生物的結構

圖3-4中展示了兩種非常典型的晶體結構——金剛石和方解石，它們廣泛存在于一般物質中。

世間萬物大多數是由這樣的物質構成的。如此明顯的規律性一定有其背后的道理，我們可以通過把它們切成小塊來逐步探究其奧秘。放下金剛石不說——因為研究預算肯定不允許我們拿這樣的材料做實驗，我們可以先試著用鑿子和錘子小心翼翼地敲開方解石，使其碎成小塊。令人驚奇的是，每一塊碎塊都保持了原先的形狀——不是尺寸，而是所有邊角和斷面的夾角都相同。我們可以進一步把小塊方解石打成更小的碎片，借助顯微鏡，仍然可以看到同樣的結構，因此可以想見，即使是小得看不見的碎片肯定也具有相同的結構。

方解石被化學家們稱為碳酸鈣，其中包含一個碳酸根（CO3，表示一個碳原子結合三個氧原子，見圖3-5）和一個鈣原子。物理學的解析方法顯示，方解石中眾多的碳酸根和鈣原子呈規則的空間分布，在原子水平形成的夾角跟我們可以握在手里的大塊方解石相同。由此可見，我們見到的該物質的形狀就是這種晶體結構延伸和重復的結果。

宏觀的結構源自規律性排列的微觀結構。

生物的結構由它們的微觀分子結構決定。許多生物的結構看起來與晶體很像，在顯微鏡下展現出規則的形狀。我們之前見過的組織中就有極為規則的細胞排列，所有這些都依賴于其構成物質。

一切生物的細胞和組織都由幾類相同的物質組成。大多數生物的組成部分包括70%～90%的水，生物反應過程很大程度上依賴于水的特性，諸如鈉、鉀、鈣、鎂、氯等鹽類都會溶解在水中。生物的組成部分還包括有機化合物，它們由碳原子結合氫原子、氧原子、氮原子組成，有時還包括硫原子或磷原子。

最簡單的有機分子有甲烷、乙烷和丙烷，主要存在于天然氣和石油中（見圖3-6）。

這些有機分子又被稱作碳氫化合物，由氫原子和碳原子組成。我們可以把這些原子想象成一個個小球，通過共享一對電子——每個原子貢獻一個，形成化學鍵，從而彼此結合。每個鍵在圖中以兩個原子中間的一條線表示。每種元素都有其典型的化合價，即其原子能結合其他原子形成的化學鍵的數量。碳是四價，所以每個碳原子能與四個原子結合，這就派生出了多種原子組合方式和種類繁多的化學分子（見圖3-7，兩條或三條線代表了兩個或三個鍵在一起的情況，即雙鍵或三鍵）。由共享電子構成的鍵是非常牢固的共價鍵，它們的形成或斷裂都會耗費相當多的能量，所以有機分子都比較穩定。另一方面，當這些物質燃燒（氧化）時，共價鍵會被破壞，釋放大量能量，所以這些化合物也是有用的燃料。

在最簡單的有機分子甲烷中，碳原子只與四個氫原子結合。在圖3-7里展示的其他分子中，碳原子會和其他碳原子間形成共價鍵，繼而形成碳-碳鏈，而其他空位則由氫原子填補。碳-碳鏈有時會特別長，石蠟中的碳鏈可能長達30～36個碳原子。碳鏈還可以彎曲，形成大小不一的環，但多樣性更多來自結合的其他基團。羥基（OH，氧連著氫）連在碳鏈上就組成了醇。由兩個氫原子連著一個氮原子組成的氨基（NH2），連在碳鏈上就組成了胺。在更復雜的基團中，氧有時和碳以雙鍵結合（C=O），羧基COOH中就有這種組合，它可以形成有機酸分子。酸是能解離出氫離子的任意化合物，如羧基就可以；離子是帶正電荷或負電荷的原子。

在不同長度的碳鏈或碳環上以各種方式結合這些基團，就可以形成種類繁多的化合物，但構成生物體大半結構的只是其中的一小部分。一些重要的化合物有蛋白質、核酸、碳水化合物和脂類。

脂類主要指我們熟悉的脂肪和油，通常含有16～18個碳原子的長碳氫鏈。它們是弄臟衣服的罪魁禍首，無法用水洗掉。如果一種物質能跟水混合，我們就說它是親水的（即其字面意思，“喜歡水”）；如果一種物質會跟水分開，我們就說它是疏水的。衣服上的油漬必須用干洗劑，用四氯化碳或苯等疏水有機溶劑才能去除。脂類也可以被定義為只溶于疏水溶劑的物質。

除此之外，一些重要生命體的構成物質的突出特點是它們擁有巨大的分子量，如丙烷、苯或葡萄糖之類的小分子物質，其分子量最多只有幾百道爾頓；相比之下，蛋白質、核酸以及其他一些構成細胞的物質被稱作大分子，它們的分子量能達到幾千道爾頓。建材體積碩大是理所應當，畢竟人類也會用巨大的鋼梁、膠合板和石膏板建造建筑。細胞同樣是擁有復雜結構的龐然大物。

大分子的基本結構都相對簡潔。它們都是聚合物，由許多個相近或相同的分子（稱為單體）相連組成（見圖3-8）。

碳水化合物的基本單位都是單糖，它們是一類小分子有機化合物，分子式為C6H12O6。與人們關系比較大的單糖，如葡萄糖、半乳糖和甘露糖的分子結構為環形。它們可以互相聯結形成長鏈，鏈上還可以形成分支。葡萄糖以某種特定的方式（化學家們稱其為β-1，4糖苷鍵）聯結就形成了纖維素（見圖3-9）。

纖維素是植物細胞壁中堅韌的纖維材料，也是木材的主要成分。如果葡萄糖以另一種方式聯結（α-1，4糖苷鍵，還帶有一些1，6糖苷鍵的分支），就成了植物或動物用以儲存能量的物質：淀粉或糖原。其他單糖以各種方式聯結，可以形成果膠或樹膠，它們構成了植物果實的肉質部分。這些聚合物的分子量可達到數千道爾頓，它們有一個共同的名字：多糖；構成它們的單體叫單糖。其他聚合物也都以相似的方法命名，如多聚磷酸。

作為一類重要的聚合物，蛋白質是由氨基酸單體構成的長鏈。之所以叫氨基酸，是因為每一個分子都有一個氨基（NH2）和一個羧基（COOH）。一個氨基酸的羧基和另一個氨基酸的氨基縮合，脫去一個水分子就可使兩個氨基酸分子相連（見圖3-10）。

結合產生的分子（二肽）仍然是一端有一個氨基，另一端有一個羧基，于是第三個氨基酸就可以結合上來形成三肽。這個過程可以無限重復下去，這樣由多個氨基酸聯結形成的分子叫多肽，這也是蛋白質的別稱。典型的蛋白質一般含有至少200～300個首尾相連的氨基酸。因為缺少完整的氨基和羧基，肽鏈上氨基酸的剩余部分被叫作氨基酸殘基。氨基酸的平均分子量約為100道爾頓，300個氨基酸的長鏈分子量就是3萬，這也是大部分蛋白質的分子量。

組成天然蛋白質的氨基酸有20種，它們的區別主要體現為側鏈結構的不同（見表3-1）。這些氨基酸能以任何順序排列，所以細胞可以產生種類繁多的蛋白質，這種多樣性大大超出了人類的理解范圍。肽鏈上的第一個氨基酸就有20種可選，第二個同樣有20種，僅僅是二肽（含兩個氨基酸殘基）就有400（20×20）種可能。三肽有8000種可能，四肽有160000種可能，而一條含有300個氨基酸殘基的肽鏈就有20300種可能。沒有人能想象這是多大的一個數字，所有地球上存在過的生物合成的蛋白質種類數量只是其中很小的一部分。

每種蛋白質都有著獨特的序列，人血紅蛋白A分子（人類血液中攜帶氧氣的紅色物質）的一條鏈就由該序列起始：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-（每種氨基酸都以三個字母的簡寫表示）。正常人的每個血紅蛋白A分子都有這個結構。最簡單的生物體內都有幾千種蛋白質，而像人類這樣的復雜生物則有30000～50000種蛋白質（闡釋人類基因組的研究把蛋白數量定在這個范圍，但事實上仍有很大變數）。每種蛋白質都有著特殊的功能，是生物活動的主力軍，它們負責與生命有關的所有重要工作。

● 蛋白質是酶，可以讓生物體內的一切化學反應迅速且可控地進行。

● 蛋白質是某些重要結構的組成部分：角蛋白構成了頭發、皮膚和羽毛，膠原蛋白構成了軟骨和骨頭。

● 蛋白質構成了肌肉和其他可動結構，如纖毛和鞭毛中的纖維，主要通過互相拉扯產生運動。

● 蛋白質是激素的重要組成部分，負責在體內從一種細胞向另一種細胞傳遞信息。

● 蛋白質可以構成受體，通過與其他分子結合接收信號。激素分子通過與一個受體結合的方式，讓細胞接收激素傳遞的信號。那些能嘗出或聞到味道的受體，能使我們察覺到環境中的小分子并對其做出反應。

● 蛋白質是搬運離子和小分子穿越生物膜的轉運體，這也是我們的神經系統和腎臟等器官執行功能的基礎。

● 蛋白質是調節各種生命活動、保證其按合適的速率運轉的控制元件。

我們可以通過進一步了解蛋白質的功能，來搞清細胞是如何產生和工作的。