第二节　蛋白质变成生命活动的执行者

原核生物最大的贡献，就是把生命从RNA唱主角的世界转变为蛋白质唱主角的世界。这个转变的意义极为重大，导致了地球上后来所有生命形式的出现。它发生的方式也非常精彩，值得用稍微多一点的篇幅来叙述这个过程。

蛋白质分子的强大功能

RNA是唯一能够自己复制自己的分子，在分子之间的配合还很缺乏，各种分子必须单独作战时，只能由RNA来担当创始生命先锋的角色。但是仅由细胞膜和RNA组成的生命还过于简单，甚至还不能正式被称为生命。这主要是因为RNA虽然能够催化自己的形成，但是催化其他化学反应的能力却有限，不能合成即使是原核生物这类最简单的生物所需要的各种分子，例如，组成核苷酸的嘌呤、嘧啶和核糖，以及组成最初细胞膜的脂肪酸，这些分子的供给还必须依靠缓慢的自然形成过程。在这种情况下，无论是RNA自身的增殖还是新细胞膜的形成，都会受到极大的限制，更不要说拥有后来原核生物多姿多彩的生活。

之所以RNA的催化能力有限，是因为RNA只是由4种核苷酸组成的分子，虽然能够通过碱基配对结合核苷酸，但是结合其他分子的能力就比较弱，也就是难以形成加工其他分子的“工作台”。4种碱基能够参与的化学反应也有限，相当于对其他分子进行加工的工具也不多。

但是由20种氨基酸组成的蛋白质分子可就不一样了。氨基酸，顾名思义，是含有氨基（—NH₂）的酸性分子，因为它们同时还含有一个带酸性的羧基。在生物使用的氨基酸中，氨基和羧基都连在氨基酸分子中的同一个碳原子（阿尔法碳原子）上。一个氨基酸分子上氨基的氢原子和另一个氨基酸分子上羧基的羟基结合，脱离下来形成水分子，羧基和氨基余下的部分相连，形成肽键，就可以把许多氨基酸分子串联起来，形成肽链，其展开时的形状像一根长绳子。肽链中具有未用氨基的一端叫作氨基端，具有未用羧基的一端叫作羧基端（图2-3）。

除了氨基和羧基，阿尔法碳原子上还连有另一个原子团，叫作侧链（唯一的例外是甘氨酸，它的侧链只是一个氢原子）。氨基酸连成肽链的长绳子时，这些侧链就向外伸出，像长绳子上横向伸出的短绳子。不同的氨基酸所含的侧链结构各异，性质也不同，有的亲水，有的憎水，有的带正电，有的带负电（图2-4），好戏就从这里开场了。

肽链可以弯曲，绕成各种形状。憎水的侧链由于受到水分子的排斥，彼此聚到一起，而亲水的侧链由于能够与水分子亲密接触，从外面包裹聚在一起的憎水侧链，这样就把肽链卷成一个球形，成为有生理功能的分子，叫作蛋白质。由于有20种侧链，而且在不同的蛋白质分子中，氨基酸的数目和排列情况都不同，蛋白质分子就可以卷成千千万万种形状（图2-3下）。

有了千千万万种形状，就可以在蛋白质分子表面形成各种形状的凹坑和沟槽，结合（即固定）各式各样的分子。除了形状配对外，蛋白质还能够进行电荷匹配：其他分子上带正电的地方，蛋白质分子在对应的地方就带负电，其他分子上带负电的地方，蛋白质分子上对应的地方就带正电，或者不带电，但是不能有电荷冲突。通过形状和电荷匹配，尽管细胞里面有成千上万种分子，每种蛋白也都能找到专门与自己结合的分子，相当于能够为其他分子准备工作台。

蛋白质不仅能够特异结合其他分子，在蛋白质的20种氨基酸的侧链中，又有许多能够参与催化过程，相当于工作台上还自带有多种加工工具，因此蛋白质对其他分子进行加工的本领非常强，也就是能够催化生命活动需要的几乎所有化学反应，合成生命所需要的几乎所有分子。RNA分子不能催化形成的嘌呤、嘧啶、核糖和脂肪酸，蛋白质都能轻松地合成。

不仅如此，蛋白的催化效率也比RNA高得多。例如，前面谈到的RNA分子tc19Z，在合成其他RNA分子时，24小时才能把94个核苷酸连接起来。而由蛋白质组成的RNA聚合酶，每秒钟就能把数千个核苷酸连接起来，催化效率比RNA高几百万倍！有了蛋白质的催化，生命活动才能活跃地进行，具有催化作用的蛋白质也就被单独取了一个名字，叫作酶。

除了催化化学反应，蛋白质还能被用作“建筑材料”（如指甲和毛发），接收和传递信息（见第六章和第十二章），搬运“货物”（见第三章第五节），防御外敌（见第十章），甚至组成生物的“钟表”（见第七章），因此说蛋白质是生命活动的执行者，一点儿都不过分。生命要进一步发展，就必须改用蛋白质来执行各种生命活动。

但问题是，蛋白质虽然可以催化几乎任何分子的形成，但唯独不能复制自己，也不能生产其他蛋白质分子，也就是蛋白质不能生产蛋白质。这看上去有点奇怪：蛋白质不是能合成千千万万种分子吗？怎么就不能把氨基酸也连接起来，形成蛋白质呢？

蛋白质分子不能复制自己

蛋白质确实能结合氨基酸，也能把氨基酸连接起来。例如，在我们的细胞中，有一种重要的分子叫谷胱甘肽，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸这三个氨基酸相连而成，这种分子就是由蛋白质催化合成的。蛋白质先结合半胱氨酸和谷氨酸，将它们连在一起，形成半胱氨酸-谷氨酸。另一个蛋白质结合半胱氨酸-谷氨酸和甘氨酸，再将它们连在一起，就形成谷胱甘肽。在这两步反应中，蛋白质的工作方式是一样的，即同时结合两个分子，再将它们连在一起。

但是在这里，蛋白质合成谷胱甘肽的方式与RNA分子复制自己的方式不同。RNA分子复制自己时，嘌呤和嘧啶一对一地结合，所以结合的核苷酸的顺序就对应RNA自己核苷酸的顺序。但是蛋白质结合氨基酸时，并没有将它的某个氨基酸和要固定的氨基酸一对一地结合，而是通过其空间结构来结合氨基酸，涉及多个氨基酸。这些与结合有关的氨基酸通常也并不相邻，是肽链卷曲时才把它们带到一起的。由于这个原因，结合每个特定的分子都需要专门的蛋白质。

如果我们用数字代表依次加上的氨基酸，在合成的第一步中，酶需要同时结合氨基酸1和2，将它们连成1-2。在第二步，再加氨基酸3时，酶需要同时结合1-2和3，这时在第一步中结合1和2的酶就不适用了，而需要另外一种酶。在往1-2-3上面加氨基酸4时，又需要第三种酶。而蛋白质通常是由几百个氨基酸相连而成的，合成一个由400个氨基酸组成的蛋白质就需要399种不同的酶。我们的细胞内有数万种蛋白质，如果每种蛋白质都需要成百上千的酶来合成，就需要几百万到几千万种酶，而且合成其他蛋白分子的酶自己也是蛋白质，它们又由谁来合成呢？所以用合成谷胱甘肽的方法来合成蛋白质是不可能的。

RNA能复制自己，但是催化功能有限；蛋白质催化功能强大，又不能复制自己。如果不能在RNA和蛋白质之间建立联系，现在地球上我们看到的生命就不可能产生。

RNA能够为蛋白质编码并且催化蛋白质的合成

幸运的是，RNA还真的和蛋白质建立了联系。RNA分子中的嘌呤和嘧啶，除了能与分子外的嘌呤和嘧啶结合外，还能和分子内的嘌呤和嘧啶结合，导致分子内的碱基配对，将RNA分子的长链折回来，相互结合成为各种形状，其中一些空间形状就能结合氨基酸，类似于蛋白质用三维结构来结合别的分子。

核苷酸在组成RNA分子时，第一个核苷酸中核糖上第三位碳原子上的羟基与第二个核苷酸上的磷酸根相连，第二个核苷酸中核糖上第三位碳原子上的羟基又与第三个核苷酸上的磷酸根相连，这样就将多个核苷酸连在了一起。在这样形成的RNA链中，第一个核苷酸上的磷酸根未被使用，又由于这个磷酸根是连在核糖第五位的碳原子上的，所以第一个核苷酸所在的一端叫作5'端。最后一个核苷酸中核糖上第三位碳原子上的羟基没有被使用，所以最后一个核苷酸所在的端叫作3'端。由于这个原因，RNA链是有方向的（参看图1-7）。

一种小分子RNA的链回折，形成双头发卡样的结构时，就能结合氨基酸。在这个结构中，RNA的两端之间有一段距离，对应这个空当的，是三个没有配对的核苷酸。这三个核苷酸不同的序列就可以结合不同氨基酸的侧链，例如，AAU可以结合异亮氨酸的侧链，CCA可以结合色氨酸的侧链，CCU可以结合精氨酸的侧链等（图2-5）。

不仅如此，在这样一个结构中，5'端的核苷酸还能活化氨基酸上的羧基，使它与3'端核苷酸中的核糖相连，这样就把氨基酸连在这个小RNA分子上了。然后RNA分子重新折叠，使与RNA分子结合的氨基酸位于分子的一端，三个未配对的核苷酸位于分子的另一端（图2-5右上）。由于这三个核苷酸是未配对的，它们就可以和另一个RNA分子上对应的三个核苷酸配对，将氨基酸分子带到另一个RNA分子附近。

由于两条RNA链彼此结合时，链的方向是相反的，所以配对的三个核苷酸序列也必须反过来读，例如上面说的小分子RNA中的AAU就可以和RNA分子上的AUU配对，CCA和UGG配对，CCU和AGG配对等。这样，另一个RNA分子上的三个核苷酸就可以与小分子RNA上的氨基酸相对应，也就是编码，叫作三联码，也叫密码子，而小RNA分子上与三联码配对的三个核苷酸的序列由于和三联码的序列方向相反而且碱基互补，叫作反密码子。因此是小RNA分子上与氨基酸侧链结合的三个核苷酸先产生了反密码子，使另一个RNA分子上与反密码子对应的三个核苷酸的序列成为密码子（图2-5右下）。

通过反密码子与三联码配对，小RNA分子就可以把与它相连的氨基酸带到编码RNA分子附近，固定“零件”的“工作台”就建立起来了。由于小RNA的任务是把氨基酸带到编码RNA附近，它们就被称为转运RNA（tRNA，t表示转运）。

有了“工作台”，氨基酸被固定到编码RNA分子附近后，还需要有分子将这些氨基酸连起来，形成蛋白质。这个工作是由另一个RNA分子来完成的。因此细胞中蛋白质合成的任务全部由RNA分子来进行：编码RNA、转运RNA和催化RNA。三种RNA分子彼此协同，实现编码RNA分子中三联码的序列转变为蛋白质中氨基酸的序列。功能有限的RNA分子彼此配合，合成功能强大的蛋白质分子，从此改变了生命的发展方式，不能不被认为是一个奇迹。我们今天能在这里，也全拜这个过程所赐。

就是到今天，生物体里面蛋白质的合成，也还是通过这个方式进行的，只不过蛋白质合成是在一种专门的结构叫核糖体的颗粒中进行的（图2-6）。催化RNA就在核糖体内，是核糖体的固定成分，叫核糖体RNA（rRNA，r代表核糖体）。信使RNA（mRNA，m代表信使）进入核糖体，tRNA把氨基酸带到mRNA附近，合成蛋白质。核糖体中除了rRNA，还含有许多蛋白质分子，使核糖体合成蛋白质的过程更加高效，但是直接参与蛋白质合成过程的，仍然是RNA分子。

随着蛋白质唱主角，RNA也逐渐退出原来单打独斗的角色，其为蛋白质编码、储存遗传信息的功能也被DNA所取代。