《生命之鑰》:沒有了「酶」,許多對生命來說很重要的化學過程根本不會發生

《生命之鑰》:沒有了「酶」,許多對生命來說很重要的化學過程根本不會發生
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發現酶這種物質讓今日所有的生物學家擁有一項共識,就是多數生命的現象都可以通過酶催化的化學反應獲得最好的理解。要了解酶是如何完成這些任務,我們得先了解酶是什麼以及如何產生酶。

文:保羅.納斯爵士(Sir Paul Nurse)

由化學組成的生命:來自混沌的秩序(節錄)

我們現在知道,在所有生物的細胞中,都同時有數百甚至數千個化學反應進行著,這些反應建立了生命的分子、形成細胞的成分和結構,還會分解分子、回收細胞的成分並釋放能量。發生在生物體內,一連串的化學反應就稱為新陳代謝,所有生物都是以此為基礎運作,透過新陳代謝維持現狀、成長,發展組織和繁殖,新陳代謝也是啟動這些過程的所有能量來源。新陳代謝是生命的化學作用。

但是構成新陳代謝的眾多化學反應是如何產生的呢?在巴斯德的酵母中進行發酵的化學反應是哪種物質?另一位法國化學家馬塞蘭.貝特洛(Marcelin Berthelot)深入探討這個問題並取得了新的進展。他把酵母細胞打碎並從細胞殘渣中提取出一種化學物質,這種化學物質的表現很有意思,會啟動一種特定的化學反應,將蔗糖轉化為葡萄糖和果糖這兩種較小的糖分。但在這個反應中,這種物質並沒有受到損耗。那是一種無生命的物質,但卻是生命過程中必須有的物質,尤其是當這個物質從細胞中被移出時,仍然可以繼續工作,馬塞蘭就將這種新物質稱為轉化酶。

轉化酶是一種酶,而酶是一種催化劑,通常會急遽地促進並加速化學反應。酶對生命來說非常重要。沒有了酶,許多對生命來說很重要的化學過程根本不會發生,尤其是在大多數細胞內相對較低的溫度和溫和的條件下。發現酶這種物質讓今日所有的生物學家擁有一項共識,就是多數生命的現象都可以通過酶催化的化學反應獲得最好的理解。要了解酶是如何完成這些任務,我們得先了解酶是什麼以及如何產生酶。

大多數的酶是由蛋白質製成的,蛋白質是由細胞中稱為聚合物的長鏈狀分子構成。聚合物的結構對於生命化學的各個方面都極為重要。和多數酶與所有其他所有蛋白質一樣,所有構成細胞膜的脂質分子、所有儲存能量的脂肪和碳水化合物、負責遺傳的核酸,包括去氧核糖核酸(DNA)以及與之密切相關的核糖核酸(RNA)都是聚合物。

這些聚合物主要只由五個化學元素的原子構成:碳、氫、氧、氮和磷。而在這五個元素中,碳的角色尤其重要,主要是因為碳比其他元素具有更多的用途,比方說氫原子只能與其他原子以一個化學鍵互相連結,但每個碳原子可以與四個其他原子連結。這是碳得以製造聚合物的能力關鍵。碳的四個化學鍵中可能有兩個可以與另外兩個原子(通常是其他碳原子)相連,從而形成一個相連的原子鏈,也就是每個聚合物的核心。這能使每個碳原子都具有兩個可用於與其他原子連接的鍵,然後這些額外的化學鍵可用來將其他分子增加到聚合物主鏈旁邊。

細胞中發現的許多聚合物都是非常大的分子,大到被取了特殊的名稱:巨分子。要了解這些分子到底有多大,可以想想你的染色體核心的DNA 巨分子可以有數公分長,這表示其將數百萬個碳原子納入了一個極為細長的分子鏈中。

蛋白質聚合物不算太長,通常只有數百到數千個連接的碳原子長,但其在化學作用上比DNA具有更高的變化性,所以才能當作酶並因此在新陳代謝中扮演重要角色。每種蛋白質都是一種碳基聚合物,是透過將較小的胺基酸分子一一連成一條長鏈而構成的,像轉化酶就是一種蛋白質分子,是透過將512個胺基酸以特定和有秩序的序列連接在一起而組成。

生命使用20種不同的胺基酸,每個胺基酸都有側鏈,這些側鏈是從聚合物主鏈上分支出來,並被賦予獨特的化學特性。例如有些胺基酸帶正電荷,有些帶負電荷;有些胺基酸具親水性,有些具疏水性;有些很容易與其他分子以化學鍵互相連結。細胞透過將胺基酸的不同組合串連在一起,再加上每個胺基酸的側鏈,就能產生各種不同的蛋白質聚合物分子。

一旦這些線性蛋白質聚合物鏈組裝完畢,就會折疊、扭曲和結合在一起,形成複雜的立體結構,這有點像一條不斷自我纏繞的膠帶,最後糾纏成一顆球。雖然說蛋白質折疊的方式比較像是一種重複的過程,最後會產生非常明確的結構。在細胞中,相同的胺基酸鏈永遠都會想要形成相同的特定形狀。

從線性躍升到立體結構的過程非常關鍵,因為那表示每種蛋白質都具有獨特的外型和獨特的化學特性。結果,細胞能以使其與之作用的化學物質非常精確地結合在一起的方式,建構出酶這種物質,比方說部分轉化酶和蔗糖分子就是完美的組合,因此酶就能提供造成特定化學反應時所需的精確化學條件。

酶負責執行構成細胞代謝基礎的幾乎所有化學反應,但除了建立和分解其他分子之外,酶還扮演許多角色。酶本身也是品質控管者,在細胞的不同區域之間傳遞成分和訊息,並且將其他分子運送出入細胞。其他功能還包括要注意入侵者,啟動蛋白質來防禦細胞並保護身體遠離疾病。

酶不是唯一的蛋白質,我們身體從頭髮、胃中的酸到眼睛中的晶體,幾乎都是由蛋白質製成或組成,這些不同的蛋白質經過幾千年演化的磨練,已經能滿足細胞內的特定功能。即使是相對簡單的細胞也包含大量的蛋白質分子,在一個小酵母細胞中就有四千萬個蛋白質分子。在這樣一個小細胞中的蛋白質數量是北京這樣龐大城市中人口數的兩倍。

這些蛋白質的多樣性會造成每個細胞內隨時都在發生化學反應。如果你的眼睛可以看見分子世界,想像一下看進一個活細胞內部,你的感官將受到瘋狂擾動的化學活動刺激。有些參與其中的分子帶電,使其具有粘性或互相排斥,而有些分子則是中性的。有些是酸性物質或類似漂白劑的鹼性物質,這些不同的物質都在不停相互作用,不是隨機就是特意安排的碰撞。


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