牛津通识读本：分子 [6]
不是所有的蛋白质都是酶。有的蛋白质发挥着结构方面的作用，成为身体的各种组织。有的作为细胞的警卫力量。有的在蛋白质的运输轨道上负责来回递送包裹。有的负责操作细胞的大门，坐在细胞外膜上，遵照接收到的指示开门关门。在人体细胞中有约六万种不同的蛋白质分子，每种都负责一项高度专门化的任务。
如果只是瞧一眼蛋白质，几乎不可能猜出它负责的任务是什么。从外观上来看，蛋白质没什么特殊之处，大多呈球形（参见第23页图8），主要由碳、氢、氧、氮和少量的硫组成。负责同一项任务的蛋白质具有相同的形状和结构，那些看似不规则的一团团实际上是精心设计并装配好的。
很多酶的形状像凹凸不平的腰果，在内侧的曲线处有裂缝。这个裂缝就是要执行任务，即分子实施催化的位置。有些蛋白质会成组地完成工作，它们变成了多蛋白集合体中的“子单元”。细菌体内的色氨酸合成酶就是如此，由四个可分离的子单元结合而成。这种酶能够合成色氨酸这种小分子。所有生物体都需要色氨酸，但人体不含这种酶，所以就不得不通过吃掉其他已经造出色氨酸的生物来摄取它。
这个例子展示了，酶及其他蛋白质的名字常常能透露它们的功能。乙醇脱氢酶是能从乙醇分子上取下一个氢原子（“脱氢”）的酶。ATP（三磷酸腺苷）合成酶能合成ATP分子。但并非所有蛋白质的名字都如此一目了然。血红蛋白（haemoglobin）负责在血流中携带氧，它的名字则分为两段，前段来自希腊语的血液（haeme），后段来自它的形状是球形（globular）。肌红蛋白（myoglobin）在肌肉组织中负责从血红蛋白手中接过货物——氧，它名字的前一段来自肌肉的希腊语。还有更诡异的名字。弹性蛋白是一种有弹力的蛋白，能在很多柔韧的人体组织，如血管和声带中找到。泛素是人体中到处都能找到的一种蛋白质，因为它在随处可见的废弃蛋白质处置过程中发挥核心作用。
从图8中你大概猜不到，其实蛋白质分子只不过是小分子串起来的一条单链。这条链将自己密集地折叠、盘绕起来，看上去就像是堆起来的一大团原子。但通过X射线晶体学（参见第18页）细致观察其结构，我们就能沿着这条链看到它怎样扭曲，把自己挤成一个紧缩的球体。蛋白质化学家有时会用一种别样的方式将这条分子链形状清晰地表现出来（如图11）。从这幅图上，你能够看出，整体的结构是通过某些特定的重复特征——或称“模体”——搭建起来的，比如其中会出现盘旋状的单元，称作α螺旋；还会出现几段相互平行的分子链，即所谓的β折叠。
图11 在这种蛋白质分子表示法中，扭曲链的结构被清晰表达出来。图中大体相互平行的几个平直箭头表示β折叠，而标有白色V形的螺旋片段是α螺旋。这个分子是牛体内的蛋白酪氨酸磷酸酶
我们还可以从概念上进一步分解蛋白质的结构。分子链是由一个个有特点的小分子团组成的，就像是穿在一条线上的珠子。这些分子团曾经是一个个分立的分子，称作氨基酸。天然蛋白质含有20种氨基酸。在分子链上，氨基酸与氨基酸通过一种叫肽键的共价键连接在一起。为了形成这个连接，两个分子都丢掉了一部分多余的原子，而余下的部分——链上的枝节——称作残基。这条分子链就称作多肽。
氨基酸残基组成的任何一条链都是多肽。只要对氨基酸混合物加热，我们自己也能够简单地造出多肽。但是光这样造不出蛋白质。蛋白质中，氨基酸在链上的排列顺序——序列——并不是随心所欲的。序列是经过选择的（在达尔文的意义上说，就是自然选择），从而保证肽链上的每一部分都处在正确的位置，长链能够在水中收缩卷曲成预定的球状。蛋白质的特殊形状在加热时会被破坏，这个过程称作变性。但很多蛋白质在冷却之后，又会自发地折叠恢复到原先的球状结构。换言之，肽链对它的折叠形状有记忆。
人们对折叠过程的细节还未全然知晓——实际上，这也正是分子生物学的一个核心未知难题。不过，我们倒是知道，是什么能够保持蛋白质分子中多肽链的这种紧缩形式。分子链中很多部分可以相互形成微弱的键，称为氢键。比如，正是氢键将肽链粘出了α螺旋和β折叠。链上还有一些部分是通过硫原子间的强键结合起来的，这些硫原子来自半胱氨酸的残基。有些残基较难溶于水，于是就倾向于在球状蛋白质的内部结成一团，被链上可溶于水的部分包围起来。因此，由此产生的折叠结构依赖于不同残基的特点，依赖于不同残基在链上的位置——换句话说，即依赖于序列顺序。可以说，蛋白质分子造出来时就带有了它们各自折叠方式的指令。
制造蛋白质时，细胞中的工厂是怎样“知道”该如何排列氨基酸次序的呢？此时DNA（脱氧核糖核酸）就走进了我们的视线。所有细胞中都有DNA分子，体内各种蛋白质的序列就由DNA编码。蛋白质在做所有的工作（或者说大部分工作），而DNA则只是消极被动地等着被解读，一旦需要某种蛋白质的时候就要用到它们了。
DNA信息是用与蛋白质信息不同的另一种语言所书写的，但细胞能够互译这两种语言。DNA是另一种由小的分子单元组成的序列——另一种聚合物。但它的组成单元与蛋白质完全不同——并非氨基酸，而是称作核苷酸。DNA像一座记录着蛋白质结构的图书馆，由表示核苷酸序列的字符书写而成（参见第135页）。粗略地讲，制造蛋白质的信息就编码在DNA的草图里，我们称之为基因。
显然这里会牵涉到奇妙的协作。无论是哪里需要酶来完成一项工作，这个信息都必须传递到DNA所处的区域。在人体细胞中及所有生物体的细胞中——除了最“原始”的单细胞的细菌以外，DNA所处的核心隔间称为细胞核，细胞核通过自己的膜与外界隔离开来（如图12）。凡有细胞核的生物就称作真核生物。
图12 人及其他真核生物的细胞将遗传物质（DNA）分隔在中心的细胞核中。其他不同隔间（细胞器）也各有不同功能，比如合成蛋白质、产生能量等。请注意，仅当细胞准备分裂时DNA才会打包成染色体（如图中所示），其他时候则保持松散的长链状
在人体细胞中，DNA打包成一捆一捆的，称为染色体。制造蛋白质时，包含着相应基因的DNA就会展开以供阅读。实际上，蛋白质制造并不在细胞核中进行，而是在名为内质网的隔间里，这是个由膜通道所组成的错综复杂的网络。基因首先转录成一种与DNA相关的分子，名叫RNA（核糖核酸）。RNA分子从细胞核转移到内质网中，在这里翻译为蛋白质。继而蛋白质被输送到需要的地方。因此，细胞里的分子必须具有通信和运输的能力。
这整个过程是受到调节的，保证蛋白质不会随随便便就造出来，只在需要时才制造。如果细胞总是任意地制造各种蛋白质，那它很快就会拥堵了。法国生物化学家弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺在1960年代提出了一项重大发现，解释细胞怎样维持各个隔间之间的秩序。他们表明基因之间能相互调节，可以通过自身编码的蛋白质为媒介来开关其他基因。例如，有些编码了细胞所使用的蛋白质的基因（称为结构基因），同时也伴随存在着编码了抑制蛋白质的调节基因。调节基因打开时，抑制蛋白就合成出来，绑定到结构基因上，阻止结构基因的“表达”（转录并翻译成蛋白质）。雅各布和莫诺将这些受调控的扩展DNA称为操纵子。他们从一个角度展示了细胞中不同基因和蛋白质拥有相互作用的网络。分子生物学家如今几乎解码了人类DNA的全部核苷酸序列，但是对于它所编织的这个巨大网络，人们才读懂了很少一部分。
基因进化
关于基因的分子科学可谓打开了潘多拉之盒。它不仅帮助我们解释了关于生命的最深层的谜题，还在人类行为以及伦理学上提出了挑战性的难题，并为我们带来了具有争议的新技术。它还颠覆了我们对进化的理解，颠覆了对于我们从何处来这个问题的认识。
基因是遗传特征的流动，它来自我们父母的馈赠，谁都无法避免。个人特征会从父母遗传到子女身上，这一思想非常古老而明显，而19世纪的奥地利神父兼生物学家格雷戈尔·约翰·孟德尔则将它表述得更加具体。基于豌豆杂交实验，他提出存在着调节遗传特征的“颗粒状因子”，这些因子能够从先祖的细胞传递到后代。很快人们就明白了，这种后来被称作基因的“因子”，在本质上就是一种分子。但在20世纪前半叶，很多科学家认为它是蛋白质分子。我们已经看到，霍尔丹也相信这种说法。直到1953年，弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森推断出了DNA的结构，人们才相信DNA而非蛋白质是遗传的分子物质，是基因的材料。
如此一来，进化论就有了坚实的分子基础——受精卵从父母身上获取的并不是一个预定形的身体，而是一套规划着身体如何发育的基因指令。由于基因的分子构成在一代代变化，进化中的变迁也就慢慢发生。当细胞分裂时，DNA会复制一份，但这并不能总是完美地实现。于是，孩子从父母身上得到的DNA就可能会是带有一点瑕疵的双方基因融合体。这些瑕疵通常不会有什么影响。有时它们会有害（但要注意，大多数遗传疾病是由孩子继承了缺陷基因造成的，而不是由于基因复制的随机差错而获得的）。极稀少的情况下，基因突变可能会产生有益的影响，使生物体更适于生存。这种优势可能极其微弱，但微弱的优势也能在繁殖中获得较大的成功比率，从而缓慢提高突变基因在群体中的数量，进化就这样微小地一步一步前进。
这就意味着，基因乃是进化的分子记录。人类和兔子共同的祖先拥有着相同的一套基因。而现今人类与兔子全部基因（即基因组）的差异正反映了基因突变逐渐积累形成的分化。这使得科学家能够从基因的分子结构中重建进化史——推断出物种分化的次序。过去古生物学家必须依据生物的身体和骨骼的形状来推断，现在则有了衡量进化中的变迁更轻松、更易量化的分子手段。
具体而言，通过比较线粒体（如图12）这一细胞隔间中的DNA，人们就可以重建进化树，或者称种系发生学。线粒体是细胞的锅炉房，能量就在这里产生（参见第四章）。与细胞核中DNA不同的是，线粒体DNA是直接从母体获得的。细胞核DNA会融合来自父母双方的基因，从而发生改变，线粒体DNA的变化则只来自一代代逐渐突变的积累，因而也更好地记录了进化中的变迁。1987年，加州大学伯克利分校的艾伦·威尔逊和他的同事一道，比较了来自许多种族群体