站在信息與能量的交叉路口

導讀：物理學說，世界的本質是物質、能量與信息之間的關係，生命也莫不如此。在生命的信息與能量代謝中，磷酸基團這個神奇的分子佔據著中心的位置——它是生命中信息傳遞的信號分子，也是生命的能量貨幣——ATP的執行者，更加重要的是，正是它與核苷的結合，形成高能三磷酸核苷，才使RNA與DNA長鏈的合成成為可能。

正文：

已故的諾貝爾生理醫學獎（1974年）得主克里斯蒂安.德迪夫曾經說過，稀有的磷酸鹽分子在生物學中起到中心作用。這句話著實有些匪夷所思。我們知道，磷元素在人體中所有元素中僅占約 1.4%，排在所有元素中的第五位；在生命活動的具體執行者——蛋白質身上，也幾乎看不到它的身影。為什麼克里斯蒂安.德迪夫認為磷酸鹽分子才是生物學的中心呢？

要講明白這個故事，可能要貫穿整個生命史。要知道，你能看到五彩的世界，聞到肉香花香，是拜它所賜；你能奔跑跳躍，也是拜它所賜。那就讓我們從人類心靈的窗口——眼睛，來慢慢說起吧。

一、五感之靈

第一次見到視錐細胞與視桿細胞的圖片，差點以為見到了外星人：跟常見的圓滾滾的細胞不同，它們極其細長，細胞核突兀的鼓在中間，前端是感光的細胞器。視錐細胞和視桿細胞都屬於感光細胞，光線通過晶狀體彙集到眼球後端的這些感光細胞上，再通過神經傳遞給大腦，我們就看到了圖像。

但是，你知道感光細胞用來捕獲光子的東西是什麼嗎？

沒錯，它們叫做視蛋白。目前認為一共有五類視蛋白與視覺有關，具體對於人類而已，主要是叫做視紫紅質的一種蛋白。這些視蛋白存在於細胞膜上，在捕獲光子前後會發生可逆的反應，從而將視覺信號傳導下去。

視紫紅質屬於一個巨大的蛋白家族——G蛋白偶聯受體家族，這個家族的具體大小尚未知曉，但是依據DNA序列的相似性，人們預測人類基因組中約有800個基因會編碼這個家族的成員，這佔了基因組中編碼序列的4%。

這一家族如此的繁榮昌盛也側面反映出G蛋白偶聯受體的重要作用——它們是真核細胞膜上的感應器。G蛋白偶聯受體目前一共被分為六大類，可以和各種各樣的分子相結合，包括氣味分子、激素、神經遞質，甚至光子，然後通過一系列複雜的信號通路，將這些信息告知我們的身體。

從這個意義上來講，我們能看到美麗的風景、嘗到香甜的巧克力、美味的烤牛排、聞到芬芳的花香，全都要拜各類G蛋白偶聯受體所賜。G蛋白偶聯受體與G蛋白的組合是我們能感知這個世界的分子基礎，它們共同掌管著我們的五感，是我們的五感之靈。

二、0 與 1 的二進位

聰明的你一定能從G蛋白偶聯受體這個名字中察覺到：一定還有一種蛋白叫G蛋白。

是的，G蛋白偶聯受體與G蛋白是相伴相生的一套體系，G蛋白偶聯受體接收到外界信號後，會導致與它相連的G蛋白α結構域中的三磷酸鳥苷（GTP）發生脫磷酸作用變成二磷酸鳥苷（GDP）。這一過程是可逆的，例如視紫紅質在一次傳遞後的「休息期」大概有45分鐘，然後就又加上了彈藥（磷酸基團）。

這就像是一套簡單的0/1信號系統，紅燈停，綠燈行，利用鳥苷連接的磷酸基團的數量來表示不同的狀態，從而影響其下游信號通路（一般是第二信使起作用）的開閉狀態。

實際上，0/1這種信號系統是如此的簡單有效，在細胞內的很多信號傳導過程中都起著重要作用。

在非小細胞肺癌研究中的明星蛋白分子EGFR（表皮生長因子受體），其下游通路也是通過轉移磷酸基團來實現的。顧名思義，表皮生長因子受體（EGFR）這種跨膜蛋白的功能是接受外界表皮生長因子的調控，通過它，細胞可以根據外界信號來決定是否要生長增殖。

但在有些情況下，例如EGFR基因發生了突變，從而使其內部的結構域處於常開狀態，這樣細胞就不受限制的增殖起來，從而導致了癌症的發生。有意思的是，磷酸基團（P）在EGFR上面是通過是否與酪氨酸激酶結構域結合來控制開關的，而在其下游的RAS基因處，卻是通過GDP/GTP的轉換來實現的。但是無論如何，通過一個傳一個的轉移磷酸基團這個高能小分子，一個一個的改變不同大分子的開關狀態（1/0），細胞內部完成了信號的傳遞工作。

三、生命原力

如果說GTP是生命領域的明星的話，那麼它的哥哥——ATP（三磷酸腺苷）可以算得上是巨星了。在生命中，ATP是比GTP更重要、更無處不在的分子，它是生命的基本能量貨幣。在生命中幾乎任何需要能量的場合，都是ATP在進行能量轉移的功能，被生命所攝入的任何形式的能量——脂肪、糖類等等，都要先通過呼吸作用轉換為ATP才能用於後續的代謝之中。

我們常說生命密碼可以用ATCG四個字母表示。實際上，DNA/RNA這四個字母裡面的A與ATP/ADP里的A是同一種東西，G與GTP/GDP里的G也是同一種東西。因此，對於T和C來說，也存在TDP/TTP和CDP/CTP的轉換。但這兩個嘧啶並沒有那兩個嘌呤在生命中的應用那麼廣泛。

嘌呤和嘧啶並不能連接成DNA或者RNA長鏈，它們還需要連上五碳糖形成脫氧核糖核苷（對於RNA來說是核糖核苷），然後五碳糖之間還需要通過磷酸鍵以形成DNA/RNA長鏈——這個過程也需要脫磷酸作用，沒有高能磷酸鍵提供的能量，是沒有辦法形成長鏈的DNA或者RNA的。

實際上，ATP分子自己就能進行聚合反應，多個ATP分子發生聚合反應，可以形成ATP-AMP-AMP-AMP...的長鏈，眼尖的你肯定已經察覺到了：這就是真核mRNA頭部的poly-A結構。ATP既可以作為基本能量貨幣，又是生命密碼的關鍵字母，這似乎暗示著生命起源中能量與信息的同源性，在蛋白質出現之前很久，在DNA甚至RNA出現之前很久、ATP/ADP這樣的分子系統就站在了能量與信息起源的共同起點。

「 沒有能量供應和有效的利用能量的途徑，原始代謝就不可能進行 」n——克里斯蒂安.德迪夫n

在星球大戰系列電影中，「May the force be with you」（願原力與你同在）的原力，被解釋為「迷地原蟲（midichlorians）」，明眼人一看就知道這是暗指真核生命的能量工廠，即生產ATP的地方——線粒體。然而，並不是所有生命都有線粒體——細菌就沒有。

這樣想來，將ATP稱為生命原力，甚至將這個實際供能，並傳導信號的磷酸基團稱之為生命原力，也許更加合適。