结构生物学:从原子到生命:原书第二版

第1章导论 　　1.1生命 　　我们的周围充满了微生物、植物与动物这些我们一眼就能够识别出的生命体（图1.1）。但是给生命下一个简明的定义并非易事。就本书的目的来说，或许可以将生命定义为具有化学活性且能进行繁殖和演化的单元。 　　化学活性又称代谢，涉及能量与物质转换。这些活性使生命机体以不同形式获得能量与化学物质。上千种化学活性可以在活着的机体中同时发生，这些反应必须很好地协调以保证生命单元的稳定性。 　　这些生命单元在繁殖（产生新的单元）过程中同时产生延续性及变异性这两种重要的生命特征。繁殖、信息的水平转移及“出错”复制的组合构成了演化的基础。换句话说，生命单元的组成应该能够随时间变化以更好地适应变化中的环境条件。生命机体看起来有着非常不同的外形和生活方式，然而，生命的基本特征（包括代谢、繁殖和演化）却是由非常相似的亚结构——生物大分子和细胞组成及掌控的。 　　1.2生命组织的层次 　　生命世界由小到大具有几个等级层次。*底层是分子，其次是无机化合物、有机化合物及生物大分子的混合体，然后是亚细胞结构、细胞、组织、器官、机体、种群、群落及生物圈，这些构成了地球上的所有生物群。 　　大分子是所有生命机体的核心。它们是由重复单元构成的巨大多聚物。这些重复单元可能相同也可能不同，以共价键或者非共价键相连。大分子执行众多功能，是代谢、繁殖和演化的基础，这些功能包括能量或信息的储存、反应的催化、协作与调控、通讯、结构支持、防御、运动与运输。以其化学组成为基础，我们讲述三种类型的大分子：①多肽和蛋白质，是由氨基酸残基组成的多聚体；②核酸，是由核苷酸组成的多聚体；③碳水化合物，由糖组成的多聚体（图1.2）。这里需要提到的其他与生命活动相关的核心分子是脂类。虽然脂质不是大分子，但是会自己组装成为大分子尺度的聚合体，包括脂质双分子层（细胞膜的重要组成部分）、含有胆汁分子的胶束聚合物，以及在血液中运输胆固醇和脂肪的脂蛋白的聚合物。在接下来的章节，我们将尝试理解生物大分子的结构，并且将它们与功能以及更高层次的生命世界相联系。 　　生命的基本单元是细胞（图1.3）。细胞被质膜包围，从而与外界环境分离并形成分开的空间以保持可控的内部环境。细胞一般具有两种组织模式：①细菌和古菌的原核生物特征；②真核生物的真核生物特征。原核细胞一般以单细胞形式存在，比真核细胞要小，平均直径为1^m。原核细胞的基本结构为：细胞膜；包含DNA的细胞内类核体及包含剩余胞内物质的胞质，且胞质中含有核糖体、酶和细胞骨架元件等。真核细胞有分离间隔和细胞器的内膜，一般至少比原核细胞大10倍，也更加复杂，细胞器包括：①细胞核，储存遗传物质，并且是复制和基因转录系统；②胞质，蛋白质合成和许多重要生化反应的发生地；③线粒体，“发电厂”和能量储存室；④内质网和高尔基体，蛋白质成熟和进一步分送的场所；⑤溶酶体及液泡，蛋白质等多聚大分子降解成可用的代谢物的场所。 　　人们相信地球上所有生物体都起源于一种（原始的）单细胞生物。尽管有许多其他可能性，“所有生物都起源于相同的细胞”这种说法主要是因为所有生物物种都使用相同的核苷酸和氨基酸，同时也拥有相同的遗传密码（由核酸语言翻译为蛋白质语言的“词典”）。此外，像转录和翻译这样的中心分子系统也是紧密相关的。尽管原则上有许多其他可能的选择，但像ATP这样的小分子却成了所有生物体中能量的通用货币。 　　今天，我们发现了几百万种不能相互交配繁殖的生命机体，它们被称为物种（图1.4）。在某种意义上，它们似乎是完美的，因为它们都成功适应了其所处的不同环境。但是，一种特定的生命形式可能明天就因不再适应环境而灭绝，就像之前广泛分布在地球上而今已经灭绝的物种。由于环境的变化，更加适应环境的物种不断进化出来，这种进化主要通过大分子结构的不断改变而实现。 　　导致目前生物多样性的一系列事件可以被表述为一棵“演化树”，它展示了一个物种分叉演化成新物种的（时间）顺序。这棵“树”记录了生活在过去不同时间的祖先演化为后代的足迹。换句话说，“演化树”显示了现代及古代物种之间的演化关系。当我们比较不同物种相似生物过程中的大分子结构时，理解这些物种间的演化关系是至关重要的。由于没有足够的化石记录，一些早期的分支是很难重构出来的。然而，基于现存生命机体的分子（序列）证据，我们可以把所有活着的生命分为三个“界”（domain），它们在十多亿年以前就已经各自分离演化出来了：①古细菌；②细菌；③真核生物。尽管表面上看来古细菌和细菌的形态很相似，其实它们在演化历史的很早期就已经分成截然不同的谱系了。 　　古细菌经常在极端环境中，如酸性温泉、海底、盐井等地方被发现，不过在相对“正常”的环境中也会存在。它们的复制、转录和翻译的机器与真核生物的类似，但是古细菌的代谢及能量转换系统与细菌的更为相似。 　　细菌由十多种亚家族组成，也被称为演化枝（clade），*重要的有：变形菌族（Protobacteria）、蓝细菌族（Cyanobacteria）、螺旋菌族（Spirochete）、衣原体菌族（Chlamydias）和厚壁菌族（Firmicutes）。变形菌 　　族是*大且非常多样化的亚家族，其中包括目前被研究得*为深入的物种——大肠杆菌（Escherichiacoli）。有些时候，细菌按其细胞壁的组成分为革兰氏阳性菌[如枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）]和革兰氏阴性菌如大肠杆菌。细菌在生化代谢上展现出极大的多样性。 　　真核生物可以分为四大类：原生生物界、植物界、真菌界及动物界。原生生物界主要包括单细胞生物，且具有多重起源，其中有一些是非常初级的真核生物，如鞭毛虫（Giardia）；另一些则与动物类联系密切，如盘基网柄菌属（以ctyoste"謂）红藻（redalgae）等则与植物类联系密切。吞噬（phagotrophy）是一种由质膜形成小袋来包裹“食物”的取食方式，是真核生物的主要特征。 　　1.3地球上的生命简史 　　化学演化理论认为，**批生物分子出现在约40亿年前的原始地球上。奥巴林（Oparin）和霍尔丹（Haldane）在20世纪20年代各自独立地提出，如果地球*初的大气是还原性的并且有外界能量输入，那么一系列的有机化合物是有可能被合成的。20世纪50年代，斯坦利 米勒（StanleyMiller）和哈罗德 尤里（HaroldUrey）在实验室模拟了这些条件。他们将水蒸气、氢气、氨气和甲烷气体混合并给予其电击，几天以后便可以在此系统中观察到好几种复杂分子，如氨基酸、核酸等构成今天生命的基本物质。得到这些单体之后，即使在非生命条件下进行多聚化也并不困难。但是，*早的多肽和核酸是怎么“活起来”的？换句话说，它们是怎么开始繁殖和演化的呢？ 　　“复制子”（replicator）是指一种结构，这种结构仅当周围预先存在同种类型结构时才能形成。例如，将一个微小晶种引入过饱和的盐溶液时会引起结晶。然而，这个例子仅表示一个基于单一结构的简单“复制子”。更复杂的“复制子”应该存在几种可遗传的形式。在可持续的演化中，遗传需要接近无限多的结构形式和可遗传的变异。首*人造的“复制子”是一个无需酶来复制的脱氧六核苷酸（由单体聚合而成），由冯 凯德罗夫斯基（von Kiedrowski）在1986年合成。现在，我们认为*早的短链RNA分子能催化其子代分子的多聚化。*早复制的RNA分子需要同它自己的其他错误拷贝及低效率的复制系统竞争，以成功得到复制所需要的单体。即使能够自我复制的RNA分子满足了上述生命起源的需求，通往**个细胞的道路仍然是艰难曲折的。其中主要的步骤是引入多肽和蛋白质从而建立RNA-蛋白质世界，再引入膜系统从而与外界环境分离形成原始细胞。 　　作为目前所有生命体共同祖先的**个细胞，其起源可以追溯到大约35亿年前，那时，简单的复制和翻译机器就已经存在。有一个假说提出，大约在接下去的20亿年中，单细胞系统就已经演化到具有精细的代谢反应网络，该代谢反应网络联结越来越多的复杂分子机器，这些分子机器用于核酸复制和RNA到蛋白质的翻译，同时可以维持细胞较大的可塑性以适应复杂多变的外界环境的要求。在这段时期，初始活细胞的主要能量来源仍然依赖于非生物起源的有机化合物。后来，在大约25亿年前，一个重要步骤是演化出了利用太阳光作为代谢能量的能力。光合作用提供了独立的能量来源，并且很快产生了大量的有机物质和氧气。有氧代谢的演化显著地改变了细胞的生化反应。许多酶反应变得直接或间接依赖于氧。有氧代谢使得细胞长得更大。其他一些重要的演化步骤包括两性的起源、多细胞生命的起源和社会群体的起源。所有这一切演化事件背后都是蛋白质、核酸、糖类及脂类的结构与功能的演化过程。 　　1.4结构生物学是什么、始于何时? 　　结构生物学领域聚焦在一个经典共识：要真正理解某事，我们需要看见它（的结构）。正如中西方常用谤语“眼见为实”或“百闻不如一见（A picture says more than a thousand words）”，这个共识对于宇观研究对象（如天文学与天体物理）、宏观研究对象（如鸟和鱼）、微观研究对象（如生物化学系统或粒子物理）都是如此。结构生物学是试图使生物学中的亚细胞及分子客体（结构）可视化并以此来理解机理的科学。 　　要精确指出结构生物学的起点是困难的。其发展的一个重要步骤是提纯大分子的组分。弗雷德里希 米歇尔（Friedrich Miescher）于1869年发现并分离了脱氧核糖核酸（DNA）。而对其生物学功能则一直要到1944年在艾弗里（Avery）、麦克劳德（MacLeod）和麦卡蒂（McCarty）提出DNA是遗传物质之后才得到诠释。1953年对DNA结构的揭示是结构生物学的一个重大里程碑。弗朗西斯 克里克（Francis Crick）和詹姆斯 沃森（James Watson）利用罗莎琳德 富兰克林（Rosalind Franklin）和莫里斯 威尔金斯（Maurice Wilkins）测得的衍射数据搭建了DNA结构模型。这个模型使我们详细地了解了DNA的复制、DNA到RNA的转录，以及翻译这些分子生物学中的关键步骤。 　　在1964年的一篇综述里，James Watson指出：“不幸的是，除非我们先知道其结构，否则不可能在化学水平精确描述一个分子的功能”。这的确在很大程度上点中了问题的要害，这个观点也不断被生物学的发展所证实。 　　人们很早之前就知道蛋白质了，但一直不太清楚其分子本质。瑞典著名化学家永斯 雅各布 贝采利乌斯（J6ns Jacob Berzelius）（1779—1848）引入了“蛋白质”一词。当时，蛋白质被归类为没有确定形状与结构的胶体。*早被结晶的蛋白质可能是1840年由许内费尔德（Htinefeld）得到的血红蛋白晶体。在当时，该晶体被称为“血晶”，人们还没有意识到这个红色的晶体是由蛋白质构成的。其他几种蛋白质也在早期被结晶。当特奥多尔 （特） 斯韦德贝里[Theodor（The）Svedberg]利用他发明的分析型超速离心法证明了蛋白质具有特定的分子质量之后，蛋白质的性质也变得更好理解。 　　在19世纪，人们深入研究了胃液对固体蛋白质的降解作用。其中的一种活性组分被称为胃蛋白酶，但是它的性质并不清楚。渐渐地，这种催化物质被命名为“酵素”或者“酶”。当时很多人包括诺贝尔奖获得者维尔施泰特（Willstatter）都认为酶与脂质、糖类和蛋白质性质不同，只在动植物中以很低的浓度存在。