第三節
蛋白質催化原核生物

在第一章第四節中我們曾經提到，RNA可能是最早的生命分子。它能夠催化自己的形成，能夠催化蛋白質的形成，還可以用它的核苷酸順序來儲存信息，所以RNA很可能就是地球上生命的“起始分子”。在分子之間的相互協作關系尚未建立的條件下，RNA分子的這種“一物多能”對于最初的生命看來是必要的。但是正是由于“一物多能”，RNA分子的這些優點同時也就是它的缺點。一個缺點就是它的催化效率比較低。例如RNA可以相當于現在細胞所使用的RNA聚合酶（由蛋白質組成），用單鏈RNA為模板合成新的RNA分子。但是它催化RNA合成的速度很慢，一個叫核酶B6.61的RNA要為新的RNA分子添加20個核苷酸，需要24小時。相比之下，大腸桿菌的RNA合成酶每秒鐘可以添加2000個核苷酸，比B6.61快1.8億倍！

RNA的另一個缺點是它能夠催化的化學反應種類有限。它的大部分催化功能都是對RNA分子的加工，例如剪接、合成和自我復制。而生命活動是非常復雜的，細胞中的化學反應有幾千種，光是把葡萄糖氧化成二氧化碳和水，就要經過數十個步驟，而且幾乎每一步都需要催化，而RNA是沒有這個能力的。RNA只由4種核苷酸組成，雖然能夠通過分子內核苷酸的堿基配對形成各種空間結構，但是由于RNA的組成成分相對簡單，這些結構的復雜程度有限，能夠催化的化學反應的種類也比較少。如果只靠RNA自己，也許可以形成一個能夠自我維持的“RNA世界”，但是不會有我們現在所見的多姿多彩的生命世界。

幸運的是，在RNA有限的催化能力中，“碰巧”有一個非常關鍵的能力，就是能夠把氨基酸分子連在一起，形成類似蛋白質的物質。這可是一個了不得的事情，因為蛋白質的催化能力比RNA強多了。不僅催化的速度快，而且能夠催化的化學反應的類型幾乎無窮無盡，這才使得地球上生命的發展成為可能。如果當初沒有這個“碰巧”，也許地球上就沒有我們現在所見的生命了。蛋白質為什么有這么大的本事呢？這就要從組成蛋白質的氨基酸說起。

氨基酸（amino acids）有一個由數個碳原子線性相連組成的“骨架”，上面連有一個帶堿性的氨基（—NH₂）和一個帶酸性的羧基（—COOH，中間的兩個氧原子都連在左邊的碳原子上），所以叫做氨基酸。按照連接氨基的碳原子相對于羧基的位置（第一個、第二個、第三個），氨基酸可以分別稱為α-氨基酸、β-氨基酸和γ-氨基酸（圖2-2）。

除了氨基和羧基，碳鏈上還可以連上其他功能基團，例如羥基（—OH）、巰基（—SH）、苯基、第二個氨基、第二個羧基等，或者只連上氫原子。這些不同的基團和氫原子賦予氨基酸以不同的性質。目前已知的氨基酸有600多種。在生命出現以前，宇宙中的化學反應就可以形成各式各樣的氨基酸（見第一章第二節）。

也許是由于RNA最初把氨基酸連起來時，只能使用α-氨基酸，即氨基和羧基連在同一個碳原子上的氨基酸，所以現在生物體內的蛋白質，都是由α-氨基酸組成的，而且通過生物的選擇和淘汰，最后留下20種α-氨基酸來組成蛋白質，這就是丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、賴氨酸、精氨酸、甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、組氨酸、色氨酸、脯氨酸。從原核生物選定了這20種氨基酸之后，就再也沒有變過。包括人在內的所有生物都使用這些氨基酸，說明原核生物已經做了最佳選擇。

一個氨基酸分子上的羧基可以和另一個氨基酸上面的氨基反應，在脫去一個水分子后彼此相連，這樣形成的化學鍵叫做肽鍵（peptide bond）。幾十個到幾百個氨基酸線性相連，就形成了肽鏈（peptide chain），蛋白質就是由肽鏈組成的。由于氨基酸在組成蛋白質分子時都丟掉了一個羥基和一個氫原子（兩端的氨基酸除外），所以蛋白質分子中的氨基酸被稱為氨基酸殘基（residue）。在蛋白質兩端的氨基酸中，一個保留了氨基，叫做蛋白質的氨基端（amino-terminal或者N-terminus），另一個保留了羧基，叫蛋白質的羧基端（carboxyl-terminal 或者C-terminus）（圖2-3 ）。

由20種氨基酸組成的蛋白質，根據各種氨基酸在蛋白質分子里面的排列方式，可以組成種類極為龐大的蛋白質分子。多數蛋白質由數百個氨基酸組成，即使蛋白質只由100個氨基酸單位組成，能夠生成的蛋白質在理論上也有20¹⁰⁰種，超出整個宇宙中的原子數！這數量如此眾多的蛋白質中，總會有一些能夠催化生命活動所需要的蛋白質分子。蛋白質是怎么做到這一點的呢？

這是因為不同的氨基酸含有不同的側鏈。α-氨基酸的基本構造都相同，就是中心碳原子上連上一個氨基和一個羧基，但是不同的氨基酸有不同的側鏈。氨基酸彼此線性相連形成蛋白質分子的長鏈時，氨基酸中的側鏈就橫向伸出，好像一根長繩子上等距離地伸出的短繩子。這些側鏈長短和形狀不同，性質各異。有的帶正電（例如賴氨酸，精氨酸，組氨酸），有的帶負電（例如谷氨酸，天冬酰胺），有的親水（例如半胱氨酸，絲氨酸，甲硫氨酸，酪氨酸），有的親脂（例如丙氨酸，苯丙氨酸，亮氨酸，異亮氨酸）。由于肽鏈中碳原子之間，以及碳原子與氮原子之間，都以單鍵相連，這些原子都可以相互轉動（見第一章第一節），所以肽鏈是高度柔順的，像細線一樣可以彎曲成為無數種形狀。由于側鏈的親水性和親脂性不同，在水溶液中，不帶電的親脂側鏈“不受歡迎”，就像油與水不能混溶一樣，只好彼此聚在一起，“藏”在蛋白質分子的內部。而帶電的親水側鏈由于能與水分子“親密相處”，就位于蛋白質分子的外面，包裹著“油性”的內核。這個過程也就把蛋白質分子“長繩子”“卷”成有一定形狀的立體分子。根據側鏈的種類和它們的排列順序，蛋白質分子可以有各種不同的形狀，表面電荷的分布情況也不同。許多蛋白質分子上還有“溝槽”和“凹坑”（圖2-4）。

肽鏈在折疊的過程中，還可以先形成一些局部結構。由于肽鍵—CO—NH—（圖2-3）中氧原子帶一些負電，與氮原子相連的氫原子帶一些正電，肽鍵中的氧原子就可以與相隔兩個肽鍵的第3位肽鍵上的氫原子之間相互吸引，形成氫鍵，使肽鏈的一段或者多段卷曲成螺旋狀，叫做α-螺旋（α-helix）。肽鏈也可以彎回來，彼此平行，平行的肽鏈之間也可以在肽鍵之間形成氫鍵，形成有皺褶的片狀結構，叫做β-折疊（β-sheet）（圖2-5）。在整個肽鏈卷曲成為蛋白質的三維結構時，α-螺旋和β-折疊上伸出來的親脂側鏈彼此靠近，與肽鏈的其他部分伸出的親脂側鏈一起，位于分子的內部，這些部分伸出的親水側鏈則位于分子的外部。

蛋白質憑借表面電荷的分布情況和空間形狀，就可以和形狀、電荷分布與之互補的分子結合。這個分子突起的地方，蛋白質就有一個凹坑與之對應，這個分子凹進去的地方，蛋白質在對應的地方就突起。這就像過去皇帝調兵時用的“虎符”，兩半的形狀要完全對得上。除了空間形狀要匹配，電荷分布也要匹配。這個分子帶正電的地方，蛋白質在對應的地方就帶負電；這個分子帶負電的地方，蛋白質的對應部位就帶正電。這個分子不帶電的地方，蛋白質對應的地方也不帶電。這樣形狀加電荷匹配，蛋白質就可以在細胞里面千千萬萬種分子當中，找到能夠與自己特異作用的分子，例如胰蛋白酶（trypsin）和它要水解的蛋白質分子之間的特異結合，以及胰島素與細胞表面的胰島素受體之間的結合（圖2-6）。

蛋白質結合特定的分子之后，如果蛋白質還能夠幫助化學反應的發生，這個蛋白質就有催化功能而被稱之為酶（enzyme）。被催化的反應物分子就叫做底物（substrate）。過去認為酶都是蛋白質。在RNA的催化性能被發現以后，具有催化功能的RNA也被稱為酶（見第一章第四節）。所以現在酶的概念是指能夠催化化學反應的生物物質。

酶是怎樣催化化學反應的呢？化學反應要破壞分子中原來的一些化學鍵，形成新的化學鍵。例如在蛋白質的合成中，要破壞氨基（—NH2）上氮原子和其中一個氫原子之間的化學鍵，破壞羧基（—COOH）中碳原子和羥基（—OH）之間的化學鍵，去掉了羥基的羧基和去掉一個氫原子的氨基彼此結合，就形成了肽鍵（—CONH—），而脫下來的羥基和氫原子則彼此結合形成水分子（見圖2-3）。在蛋白質被消化成氨基酸時，相反的反應發生，水分子中氧原子和一個氫原子之間的化學鍵被破壞，肽鍵也被破壞，重新恢復氨基和羧基。這就是蛋白質的水解（hydrolysis）。

但是破壞化學鍵是需要能量的。破壞一個共價鍵（由電子分享形成的化學鍵）需要每摩爾數百千焦（kJ）的能量。而在室溫下，分子熱運動的能量只有約1.3千焦，不足以破壞共價鍵。所以蛋白質在水中不會自動水解，葡萄糖在水中也不會自動分解。但是如果它們結合在酶分子上，通過酶分子上氨基酸的側鏈與底物分子上有關的原子相互作用，將化學反應分為幾步，每一步需要的能量都比較少，破壞化學鍵所需要的能量就可以通過分子熱運動的能量來供給，化學反應也就可以在室溫或體溫下進行了。從這個意義上講，酶分子上面的這些側鏈有點像外科醫生的手術刀，可以對反應物分子進行“手術”。我們吃飯后消化食物，葡萄糖在細胞內被氧化成水和二氧化碳，都是酶催化的結果。通過酶的催化作用，化學反應的速度可以提高上百萬倍甚至上億倍。

在有的化學反應中，例如和電子傳遞有關的氧化還原反應，即使20種側鏈也無能為力了，這時候蛋白質就會去“搬救兵”，結合一些金屬原子或者一些非蛋白的化合物，讓它們參與催化反應。這些結合在酶分子上，幫助酶催化反應的物質就叫做輔基（prosthetic group）。例如催化氧化還原反應的酶常常用鐵和硫形成的鐵硫中心（iron-sulfur center）作為輔基；給分子加上氧原子的細胞色素P450含有血紅素（heme）輔基（圖2-7）；固氮酶含有鐵原子或者鉬原子加鐵原子等。許多金屬原子在非生物的環境中就有催化作用，例如鐵、鈷、鎳、銅、鉬就在化學工業中被廣泛用作催化劑。在宇宙中，有機物的形成也與這些非蛋白質的催化劑有關，酶只不過把一些具有催化作用的金屬原子拿過來，收入自己的“武器庫”而已。有了輔基的幫助，酶能夠催化的反應類型幾乎是無限的。

正是由于原核生物利用蛋白質來催化絕大多數的化學反應，它們才有如此強大的生命力。而且由于蛋白與底物的結合是高度特異的，每種酶只催化一種反應，而不會“多管閑事”，去干涉其他的化學反應，生物體內的化學反應才可以精確有控地進行。原核生物用蛋白質來取代RNA的催化作用，具有重大意義，是原核生物建立的“功勛”之一。從原核生物到高等動物再到人，都毫無例外地使用蛋白質來催化絕大多數的生命活動。可以說，沒有蛋白質就沒有現代意義上的生命，這說明原核生物當初的選擇是完全正確的。