智慧之窗: (科學與信仰) 奇妙的蛋白分子

2017年7月
◇黃小石

匈牙利裔美國天才數學家馮·諾伊曼說:「要是有人不相信數學是很簡單的,那是因為他們不瞭解生命有多複雜」。

小時候臨考試前的營養早餐是奶粉沖生雞蛋,一年吃不到幾次。也許是考試前太緊張,總不太記得奶粉雞蛋的味道如何。「蛋白質,補腦的。」媽媽說。好在60年前台灣的雞都是「走地雞」,也沒打什麼激長素,克林奶粉也沒有加毒素,所以考試成績大多不錯,不能不歸功與媽媽的補腦營養早餐。一直到現在我還是喜歡吃蛋(只要不加奶粉就行),雖然現在還有些營養師不很贊同我的偏好,說蛋黃不健康,那是因為他們是活在一個營養太好而科學還不太好的世界裡。

不能少的材料

蛋白質這名詞的來源是出於希臘文「首要地位、最重要」的意思,蛋白質的確是生命現象所不能少的基本材料,沒有蛋白質,就難以有生命。幾乎細胞所有的生命進程,無論是新陳代謝、催化反應、信號傳遞、免疫反應、氧氣傳輸、蛋白合成、組織修復等等機制,都必須有蛋白質的參與才行,所以蛋白質又稱為「活性分子」。除了水份之外,蛋白質是人體中最主要的成分,甚至高達「脫水體重」的75%。同時人體的組織:比方毛髮、骨骼、大腦、皮膚、肌肉、血液、內分泌等都是由蛋白質所組成的,也有人說我們的DNA主要的功用,就是提供製造人體蛋白的基本藍圖。凡不是從這藍圖得來的蛋白質,就是異體(另外的生命體),就會被身體排斥,這是一種自我保護的功能。

蛋白質是由氨基酸所組成,氨基酸是由氨基(-NH2)和羧基(-COOH)接連所成的有機化合物,人體所需的氨基酸約有20種,其中有8種是人體不能製造的,必需從食物中攝取。人體中的蛋白質有十來萬種。因為這20種氨基酸可以組成許多種不同的蛋白質,以一個只有5個氨基酸的蛋白質為例:這5個氨基酸可以是一樣的,也可以是不同的,所以可以構成不同的蛋白質共有160萬種,再加上氨基酸與氨基酸相接的角度又可以不同(不同的摺疊形態),所以這由5個氨基酸所組成的蛋白質可以有許多億種。大的蛋白分子當然不只有5個氨基酸,人體的蛋白質平均約有375氨基酸,最大的蛋白質是由三萬三千多個氨基酸所構成。所以蛋白質可以有的結構,比我們真正所用到的蛋白質要多得多了,可是問題也出在這裡。

蛋白質的「活性」與分子它摺疊的形狀有關,尤其是它的催化功能更是如此。因為蛋白質是個很大的分子,所以它有許多種摺疊的可能。蛋白分子中的氨基酸之間(或與水分子)可以形成氫鍵,決定一個蛋白質的形態。偉大的化學家萊納斯.鮑林認為氫鍵結構的特色,是影響生理學最重要的因素。至於蛋白質為甚麼自己會摺疊成一種有生理功能的三維機構呢?這還是一個沒有解決的問題。

生化分子結構

1992年我的大兒子守微,在史坦福唸研究院的時候,他決定跟一位邁克爾.萊維特(Michael Levitt)教授做蛋白摺疊的論文題目,那時我還沒有退休,常有機會去史坦福大學訪問,也和萊維特略略討論到蛋白摺疊模擬問題,纔知道這與我們生命息息相關的分子的結構,是何等的奇妙。那時鮑林教授還健在,守微對他這位生化分子結構的泰斗佩服極了。至於守微的指導教授萊維特,也因他在蛋白摺疊問題上的研究及巧妙計算的方法,獲得了2013年諾貝爾化學獎。

我們知道蛋白質只有在正確摺疊的形態中,才能發揮它正常的功能,摺疊的形態與許多的條件有關,比方與溫度就大有關係,要是把溫度升到攝氏41度,許多蛋白質就開始「變態」而失效(所以發燒是人體抵制細菌或病毒的自然策略之一)。又比方皮膚若被燙到(使得皮膚蛋白變態),要是能立時敷用冰塊,常可以讓皮膚蛋白回復原狀,這比什麼辦法療傷方法都更有效,遲了就如燙熟的雞蛋清,再冰它也沒用了。

蛋白質的摺疊形態

什麼因素決定蛋白質的摺疊的形態呢?按照鮑林的研究,這主要是出於氫鍵的作用,和氨基酸排列的次序。以一個200氨基酸的蛋白為例,假設每個氨基酸只有三種結構方式(其實可能更多),這蛋白就可以有1095種不同的構型,比整個宇宙裡的原子的數目還多!在這麼多的可能機構中,一個蛋白如何「知道」要如何摺疊才能有功效呢?這主要是被氨基酸的排列次序決定,然而是什麼來決定氨基酸的次序呢?答案是DNA,但是一個隨機出現的DNA(比蛋白質更複雜),它的多少千萬個鹼基對怎麽會有這麼精確的排列,剛好製出這些正好有功用的蛋白質呢?這DNA似乎已經先知道要做什麼,然後打造出一個剛好的鹼基對序列來,為了適應製造這蛋白所需要的條件。

化學反應是個自然過程,是「盲目」的,若說一個(一條)DNA會自然產生蛋白質,這是一會事,(就如氫和氧會產生水一樣,是自然反應),但是所產生的蛋白分子能有「活性」,卻是另外一回事,(就比方水自然會凝結是一會事,它在合適的溫度凝結是另一回事,它在凝結時會膨脹又更是另一回事一樣。)所以單單有一條化學途徑(DNA會自然產生蛋白質)並不代表生命就可以發生。

若是我們已經知道一個普通大小的蛋白質的氨基酸序列,再用一台超級電腦來模擬這個蛋白的摺疊,(這就是守微的博士論文題目了),不但需要極久的計算時間,他四年的研究也只不過得到一個模糊的概念而已。在他離開研究院十八年後的今天,他還在搞這個課題,還是搞不大清楚。

蛋白質是所有細胞中都必需有的,先不管一個單細胞是怎麽來的,也不管其中任何一個蛋白質是怎麽來的,先只問蛋白質是如何會摺疊的剛剛好,我們也還只能說:「不很清楚」。我們對生命自然產生的論點,怎麽會這麼有把握呢?

筆者相信若是一個蛋白質的氨基酸排列次序剛好是「對的」,在合適生命的條件下,這氨基酸練會自然的摺疊成為有功能的蛋白質,因為事實就是如此。若是生命已經存在,我們也能了解DNA如何能巧妙地製作蛋白質,但是若是沒有生命先存在,僅藉隨機過程來產生出導致有生命可能的蛋白質(或DNA),這是一個大有問題的假設。我們其實沒有任何理性上的理由來排斥「智慧設計」的可能性,沒有「智慧設計」者的存在是一個不能實證的假設。