书城科普读物探索未知-生命化学趣谈
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第1章 生命的基石

“生命是蛋白体的存在方式,这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。”

这一段话,是恩格斯于1878年在《反杜林论》中作出的一个著名论断。这一光辉的论断,提出了蛋白体是生命的物质基础,生命是物质运动的特殊形式,是蛋白体的存在方式,而且还指出这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。

蛋白质?这是一种什么样的东西?它在生命中真的有那么重要吗?那它又是怎样存在于生命的过程之中呢?

让我们先来看看我们身边的生命世界吧!打破一个生鸡蛋,透明的黏稠的蛋清便流淌出来;滴到锅中的开水中,蛋清很快就煮熟了,变成了细嫩可口的白色的凝固体蛋白,这便是最常见最显眼的生命的一种蛋白质。在我们人体身上,指甲、毛发、皮肤、肌肉、软骨等都是蛋白质构成的,动物的毛皮、犄角是由蛋白质堆砌而成的,就连讨厌的蜘蛛网、柔软光亮的蚕丝都离不开蛋白质。一切的动物、植物、微生物病毒等等,一切的细胞内的原生质、蛋白质都是其中的重要成分。在一切的有机生命体里,和核酸一样,蛋白质是不可缺少的物质,在活的机体的生命过程中,它构成了生命细胞的骨架,还起着许多重要的生理功能效用,难怪第一次于1838年从生物体内提纯了蛋白质的荷兰化学家米尔德,他给蛋白质取名为protein,在希腊文中原意为“最原初的,第一重要的。”

蛋白质在生命过程中的重要性是很容易证实的,德国著名的生物学家、化学家李比希的对照实验便极具说服力。他选了两组实验动物,一组用普通的饲料喂养,另一组则用除去蛋白质的饲料喂养,结果,前一组动物长得壮壮实实、欢蹦乱跳,而后组动物却很快死去了。这是为什么呢?原来生命是离不开蛋白质的,饲料中没有蛋白质,动物又不能利用饲料中的糖、脂肪等营养成分,来有效地合成它们所必需的蛋白质,于是蛋白质在体内得不到补充,生命之花也就因此而枯萎了。这个实验,不仅说明了蛋白质在生命过程中的必要性和重要性,还指出食物中必需含有蛋白质这种营养成分来补充生命活动中蛋白质新陈代谢的需要。

李比希以及别的科学家们经过近10年的努力,对生物体和各种蛋白进行了化学成分的分析测定,结果发现与糖和脂肪不同,蛋白质除了含有约50%的碳元素,7%的氢元素,23%的氧元素外,还含有约16%的氮和少量的约23%的硫及少量磷,有的还含有铁、碘、铜、锌、钼等微量的元素成分。这一分析结果,也说明了蛋白质是糖和脂肪等所不能替代的生命物质,因为糖和脂肪等并不具备除了碳、氢、氧之外的别的必需元素。

这些元素的原子并不是随意地杂乱无章地堆砌起来的。主要的碳、氢、氧、氮、硫等元素,先按一定的方式组成了蛋白质的基本结构单元——氨基酸。

在生物体中发现的氨基酸,有20种常见的不同的R-基团,因而形成了20种常见的氨基酸。就人类而言,人们身体可以自己合成其中的12种常见氨基酸,另外8种则不能自行合成,必须由食物来补充,因而,摄取含有蛋白质的食物,特别是摄取含有多种必需氨基酸营养成分的食物,对身体的健康成长是极为重要的。

生命的蛋白质基石便是由各种氨基酸组合而成的。氨基酸中羧基(—COOH)为尾,氨基(-NH2)为头,一个氨基酸与另一个氨基酸头尾相接,形成了一串长长的链即肽链。蛋白质就是由这些长长的一条或若干条链联结在一块儿组成,这些肽链通过氢键相互缠绕作用,形成了蛋白质独特的三维立体结构,从而赋予了蛋白质特定的生命活动功能。作为一种天然的高分子物质,蛋白质的分子量最小也有几万,大的则有几十、几百甚至几千万,如有些病毒的蛋白质分子量就达4000万。这么高的分子量,便是由为数众多的氨基酸首尾相接连成肽链,再堆砌成特定立体构象而形成的;蛋白质的氨基酸单元数,一般都在500个以上,多的则是成千上万个。

在这里,另一个疑问也可以迎刃而解了。像人类这样的复杂的生命,各种生命结构和生命现象都有对应的蛋白质来体现;这些种类繁多的蛋白质,正是地球上生命种类繁多的物质基础。正是由于每种蛋白质都是由20种常见氨基酸等结构基元按照不同的排列方式组合而成,蛋白质的可能种类便是数目庞大,足以体现生命过程的复杂性与多样性了。

由于生命过程中体内环境的特殊性,人类对于蛋白质在活的生物体内环境中所表现的特殊性质研究尚处于开始阶段。在体外,我们对蛋白质的性质有了初步的了解。

首先,由于氨基与羧基的存在,蛋白质具有一定的酸碱性质,而且氨基酸与氨基酸的化学结合在一定的环境中可以被打断,从而蛋白质能够发生水解反应,被断裂成许多小段甚至是单个的氨基酸分子。这一性质在食物的消化过程中是极为明显的。我们吃进去的蛋白质,在胃、小肠等不同的部位,能够在相应消化液中特殊化学物质的作用下发生断裂,最终经过消化水解而全部形成氨基酸,这样才可以被小肠壁吸收,成为实际上进入人体循环系统的营养成分。除了这些性质之外,我们还知道透明的黏稠的鸡蛋清加热煮熟后会形成白色凝固的蛋白。这个过程,实际上是常温下毫无规律地团在一起的肽链在加热过程中,分子结构变得松散,一条条长链相互交织在一起,从而形成了紧密的网,也就是我们看到的凝固的蛋白了。这种凝结过程,也是蛋白质的一种重要性质,我们称为变性。不仅是加热可以使蛋白质发生变性凝结,紫外线照射、高压、有机试剂,过酸过碱都容易引起蛋白质变性,使它的结构发生变化。生物活性丧失,一些物理化学性质也会发生相应的变化。利用这个变性性质,我们可以用加热或某些消毒剂的方法来使病菌的蛋白质发生变性,从而使它们失去对人或动物的危害活性。另外,煮熟的食物容易消化,也是因为分子结构在变性后变得松散,容易被消化液水解消化。当然,蛋白质在生活着的细胞里的性质,将会与在外界环境中的蛋白质有巨大的差异。

尤其是蛋白质的复杂的重要的生理功能是与它的细微立体构象密切关系的,而这种构象一般只有在细胞的生活环境中保持得最好。因而,现在的科学家对蛋白质的生理功能的研究,往往在生命环境或模拟生命环境中进行,从而得到了更加科学的结果。我们期待着有一天,蛋白质这种生物活性的高分子的一切生理性质都能展现在我们面前,那时,生命的奥秘将不再是那么神秘,因为我们可以说:我们已经完全了解了生命存在的基石!

让我们再来回顾一下蛋白质在我们人类体内的旅行吧,在我们每天摄取的食物之中,有许许多多的植物蛋白或动物蛋白、这是由植物或动物利用它们各自吸收的营养成分合成的。这些植物蛋白或动物蛋白,在经过我们消化系统时,在胃里的消化液——胃液中的蛋白水解酸的作用下分解成一些肽链片段,然后进入肠道;小肠里的胰蛋白酶、肠肽酶再进一步将它们水解,就分解成了单个的各种常见的氨基酸。只有这些小分子的氨基酸才可以被小肠的壁吸收,从而真正进入人体的循环系统。血液将这些营养成分运送到需要它们的地方,我们的组织细胞再将这些氨基酸原料合成为我们需要的具有各种复杂生理功能的新的蛋白质。而我们体内原有的蛋白质就被分解了,变成别的物质,比如变成尿素尿酸排出体外,同时也为我们的生命活动提供了一部分能量,这样,我们体内的蛋白质就完成了新老交替,也就是它自身的新陈代谢过程。

蛋白质的新陈代谢也就是生命的发生、发展、成熟和衰老直到消亡的过程。生长阶段里的生命,摄入体内的营养成分形成的新的蛋白质远多于身体消耗分解的旧的蛋白质,所以我们的身体才能长大,生命力才能更加旺盛,生命活动也就更加强烈。成熟阶段,生命摄入的蛋白质与消耗的蛋白质总量大致平衡,生命也就得以保持旺盛。当摄入体内的蛋白质少于消耗量时,我们的生命也就进入了衰老甚至消亡的过程。这也正是印证了恩格斯的光辉论断:“生命,是蛋白体的存在方式,这种存在方式的本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新!”