生命活动中的弱化学作用

摘 要： 氢键、范德华力、疏水相互作用是生命体系中广泛存在的几种弱化学作用，它们几乎参与了细胞内生物化学过程的每个方面。本文主要立足于生物化学功能的角度，比较详细地阐述了弱化学作用在生物分子的维持、生物催化、生物信号和基因表达等方面的作用，旨在说明弱化学作用在生命活动中的重要性。

关键词： 弱化学作用 生物催化 生物信号 基因表达

生命世界是由元素及其化合物组成的物质世界，生命世界的结构体系符合化学的基本规律。生物体系中的化学作用可大致分为两类：一类是以共价键为主的强化学键，例如连接葡萄糖分子的糖苷键，连接甘油和脂肪酸分子的酯键，连接氨基酸分子的肽键，以及连接核苷酸分子的磷酸二酯键等。另一类则是以非共价键为主弱化学作用，包括氢键、范德华力、疏水相互作用等。本文并未从化学角度详细阐述上述弱化学作用的本质，而是立足于生物化学功能的角度，比较详细地阐述了弱化学作用在生物分子的维持、生物催化、生物信号和基因表达等方面的作用，旨在说明弱化学作用在生命活动中的重要性。

1.弱化学作用与生物分子的维持

蛋白质和核酸是最重要的生物大分子，其作用涉及生命活动的方方面面。从一级结构看，蛋白质是由许许多多氨基酸通过肽键连接而成的长链，有些蛋白可能带有不止一条氨基酸链。核酸则是由核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链，其中DNA是双链，RNA是单链。肽键和磷酸二酯键构筑起蛋白质和核酸的共价结构。但是，仅仅有共价结构，这些分子还不能真正表现出生物活性，它们的生物活性依赖于由大量弱化学作用构建起来的特定的空间构象。理论上，由于构筑生物大分子的许多共价键都在一定程度上允许连接在它们上的原子发生旋转，因此这些大分子在随机热能的影响下能折叠缠绕成的空间构象几乎是无限的，但事实上，每种生物大分子总是只存在一种特定的具有生物学活性的天然构象，这得益于这些分子中广泛存在的弱化学作用[1]。尽管单独的弱化学键强度不大，但大量的弱化学作用堆积起来，造就了生物大分子最为适宜的空间形态，使它们能够维持自身的稳定并顺利地执行生物学功能。由肽键串联起的多肽链按照一定的顺序盘曲折叠，就形成多肽链特定的二级结构，例如α螺旋、β折叠、β转角等，这些二级结构的进一步组合，就逐渐形成空间构象更加复杂的球状亚基，即蛋白质的三级结构，某些蛋白质还存在四级结构，即由多个球状亚基相互缔合，形成更大更复杂的多亚基聚合体。只有形成特定的空间构象，蛋白质才能执行它的生理功能，而这种构象的形成和稳定都需要弱化学作用的维持。由磷酸二酯键串联起的多聚核苷酸链，也需要在弱化学作用的维系下形成特定的构象。例如DNA的双螺旋构象，是它执行各种生物学功能的结构基础。而看似简单的单链RNA，也在弱化学键的作用下折叠成各种局部的二级结构，以此完成它的并不简单的生物学使命。

2.弱化学作用与生物催化

生物最基本的特征是新陈代谢，新陈代谢是生物体内全部化学反应的总和。生物体内如此复杂的化学反应之所以能够高度有序地进行，是因为细胞内无处不在的一种极为高效的生物催化剂——酶的作用。酶的两项重要功能：选择特异性底物和完成催化反应都离不开弱化学键的作用。酶分子的活性中心包括底物结合部位和催化部位两部分，前者决定酶结合底物的专一性，后者催化新化学键的形成。酶的活性中心只占整个酶分子的一小部分，但其功能的发挥离不开由弱化学作用构建起来的整个酶分子的空间构象。底物通常结合到酶分子表面的特定口袋中，这种特异性的口袋是由弱化学作用维系的，它具有极高的分辨能力，可以顺利区分两种相同氨基酸的旋光异构体。酶与底物的结合也不是机械的靠近，而是需要酶分子，或者某些情况下酶分子和底物分子都改变自身的构象，通过弱化学作用重排出一个更加适宜的构象来实现。酶与底物的这种结合过程称为诱导契合。在酶的催化下，某些在体外极难发生的化学反应，却可以在温和的细胞环境中高效地进行。这是因为酶分子为这些反应的进行创造了极其有利的微环境。许多酶分子中，直接参与化学反应的基团很少，却有大量的基团通过弱化学作用为反应的发生创造条件或者是用于维持酶分子自身构象的稳定。例如在溶菌酶的催化机制中，直接参与反应的只有Glu■和Asp■，但整个溶菌酶分子通过弱化学作用为这两个基团创造了极其有利的微环境，使得Glu■位于非极性区而Asp■位于极性区，这有利于活性中心的稳定和催化反应的顺利进行。此外，弱化学作用还参与了一些酶分子活性的调节过程。总之，细胞内生物催化的实现离不开酶分子本身及酶分子与底物分子或其他分子之间的弱化学作用[2]。

3.弱化学作用与生物信号

生物催化作用使得细胞内纷繁复杂的化学反应能够高效有序地进行，但是，由于生物体处于复杂多变的环境中，因此需要经常根据环境的变化而对细胞内的代谢活动进行调节，这个过程是通过生物信号的传递来实现的。激素是最重要的一类生物信号，人和动物的激素是由某些内分泌腺合成的，通过血液循环运往全身，并在特定的组织处引发特定的生理效应。由此可见，生物体内的各个组织，都生存在一个充满信号的环境中，但是这些组织必须对周围环境中的信号做出筛选，即从胞外复杂多变的信息流中选择自己需要的信号传递下去，以启动期待的应答。这个过程是通过配体与受体的结合来实现的。胞外存在的各种信号分子都是配体，而这些配体必须首先在特定的靶细胞表面或靶细胞内找到相应的受体，而后才能将它所携带的信号传递下去。配体与受体的结合是一个由弱化学作用介导的分子识别过程。合适的配体由于在分子性状上与受体表面的某些区域互补，因此能够与受体形成比较稳定的弱化学作用，不合适的受体则由于空间效应无法靠近受体，因此无法与受体结合。配体与受体的结合具有重要的意义，它使得不同的细胞能够有选择地接收并传递针对自己的信号，从而避免了生物信号传递的混乱。弱化学作用在生物信号传递中的另一个重要作用是它介导了信号转导中许多重要的分子识别过程。一些信号转导过程中的关键组分带有某些特殊的结构域，例如SH■结构域、SH■结构域等，这些结构域可通过弱化学作用与其他某些结构域结合。带有上述结构域的信号转导组分可在弱化学作用的维系下结合成一个个巨大的分子支架，成为细胞信号转导通路中的一个个重要的节点，从而介导了细胞内不同信号通路之间的串扰及对细胞信号转导过程的调控，使得细胞内的信号传递更加精准有序[3]。

4.弱化学作用与基因表达

一切生命活动从根本上是基因选择性表达的结果。基因表达的核心事件可概括为转录和翻译两个过程，但是，为了确保这个细胞内极其重要的生命活动精确可控地进行，还有大量的分子生物学事件伴随着基因表达过程的始终，而这些事件无不依赖于生物大分子之间的弱化学作用。

转录的起始首先需要顺式作用元件和反式作用因子间的相互识别。顺式作用元件是指DNA上位于转录起点附近的一些DNA序列元件，例如启动子、增强子、弱化子等。反式作用因子是能与特定的顺式作用元件结合，对基因表达起调控作用的蛋白质，例如数量众多的转录因子等。顺式作用元件在结构上是双螺旋状态的DNA片段，这些双螺旋DNA的大沟和小沟中存在着大量的氢键受体和供体，而作为反式作用因子的蛋白质分子的特定区域又带有相应的氢键供体和受体，因此以氢键为主的弱化学作用便可介导顺式作用元件与反式作用因子的结合。例如真核生物在转录尚未开始时，一个特定的转录起始因子TFIID通过将一个β折叠片段插入DNA双螺旋的小沟，实现其与启动子序列的结合[4]。在这之后，在大量的弱化学作用的帮助下，RNA聚合酶和其他转录起始因子便在启动子周围聚集并组装，转录便因此而起始。

在转录的过程中，RNA聚合酶通过催化磷酸二酯键的形成，不断地向正在延伸的新生RNA链中添加核糖核苷酸。不断前进的RNA聚合酶也被大量的转录因子包围，这些转录因子一方面通过弱化学作用为RNA聚合酶创造了良好的微环境，提高了转录效率，另一方面通过弱化学作用募集其他因子，逐渐开始对原始转录产物进行加工。由于真核生物的基因是不连续的，编码蛋白质的外显子被不编码蛋白质的内含子隔开，因子真核转录产物需要经历一个“内含子剪接”的加工过程。剪接过程的化学反应十分简单，就是两次连续的转酯反应，但是，这个过程的实现离不开依靠弱化学作用装配起来的庞大剪接复合体，以及由它创造的适宜转酯反应进行的微环境。

蛋白质的翻译过程较RNA的转录更加复杂，因为它需要将4个字母的核苷酸语言解码为20个字母的氨基酸语言，而在这个复杂的转换中，弱化学作用也起到了至关重要的作用。tRNA是翻译过程中的信息解码器，tRNA本身是一段不长的RNA链，却折叠成复杂的空间结构以适应它的各种功能。在翻译过程中，tRNA的作用是将自身携带着的氨基酸分子搬运到由mRNA上的密码子指定的位点，在这里氨基酸可以掺入正在延伸的多肽链中。tRNA上的反密码子通过氢键与mRNA上的密码子配对，并因此将mRNA上的密码子顺序转变为多肽链中的氨基酸顺序。在tRNA执行它的使命之前，首先需要氨酰-tRNA合成酶将特定的氨基酸连接到特定的tRNA上。氨酰-tRNA合成酶需要借助弱化学作用执行两项筛选功能。第一，它需要选择并结合正确的氨基酸。氨酰-tRNA合成酶分子上有一个结合氨基酸的催化口袋，由于弱化学作用的存在，正确的氨基酸与这个催化口袋结合的能力明显高于其他氨基酸，这使得正确的氨基酸能够优先与合成酶结合。但是，这种筛选机制在面对形状大小都差不多的两个氨基酸时，就不再那么灵敏了。例如，缬氨酸和异亮氨酸都可以进入异亮氨酰-tRNA合成酶的催化口袋，但是，在随后的步骤中，缬氨酸由于体积相对较小，可以再进入异亮氨酰-tRNA合成酶的另一个编辑口袋，而异亮氨酸则由于体积较大而无法进入这个口袋，缬氨酸进入这个口袋后将被水解掉。由此可见，氨酰-tRNA合成酶通过如此精密的机制来确保它所携带的是正确的氨基酸。氨酰-tRNA合成酶执行的第二项筛选是将已经选好的氨基酸连接到相应的tRNA分子上。氨酰-tRNA合成酶能够识别一组同工tRNA，这可能涉及氨酰-tRNA合成酶与tRNA分子某些空间结构的识别，科学家将氨酰-tRNA合成酶识别tRNA的规律称为第二套遗传密码，这套遗传密码远比第一套遗传密码复杂，人们至今还无法破译，但可以确定，在这里起主要作用的，仍然是酶与tRNA分子间的弱化学作用。

多肽链的合成是在核糖体上进行的。核糖体是由RNA和蛋白质组装而成的超分子机器，核糖体组分之间普遍存在的弱化学作用，不但稳定了核糖体的结构，而且在核糖体的大小亚基接触面上创造出了几个重要的活性位点，使多肽链合成时的进位、转肽、移位反应能够顺利进行。多肽链合成后需被运送到细胞内特定的位点。某些多肽链在开始合成后不久，就在信号肽的作用下转入内质网中，在内质网中一边继续合成一边开始加工，这样的机制称为共翻译运输。在共翻译运输中，新生的肽链通过一种特殊的机制被引导入内质网中，并在内质网中逐渐折叠出特定的空间结构，而后再被送入高尔基体进行进一步加工，最终被送入细胞的特定场所或分泌到细胞外，这些过程都离不开弱化学作用的支持。其他有些多肽链则是在细胞质中游离的核糖体上合成的，而后再在特定信号序列的作用下转移至线粒体或者叶绿体中，这称为翻译后运输。根据携带信号序列的不同，翻译后运输的蛋白质或者被插入线粒体或叶绿体膜，或者进入线粒体或叶绿体基质，也或者进入线粒体或叶绿体的膜间隙中，而这些蛋白质的分选行为，也离不开弱化学作用。由此可见，从特定的DNA片段开始转录，直到新合成的多肽链折叠完成并运向特定的部位，弱化学作用在基因表达的全过程中无处不在，它们是维持基因表达过程顺利有序进行的重要力量。

参考文献：

[1][美]艾伯茨，等.张新跃，等译.细胞的分子生物学[M].北京：科学出版社，2008.

[2]王镜岩，朱圣庚，徐长法，等.生物化学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]王金发.细胞生物学[M].北京：科学出版社，2003.

[4][美]沃森，等.杨焕明，译.基因的分子生物学[M].北京：科学出版社，2009.

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