蝌蚪尾巴消失之谜，胶原蛋白酶与动物变态

蝌蚪的尾巴哪去了

|胶原蛋白酶|

胶原蛋白是包括人类在内的动物体内最丰富的蛋白质。它像一种分子线，在我们的组织里与组织间穿梭，将我们的肉体紧紧地结合在一起。像所有其他蛋白质一样，它由基本的化学结构单位组成。串成链状的氨基酸大约有20种。其中有几种，你可能会比较熟悉，比如像甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等氨基酸，是可以在健康食品店买到的营养保健品。每个氨基酸分子由10～50个碳、氮、氧、氢原子，有时也有硫原子，靠化学键结合在一起，组成自己与众不同的三维结构。

之后，几百个这样扭曲的氨基酸分子会串在一起形成蛋白质，就像一串颗颗形状各异的念珠。每个念珠通过“肽键”与下一颗念珠连接，肽键连接了一个氨基酸中的碳原子与下一个氨基酸中的氮原子。肽键很强——别忘了，肽键可是让霸王龙体内的胶原蛋白纤维紧密结合6 800万年！

胶原蛋白是一种特别稳固的蛋白质，这对于其作为内部纽带维持生命组织形状与结构的角色至关重要。三股胶原蛋白会缠在一起，结合成一股“粗绳”或“纤维”。这些纤维会像线一样在我们的组织间穿梭，把我们的细胞“缝”在一起。在连接骨骼与肌肉的肌腱中，在连接骨骼与骨骼的韧带里，同样有胶原蛋白纤维的身影。这个由胶原蛋白纤维织成的紧密网络被称为细胞外基质（extracellular matrix），正是它让我们的身体结为一体。

如果吃过或者见过肉类食材的话，大家其实对细胞外基质已经很熟悉了，因为在一根不太好嚼的香肠或是一片廉价的肉中，难免会遇到多筋的软骨。厨师们也知道这种多肌腱的食材不太好消化，即使炖上几个钟头往往也不能变嫩。但无论细胞外基质在晚餐中多么不受欢迎，它在人们体内的存在却是绝对生死攸关的。没有胶原蛋白，我们的骨头就会分崩离析，我们的肌肉会从骨头上剥离，我们的内部器官也会变成一堆糨糊。

但是，在你的骨骼、肌肉或晚餐中的胶原蛋白纤维并非坚不可摧。在强酸或强碱中煮沸它们，将最终使连接氨基酸“念珠”的肽键断裂，将这些强韧的纤维变成可溶的明胶。这种状如果冻的物质可以用来做棉花软糖或是果冻。电影迷们可能还记得在电影《捉鬼特工队》（Ghostbusters）中的棉花糖宝宝，它那像山一样的白色躯体，步履沉重、摇摇晃晃地碾压过来，让纽约陷入一片恐慌。不过，棉花糖宝宝最后被轻易地打败了，被熔化成了一滩棉花糖浆。胶原蛋白纤维中氨基酸“念珠”间的肽键正是棉花糖宝宝与霸王龙不同之所在。坚韧的胶原蛋白纤维让真实的动物变得坚韧。

不过，当我们用像胶原蛋白一样坚韧而耐久的材料支起动物的躯体时，还面临一个问题。想象一下你不小心切到或是擦伤了自己，或更甚一步，假设你跌断了一条胳膊或一条腿，这时，组织被破坏了，起支持作用的细胞外基质或者说内部多筋的网络也很可能受损或破碎。如果一幢房子被一场风暴或地震摧毁，修缮工作一定会先从清理被破坏的框架开始。与此类似，动物的躯体用胶原蛋白酶来清除细胞外基质受到损害的部分，使组织通过另一套酶的作用得以修复。

更为重要的一点是，随着动物的生长，细胞外基质必须持续地重塑自身的形态：能够维持婴儿体形的内部结构将无法支持高大很多的成年人。在成年与幼年形态截然不同的两栖类动物中，这个问题很尖锐，因此，问题的答案也就特别富有启发性。

|变态发育|

我们最熟悉的例子莫过于两栖类动物的变态发育：从一个球形的卵变成摇头摆尾的蝌蚪，之后进一步发育成熟，变成一只活蹦乱跳的青蛙。在侏罗纪的岩层中发现的化石显示，这些两栖类动物身材短小，没有尾巴，有着非常明显而有力的后肢。这些古老的化石可以追溯到两亿年前的中生代中期，也就是著名的“爬行动物时代”。但这些两栖动物的身影同样也出现在白垩纪的岩层中。如此看来，当最终变成MOR 1255号化石的那头恐龙在蒙大拿州的河流中遇难时，青蛙们似乎正在同一条河中游泳。但是，与恐龙不同，青蛙们在白垩纪的物种大灭绝中活了下来，直到现在依然是池塘、河流和沼泽中常见的生物，让一代又一代的学龄儿童和科学家得以研究它们的身体组成与变态发育过程。

由蝌蚪到青蛙的变态包含了相当可观的拆卸与重构，比如蝌蚪的尾巴，躯体会逐渐将其重新吸收，而尾巴的肉体在回收利用后，将构成青蛙新的四肢。所有这一切都需要以胶原蛋白为基础的细胞外基质在重组为新的四肢之前被快速地分解掉。但请不要忘了在蒙大拿岩层中的6 800万年：胶原蛋白纤维可不是那么轻易就能破坏的。如果完全依赖于胶原蛋白化学分解的无机过程，那么青蛙的变态发育可能要花上漫长的时光。显然，动物不可能将自己坚韧的肌腱泡在沸腾的热酸中。因此，动物需要一种更加温和的分解胶原蛋白纤维的方法——这正是胶原蛋白酶的用武之地。

但胶原蛋白酶和它的伙伴们是如何工作的呢？认为“酶的活性由某种神秘的活力来调控”的活力论观点一致持续到19世纪晚期。在那个时候，屈内的一位同事化学家爱德华·布希纳（Eduard Buchner）发现，从酵母细胞中得到的非生命提取物可以激发与活细胞完全相同的化学转化。布希纳更进一步地提出了颠覆性的假设：所谓的“生命力”不过是一种“催化反应”（catalysis）。

催化剂是能够加速普通化学反应的物质，到19世纪时已为化学家们所熟知。事实也确实如此，许多推动工业革命的化学反应过程，所依赖的关键正是催化剂。比如，硫酸是一种推动工业与农业革命的基本化学原料，在钢铁制造业、纺织工业中使用广泛，也用来制造磷酸肥料。硫酸的制备反应要用到二氧化硫和氧气作为“反应物”，此两者与水反应形成“产物”——硫酸。然而，此反应非常缓慢，一开始的时候很难商业化。到了1831年，英格兰布里斯托尔的一位食醋制造商佩里格林·菲利普斯（Peregrine Phillips）发现了加速该反应的方法，它让二氧化硫和氧气在热铂上反应，而铂的作用正是催化剂。催化剂与反应物（参与反应的初始物质）不同，因为它们虽然能够加速反应，但是并不直接参与反应或被反应改变。因此，布希纳认为，酶与菲利普斯发现的无机催化剂并无本质区别。

之后数十载的生化研究不断证实布希纳的洞见。小牛胃中的凝乳酵素是第一种实现提纯的酶类。古埃及人将牛奶保存在用小牛的胃黏膜做成的袋子里。通常认为，正是埃及人首先发现用这种看起来最不可能的物质，可以让牛奶加速凝结为奶酪，以便更好地储存。这种制奶酪的方法一直持续到19世纪末期。那时，人们将小牛的胃直接烘干，在药店里作为“凝乳剂”来出售。到了1874年，丹麦化学家克里斯蒂安·汉森（Christian Hansen）去一家药店应聘工作，在面试时，无意间听到药店新到了一打烘干的胃膜。在问询了这些是什么之后，他萌生了一个想法，希望用自己化学方面的知识和技能制作一种不那么难闻的凝乳剂。汉森回到自己的实验室，开发出了一种新方法，从重新补水后的小牛胃中提取液体，然后将这种恶臭的液体烘成干粉。通过将这个产品商业化，汉森大赚了一笔。“汉森医生的干胃膜提取物”也因此行销全球。

小牛胃中的凝乳酵素其实是几种不同酶类的混合物。就制造奶酪而言，其中最活跃的要数凝乳酶（chymosin）。它是加速蛋白质分解的蛋白酶大家族中的一分子，在奶酪制作中扮演的角色是让牛奶凝固，分成凝乳块和乳清。凝乳酶在小牛犊体内的本来作用是使牛犊摄入的牛奶凝结，以便牛奶能在其消化道留存更久，从而为吸收留下更长的时间。胶原蛋白酶是另外一种蛋白酶，不过，直到19世纪50年代，当波士顿哈佛医学院的临床科学家杰尔姆·格罗斯（Jerome Gross）对蝌蚪如何吸收自己的尾巴变成青蛙这一问题萌生了兴趣时，胶原蛋白酶的提纯方法才被开发出来。

格罗斯对胶原蛋白纤维扮演的角色很感兴趣，认为这是分子自我组装的一个范例，其中包含了一个“重大的生命奥秘”。他决定研究体型长达数厘米的牛蛙蝌蚪的大尾巴。格罗斯准确地猜测到，在尾巴重吸收的过程中，一定包含了大量动物胶原蛋白纤维的组装和分解。为了检测胶原蛋白酶的活动，他发明了一种简单的测试，在培养皿中填充了一层牛奶样的胶原蛋白胶体，里面装满了坚韧、耐久的胶原蛋白纤维。当他把蝌蚪尾巴组织的碎片放在胶体表面时，他发现在组织周围的一个区域中，坚韧的胶原蛋白纤维被分解成了可溶的明胶。后来，他提纯了使胶原蛋白分解的物质——胶原蛋白酶。

胶原蛋白酶在青蛙及其他动物的组织中都存在，包括那只将遗骸留在地狱溪的恐龙。时至今日，该酶的功能依然与6 800万年前一样——分解胶原蛋白纤维。只不过当恐龙死去并沉入泥沼时，它体内的酶沉默了，这样才使恐龙的胶原蛋白纤维安然无恙地保留到现在，直到施魏策尔将新鲜的胶原蛋白酶加在其骨骼碎片之上，才又重新分解。

胶原蛋白酶只是动物、植物、微生物在进行几乎所有重要生命活动时所需的数百万种酶之一。有的酶参与合成细胞外基质的胶原蛋白纤维，或者合成像蛋白质、DNA、脂肪、碳水化合物这样的生物大分子，而又有一套完全不同的酶来分解和回收利用这些分子。酶在消化、呼吸、光合作用、新陈代谢中都起着重要的作用。酶让我们得以生存，让我们能继续活下去。酶是生命的引擎。

但是，难道酶只是生物催化剂吗？难道酶的作用与制备硫酸和其他工业原料的化学过程是一样的吗？几十年前，大多数生物学家可能会同意布希纳的观点，认为生命的化学与化学工厂里的反应甚或是小孩的化学实验没有什么两样。但在过去的20年间，这种观念发生了根本转变，因为一系列关键的实验为酶的工作机理提供了引人注目的新解释。比起老旧而经典的化学催化剂，生命催化剂似乎能够触碰到更深层次的现实，并巧妙地用到一些量子的把戏。(www.xing528.com)

不过，为了更好地解释为什么生命的活力需要用到量子力学，我们必须先研究一下平淡无奇的工业催化剂的工作原理。

|肽键的断裂|

催化剂有许多不同的运作机理，但大多数可以用一种被称为“过渡态理论”（transition state theory，简称TST）的解释来理解。过渡态理论为催化剂加速化学反应提供了一种简单的解释。为了理解过渡态理论，我们或许有必要把问题反转思考，先来考虑为什么需要用催化剂来加速反应。答案是，我们所处环境中大多数常见的化学物质是稳定且不活跃的。它们既不会即时分解也不会时刻准备着与其他化学物质反应。毕竟，如果它们能做这两者之一的话，它们将不再是常见的化学物质。

常见物质之所以稳定，是因为在物质中始终存在的分子震荡，尽管无从避免，但并不能经常性地使常见物质的化学键断裂。我们可以对这一过程进行视觉化的描述，反应物分子需要爬上一个“山坡”，越过它们与产物之间的一个山丘，然后才能转变为产物（见图2-1）。爬上“山坡”所需的能量大部分由热能提供。热能可以加速分子和原子的运动，使它们的运动或振动变快。分子间的跃动与碰撞可以破坏分子内连接原子的化学键，甚至可能使它们形成新键。但是那些相对更加稳定的分子，比如日常环境中常见物质的分子，连接其原子的化学键结合得很紧密，足以抵挡周围的分子震荡。这也正是这些化学物质在我们周围的环境中很常见的原因。正是因为它们的分子无视环境中的分子冲撞，所以才能大体上保持稳定。[22]

用灰色小点代表的反应物分子能够被转化为用黑色小点代表的产物分子，但它们首先需要攀上一个能量壁垒。冷的分子很少能有足够的能量来完成攀登，但热的分子可以轻易爬上顶峰。

图2-1　化学反应的形象化

然而，即使是稳定的分子，一旦获得足够的能量，也可以被分解。能量获得有多种途径，其中之一是获得更多的热量（热量可以使分子加速）。加热一种化学物质最终将使其化学键断裂。这也是我们在烹调大多数食物时需要加热的原因：热量加速了使食材（反应物）转化为更加鲜美的食物（产物）的化学反应。

热量如何加速化学反应？一种方便的视觉化解释是将反应物分子想象为一个横置的沙漏中躺在左边空间的沙粒（见图2-2a）。如果置之不理，全部的沙子将一直待在初始的位置，因为它们没有获得足够的能量来越过沙漏颈部，达到代表产物的右边空间。在一次化学过程中，反应物分子可以通过受热来获得足够的能量，从而使自己更快地运动和振动，并使其中的某些分子获得足够的能量转化成产物。我们简单地将其设想为摇晃沙漏，那么一些沙粒将被抛进右边的空间，从反应物变为产物（见图2-2b）。

但是还有另外一种使反应物变为产物的方法，即降低反应物需要翻越的能量壁垒。这正是催化剂的工作。催化剂就像使沙漏的颈部变得更宽一样，只要有一点点的热搅动，左边的沙粒就能够流向右边（见图2-2c）。由于催化剂能改变反应中的能量壁垒，比起没有催化剂时，底物变为产物的反应速度便极大地加快了。

图2-2 　改变能量壁垒

我们可以通过先考虑在没有胶原蛋白酶时，胶原蛋白分子极其缓慢的分解过程，来从分子层面说明催化剂的工作原理（见图2-3）。正如前文所说，胶原蛋白是一串氨基酸，每一个氨基酸通过碳原子与氮原子间的肽键（在图2-3中以C与N之间的粗线表示）与下一个氨基酸相连。肽键仅仅是分子内能将原子结为一体的几种化学键之一。它的本质是一对由碳氮原子共享的电子。这对由碳氮原子共享的带有负电荷的电子会吸引肽键两端带有正电的原子核，因此，就像一种电力粘胶一样将肽键两端的原子结合在一起。这类化学键也被称为共价键。

肽键很稳定，因为通过迫使共用电子对分离使肽键断裂需要很高的“活化能”（activation energy）：化学键必须要爬上一个很高的能量壁垒才能抵达反应中“沙漏的颈部”。在实际反应中，化学键通常并不是依靠自身的力量断开的，而是在一个被称为“水化”（hydrolysis）的过程中借助了周围水分子的一臂之力。要想使水化发生，首先，水分子必须足够靠近肽键，向肽键中的碳原子贡献出自己的一个电子，形成一个能拴住水分子的相对微弱的新键，该键在图2-3中用虚线表示。这个不稳定的中间阶段称为“过渡态”（也是“过渡态理论”的来源），表示使旧键断裂所需能量壁垒的顶峰，即图2-2中沙漏的颈部。注意，在图2-3中，有水分子贡献的电子一路向下转移到了与肽键相邻的氧原子，氧原子由于多了一个电子而带有一个单位的负电荷，用“-”表示。与此同时，在过渡态中贡献出一个电子的水分子此刻整体带一个正电荷。

整个过程从此处开始变得稍微有点难理解了。想象一下，这个水分子之所以带正电并不是因为它失去了一个电子，而是因为它包含了一个裸露的氢原子核，或者说一个质子（在图2-3中以“+”表示）。水分子中这个带正电的质子不再紧密地结合在原来的位置，而是像第1章讨论的量子力学的观点那样，变得“离域”（delocalized）。虽然它在大多数时间里依然在水分子中（见图2-3b中左边的结构），但有时它可能在更远的地方被发现，更靠近处于肽键另一端的氮原子（图2-3b中右边的结构）。处于这个位置时，漫游的质子可以将肽键中的一个电子拖拽出其原来的位置，从而使肽键断裂。

胶原蛋白之类的蛋白质由氨基酸链组成，而氨基酸链又由碳（C）、氮（N）、氧（O）、氢（H）等原子组成，并通过肽键连接（见a）。图中的肽键用粗线表示。肽键可以被一个水分子（H2O）水化，从而使肽键断裂（见c）。但在断裂之前必须要先经过不稳定的过渡态，此状态至少包括两种可以互相转化的不同结构（见b）。

图2-3　胶原蛋白分解示意图

但图2-3展现的情况通常并不会发生。原因在于像图2-3b中展示的过渡态是非常短暂的，即使非常轻微的推搡碰撞也能使其脱离这种状态。比如，由水分子提供的带负电的电子可以轻易地回到水分子中，使初始反应物变回原形（由图2-3中的粗箭头表示）。比起先前描述的使肽键断裂的反应，出现这个情景的概率要大得多。因此，肽键通常不会断裂。实际上，在非酸非碱的中性溶液中，要让一个蛋白质分子中一半的肽键断裂所需的时间，也就是该反应的半衰期，要超过500年。

过渡态理论

transition state theory

酶通过使过渡态更加稳定来加速像肽键断裂之类的化学过程，从而提高形成最终产物的概率。