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        煮不熟的雞蛋清

        2018-06-15 07:32:58郭昊天
        知識就是力量 2018年6期
        關(guān)鍵詞:大分子兩性洗潔精

        郭昊天

        如果物質(zhì)系統(tǒng)有著一種均勻的物理化學(xué)性質(zhì),我們就稱之為這個系統(tǒng)的一種相態(tài)。人教版初二《物理》會講到自然界中存在的物質(zhì)三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。溫暖的春天,冰雪熔化成水;寒冷的冬天,湖水凝固成冰;涼爽的清晨,空氣中的水蒸氣在花草上液化成露珠;炎熱的午后,濕衣服上的水珠很快就汽化成水蒸氣飛走了,這是水在固、液、氣三相之間的相互轉(zhuǎn)化,也就是水的相變。

        去油污的物理學(xué)—油水分離相和表面活性劑

        相變的過程無處不在,從廚房中取材,就可以觀察:

        首先在玻璃杯里加一些水,再倒些食物油,你盡可以像個調(diào)酒師,把油和水混合均勻,但是只需將你的“雞尾酒”靜置片刻,它仍然會發(fā)生上油下水的分層,這就是水油二相的相分離,也是相變的一種。像食用油的油相物質(zhì)就是喜歡和水分離而不愿意混合在水中,所以附著了油垢的鍋碗、衣物,很難被水沖洗干凈。不過只要加上一些洗潔精,問題就迎刃而解了。原理說來也簡單,洗潔精是一些小的有機兩性分子,一端可以結(jié)合油(疏水性),一端可以結(jié)合水(親水性),這樣,他們就可以包裹起油滴避免和水接觸,使得油以小液滴的形式穩(wěn)定于水中。類似的兩性分子我們統(tǒng)稱為表面活性劑。

        既像油又親水—生物大分子的兩種相

        生命是由許許多多的大分子構(gòu)成的,比如DNA、RNA和蛋白質(zhì)。這些分子雖然大,也逃不脫物理和化學(xué)規(guī)律的制約。比如蛋白質(zhì)本身就是一種兩性分子,很多蛋白質(zhì)表面分布大量的親水基團(tuán),而在內(nèi)部則有大量疏水的氨基酸,像一個被洗潔精包裹的油滴一樣,能非常穩(wěn)定地溶解在細(xì)胞內(nèi)豐富的水環(huán)境中。

        那么大分子還有沒有別的相呢?可以想象,蛋白質(zhì)也可以通過疏水的氨基酸相互結(jié)合,聚集成團(tuán),產(chǎn)生一個個更大的“蛋白滴”,和水之間產(chǎn)生相分離。如果結(jié)合力再強一些呢?這些蛋白質(zhì)的聚積物就會像一個固體一樣,水潑不進(jìn),蛋白質(zhì)也別想出得來。煮雞蛋,就是這樣一個讓液態(tài)的蛋清、蛋黃變成固態(tài)的過程,加熱使得蛋白質(zhì)更容易失去正確的折疊方式而暴露出疏水的氨基酸,從而誘發(fā)了蛋白質(zhì)聚積。

        除了加熱,錯誤的蛋白質(zhì)也會引起蛋白質(zhì)聚積,最終導(dǎo)致細(xì)胞病變死亡,如大名鼎鼎的瘋牛病、鐮刀型貧血病都是如此。僅僅細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)太濃了也可能會發(fā)生相分離。像線蟲受精卵的一端就會富集大量的蛋白質(zhì)和RNA,他們復(fù)合形成的小液滴稱為P-顆粒(P granules),而越靠近另一端,蛋白質(zhì)和RNA的量越少,P-顆粒也就消失了。利用這個小技巧,線蟲在未來的發(fā)育過程中就可以清晰地知道自己的頭尾方向。

        不僅僅是“錢”—ATP的新功能

        蛋白質(zhì)溶解在水里,似乎也不是那么一個理所當(dāng)然的事情。很多細(xì)胞里有著大量的蛋白質(zhì),非常擁擠,它們是怎么保持穩(wěn)定地溶解而不聚集成團(tuán)呢?長期以來,這都是一個難以解釋的問題,不過就在近幾年,科學(xué)家們可能找到了一個出人意料的答案:

        故事要從一個叫作ATP的小分子說起,它的中文名是三磷酸腺苷。這個小分子是細(xì)胞新陳代謝中傳遞能量的“分子通貨”。如果把化學(xué)物質(zhì)的能量比作財富,ATP就是流通的錢。不難想象,細(xì)胞中時刻都會有著一定量的ATP正在流動,從而保證每個耗能的化學(xué)反應(yīng)都有“錢”可用。但是在細(xì)胞中的ATP含量,其實比實際所需的還要高近100倍之多,這是為什么呢?現(xiàn)在我們知道,原來ATP除了傳遞能量之外,還有別的重要的功能—ATP也是一種像洗潔精一樣的兩性分子,它們能幫助蛋白質(zhì)更穩(wěn)定地溶解在水環(huán)境中。

        動手做個實驗吧

        有一個非常有趣也非常簡單的實驗可以驗證ATP的作用,你在廚房就可以在家長的協(xié)助下完成:

        你需要一點雞蛋清和一些藥房可以買得到的三磷酸腺苷二鈉片(也就是鹽形式的ATP),以及兩口一模一樣的鍋。

        一口鍋煮雞蛋清,科學(xué)上我們把這個叫作對照組。換一個一模一樣的鍋,使用相同的火力,煮雞蛋清和ATP的混合物,這就是實驗組啦。煮相同的時間,你會觀察到,對照組很快就煮熟了,而實驗組能保持很久的液體狀態(tài)。

        這說明ATP可以很好地避免凝固的過程從而使蛋白質(zhì)溶解在水中,使得雞蛋清很難被“煮熟”。

        除了相變之外,越來越多在物理和化學(xué)中研究過的現(xiàn)象和理論,如今被用于理解更為復(fù)雜的生物系統(tǒng)。多個學(xué)科之間的合作交叉也逐漸地成為時下一種更有效、更有趣的研究模式。有許多生物中的相變機制還亟待我們發(fā)現(xiàn),也有更多生命中有趣的物理化學(xué)現(xiàn)象需要多種學(xué)科背景的科學(xué)家一起來研究闡釋。

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