酶

我们已经看到了在塑造胚胎的过程中，整个细胞组织表面如何“玩”折纸游戏，现在让我们深入到一个细胞内，在那儿，我们将会发现，它和胚胎用同样的原则进行“自我折叠”（self-folding）和“自我皱化”（self-crumpling），但其规模尺度要小得多——小到单个蛋白质分子。蛋白质极其重要，我必须花时间来解释它为什么这么重要——从一个戏谑的推测开始，来颂扬蛋白质独特的重要性。我喜欢推测——在宇宙其他地方，我们所期待的“生命”会是多么古怪、多么不同于人类，但是我同样揣测——有一两件事，在任何可能发现生命的地方都是普遍存在的。那就是：所有生物都将通过一个与“对基因的达尔文式自然选择”相似的过程而进化。并且，这个过程很大程度上依赖于蛋白质，或像蛋白质一样能够自我折叠成非常多种形状的分子。蛋白质分子是精通“自动折纸工艺”的大师，其工作的尺度远小于我们迄今讨论的细胞层。蛋白质分子展示了当在“局部性尺度”遵循“局部规则”时，所能达到的耀人眼目的成就。

蛋白质是由更小的分子组成的链条（更小的分子叫作氨基酸），并且这些“链条”就像我们之前谈论的组织细胞层，也是通过非常确定的方式进行“自我折叠”的，但规模要小得多。在天然蛋白质中，仅有20种氨基酸“曲目”（选自一个远为庞大的可能组成该蛋白的氨基酸大集合），而每一个蛋白质都是从这20种氨基酸中选出并串起来的“链”（这一点在外星球上可能会有所不同）。现在，轮到“自动折纸”了。仅靠化学和热力学的法则，蛋白质分子就能自动自发地弯曲，成为具有三维结构的准确形状，我几乎要说是“结”（knots），但和盲鳗不同，蛋白质真的不会把自己“绑成结”（如果可以，我真想写出这个实在无关紧要，但却生动有趣的现象[67]）。蛋白质的链通过折叠和弯曲所形成的三维结构，叫作“三级结构”（我们在谈论病毒的自组装时曾提到过）。任何给定的氨基酸序列，决定一个特定的折叠模式。遗传密码的“字母”顺序决定了氨基酸序列，氨基酸序列决定了三级模式的形状[68]。继而，三级结构的形状就有了极为重要的化学影响力。

使蛋白质链自我折叠和盘绕的“自动折纸”行为，遵循的是化学吸引法则，而这些法则决定了原子相互结合的角度。请想象一条形状古怪的磁铁项链。这条“项链”可不会在一个柔美的脖子上挂成一个优美的链型。它呈现另一种形状——磁铁珠之间彼此吸引、纠缠不清，并沿着链条上各种各样的凹槽和裂缝彼此嵌入。与蛋白链不同，这种缠结的准确形状是不能预测的，因为任一“磁铁”都会吸引其他任一“磁铁”。但它确实使人想到，氨基酸链是如何自发形成复杂的“结”状结构，看上去也许不会像一条链条或项链。

关于化学法则如何决定一个蛋白质三级结构的细节，我们仍未完全了解：化学家还不能在所有情况下都推断出“一条给定的氨基酸序列，将会发生怎样的盘绕”。虽然如此，我们仍有很好的证据，可以证明三级结构“原则上”是可以从氨基酸序列推测出来的。“原则上”这个词组并没有什么神秘的。没人可以预测一只骰子会怎么落下，但是我们都相信，这完全精确地取决于骰子是怎么抛出的，加上一些额外因素，比如风的阻力等。这是一个可证的事实：一个特定的氨基酸序列总是盘绕成某个特定的形状，或一组可供选择的不同形状中的某一个（见上页脚注）。然而，对于进化，重要的一点在于：氨基酸的序列是完全由基因中的三联体“字母”按照遗传密码规则而决定的。尽管对于人类的化学家们来说，要预测“由一个特定基因突变而导致的蛋白质形状变化”并不容易，但这仍是一个事实——一旦一个突变发生，原则上对于将要导致的蛋白质形状变化是可以预见的。同样的突变基因，必将产生相同的蛋白质形状改变（或离散的形状中另一可选的形状），而这正是自然选择的关注点。自然选择不需要理解“为什么一个基因的改变会产生某种影响”。自然选择只需要知道“一个基因的改变会有影响”就足够了。如果这样的改变会影响生存（不论我们是否理解这个基因影响蛋白的确切方式），变异的基因本身都将在抢夺基因库“主导权”的竞争中论成败。

既然蛋白质的形状非常多样化，并且这种多样性是由基因决定的，那么为什么蛋白质极其重要呢？一部分原因是，生物体内的某些蛋白质，具有直接的构型作用。纤维蛋白（例如胶原蛋白）聚在一起形成结实的“绳子”，就是我们称作“韧带”和“肌腱”的结构。但是大部分蛋白质并不纤维化。与此相反，它们自我折叠，形成具有它们自身特性、带有微小凹槽的球形结构，这种形状决定了该蛋白质的特殊角色——它们是一个“酶”，一种催化剂。

催化剂是一种化学物质，能够成十亿倍，甚至万亿倍地加速其他物质之间的化学反应，而完成催化后，催化剂“本身”则毫无损伤地脱离反应过程，又能自由地做催化剂。酶，是蛋白类催化剂，由于其“特异性”而成为催化剂里的冠军：它们非常挑剔，要求精确匹配所催化的化学反应。或者我们可以反过来说：活细胞中的化学反应，非常