分子间怎样相互“认识”？

分子如何“认识”彼此？

分子如何“认识”彼此？

在汉语中，有很多词来描述女人的美丽，包括沉默和含蓄。徐欢优雅的姿态和从容的态度是中国古代女性美的重要特征之一。

也许你没有想到，在看似安静的美女细胞中，分子的运动超乎想象，每秒钟能与其他分子碰撞数千次。令人惊讶的是，在这种“混乱”的环境中，所有的生命活动都可以有序地进行。分子可以相互“区分”，从成千上万个分子中准确地找到与自己相关的分子，完成各种化学反应，使生命成为可能。

然而，牢房里没有“交通警察”，分子本身也没有“眼睛”。那么，分子是如何“认识”彼此的呢？

两种不同的分子完美“结合”需要两个条件。一个是接触面的形状应该高度匹配。你突出的地方，我会陷入。你陷进去的地方，我就会凸出来。这就像一块分成两半的鹅卵石。横截面是稀疏的，但可以完美地相互对齐。因为不同石头的断面在破裂时是不同的，所以一个石头的断面不能与另一个石头的断面对齐。这确保了分子结合的特异性。不同形状的不能组合。这一原则适用于中国古代用来转移士兵的“老虎符号”。但是我们体内的分子早就“知道”这个原理。

然而，形状本身对于分子间的相互作用并不安全。细胞中有成千上万种分子。如果有具有相似结合表面的分子呢？细胞中的化学反应不会出错。如果他们不走正确的路，他们将“死而无憾”因此，在形状的顶部，必须添加一个“秘密”，即电荷匹配。

在接触面的每个区域，你带正电荷，我带负电荷。如果你是消极的，我必须是积极的。你没有电，我也没有。如果电荷不匹配，由于“同性排斥”的原理，正电荷和正电荷将“推开”不匹配的分子。所以在分子水平上，生命也是非常“聪明”的。这两个“秘密”(形状和电属性)相加。即使你的分子在不断变化，我也能准确地找到“另一半”。

下一个问题是，这种“完美的结合”是如何形成的？

我们细胞中的分子主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷组成。碳原子相互连接形成骨架，各种“官能团”连接到骨架上，如羟基-羟基(“羟基”读作“枪”，前水平通道表示它连接到骨架上的碳原子)、巯基-巯基(“巯基”读作“秋”)、氨基NH2、羧基COOH(“羧基”读作“梭”，其中两个氧原子直接连接到碳原子上，一个氧原子也连接到氢原子上)等。这些原子通过“共享”它们的外层电子而结合在一起。

然而，这种电子的“共享”取决于它是什么原子。碳原子非常“和平”。当与氢原子共享电子时，它不会“以大欺小”，而是“平等相待”。碳原子和氢原子共享的一对电子既不偏向碳原子，也不偏向氢原子，因此这样形成的连接(称为“化学键”)不带电荷。我们称之为“非极性键”

氧原子是不同的。它“贪婪”电子，总是想要更多。因此，氧原子和氢原子共享的电子总是偏向氧原子。这样，氧原子带负电荷，氢原子带正电荷，氧原子和氢原子之间的共价键也称为“极性键”。

在羧基中，不仅与氢原子直接相连的氧原子想从氢原子上抢走电子，而且另一个氧原子也不愿意孤独，通过碳原子间接地从氢原子上抢走电子。在两个氧原子的“挤压”下，氢原子将很快无法抓住电子。这些氢原子中的一些干脆放弃，完全交出电子，自己形成一个空的氢核(氢离子)，离开分子，在溶液中游走，这就是我们所说的“酸”(酸度是溶液中氢离子浓度的量度，pH值中的h是指氢离子)。醋(活性成分是乙酸CH3COOH)是酸，这是分子中氧原子过多掠夺电子形成氢离子的结果。

除了氧原子，氮原子可以“吸收”它们和氢原子之间的共同电子，使它们部分带负电，氢原子部分带正电，但程度比氧原子小。

当然，不要把氧原子视为接管的“霸王”。因为它的电子掠夺特性使分子在携带氧气的地方局部带电。分子的局部带电正是生命现象所必需的。

水分子由一个氧原子和两个氢原子组成。然而，两个氢原子也“击败”了一个氧原子，而且两者都必须给氧原子更多的电子，使其部分带负电，而两个氢原子部分带正电。另一个水分子上带负电的氧原子和带正电的氢原子相互吸引(这种联系称为“氢键”)，因此水分子“牢牢抓住”，不容易“飞出”液面(即“蒸发”)，因此水的沸点非常高，需要100摄氏度才能沸腾。如果没有局部充电，它将很容易挥发，在室温下将没有液态水，生命将很难形成。

汽油是由碳原子和氢原子组成的分子混合物。由于碳原子平等对待氢原子，分子不带电荷，彼此之间没有吸引力，汽油极易挥发。水分子比汽油中的小得多。

蛋白质是由20种不同的氨基酸线性连接而成的。氨基酸的“侧链”(不参与氨基酸之间连接的部分)要么不带电荷，要么带正电荷，要么带负电荷。因为水分子是局部带电的，那些不带电荷的侧链在水中“不受欢迎”(所以它们被称为“疏水”或“亲脂性”)。这些“被排斥的”侧链必须相互结合，蛋白质在这个过程中被“卷”成一定的形状:不带电荷的部分在里面，带电荷的侧链被水“欢迎”(所谓的“亲水”)并位于外面。这样，蛋白质分子既有形状又有外部电荷分布。根据蛋白质中20个氨基酸的排列，每种蛋白质都有其独特的形状和表面电荷分布。前面提到的两种“加密”方法就是这样“创造”出来的。

细胞中的其他小分子也根据它们的分子形状和充电条件与蛋白质相互作用。由于蛋白质的形状和电荷是高度特异性的，每个小分子只会与与其代谢相关的蛋白质分子相互作用。它们之间的这种对应关系在长期的进化过程中逐渐发展和完善。

遗传物质DNA的形成也类似于蛋白质形成的原理。上述核苷酸(嘌呤和嘧啶)的碱基主要是由碳和氢组成的环，它们是亲脂性的。它们叠放在一起，位于DNA分子内部。磷酸盐和核糖是亲水的，相互连接并位于分子外。内碱基上的羟基和氨基可以吸引相对碱基上的氧原子和氮原子形成碱基对，因为氢原子部分带正电荷。因此，DNA双螺旋分子的形成也是基于亲脂性和亲水性的原理。

这种“亲水性”和“亲脂性”不仅在蛋白质和核酸分子的结构中起作用，而且在细胞膜的形成中也是必不可少的。在水中形成初始生命的第一个条件是将其内含物从环境中分离出来。这个“墙”不能溶于水，否则它就不是墙。但是向水中添加汽油不会在水中形成薄膜。所以这个“墙”内部必须是“油”，外部必须是亲水的。这项任务是由磷脂完成的。磷脂分子有两种脂肪酸。它们的长碳氢化合物“尾巴”类似于汽油分子，亲脂性强，位于膜内。另一端的磷酸盐是高度亲水的，面向膜的外部。因为膜有两面，所以膜是双层的。每层的脂肪酸尾向内，相互连接，形成一个油性内层。磷酸根面向外并与水接触。

在我们的日常生活中，我们经常使用亲脂性和亲水性的原理。例如，如果衣服上有油渍，我该怎么办？一种方法是使用亲脂性液体(称为“有机溶剂”，如四氯乙烯)来溶解油，称为“干洗”。事实上，干洗也使用液体，但不是水。最常见的是用水、肥皂或其他洗涤剂清洗。它们分子的一端是长的亲脂性烃链，相当于汽油，另一端是亲水基团(如肥皂中的羧基和洗衣粉中的磺酸基)。亲脂性长链包裹住油污，亲水性基团将油污包裹在外面，从而将衣物上的污垢带走。

氧、氮和其他原子“掠夺”氢原子上的电子，导致分子的局部电学性质和亲水性。然而，碳原子的“平等待遇”导致了亲脂性。正是这两种性质的相互协调使生物大分子具有特定的形状和电荷分布，从而使它们能够“认识”彼此。这两种效应还能使细胞膜在细胞内形成各种结构。在此基础上，它还可以形成多细胞结构，使整个人体。生活的现象似乎很复杂，但有许多简单的基本原则在起作用。知道了这些基本原则，我们对世界的理解就更进一步了。