jìn)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(xué)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(yùn)向特定的部位，弱化學(xué)作用在基因表達(dá)的全過程中無(wú)處不在，它們是維持基因表達(dá)過程順利有序進(jìn)行的重要力量。

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