生命活动中的弱化学作用

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1、生命活动中的弱化学作用　　摘要：氢键、范德华力、疏水相互作用是生命体系中广泛存在的几种弱化学作用，它们几乎参与了细胞内生物化学过程的每个方面。本文主要立足于生物化学功能的角度，比较详细地阐述了弱化学作用在生物分子的维持、生物催化、生物信号和基因表达等方面的作用，旨在说明弱化学作用在生命活动中的重要性。　　关键词：弱化学作用生物催化生物信号基因表达　　生命世界是由元素及其化合物组成的物质世界，生命世界的结构体系符合化学的基本规律。生物体系中的化学作用可大致分为两类：一类是以共价键为主的强化学键，例如连接葡萄糖分子的糖苷键，连接甘油和脂肪酸分子的

2、酯键，连接氨基酸分子的肽键，以及连接核苷酸分子的磷酸二酯键等。另一类则是以非共价键为主弱化学作用，包括氢键、范德华力、疏水相互作用等。本文并未从化学角度详细阐述上述弱化学作用的本质，而是立足于生物化学功能的角度，比较详细地阐述了弱化学作用在生物分子的维持、生物催化、生物信号和基因表达等方面的作用，旨在说明弱化学作用在生命活动中的重要性。　　1.弱化学作用与生物分子的维持8　　蛋白质和核酸是最重要的生物大分子，其作用涉及生命活动的方方面面。从一级结构看，蛋白质是由许许多多氨基酸通过肽键连接而成的长链，有些蛋白可能带有不止一条氨基酸链。核酸则是由

3、核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链，其中DNA是双链，RNA是单链。肽键和磷酸二酯键构筑起蛋白质和核酸的共价结构。但是，仅仅有共价结构，这些分子还不能真正表现出生物活性，它们的生物活性依赖于由大量弱化学作用构建起来的特定的空间构象。理论上，由于构筑生物大分子的许多共价键都在一定程度上允许连接在它们上的原子发生旋转，因此这些大分子在随机热能的影响下能折叠缠绕成的空间构象几乎是无限的，但事实上，每种生物大分子总是只存在一种特定的具有生物学活性的天然构象，这得益于这些分子中广泛存在的弱化学作用[1]。尽管单独的弱化学键强度不大，但大量的弱化学作用堆

4、积起来，造就了生物大分子最为适宜的空间形态，使它们能够维持自身的稳定并顺利地执行生物学功能。由肽键串联起的多肽链按照一定的顺序盘曲折叠，就形成多肽链特定的二级结构，例如α螺旋、β折叠、β转角等，这些二级结构的进一步组合，就逐渐形成空间构象更加复杂的球状亚基，即蛋白质的三级结构，某些蛋白质还存在四级结构，即由多个球状亚基相互缔合，形成更大更复杂的多亚基聚合体。只有形成特定的空间构象，蛋白质才能执行它的生理功能，而这种构象的形成和稳定都需要弱化学作用的维持。由磷酸二酯键串联起的多聚核苷酸链，也需要在弱化学作用的维系下形成特定的构象。例如DNA的双

5、螺旋构象，是它执行各种生物学功能的结构基础。而看似简单的单链RNA，也在弱化学键的作用下折叠成各种局部的二级结构，以此完成它的并不简单的生物学使命。　　2.弱化学作用与生物催化8　　生物最基本的特征是新陈代谢，新陈代谢是生物体内全部化学反应的总和。生物体内如此复杂的化学反应之所以能够高度有序地进行，是因为细胞内无处不在的一种极为高效的生物催化剂――酶的作用。酶的两项重要功能：选择特异性底物和完成催化反应都离不开弱化学键的作用。酶分子的活性中心包括底物结合部位和催化部位两部分，前者决定酶结合底物的专一性，后者催化新化学键的形成。酶的活性中心只占

6、整个酶分子的一小部分，但其功能的发挥离不开由弱化学作用构建起来的整个酶分子的空间构象。底物通常结合到酶分子表面的特定口袋中，这种特异性的口袋是由弱化学作用维系的，它具有极高的分辨能力，可以顺利区分两种相同氨基酸的旋光异构体。酶与底物的结合也不是机械的靠近，而是需要酶分子，或者某些情况下酶分子和底物分子都改变自身的构象，通过弱化学作用重排出一个更加适宜的构象来实现。酶与底物的这种结合过程称为诱导契合。在酶的催化下，某些在体外极难发生的化学反应，却可以在温和的细胞环境中高效地进行。这是因为酶分子为这些反应的进行创造了极其有利的微环境。许多酶分子中

7、，直接参与化学反应的基团很少，却有大量的基团通过弱化学作用为反应的发生创造条件或者是用于维持酶分子自身构象的稳定。例如在溶菌酶的催化机制中，直接参与反应的只有Glu■和Asp■，但整个溶菌酶分子通过弱化学作用为这两个基团创造了极其有利的微环境，使得Glu■位于非极性区而Asp■位于极性区，这有利于活性中心的稳定和催化反应的顺利进行。此外，弱化学作用还参与了一些酶分子活性的调节过程。总之，细胞内生物催化的实现离不开酶分子本身及酶分子与底物分子或其他分子之间的弱化学作用[2]。　　3.弱化学作用与生物信号8　　生物催化作用使得细胞内纷繁复杂的化学

8、反应能够高效有序地进行，但是，由于生物体处于复杂多变的环境中，因此需要经常根据环境的变化而对细胞内的代谢活动进行调节，这个过程是通过生物信号的传递来实现的。激素是最