生命的化学基础

生命的化学基础

大家都听说过“DNA”、“RNA”等字眼，这些字眼是与生命紧密联系在一起的，当我们用这些字眼来看生命时，就是从另外一个角度来理解生命了。这个角度就是化学的角度。

我们知道，生命的基本特征之一就是生物的多样性。在大千世界，生命种类繁多，各种看得见的动物、植物，还有无数看不见的微生物，遍布整个地球。这些生物的多样性曾经弄得生物学家们焦头烂额，现在人类已经用一种新的方法将这如此多样的生命统一起来，变成了一种相对而言简单得多的方式。这种新方法就是化学的方法，或者说，是生命的化学基础。

我们知道，世界上的物质虽然变化万端，然而也有其共同之处，即它们都是由原子构成的。世界上所有的原子种类不过一百余种，其中最丰者不过十来种而已，它们加起来占了地球上物质总量的绝大部分。

这些元素中最主要的是碳，它可以说是生命与生物的象征之一，除了碳外，其他在生物体中扮演重要角色的有氢、氧和氮三种元素。这四大元素结合起来就占了组成人体活细胞中原子总数的约99%。剩下的1%主要是另外12种元素，它们对于生命的存在与存活同样是不可或缺的。例如磷，它是我们下面要讲的核酸中的重要成分；硫则是蛋白质中的重要成分；钾、钠则在传递神经冲动时有重要作用；铁在比较高等的动物，例如人的血液中不可或缺；镁原子则是叶绿素分子的一部分。此外，像碘、硒、钙、锌等在人体中同样重要，如果缺乏的话就会导致各种各样的疾病。因为在生物体中含量少，它们又被称为微量元素。

据说有科学家进行过统计，如将一个标准体重的人身体中的化学元素提取出来，可以制成如下的日用品：例如脂肪，可制造出7块肥皂；提取出来的碳，可炼成20磅焦碳；将磷聚集起来，可做成火柴220根……

四种有机化合物构成了生命的主体

这是就生物体中含有的元素种类与数量而言。但我们也知道，这些元素在人体中当然不是以单质的形式存在的，它们构成了有机化合物。

令人惊奇的事实就是：按理说，构成生物体的有机化合物应当也是复杂无比、种类繁多的。然而，科学家们惊奇地发现并非如此，事实上，地球上所有的生物体都是由相对来说为数并不多的若干种有机化合物构成的，而且，这些有机化合物的大部分甚至在地球尚未有生命以前就存在于地球上。也就是说，我们可以大致确定，地球上的生命就是以这些构成了生命的主体却早在生命诞生以前就存在于地球上的有机化合物为始祖的。

这样的化合物主要只有如下四种，以它们对于生命的重要性排列如下：核酸、蛋白质、脂肪和多醣类、叶绿素。蛋白质是生物体内主要由氨基酸组成的一种生物大分子。

正是有了太阳的照耀，植物才能够如此欣欣向荣。

这里有两个我们以前没见过的概念：氨基酸和生物大分子。氨基酸就是既含氨基又含酸性基团的有机化合物。生物大分子则是一些有相对较高的分子量的有机化合物，它主要就是指蛋白质、核酸以及其他一些有相对较高分子量的碳氢化合物。

作为一种分子，蛋白质也像一般有机物的分子一样，有其化学结构，它主要由氨基酸分子构成，其成分包括碳原子、氢原子、氧原子、氮原子等，一个氨基酸分子的结构图如下：

这里的R代表一个特别的侧链，正是这个侧链区别了各个氨基酸。这种构成蛋白质的氨基酸种类有限，共有约20种，但个数就多了，可以是几个，也有许多蛋白质含有多达1000个以上的氨基酸单元。就具体结构来说，每个蛋白质都是由一个个的氨基酸按照一定的次序连接起来的，就像一根长长的链条一样的分子链，只要任意改变其中的一个氨基酸的位置或种类就会生成不同的蛋白质。如此一来，区区20种氨基酸就有多达201000种不同的聚合方式，就能够组成这么多种蛋白质，这等于是无数种了。正是这无数种蛋白质构成了生物体复杂多样的组织。

蛋白质与核酸一样是生物体内最基本的物质，担负着生命活动过程中许多极为重要的功能。例如细胞主要就是由蛋白质组成的，蛋白质的含量占人体的皮肤与肌肉不含水时重量的70%至80%，占血液的干重更是高达90%。大多数重要的生物催化剂，即酵素，完全是由蛋白质组成的。可以这样说，动物被构造成什么样子、有什么样的新陈代谢，这都要看它体内含有哪一种蛋白质。

脂肪与多醣类也是生物大分子，它们是构成所有生物活细胞的重要成分。就化学元素而言，它主要是由氢与碳构成的，此外还有少许然而重要的氧。生物细胞中许多功能的执行，例如植物的光合作用，都必须依靠改变脂肪层的结构。多醣类则是光合作用的主要产物，例如纤维素和淀粉就是这样的产物，它们也是动物的主要食粮。

叶绿素是植物进行光合作用的主要工具，也是树叶之所以呈绿色的原因。它是一种叫“镁卟啉”的化合物，这种化合物中含有碳、氢、氧、氮和镁，是一种很复杂的生物大分子。

叶绿素的意义在于它是植物能够进行光合作用的工具，这我们在上章中已经讲过了，没有光合作用也就没有植物，也就没有地球上动物所需要的粮食，甚至没有地球上的氧气。

遗传与变异

最后我们来讲讲构成生物的四种化合物中之最重要者——核酸。核酸是集中在生物细胞的细胞核内的一种化合物，它是由少则数十、多则数十亿个核苷酸通过特定的途径形成的一种长链状的生物大分子。

这里的核苷酸也是一种有机化合物，不过结构比核酸要简单一些，它主要由更简单的有机化合物碱基、糖、磷酸盐构成。因为核酸主要位于细胞核内，又带酸性，因此被称为核酸。

核酸对于生物之所以如此重要，是因为它乃是一种带有遗传讯息的化学分子，它的性质决定着生物个体的遗传特质。可以说，我本人之所以有幸是一个人而不是一条毛毛虫甚至一只讨厌的蟑螂，主要就是核酸的功劳呢！

核酸共有两种，一种叫脱氧核糖核酸，另一种叫核糖核酸，分别简称为DNA与RNA。其中DNA更是大名鼎鼎。我们这里先讲一下不那么有名的RNA，再来讲著名的DNA。

RNA与DNA的结构差不多，二者都是生物大分子，具有复杂的结构，只是在构成它的碱基、糖、磷酸盐三种成分中，构成它的糖是核糖，而DNA则是脱氧核糖。RNA的主要功能是在蛋白质的合成中起作用，并且能够在某些情况下代替DNA而作为遗传密码的载体，例如在某些病毒中。

基因的作用图

DNA是deoxyribonucleic acid 的简称，汉语译为脱氧核糖核酸。它是存在于染色体上的一种高分子有机化合物，染色体乃是一种蛋白质与DNA的复合体。它一般都相当长，像一条链子。更准确地说，是像两条链子互相缠绕，形成一种双股的螺旋体，就是DNA著名的链式结构。组成它的成分我们前面说过了，主要是核苷酸，或者说是组成核苷酸的碱基、脱氧核糖、磷酸盐三种成分。其中碱基又分为四种，即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。

DNA的主要功能是携带遗传密码。中国有一句俗话说，龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞。为什么如此呢？即为什么龙生的是龙，凤生的是凤，老鼠生的是老鼠而不是猫？并且是会打洞的老鼠而不是会飞的老鼠呢？

这就是DNA的功能了。所有生物世世代代相传的遗传信息就是被记录在这些DNA分子上的。一个生物之所以属于这个物种而不属于另一个物种，之所以具有这个特点而不具有另一个特点都是由其DNA所携带的遗传密码决定的。就像上面的例子一样，老鼠之所以是老鼠而不是猫，老鼠之所以会打洞而不会飞，都是因为它的DNA所携带的遗传密码的缘故：正是这些DNA使得老鼠长得像老鼠的样子，尖嘴有须、腿脚灵便，还有打洞的本事。

染色体结构图

任何生物的特性不但由其DNA所决定，同样重要的是，存在于其细胞中的DNA还能够将这种特性传递给它的下一代。具体地说就是，当细胞快要分裂时，存在于它之中的含有遗传密码的DNA便迅速地自我复制一个，然后快速传递到新生的细胞，使之也带上了遗传密码。我们知道，物种的繁殖，从最简单的到最复杂的，实质上都一样，都是这种细胞的复制过程。例如人，女性排的卵子与男性排出的精子都是一种细胞，卵细胞还是人体最大的细胞。它们在人体中被制造出来时，自然也复制了原来的DNA，带上了原来的遗传密码。当它们正式准备参预受精或授精时，就是成熟的卵子或者精子了。这时每个精子或者卵子所含的染色体数目只有母细胞染色体数目的一半。也可以说是含有一半的遗传密码DNA，这就是所谓的减数分裂。如果卵子与精子能够顺利结合，他们就又构成了一个完整的新细胞——受精卵，它里面的染色体数目就又与减数分裂前一样了。只是这时候的受精卵已经接受了卵子与精子双方的染色体，用一句通俗点的话说，就是接受了父母的遗传，成为既有父亲的遗传、又有母亲的遗传的子女了。我们人类正是这样生殖的。

双胞胎

当然，孩子不一定像父母，弟不一定像兄，外甥不一定像舅舅。这同样是常见的现象。这又是为什么呢？这里的原因就是与遗传相对应的变异了。什么是变异呢？就是说，DNA复制遗传密码时绝大多数情况下都不会像复印机一样完全拷贝——只有同卵双胞胎是这样，而是会在整体相似的前提下在细小处有所变化。这样就使得复制出来的新DNA带有一些新密码，这就是遗传之中的变异了。这些细节上的变异是很难找到其规律的，它受到许多因素的制约。正是这些因素使得DNA有所变化，而这个变化最终就产生了我们上面说的像与不像了。不过，在某些情况下，DNA复制时由于受到某些强力因素的干预，例如受到放射性元素的照射，会引起大变化，产生与原来DNA中的遗传密码完全不同的新信息，这时候，这个新密码又会指挥细胞制造出新的蛋白质，最终结果是某种与原来的物种有较大差别的新物种。这就是一种突然的、强烈的变异了，称之为“基因突变”。

既能够遗传，在遗传之中又有变异，这乃是生物的主要特征之一，也是物种进化的根本动力。