王大虎

王大虎:细胞里的活性物质

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蛋白质——我折叠,我快乐

蛋白质是生命的物质基础。蛋白质占人体重量的16%~20%,即一个重60千克的成年人体内约有蛋白质9.6~12千克。人体内蛋白质的种类很多,不同的蛋白质性质、功能各异,但都是由20多种氨基酸按不同比例组合而成的,组成蛋白质的大部分氨基酸是以碳链骨架生物合成的,并在体内不断进行代谢与更新。

蛋白质在生物体中有多种活性功能,比如催化功能,生物体新陈代谢的化学反应大部分都是由蛋白质称酶催化来完成的。在运X能方面,从最低等的细菌鞭毛运动到高等动物的肌肉收缩,这都是通过蛋白质来实现的。在运输功能方面,在生命活动过程中,许多小分子及离子的运输是由各种专一的蛋白质来完成的,例如在血液中血浆白蛋白运送小分子,红细胞中的血红蛋白运送氧气、二氧化碳等。高等动物具有机械支持功能的组织如骨、结缔组织以及具有覆盖保护功能的毛发、皮肤、指甲等组织主要是由胶原、角蛋白、X蛋白等组成。在免疫和防御功能方面,生物体为了维持自身的生存,拥有多种类型的防御手段,其中不少是靠蛋白质来执行的,例如抗体即是一类高度专一的蛋白质,它能识别和结合侵入生物体的外来物质,如异体蛋白质、病毒和细菌等,取消其有害作用。

蛋白质是有20种氨基酸按照各种折叠结构而构成的具有不同功能的活性的生物大分子。蛋白质由核酸编码的α氨基酸之间通过α氨基和α羧基形成的肽键连接而成的肽链,经翻译后加工而生成的具有特定立体结构的、有活性的大分子,蛋白质在人体的胃肠道内并不直接被吸收,而是在胃肠道中经过多种消化酶的作用,将高分子蛋白质分解为低分子的多肽或氨基酸后,在小肠内被吸收,然后再沿着肝门静脉进入肝脏。一部分氨基酸在肝脏内进行分解或合成蛋白质;另一部分氨基酸继续随血液分布到各个组织器官,任其选用,合成各种特异性的组织蛋白质。在正常情况下,氨基酸进入血液中与其输出速度几乎相等,所以正常人血液中氨基酸含量相当恒定。

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绝大多数酶的化学本质是蛋白质,具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。酶是催化特定化学反应的蛋白质、RNA或其复合体。酶是生物催化剂,能通过降低反应的活化能加快反应速度,但不改变反应的平衡点。哺乳动物细胞里有几千种酶。酶的活力可受多种因素的调节控制,使生命体能适应外界条件的变化,维持生命的活力。

所有的酶都含有C、H、O、N四种元素,酶的一个非常重要的功能是参与在动物消化系统的工作。以淀粉酶和蛋白酶为代表的一些酶可以将进入消化道的大分子(淀粉和蛋白质)降解为小分子,以便于肠道吸收。淀粉不能被肠道直接吸收,而酶可以将淀粉水解为麦芽糖或更进一步水解为葡萄糖等肠道可以吸收的小分子。不同的酶分解不同的食物底物,在草食性反刍动物的消化系统中存在一些可以产生纤维素酶的细菌,纤维素酶可以分解植物细胞壁中的纤维素,从而提供可被吸收的养料。

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人体从食物中摄取的蛋白质,必须在胃蛋白酶等作用下,水解成氨基酸,然后再在其他酶的作用下,选择人体所需的20多种氨基酸,按照一定的顺序重新结合成人体所需的各种蛋白质,这其中发生了许多复杂的化学反应。可以这么说,酶是生命运转、生物新陈代谢、生物丰富多彩的主要原因之一。

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酶的催化效率比无机催化剂更高,反应速率更快,酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。比如,乳清酸核苷-5′-磷酸脱羧酶所催化的反应在无酶情况下,需要7800万年才能将一半的底物转化为产物。而同样的反应过程,如果加入这种脱羧酶,只需要25毫秒就可以完成了。一般情况下,酶只能催化一种或一类底物,如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽。酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的,由于大多数酶是蛋白质,因而会被高温、强酸、强碱等破坏。酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行,使物质代谢与正常的生理机能互相适应。若因遗传缺陷造成某个酶缺损或因为高温等其他原因造成酶的活性减弱,都可能导致该酶催化的反应异常,使物质代谢紊乱,甚至发生疾病。

酶可以同等地催化正向反应和逆向反应,而并不改变反应自身的化学平衡。例如,碳酸酐酶可以催化如下两个互逆反应,催化哪一种反应则是依赖于反应物浓度。

酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。有一些酶的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率,这种现象无法用目前公认的理论来解释。有一种理论模型引入了基于量子理论的穿隧效应,即质子或电子可以穿过激活能垒(就如同穿过隧道一般)。有报道发现色胺中质子存在量子穿隧效应,也有相关的实验报道提出在一种醇脱氢酶的催化反应中存在穿隧效应,因此,有研究者相信在酶催化中也存在着穿隧效应,可以直接穿过反应能垒,而不是像传统理论模型的方式那样通过降低能垒达到催化效果。

图083 蛋白酶体(图片来源:壹图网)

图084 蛋白酶体

酶的独特结构也说明了作者提出的另一个物理学原理,就是多层宇宙概念,物质在不同的物质层级结构中会有不同的表现,而酶的结构也正符合这种理念。

细胞核、染色体与DNA基因的精确量子结构

细胞核里的物质主要由染色质构成,染色质的主要成分是蛋白质和DNA分子。

DNA分子具有典型的双螺旋结构,一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的纤丝。DNA又称去氧核糖核酸,是一种可组成遗传指令的长链大分子聚合物,负责生物信息的储存,是生命的“蓝图”。在生物体中DNA引导生物发育与生命机能运作,其中包含的指令能够建构细胞内其他有机化合物,如蛋白质与RNA等。

DNA的基本组成单位称为脱氧核苷酸,有A-腺嘌呤、G-鸟嘌呤、C-胞嘧啶、T-胸腺嘧啶4种碱基组成,而糖类与磷酸分子由酯键相连,组成其长链骨架。每个糖分子都与4种碱基里的其中一种相接,这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列,可组成遗传密码,是蛋白质氨基酸序列合成的依据。一般认为,基因是带有遗传讯息的一些DNX段,一些DNA序列直接以自身构造发挥作用,有些DNA则参与调控遗传讯息的表现。

在DNA长长的分子链条上,DNA本身不是单独运作的,在真核生物的细胞核内,DNA与组蛋白、非组蛋白构成核小体单元。人们提出用绳珠模型来说明DNA与蛋白质构成的纤丝结构,纤丝的结构单位是核小体,核小体结构经过四级包装构成棒状染色体,一条染色体就有一个大DNA分子链状结构。

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从核小体到染色体精确的包装:对于真核生物来说,巨大的DNA链必需高度压缩形成一定的高级结构,才能贮存于小小的细胞核中。DNA与组蛋白构成的核小体精确结合,就像量子般的精密,经过折叠,包装构成染色体。根据多级螺旋模型,从DNA到染色体经过四级包装,即DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体。

图085 DNA与组蛋白组成的核小体(图片来源:X百科,公版)

核小体的形状类似一个扁平的碟子或一个圆柱体,直径为10纳米,高6纳米。核小体的核心是由4种组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)的各两个分子构成的扁球状8聚体,核心颗粒间通过第五种组蛋白H1的连接区彼此相连。DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈,其长度相当于140个碱基对。在相邻的两个核小体之间,有长约50~60个碱基对的DNA连接线,密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维。

每种生物中的组蛋白差异很小,所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白,组蛋白的含量与DNA含量之比约为1∶1,组蛋白的一般进化上的极端保守性,这种生物进化上的高度保守性预示着其功能的重要性,相对来说非组蛋白蛋白质的种类和含量不太恒定。组蛋白能够将DNA组织压缩,以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用,进而调节基因的转录。

当一连串核小体呈螺旋状排列构成纤丝状时,DNA的压缩包装比约为40。纤丝本身再进一步压缩后,成为常染色质的状态时,DNA的压缩包装比约为1000。有丝分裂时染色质进一步压缩为染色体,压缩包装比高达一万倍左右,即只有伸展状态时长度的万分之一。

图088 染色体结构DNA以一长串复杂的线圈形式累积成染色体,DNA各线圈缠绕在若干组蛋白束上形成一“串珠”结构。这些线圈构成一个染色质链,然后染色质折叠成许多环,再卷曲形成一个染色体。(图片来源:X百科,染色体,公版)

人体每个细胞中长约1.7米的DNA双螺旋链,经许多核小体组成的串珠样纤维经多层次螺旋化,最终压缩了约8400倍形成染色单体。46个染色单体长仅200微米左右,储于细胞核中。如果设想将人体细胞中的DNA分子绕地球一周,那么,每个碱基大约只占1~5厘米,而一个2~3千字节的基因只相当于地球上一条数十米长、数厘米宽的线段!

真核细胞核中有不止一个染色体,每个染色体也只含一个DNA分子,一般都比原核细胞中的DNA分子大,而且和蛋白质结合在一起。不同物种染色体数目不同,一般以两条成对的同源染色体的形式存在,且数目恒定,人有22对常染色体和1对性染色体,共23条。

在细胞内,DNA能组织成染色体结构,整组染色体则统称为基因组。动物、植物及真菌这些真核生物,染色体存放于细胞核内,对于细菌这样的原核生物而言,染色体则是存放在细胞质中的类核里。

 

图089 细胞核

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细胞核是真核生物的主要遗传物质储存场所,细胞核是遗传信息库,是细胞代谢和遗传的控制中心,在细胞的代谢、生长、分化中起着重要作用。当遗传物质向后代传递时,必须在核中进行复制,同时遗传物质还必须将其控制的生物性状特征表现出来。一般说真核细胞失去细胞核后,很快就会死亡,但红细胞失去核后还能生活120天,植物筛管细胞失去核后能活好几年。

染色体是细胞有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色体经染色后可见细丝状颗粒物质,一般在细胞分裂时才能看到。染色体是一个独立行动的结构单位,在细胞分裂时传递给子细胞一份染色体拷贝,因此每条染色体必须能复制,所复制的拷贝最后分离并被正确地分配到两个子细胞中。

 

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