构成新陈代谢的千变万化的化学反应是如何引 [复制链接]

我们现在已经知道，在所有生物体的细胞内有数百甚至数千种化学反应同时发生。这些反应构建了生命的分子，形成了细胞的成分和结构；它们同样也能分解分子，回收细胞成分，释放能量。所有这些在生物体内发生的化学反应共同作用，就叫新陈代谢。生物体的一切机能——维持、生长、组织、繁殖，以及为这些过程提供动力的所有能量的来源——都以新陈代谢为基础。新陈代谢就是生命的化学反应。

但是，构成新陈代谢的千变万化的化学反应是如何引发的呢？在巴斯德研究的酵母里，究竟是什么物质执行了发酵的化学反应？另一位法国化学家马塞林·贝特洛特（MarcelinBerthelot）对这一谜团展开了深入研究，并取得了进展。他粉碎了酵母细胞，从残渣中提取出一种化学物质。这种物质的表现非常有趣，它引发了一种特殊的化学反应——将蔗糖转化为两种较小的糖类成分：葡萄糖和果糖——自身却没有被化学反应消耗掉。它是一种无生命的物质，却是生命过程中不可或缺的一部分，值得注意的是，即便把它从细胞中提取出来，它还能继续工作。他把这种新物质称为转化酶。

转化酶是一种酶。酶是催化剂，也就是说，它们能促进和加速化学反应，效果通常很显著。它们对生命来说极其重要。要是没有酶，许多对生命来说至关重要的化学反应都无法发生，尤其是在大多数细胞内温度相对较低，条件也很温和的情况下。酶的发现为当今所有生物学家的共识奠定了基础，即大多数生命现象都可以被理解为由酶催化的化学反应。为了了解酶是如何做到这一点的，我们首先要了解酶是什么，以及酶是由什么构成的。

大多数酶是由蛋白质构成的，而蛋白质是由细胞构建的、被称为聚合物的长链状分子。聚合物结构对生命的化学反应的每个环节都非常重要。和大多数酶以及所有其他蛋白质一样，构成细胞膜的所有脂质分子、所有储存能量的脂肪和碳水化合物，以及负责遗传的核酸——脱氧核糖核酸（DNA）和与之密切相关的核糖核酸（RNA），都是聚合物。

这些聚合物基本上都是由五种化学元素的原子构成的：碳、氢、氧、氮和磷。在这五种元素中，碳的角色尤其重要，主要是因为相较于其他元素，碳元素更通用。比如氢原子只能连接一个原子——一个化学键，而每个碳原子可以与四个原子相结合。碳元素形成聚合物的关键就在于此：碳的四个潜在键中的两个可以连接另外两个原子，且通常连接的是别的碳原子，从而形成一个原子链，成为一个聚合物的核心。这样一来，每个碳原子都还有两个多余的键可以与其他原子连接。这些额外的键可以将其他分子添加到主聚合物链的两侧。

我们在细胞中发现的许多聚合物都是非常大的分子，事实上，它们大到被冠以一个特定的、直白的名字：大分子。若要了解这些分子到底有多大，请先记住，你的每条染色体核心的DNA大分子可以长达几厘米。这意味着它们将数百万个碳原子整合成了一条长得惊人却纤细的线状分子。

蛋白质聚合物没有那么长，一般都是以几百到几千个相连的碳原子为基础。但是，它们的化学变化比DNA多得多，这就是它们能作为酶在新陈代谢中起主导作用的主要原因。每一种蛋白质都是由较小的氨基酸分子一个接一个连成长链而构建出的碳基聚合物。比如转化酶，它是由个氨基酸以特定序列连接在一起而构成的蛋白质分子。

生命体使用了20种不同的氨基酸，每一种氨基酸都有从主聚合链上分支出来的侧链分子，从而具有不同的化学特性。例如，有些氨基酸带有正电荷或负电荷，有些氨基酸亲水或排斥水，有些氨基酸能够轻易地与其他分子形成键。每个氨基酸有不同的侧链分子，细胞将这些氨基酸组合并串起来，就能创造出数量惊人的不同的蛋白质聚合物分子。

这些线性蛋白聚合物的长链被串起来后，就会折叠、扭曲并结合在一起，构建出复杂的三维结构。这个过程就像一段有黏性的胶带可以把自己裹成一个错综交织的球，只是蛋白质的折叠过程可重复且结构更精准。在细胞中，同一串氨基酸总是试着形成同一种特定形状。这种从一维到三维的飞跃意义非凡，因为这意味着每个蛋白质都有独一无二的物理形态和独一无二的化学属性。其结果就是，细胞可以用这样的方式构建酶，因此这些酶可以与其影响的化学物质极其精确地结合在一起——比如转化酶的局部能和蔗糖分子完美结合。这反过来又使酶能为特定的化学反应提供它所需要的精确化学条件。

几乎所有构成细胞新陈代谢基础的化学反应都是由酶完成的。但是，除了构建分子、分解分子之外，它们还发挥着许多其他作用。它们是质量监控者，也是转运者：在细胞不同区域间传递成分和信息，并将其他分子送入或送出细胞。还有些酶始终在留意入侵者，激活保护细胞的蛋白质，从而使我们的身体免受疾病的侵害。酶并不是唯一的蛋白质。我们身体的每个部分——从头发到胃酸，再到眼睛里的晶状体——几乎都是蛋白质做的，或是由蛋白质构建而成的。所有这些独特的蛋白质都经过了进化千万年的千锤百炼，才能在细胞内完成特定的功能。哪怕只是一个相对简单的细胞也包含了海量的蛋白质分子。在一个小小的酵母细胞中共有超过万个蛋白质分子！

蛋白质极富多样性，因此每一个细胞内时时刻刻都好似涌动着一个巨大的化学反应的旋涡。如果你能想象自己有一双能感知分子世界的眼睛，在观看一个活体细胞的内部，那么化学活动沸腾的骚乱将给你的感官带来巨大冲击。其中有些分子带电，会产生吸引力或排斥力，而其他分子则不带电。有些是酸性的，有些是类似漂白剂的碱性。所有物质都在不停地相互作用，随机碰撞或按部就班地进行。有时，分子通过电子或质子的快速交换，短暂地聚集在一起，发生化学反应。还有些时候，分子通过形成紧密而持久的键保持化学关联。总的来说，细胞中持续进行着成千上万种化学反应，以维持生命。即使是最大规模的化工厂里发生的化学反应的数量也会相形见绌。毕竟，一家塑料厂里大概只需要几十种化学反应。