霍爾丹將生命是“蛋白質(zhì)的存在方式”這一命題的提出歸于恩格斯。（霍爾丹是一位社會(huì)主義者，并非為了生物學(xué)而閱讀恩格斯的著作。）這種活力論觀點(diǎn)隱含了蛋白質(zhì)內(nèi)在具有生命之意，但霍爾丹抨擊了這種想法。不過(guò)霍爾丹并不反對(duì)的觀點(diǎn)是，蛋白質(zhì)乃是生命的材料。

蛋白質(zhì)在生命細(xì)胞中處處皆是。很多蛋白質(zhì)是酶，即催化化學(xué)變化過(guò)程的分子。酶能夠以數(shù)百萬(wàn)倍的系數(shù)加速化學(xué)反應(yīng)，確保體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)不致慢得難以想象。酶是在研究發(fā)酵的過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)的，酶的英文enzyme正是希臘語(yǔ)“在酵母里”的意思。19世紀(jì)晚期，人們發(fā)現(xiàn)從酵母細(xì)胞中可以獲取酶并提純，雖然酶已經(jīng)不再是生命系統(tǒng)中的一部分，但它還是可以繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)幫助人們認(rèn)識(shí)到，生命中的化學(xué)同樣也遵循與非生命物質(zhì)相同的原理。

如果細(xì)胞是座城市，酶就是其中的工人。為了維持城市運(yùn)轉(zhuǎn)，原始材料輸入細(xì)胞并轉(zhuǎn)化為有用的東西。酶就是工廠里的工人，推動(dòng)這項(xiàng)工作完成。而這個(gè)產(chǎn)業(yè)里令人好奇的一點(diǎn)是，它還包括負(fù)責(zé)制造工人本身的工廠——酶自身也是在生產(chǎn)線上組裝起來(lái)的。

不是所有的蛋白質(zhì)都是酶。有的蛋白質(zhì)發(fā)揮著結(jié)構(gòu)方面的作用，成為身體的各種組織。有的作為細(xì)胞的警衛(wèi)力量。有的在蛋白質(zhì)的運(yùn)輸軌道上負(fù)責(zé)來(lái)回遞送包裹。有的負(fù)責(zé)操作細(xì)胞的大門，坐在細(xì)胞外膜上，遵照接收到的指示開門關(guān)門。在人體細(xì)胞中有約六萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)分子，每種都負(fù)責(zé)一項(xiàng)高度專門化的任務(wù)。

如果只是瞧一眼蛋白質(zhì)，幾乎不可能猜出它負(fù)責(zé)的任務(wù)是什么。從外觀上來(lái)看，蛋白質(zhì)沒(méi)什么特殊之處，大多呈球形（參見第23頁(yè)圖8），主要由碳、氫、氧、氮和少量的硫組成。負(fù)責(zé)同一項(xiàng)任務(wù)的蛋白質(zhì)具有相同的形狀和結(jié)構(gòu)，那些看似不規(guī)則的一團(tuán)團(tuán)實(shí)際上是精心設(shè)計(jì)并裝配好的。

很多酶的形狀像凹凸不平的腰果，在內(nèi)側(cè)的曲線處有裂縫。這個(gè)裂縫就是要執(zhí)行任務(wù)，即分子實(shí)施催化的位置。有些蛋白質(zhì)會(huì)成組地完成工作，它們變成了多蛋白集合體中的“子單元”。細(xì)菌體內(nèi)的色氨酸合成酶就是如此，由四個(gè)可分離的子單元結(jié)合而成。這種酶能夠合成色氨酸這種小分子。所有生物體都需要色氨酸，但人體不含這種酶，所以就不得不通過(guò)吃掉其他已經(jīng)造出色氨酸的生物來(lái)攝取它。

這個(gè)例子展示了，酶及其他蛋白質(zhì)的名字常常能透露它們的功能。乙醇脫氫酶是能從乙醇分子上取下一個(gè)氫原子（“脫氫”）的酶。ATP（三磷酸腺苷）合成酶能合成ATP分子。但并非所有蛋白質(zhì)的名字都如此一目了然。血紅蛋白（haemoglobin）負(fù)責(zé)在血流中攜帶氧，它的名字則分為兩段，前段來(lái)自希臘語(yǔ)的血液（haeme），后段來(lái)自它的形狀是球形（globular）。肌紅蛋白（myoglobin）在肌肉組織中負(fù)責(zé)從血紅蛋白手中接過(guò)貨物——氧，它名字的前一段來(lái)自肌肉的希臘語(yǔ)。還有更詭異的名字。彈性蛋白是一種有彈力的蛋白，能在很多柔韌的人體組織，如血管和聲帶中找到。泛素是人體中到處都能找到的一種蛋白質(zhì)，因?yàn)樗陔S處可見的廢棄蛋白質(zhì)處置過(guò)程中發(fā)揮核心作用。

從圖8中你大概猜不到，其實(shí)蛋白質(zhì)分子只不過(guò)是小分子串起來(lái)的一條單鏈。這條鏈將自己密集地折疊、盤繞起來(lái)，看上去就像是堆起來(lái)的一大團(tuán)原子。但通過(guò)X射線晶體學(xué)（參見第18頁(yè)）細(xì)致觀察其結(jié)構(gòu)，我們就能沿著這條鏈看到它怎樣扭曲，把自己擠成一個(gè)緊縮的球體。蛋白質(zhì)化學(xué)家有時(shí)會(huì)用一種別樣的方式將這條分子鏈形狀清晰地表現(xiàn)出來(lái)（如圖11）。從這幅圖上，你能夠看出，整體的結(jié)構(gòu)是通過(guò)某些特定的重復(fù)特征——或稱“模體”——搭建起來(lái)的，比如其中會(huì)出現(xiàn)盤旋狀的單元，稱作α螺旋；還會(huì)出現(xiàn)幾段相互平行的分子鏈，即所謂的β折疊。

我們還可以從概念上進(jìn)一步分解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。分子鏈?zhǔn)怯梢粋€(gè)個(gè)有特點(diǎn)的小分子團(tuán)組成的，就像是穿在一條線上的珠子。這些分子團(tuán)曾經(jīng)是一個(gè)個(gè)分立的分子，稱作氨基酸。天然蛋白質(zhì)含有20種氨基酸。在分子鏈上，氨基酸與氨基酸通過(guò)一種叫肽鍵的共價(jià)鍵連接在一起。為了形成這個(gè)連接，兩個(gè)分子都丟掉了一部分多余的原子，而余下的部分——鏈上的枝節(jié)——稱作殘基。這條分子鏈就稱作多肽。

氨基酸殘基組成的任何一條鏈都是多肽。只要對(duì)氨基酸混合物加熱，我們自己也能夠簡(jiǎn)單地造出多肽。但是光這樣造不出蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)中，氨基酸在鏈上的排列順序——序列——并不是隨心所欲的。序列是經(jīng)過(guò)選擇的（在達(dá)爾文的意義上說(shuō)，就是自然選擇），從而保證肽鏈上的每一部分都處在正確的位置，長(zhǎng)鏈能夠在水中收縮卷曲成預(yù)定的球狀。蛋白質(zhì)的特殊形狀在加熱時(shí)會(huì)被破壞，這個(gè)過(guò)程稱作變性。但很多蛋白質(zhì)在冷卻之后，又會(huì)自發(fā)地折疊恢復(fù)到原先的球狀結(jié)構(gòu)。換言之，肽鏈對(duì)它的折疊形狀有記憶。

人們對(duì)折疊過(guò)程的細(xì)節(jié)還未全然知曉——實(shí)際上，這也正是分子生物學(xué)的一個(gè)核心未知難題。不過(guò)，我們倒是知道，是什么能夠保持蛋白質(zhì)分子中多肽鏈的這種緊縮形式。分子鏈中很多部分可以相互形成微弱的鍵，稱為氫鍵。比如，正是氫鍵將肽鏈粘出了α螺旋和β折疊。鏈上還有一些部分是通過(guò)硫原子間的強(qiáng)鍵結(jié)合起來(lái)的，這些硫原子來(lái)自半胱氨酸的殘基。有些殘基較難溶于水，于是就傾向于在球狀蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)成一團(tuán)，被鏈上可溶于水的部分包圍起來(lái)。因此，由此產(chǎn)生的折疊結(jié)構(gòu)依賴于不同殘基的特點(diǎn)，依賴于不同殘基在鏈上的位置——換句話說(shuō)，即依賴于序列順序。可以說(shuō)，蛋白質(zhì)分子造出來(lái)時(shí)就帶有了它們各自折疊方式的指令。

制造蛋白質(zhì)時(shí)，細(xì)胞中的工廠是怎樣“知道”該如何排列氨基酸次序的呢？此時(shí)DNA（脫氧核糖核酸）就走進(jìn)了我們的視線。所有細(xì)胞中都有DNA分子，體內(nèi)各種蛋白質(zhì)的序列就由DNA編碼。蛋白質(zhì)在做所有的工作（或者說(shuō)大部分工作），而DNA則只是消極被動(dòng)地等著被解讀，一旦需要某種蛋白質(zhì)的時(shí)候就要用到它們了。

DNA信息是用與蛋白質(zhì)信息不同的另一種語(yǔ)言所書寫的，但細(xì)胞能夠互譯這兩種語(yǔ)言。DNA是另一種由小的分子單元組成的序列——另一種聚合物。但它的組成單元與蛋白質(zhì)完全不同——并非氨基酸，而是稱作核苷酸。DNA像一座記錄著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖書館，由表示核苷酸序列的字符書寫而成（參見第135頁(yè)）。粗略地講，制造蛋白質(zhì)的信息就編碼在DNA的草圖里，我們稱之為基因。

顯然這里會(huì)牽涉到奇妙的協(xié)作。無(wú)論是哪里需要酶來(lái)完成一項(xiàng)工作，這個(gè)信息都必須傳遞到DNA所處的區(qū)域。在人體細(xì)胞中及所有生物體的細(xì)胞中——除了最“原始”的單細(xì)胞的細(xì)菌以外，DNA所處的核心隔間稱為細(xì)胞核，細(xì)胞核通過(guò)自己的膜與外界隔離開來(lái)（如圖12）。凡有細(xì)胞核的生物就稱作真核生物。

圖12　人及其他真核生物的細(xì)胞將遺傳物質(zhì)（DNA）分隔在中心的細(xì)胞核中。其他不同隔間（細(xì)胞器）也各有不同功能，比如合成蛋白質(zhì)、產(chǎn)生能量等。請(qǐng)注意，僅當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備分裂時(shí)DNA才會(huì)打包成染色體（如圖中所示），其他時(shí)候則保持松散的長(zhǎng)鏈狀

在人體細(xì)胞中，DNA打包成一捆一捆的，稱為染色體。制造蛋白質(zhì)時(shí)，包含著相應(yīng)基因的DNA就會(huì)展開以供閱讀。實(shí)際上，蛋白質(zhì)制造并不在細(xì)胞核中進(jìn)行，而是在名為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的隔間里，這是個(gè)由膜通道所組成的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)?；蚴紫?span id="2zmbjvw" class="txt-b">轉(zhuǎn)錄成一種與DNA相關(guān)的分子，名叫RNA（核糖核酸）。RNA分子從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，在這里翻譯為蛋白質(zhì)。繼而蛋白質(zhì)被輸送到需要的地方。因此，細(xì)胞里的分子必須具有通信和運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

這整個(gè)過(guò)程是受到調(diào)節(jié)的，保證蛋白質(zhì)不會(huì)隨隨便便就造出來(lái)，只在需要時(shí)才制造。如果細(xì)胞總是任意地制造各種蛋白質(zhì)，那它很快就會(huì)擁堵了。法國(guó)生物化學(xué)家弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫諾在1960年代提出了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，解釋細(xì)胞怎樣維持各個(gè)隔間之間的秩序。他們表明基因之間能相互調(diào)節(jié)，可以通過(guò)自身編碼的蛋白質(zhì)為媒介來(lái)開關(guān)其他基因。例如，有些編碼了細(xì)胞所使用的蛋白質(zhì)的基因（稱為結(jié)構(gòu)基因），同時(shí)也伴隨存在著編碼了抑制蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)基因。調(diào)節(jié)基因打開時(shí)，抑制蛋白就合成出來(lái)，綁定到結(jié)構(gòu)基因上，阻止結(jié)構(gòu)基因的“表達(dá)”（轉(zhuǎn)錄并翻譯成蛋白質(zhì)）。雅各布和莫諾將這些受調(diào)控的擴(kuò)展DNA稱為操縱子。他們從一個(gè)角度展示了細(xì)胞中不同基因和蛋白質(zhì)擁有相互作用的網(wǎng)絡(luò)。分子生物學(xué)家如今幾乎解碼了人類DNA的全部核苷酸序列，但是對(duì)于它所編織的這個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，人們才讀懂了很少一部分。