第二節(jié)　蛋白質(zhì)變成生命活動(dòng)的執(zhí)行者

原核生物最大的貢獻(xiàn)，就是把生命從RNA唱主角的世界轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)唱主角的世界。這個(gè)轉(zhuǎn)變的意義極為重大，導(dǎo)致了地球上后來所有生命形式的出現(xiàn)。它發(fā)生的方式也非常精彩，值得用稍微多一點(diǎn)的篇幅來敘述這個(gè)過程。

蛋白質(zhì)分子的強(qiáng)大功能

RNA是唯一能夠自己復(fù)制自己的分子，在分子之間的配合還很缺乏，各種分子必須單獨(dú)作戰(zhàn)時(shí)，只能由RNA來擔(dān)當(dāng)創(chuàng)始生命先鋒的角色。但是僅由細(xì)胞膜和RNA組成的生命還過于簡(jiǎn)單，甚至還不能正式被稱為生命。這主要是因?yàn)镽NA雖然能夠催化自己的形成，但是催化其他化學(xué)反應(yīng)的能力卻有限，不能合成即使是原核生物這類最簡(jiǎn)單的生物所需要的各種分子，例如，組成核苷酸的嘌呤、嘧啶和核糖，以及組成最初細(xì)胞膜的脂肪酸，這些分子的供給還必須依靠緩慢的自然形成過程。在這種情況下，無論是RNA自身的增殖還是新細(xì)胞膜的形成，都會(huì)受到極大的限制，更不要說擁有后來原核生物多姿多彩的生活。

之所以RNA的催化能力有限，是因?yàn)镽NA只是由4種核苷酸組成的分子，雖然能夠通過堿基配對(duì)結(jié)合核苷酸，但是結(jié)合其他分子的能力就比較弱，也就是難以形成加工其他分子的“工作臺(tái)”。4種堿基能夠參與的化學(xué)反應(yīng)也有限，相當(dāng)于對(duì)其他分子進(jìn)行加工的工具也不多。

但是由20種氨基酸組成的蛋白質(zhì)分子可就不一樣了。氨基酸，顧名思義，是含有氨基（—NH₂）的酸性分子，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)還含有一個(gè)帶酸性的羧基。在生物使用的氨基酸中，氨基和羧基都連在氨基酸分子中的同一個(gè)碳原子（阿爾法碳原子）上。一個(gè)氨基酸分子上氨基的氫原子和另一個(gè)氨基酸分子上羧基的羥基結(jié)合，脫離下來形成水分子，羧基和氨基余下的部分相連，形成肽鍵，就可以把許多氨基酸分子串聯(lián)起來，形成肽鏈，其展開時(shí)的形狀像一根長(zhǎng)繩子。肽鏈中具有未用氨基的一端叫作氨基端，具有未用羧基的一端叫作羧基端（圖2-3）。

除了氨基和羧基，阿爾法碳原子上還連有另一個(gè)原子團(tuán)，叫作側(cè)鏈（唯一的例外是甘氨酸，它的側(cè)鏈只是一個(gè)氫原子）。氨基酸連成肽鏈的長(zhǎng)繩子時(shí)，這些側(cè)鏈就向外伸出，像長(zhǎng)繩子上橫向伸出的短繩子。不同的氨基酸所含的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)各異，性質(zhì)也不同，有的親水，有的憎水，有的帶正電，有的帶負(fù)電（圖2-4），好戲就從這里開場(chǎng)了。

肽鏈可以彎曲，繞成各種形狀。憎水的側(cè)鏈由于受到水分子的排斥，彼此聚到一起，而親水的側(cè)鏈由于能夠與水分子親密接觸，從外面包裹聚在一起的憎水側(cè)鏈，這樣就把肽鏈卷成一個(gè)球形，成為有生理功能的分子，叫作蛋白質(zhì)。由于有20種側(cè)鏈，而且在不同的蛋白質(zhì)分子中，氨基酸的數(shù)目和排列情況都不同，蛋白質(zhì)分子就可以卷成千千萬萬種形狀（圖2-3下）。

有了千千萬萬種形狀，就可以在蛋白質(zhì)分子表面形成各種形狀的凹坑和溝槽，結(jié)合（即固定）各式各樣的分子。除了形狀配對(duì)外，蛋白質(zhì)還能夠進(jìn)行電荷匹配：其他分子上帶正電的地方，蛋白質(zhì)分子在對(duì)應(yīng)的地方就帶負(fù)電，其他分子上帶負(fù)電的地方，蛋白質(zhì)分子上對(duì)應(yīng)的地方就帶正電，或者不帶電，但是不能有電荷沖突。通過形狀和電荷匹配，盡管細(xì)胞里面有成千上萬種分子，每種蛋白也都能找到專門與自己結(jié)合的分子，相當(dāng)于能夠?yàn)槠渌肿訙?zhǔn)備工作臺(tái)。

蛋白質(zhì)不僅能夠特異結(jié)合其他分子，在蛋白質(zhì)的20種氨基酸的側(cè)鏈中，又有許多能夠參與催化過程，相當(dāng)于工作臺(tái)上還自帶有多種加工工具，因此蛋白質(zhì)對(duì)其他分子進(jìn)行加工的本領(lǐng)非常強(qiáng)，也就是能夠催化生命活動(dòng)需要的幾乎所有化學(xué)反應(yīng)，合成生命所需要的幾乎所有分子。RNA分子不能催化形成的嘌呤、嘧啶、核糖和脂肪酸，蛋白質(zhì)都能輕松地合成。

不僅如此，蛋白的催化效率也比RNA高得多。例如，前面談到的RNA分子tc19Z，在合成其他RNA分子時(shí)，24小時(shí)才能把94個(gè)核苷酸連接起來。而由蛋白質(zhì)組成的RNA聚合酶，每秒鐘就能把數(shù)千個(gè)核苷酸連接起來，催化效率比RNA高幾百萬倍！有了蛋白質(zhì)的催化，生命活動(dòng)才能活躍地進(jìn)行，具有催化作用的蛋白質(zhì)也就被單獨(dú)取了一個(gè)名字，叫作酶。

除了催化化學(xué)反應(yīng)，蛋白質(zhì)還能被用作“建筑材料”（如指甲和毛發(fā)），接收和傳遞信息（見第六章和第十二章），搬運(yùn)“貨物”（見第三章第五節(jié)），防御外敵（見第十章），甚至組成生物的“鐘表”（見第七章），因此說蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的執(zhí)行者，一點(diǎn)兒都不過分。生命要進(jìn)一步發(fā)展，就必須改用蛋白質(zhì)來執(zhí)行各種生命活動(dòng)。

但問題是，蛋白質(zhì)雖然可以催化幾乎任何分子的形成，但唯獨(dú)不能復(fù)制自己，也不能生產(chǎn)其他蛋白質(zhì)分子，也就是蛋白質(zhì)不能生產(chǎn)蛋白質(zhì)。這看上去有點(diǎn)奇怪：蛋白質(zhì)不是能合成千千萬萬種分子嗎？怎么就不能把氨基酸也連接起來，形成蛋白質(zhì)呢？

蛋白質(zhì)分子不能復(fù)制自己

蛋白質(zhì)確實(shí)能結(jié)合氨基酸，也能把氨基酸連接起來。例如，在我們的細(xì)胞中，有一種重要的分子叫谷胱甘肽，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸這三個(gè)氨基酸相連而成，這種分子就是由蛋白質(zhì)催化合成的。蛋白質(zhì)先結(jié)合半胱氨酸和谷氨酸，將它們連在一起，形成半胱氨酸-谷氨酸。另一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合半胱氨酸-谷氨酸和甘氨酸，再將它們連在一起，就形成谷胱甘肽。在這兩步反應(yīng)中，蛋白質(zhì)的工作方式是一樣的，即同時(shí)結(jié)合兩個(gè)分子，再將它們連在一起。

但是在這里，蛋白質(zhì)合成谷胱甘肽的方式與RNA分子復(fù)制自己的方式不同。RNA分子復(fù)制自己時(shí)，嘌呤和嘧啶一對(duì)一地結(jié)合，所以結(jié)合的核苷酸的順序就對(duì)應(yīng)RNA自己核苷酸的順序。但是蛋白質(zhì)結(jié)合氨基酸時(shí)，并沒有將它的某個(gè)氨基酸和要固定的氨基酸一對(duì)一地結(jié)合，而是通過其空間結(jié)構(gòu)來結(jié)合氨基酸，涉及多個(gè)氨基酸。這些與結(jié)合有關(guān)的氨基酸通常也并不相鄰，是肽鏈卷曲時(shí)才把它們帶到一起的。由于這個(gè)原因，結(jié)合每個(gè)特定的分子都需要專門的蛋白質(zhì)。

如果我們用數(shù)字代表依次加上的氨基酸，在合成的第一步中，酶需要同時(shí)結(jié)合氨基酸1和2，將它們連成1-2。在第二步，再加氨基酸3時(shí)，酶需要同時(shí)結(jié)合1-2和3，這時(shí)在第一步中結(jié)合1和2的酶就不適用了，而需要另外一種酶。在往1-2-3上面加氨基酸4時(shí)，又需要第三種酶。而蛋白質(zhì)通常是由幾百個(gè)氨基酸相連而成的，合成一個(gè)由400個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)就需要399種不同的酶。我們的細(xì)胞內(nèi)有數(shù)萬種蛋白質(zhì)，如果每種蛋白質(zhì)都需要成百上千的酶來合成，就需要幾百萬到幾千萬種酶，而且合成其他蛋白分子的酶自己也是蛋白質(zhì)，它們又由誰來合成呢？所以用合成谷胱甘肽的方法來合成蛋白質(zhì)是不可能的。

RNA能復(fù)制自己，但是催化功能有限；蛋白質(zhì)催化功能強(qiáng)大，又不能復(fù)制自己。如果不能在RNA和蛋白質(zhì)之間建立聯(lián)系，現(xiàn)在地球上我們看到的生命就不可能產(chǎn)生。

RNA能夠?yàn)榈鞍踪|(zhì)編碼并且催化蛋白質(zhì)的合成

幸運(yùn)的是，RNA還真的和蛋白質(zhì)建立了聯(lián)系。RNA分子中的嘌呤和嘧啶，除了能與分子外的嘌呤和嘧啶結(jié)合外，還能和分子內(nèi)的嘌呤和嘧啶結(jié)合，導(dǎo)致分子內(nèi)的堿基配對(duì)，將RNA分子的長(zhǎng)鏈折回來，相互結(jié)合成為各種形狀，其中一些空間形狀就能結(jié)合氨基酸，類似于蛋白質(zhì)用三維結(jié)構(gòu)來結(jié)合別的分子。

核苷酸在組成RNA分子時(shí)，第一個(gè)核苷酸中核糖上第三位碳原子上的羥基與第二個(gè)核苷酸上的磷酸根相連，第二個(gè)核苷酸中核糖上第三位碳原子上的羥基又與第三個(gè)核苷酸上的磷酸根相連，這樣就將多個(gè)核苷酸連在了一起。在這樣形成的RNA鏈中，第一個(gè)核苷酸上的磷酸根未被使用，又由于這個(gè)磷酸根是連在核糖第五位的碳原子上的，所以第一個(gè)核苷酸所在的一端叫作5'端。最后一個(gè)核苷酸中核糖上第三位碳原子上的羥基沒有被使用，所以最后一個(gè)核苷酸所在的端叫作3'端。由于這個(gè)原因，RNA鏈?zhǔn)怯蟹较虻模▍⒖磮D1-7）。

一種小分子RNA的鏈回折，形成雙頭發(fā)卡樣的結(jié)構(gòu)時(shí)，就能結(jié)合氨基酸。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，RNA的兩端之間有一段距離，對(duì)應(yīng)這個(gè)空當(dāng)?shù)模侨齻€(gè)沒有配對(duì)的核苷酸。這三個(gè)核苷酸不同的序列就可以結(jié)合不同氨基酸的側(cè)鏈，例如，AAU可以結(jié)合異亮氨酸的側(cè)鏈，CCA可以結(jié)合色氨酸的側(cè)鏈，CCU可以結(jié)合精氨酸的側(cè)鏈等（圖2-5）。

不僅如此，在這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)中，5'端的核苷酸還能活化氨基酸上的羧基，使它與3'端核苷酸中的核糖相連，這樣就把氨基酸連在這個(gè)小RNA分子上了。然后RNA分子重新折疊，使與RNA分子結(jié)合的氨基酸位于分子的一端，三個(gè)未配對(duì)的核苷酸位于分子的另一端（圖2-5右上）。由于這三個(gè)核苷酸是未配對(duì)的，它們就可以和另一個(gè)RNA分子上對(duì)應(yīng)的三個(gè)核苷酸配對(duì)，將氨基酸分子帶到另一個(gè)RNA分子附近。

由于兩條RNA鏈彼此結(jié)合時(shí)，鏈的方向是相反的，所以配對(duì)的三個(gè)核苷酸序列也必須反過來讀，例如上面說的小分子RNA中的AAU就可以和RNA分子上的AUU配對(duì)，CCA和UGG配對(duì)，CCU和AGG配對(duì)等。這樣，另一個(gè)RNA分子上的三個(gè)核苷酸就可以與小分子RNA上的氨基酸相對(duì)應(yīng)，也就是編碼，叫作三聯(lián)碼，也叫密碼子，而小RNA分子上與三聯(lián)碼配對(duì)的三個(gè)核苷酸的序列由于和三聯(lián)碼的序列方向相反而且堿基互補(bǔ)，叫作反密碼子。因此是小RNA分子上與氨基酸側(cè)鏈結(jié)合的三個(gè)核苷酸先產(chǎn)生了反密碼子，使另一個(gè)RNA分子上與反密碼子對(duì)應(yīng)的三個(gè)核苷酸的序列成為密碼子（圖2-5右下）。

通過反密碼子與三聯(lián)碼配對(duì)，小RNA分子就可以把與它相連的氨基酸帶到編碼RNA分子附近，固定“零件”的“工作臺(tái)”就建立起來了。由于小RNA的任務(wù)是把氨基酸帶到編碼RNA附近，它們就被稱為轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA，t表示轉(zhuǎn)運(yùn)）。

有了“工作臺(tái)”，氨基酸被固定到編碼RNA分子附近后，還需要有分子將這些氨基酸連起來，形成蛋白質(zhì)。這個(gè)工作是由另一個(gè)RNA分子來完成的。因此細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成的任務(wù)全部由RNA分子來進(jìn)行：編碼RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA和催化RNA。三種RNA分子彼此協(xié)同，實(shí)現(xiàn)編碼RNA分子中三聯(lián)碼的序列轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)中氨基酸的序列。功能有限的RNA分子彼此配合，合成功能強(qiáng)大的蛋白質(zhì)分子，從此改變了生命的發(fā)展方式，不能不被認(rèn)為是一個(gè)奇跡。我們今天能在這里，也全拜這個(gè)過程所賜。

就是到今天，生物體里面蛋白質(zhì)的合成，也還是通過這個(gè)方式進(jìn)行的，只不過蛋白質(zhì)合成是在一種專門的結(jié)構(gòu)叫核糖體的顆粒中進(jìn)行的（圖2-6）。催化RNA就在核糖體內(nèi)，是核糖體的固定成分，叫核糖體RNA（rRNA，r代表核糖體）。信使RNA（mRNA，m代表信使）進(jìn)入核糖體，tRNA把氨基酸帶到mRNA附近，合成蛋白質(zhì)。核糖體中除了rRNA，還含有許多蛋白質(zhì)分子，使核糖體合成蛋白質(zhì)的過程更加高效，但是直接參與蛋白質(zhì)合成過程的，仍然是RNA分子。

隨著蛋白質(zhì)唱主角，RNA也逐漸退出原來單打獨(dú)斗的角色，其為蛋白質(zhì)編碼、儲(chǔ)存遺傳信息的功能也被DNA所取代。