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        生命的螺旋結(jié)構(gòu)

        2008-08-11 08:32:14東方曉
        時代中國 2008年7期
        關(guān)鍵詞:螺旋狀雙螺旋螺旋藻

        東方曉

        雖然人類設(shè)計建筑與馬路時均偏好于筆直的線條,但大自然的選擇對此并不贊同,而更傾向于螺旋狀的卷曲結(jié)構(gòu)。小到?jīng)Q定生命形態(tài)的DNA結(jié)構(gòu),乃至關(guān)乎我們后天性狀美丑的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及我們賴以生存的食物的主要組分淀粉,無一例外是螺旋結(jié)構(gòu)。欲了解是什么決定了這樣的自然選擇及這種結(jié)構(gòu)的益處,讓我們走近螺旋。

        生物大分子螺旋

        生物大分子DNA、蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素的結(jié)構(gòu)中都存在著螺旋結(jié)構(gòu)。我們所熟知的遺傳物質(zhì)DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu),它包含著人體的遺傳信息。在受精卵中父系與母系的各一條鏈相結(jié)合,就誕生了綜合二者信息的新的生命。DNA最重要的結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu),但也可以形成其他結(jié)構(gòu),當(dāng)雙螺旋體的一部分解開時,其中一條DNA鏈可以折疊回去,形成了三螺旋或其他結(jié)構(gòu)。

        與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)相比,蛋白質(zhì)中的螺旋是由氨基酸經(jīng)脫水組成的單鏈螺旋,蛋白質(zhì)末端運(yùn)動自由度較大,可以組成三圈螺旋,三圈螺旋還可以轉(zhuǎn)變成折疊形狀。從這種意義上講,折疊是螺旋的一種特殊形式。

        人體中的蛋白質(zhì)就是螺旋與折疊結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。比如,人體中重要的蛋白質(zhì)——膠原蛋白就是由三條肽鏈擰成“草繩狀”三股螺旋結(jié)構(gòu),其中每條肽鏈自身也是螺旋結(jié)構(gòu)。人體中有16%左右是蛋白質(zhì),膠原蛋白占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的30%~40%,主要存在于皮膚肌肉、骨骼、牙齒、內(nèi)臟與眼睛等處。

        除遺傳物質(zhì)與蛋白質(zhì)外,我們的主要食物淀粉的結(jié)構(gòu)和所穿衣物(棉)中的主要成分棉纖維,也多是螺旋結(jié)構(gòu)。

        螺旋生物體

        不僅生物大分子采取了螺旋的構(gòu)型,而且有時整個生物體的形狀或生物體的組成部分也可以是螺旋體。我們熟悉的螺旋藻就是這樣的一種生物,其得名就是由于其形體在顯微鏡下觀察時呈螺旋狀的緣故。螺旋藻是地球上最早出現(xiàn)的光合生物,研究表明,螺旋藻是所有已被發(fā)現(xiàn)的生物中營養(yǎng)成分最豐富,最全面,最均衡的海洋生物。它的細(xì)胞壁是由多糖類物質(zhì)構(gòu)成,極易被人體消化吸收,吸收率可達(dá)95%以上。此外,螺旋藻還富含胡蘿卜素,亞麻酸和亞油酸等活性物質(zhì),有清除血脂、疏通血管和保持血管彈性的作用,對防治心、腦血管疾病很有益處。螺旋藻是人類的朋友,而下面的另一種螺旋狀的生命體就不能算是人類的朋友。

        寄居在胃里的幽門螺旋桿菌,也是因其呈桿狀、螺旋形而得名。胃液對許多細(xì)菌具有強(qiáng)烈的殺傷力,但對幽門螺旋桿菌卻奈何不得。幽門螺旋桿菌埋藏在胃壁表面的黏膜下方,能夠分泌一種物質(zhì)來中和周圍環(huán)境中的強(qiáng)酸,這是其過人之處。幽門螺旋桿菌很愛挑釁我們的免疫系統(tǒng),往往激怒免疫系統(tǒng)發(fā)動初步的無情攻擊,導(dǎo)致發(fā)炎反應(yīng)。因此感染幽門螺旋桿菌的人,會出現(xiàn)沒有癥狀的胃炎(也就是胃粘膜發(fā)炎)。人進(jìn)入中年之后,會很容易得這些病,這都是幽門螺旋桿菌的禍害所致。

        除上述生物體本身呈螺旋狀外,而有些生物卻借助螺旋形狀實(shí)現(xiàn)它們獨(dú)特的功能。水黽就是利用其腿部特殊的微納米螺旋結(jié)構(gòu)效應(yīng)在水面上行動自如,即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒而下沉。原來,這些取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)可以有效吸附空氣,在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜,阻礙了水滴的浸潤,從而表現(xiàn)出水黽腿的超疏水(即不浸水)特性。對其腿的力學(xué)測量表明:僅僅一條腿在水面的最大支持力就達(dá)到了其身體總重量的15倍。

        生命為何愛螺旋?

        由上述得知,大自然幾乎到處都存在螺旋。螺旋結(jié)構(gòu)是自然界最普遍的一種形狀,許多在生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的微型結(jié)構(gòu)都采用了這種構(gòu)造。那么,為何大自然對這種結(jié)構(gòu)如此偏愛呢?在近期的《科學(xué)》雜志報道了這一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)解釋。

        美國賓州大學(xué)的蘭德爾·卡緬教授指出,從本質(zhì)上來看,在擁擠的細(xì)胞(例如一個細(xì)胞里的DNA)中,非常長的分子聚成螺旋結(jié)構(gòu)是一個較佳的方式。在細(xì)胞稠密而擁擠的環(huán)境中,長分子鏈經(jīng)常采用規(guī)則的螺旋狀構(gòu)造。這一構(gòu)造有兩點(diǎn)好處:可以讓信息緊密地結(jié)合其中;還能夠形成一個表面,允許其他微粒在一定的間隔處與它相結(jié)合。例如,DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)允許進(jìn)行DNA轉(zhuǎn)錄和修復(fù)。

        卡緬教授通過一個模型說明了這個問題:把一個能隨意變形、但不會斷裂的管子浸入由硬的球體組成的混合物中,管子就像是一個存在于十分擁擠的細(xì)胞空間中的一個分子。觀察發(fā)現(xiàn)對于短小易變形的管子而言,U形結(jié)構(gòu)的形成所需的能量最小,空間也最少。而它的U形結(jié)構(gòu),在幾何學(xué)上與螺旋結(jié)構(gòu)最為近似。

        卡緬指出:“看來,分子中的螺旋結(jié)構(gòu)是自然界能夠最佳地使用手中材料的一個例子。DNA由于受到細(xì)胞內(nèi)的空間局限而采用雙螺旋結(jié)構(gòu),就像是由于公寓空間局限而采用螺旋梯的設(shè)計一樣?!边@是生物大分子采取螺旋結(jié)構(gòu)的合理的數(shù)學(xué)解釋。然而為何生物體也以螺旋結(jié)構(gòu)的形狀存在的原因仍不清楚,還有待進(jìn)一步的研究。

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