试论蛋白质折叠与生命现象的复杂性[1]

第 24 卷 湖 北 师 范 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 ) Vol124第 3 期 Journal of Hubei Normal University (Natural Science) No13 ,2004试 论 蛋 白 质 折 叠 与 生 命 现 象 的 复 杂 性潘 继 承(湖 北 师 范 学 院 生 物 系 ,湖 北 黄 石 435002)摘 要 :扼 要 介 绍 了 复 杂 性 科 学 的 哲 学 涵 义 ;探 讨 了 蛋 白 质 折 叠 过 程 与 生 命 的 复 杂 性 ;并 讨 论 了 如 何 应 用 复杂 性 科 学 指 导 生 命 科 学 的 研 究 。关 键 词 :复 杂 性 科 学 ;蛋 白 质 折 叠 ;生 命 现 象中 图 分 类 号 :N02 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :100922714 (2004) 032 00082 05我 在 这 几 年 博 士 阶 段 的 工 作 主 要 是 研 究 蛋 白 质 的 折 叠 及 其 结 构 与 功 能 的 问 题 。 蛋 白 质 折 叠 问题 ,即 蛋 白 质 是 如 何 由 结 构 简 单 的 肽 链 折 叠 成 为 特 定 的 三 维 空 间 结 构 的 问 题 ,是 生 命 科 学 领 域 的 前 沿课 题 之 一 。 在 研 究 蛋 白 质 折 叠 现 象 的 过 程 中 ,我 深 刻 地 认 识 到 ,它 不 仅 是 一 个 复 杂 的 科 学 问 题 ,其 中也 蕴 涵 丰 富 的 哲 学 问 题 。1 关 于 复 杂 性 概 念 的 定 义尽 管 关 于 “ 复 杂 性 ” 的 描 述 性 定 义 约 有 多 种 ,到 目 前 为 止 ,还 没 有 一 个 公 认 的 非 常 科 学 确 切 的 复 杂性 定 义 ,但 是 绝 大 多 数 各 种 关 于 复 杂 性 的 概 念 ,都 表 达 了 这 样 的 共 识 :复 杂 性 表 现 为 一 种 众 多 因 素 相互 作 用 的 状 态 ;复 杂 性 即 “ 交 织 在 一 起 的 东 西 ” ;复 杂 性 表 达 了 一 种 不 可 还 原 的 特 征 。 复 杂 性 思 维 因 此是 一 种 将 区 分 和 关 联 相 结 合 的 思 维 。哲 学 意 义 上 的 复 杂 性 有 如 下 定 义 1 :1. 复 杂 性 是 客 观 事 物 的 一 种 属 性 ;2. 复 杂 性 是 客 观 事 物 层 次 之 间 的 一 种 跨 越 ;3. 复 杂 性 是 客 观 事 物 跨 越 层 次 的 不 能 够 用 传 统 的 科 学 、 学 科 理 论 直 接 还 原 的 相 互 关 系 。20 世 纪 70 年 代 以 前 ,复 杂 性 是 “ 无 法 认 识 ” 和 “ 难 以 处 理 ” 的 代 名 词 。 在 经 典 科 学 哲 学 领 域 ,简 单性 被 认 为 是 世 界 自 身 的 基 本 属 性 ,复 杂 性 从 没 有 被 认 为 是 世 界 的 属 性 ,至 多 被 认 为 是 简 单 性 复 合 产物 ,是 现 象 ,甚 至 是 认 识 主 体 运 用 简 单 性 原 则 处 理 问 题 能 力 不 足 所 导 致 的 结 果 2 。 80 年 代 中 期 ,在 美国 成 立 了 一 个 民 间 机 构 圣 菲 研 究 所 (SFI)专 门 研 究 复 杂 性 理 论 ,用 浅 显 的 语 言 表 述 他 们 对 复 杂 性 的 定义 3 :复 杂 性 是 一 个 系 统 中 的 问 题 ,在 这 个 系 统 中 存 在 “ 活 力 ” ,各 子 系 统 相 互 作 用 并 构 成 自 组 织 ,不断 表 现 出 涌 现 性 和 进 化 ,在 系 统 内 部 的 平 衡 点 ,即 混 沌 的 边 缘 ,复 杂 性 就 藏 身 其 中 。 从 这 一 观 点 出 发 ,复 杂 性 是 世 界 的 一 个 基 本 属 性 ,是 一 种 客 观 存 在 。 以 SFI 为 核 心 的 科 学 家 可 称 作 圣 菲 学 派 ,他 们 较 偏重 于 从 结 构 和 形 式 上 来 研 究 复 杂 性 。 另 一 学 派 则 偏 重 从 功 能 上 研 究 复 杂 性 ,其 代 表 人 物 是 布 鲁 塞 尔学 派 的 普 里 高 津 ( Prigogine) 4 ,他 曾 提 出 耗 散 结 构 理 论 ,并 因 此 获 诺 贝 尔 奖 。 我 国 一 些 学 者 认 为 复 杂性 是 开 放 的 复 杂 巨 系 统 的 动 力 学 特 性 5 。 在 现 代 科 学 哲 学 领 域 ,人 们 已 经 认 识 到 ,复 杂 性 是 物 质 、 生命 和 人 类 社 会 的 进 化 中 最 显 著 的 特 征 ,是 自 然 科 学 和 社 会 科 学 都 关 注 的 跨 学 科 “ 热 门 ” 科 学 。收 稿 日 期 2004 04 20作 者 简 介 潘 继 承 (1964 ) ,男 ,湖 北 襄 樊 市 人 ,副 教 授 ,博 士 。82 生 命 是 复 杂 的生 命 存 在 最 突 出 的 特 征 是 它 的 几 乎 无 限 的 多 样 性 。 当 回 顾 生 物 多 样 性 研 究 的 历 史 时 ,人 们 认 识到 生 命 存 在 表 现 形 式 的 各 种 各 样 。 空 间 :世 界 各 洲 ;时 间 :从 35 亿 年 前 直 到 现 在 ;大 小 :从 病 毒 到 鲸鱼 ,生 存 环 境 :空 气 ,陆 地 ,淡 水 ,海 洋 ;生 活 方 式 :独 立 生 活 与 寄 生 。 在 有 性 繁 殖 的 种 群 中 没 有 两 个 个体 完 全 相 同 ,多 样 性 存 在 于 生 物 界 等 级 结 构 的 每 一 个 层 次 中 。 物 种 中 任 何 两 个 个 体 之 所 以 有 区 别 不仅 仅 是 由 于 它 们 在 遗 传 上 的 独 特 性 ,而 且 也 由 于 性 别 、 年 龄 、 免 疫 系 统 以 及 在 开 放 的 记 忆 程 序 中 所 收集 到 的 信 息 不 同 所 致 。 这 种 多 样 性 是 生 态 系 统 的 基 础 ,也 是 竞 争 与 共 生 现 象 的 原 因 ,并 促 成 了 自 然 选择 。 任 何 生 物 体 的 生 存 均 有 赖 于 环 境 的 多 样 性 ,最 低 限 度 是 具 有 应 付 多 样 性 环 境 的 能 力 。绝 大 部 分 生 物 又 是 由 许 多 种 类 的 细 胞 构 成 ,细 胞 内 又 有 各 种 各 样 的 生 命 物 质 ,如 人 的 细 胞 中 光 是蛋 白 质 的 种 类 就 有 10 万 种 以 上 。 而 同 一 类 蛋 白 质 ,比 如 我 所 研 究 的 精 氨 酸 激 酶 又 分 为 几 个 亚 型 ,它们 的 分 子 量 、 结 构 层 次 和 在 身 体 的 不 同 部 位 其 组 成 等 方 面 也 不 一 样 。 生 物 也 是 多 层 次 的 。 在 生 态 系统 中 ,各 种 生 物 构 成 了 一 种 食 物 链 的 金 字 塔 ;每 个 生 物 个 体 又 是 由 器 官 组 成 ,以 下 又 可 逐 渐 分 为 组 织 、细 胞 、 细 胞 器 、 生 物 分 子 等 。 甚 至 一 个 蛋 白 质 分 子 也 可 以 分 为 一 级 、 二 级 、 三 级 、 四 级 结 构 。生 命 现 象 的 复 杂 ,不 仅 体 现 在 其 构 成 单 元 与 层 次 的 多 样 性 ,还 体 现 在 其 中 的 复 杂 的 联 系 。 在 系 统与 系 统 之 间 ,个 体 与 个 体 之 间 ,器 官 与 器 官 之 间 ,细 胞 与 细 胞 之 间 ,细 胞 内 的 各 种 分 子 之 间 ,都 存 在 着相 互 作 用 。 比 如 一 种 细 胞 可 以 受 另 一 种 细 胞 的 影 响 而 发 生 运 动 或 者 分 泌 ;一 个 蛋 白 质 会 受 另 一 个 蛋白 质 或 者 小 分 子 的 调 节 控 制 而 获 得 或 者 失 去 活 性 6 。生 物 是 从 简 单 到 复 杂 、 由 低 级 到 高 级 这 样 向 前 发 展 和 演 化 的 。 在 历 史 的 长 河 中 ,无 数 种 类 的 生 物灭 绝 ,又 有 无 数 物 种 产 生 ,不 同 地 层 中 的 古 生 物 化 石 就 是 生 物 发 展 的 最 忠 实 的 记 录 。 每 个 动 物 的 个 体也 不 断 地 在 经 历 出 生 与 死 亡 。 就 是 在 同 一 个 生 物 体 内 ,每 时 每 刻 也 是 不 断 地 有 细 胞 产 生 与 死 亡 ,而 在细 胞 内 的 生 命 物 质 ,比 如 蛋 白 质 ,更 是 不 断 地 在 新 陈 代 谢 之 中 合 成 、 分 解 。总 的 说 来 ,生 命 的 复 杂 性 主 要 表 现 在 :生 命 的 结 构 层 次 和 多 样 性 、 生 命 非 线 性 和 有 序 、 生 命 生 物 性与 社 会 性 的 双 重 性 、 生 命 中 的 涌 现 性 以 及 生 命 的 随 机 性 等 方 面 7 。3 蛋 白 质 折 叠 是 复 杂 的众 所 周 知 ,蛋 白 质 在 生 物 体 内 占 有 特 殊 的 地 位 。 蛋 白 质 和 核 酸 是 构 成 细 胞 内 原 生 质 体 的 主 要 成分 。 原 生 质 是 生 命 现 象 的 物 质 基 础 。 早 在 1878 年 ,恩 格 斯 就 在 反 杜 林 论 中 指 出 :“ 生 命 是 蛋 白 体 的存 在 的 方 式 ,这 种 存 在 方 式 本 质 上 就 在 于 这 些 蛋 白 质 体 的 化 学 组 成 部 分 的 不 断 的 自 我 更 新 。 ” 从 恩 格斯 的 论 断 中 ,可 以 引 出 下 列 三 点 :第 一 ,蛋 白 体 是 生 命 的 物 质 基 础 ;第 二 ,生 命 是 物 质 运 动 的 特 殊 形 式 ,是 蛋 白 体 存 在 的 方 式 ;第 三 ,这 种 存 在 方 式 的 本 质 就 是 蛋 白 体 与 其 外 部 自 然 界 不 断 的 新 陈 代 谢 。在 生 物 体 内 ,生 命 信 息 的 流 动 可 以 分 为 两 个 部 分 :第 一 部 分 是 储 存 于 DNA 序 列 中 的 遗 传 信 息 通过 转 录 和 翻 译 传 入 蛋 白 质 的 一 级 序 列 中 ,这 是 一 维 信 息 之 间 的 传 递 ,三 联 子 密 码 介 导 了 这 一 传 递 过程 ;第 二 部 分 是 肽 链 经 过 疏 水 塌 缩 、 空 间 盘 曲 、 侧 链 叠 集 等 折 叠 过 程 形 成 非 常 特 定 的 复 杂 的 空 间 结 构 ,同 时 获 得 生 物 活 性 ,从 而 将 生 命 信 息 表 达 出 来 ;而 蛋 白 质 作 为 生 命 信 息 的 表 达 载 体 ,它 折 叠 所 形 成 的特 定 空 间 结 构 是 其 具 有 生 物 学 功 能 的 基 础 ,也 就 是 说 ,这 个 一 维 信 息 向 三 维 信 息 的 转 化 过 程 是 表 现 生命 活 力 所 必 需 的 。作 为 构 成 生 命 基 础 的 蛋 白 质 在 地 球 上 共 有 1010 - 1012种 之 多 ,并 各 自 具 有 不 同 的 结 构 与 功 能 。蛋 白 质 肽 链 包 含 二 十 种 氨 基 酸 ,它 们 之 间 排 列 组 合 的 可 能 性 有 很 多 ,由 100 个 氨 基 酸 残 基 组 成 的 蛋 白质 在 理 论 上 就 有 20100种 ,而 很 多 蛋 白 质 由 几 百 个 甚 至 上 千 个 氨 基 酸 残 基 组 成 ,这 充 分 体 现 了 蛋 白 质结 构 的 复 杂 性 。 另 外 ,蛋 白 质 的 功 能 也 表 现 出 明 显 的 多 样 性 ,它 参 与 生 物 体 的 代 谢 过 程 ,例 如 作 为 有机 体 新 陈 代 谢 的 催 化 剂 酶 、 血 红 蛋 白 、 免 疫 球 蛋 白 以 及 多 种 激 素 等 。 同 时 ,蛋 白 质 还 是 生 物 体 的9重 要 的 组 成 成 分 。 而 蛋 白 质 功 能 的 多 样 性 是 由 其 结 构 多 样 决 定 的 ,同 时 微 环 境 的 多 样 性 也 与 蛋 白 质的 功 能 的 体 现 密 切 相 关 。 由 蛋 白 质 的 一 级 结 构 生 成 三 级 结 构 的 折 叠 过 程 也 是 非 常 复 杂 的 ,包 括 二 级结 构 的 初 步 形 成 、 疏 水 塌 缩 、 侧 链 的 簇 集 、 折 叠 中 间 体 的 形 成 、 脯 氨 酸 的 顺 反 异 构 等 等 过 程 8 。 在 蛋白 质 的 折 叠 过 程 中 ,有 多 种 复 杂 的 因 素 对 它 产 生 影 响 ,包 括 溶 剂 的 作 用 ,温 度 的 作 用 ,酸 碱 度 的 作 用 ,分 子 伴 侣 的 作 用 等 等 。 正 是 因 为 蛋 白 质 折 叠 问 题 如 此 复 杂 ,所 以 ,至 今 还 没 有 人 提 出 大 家 都 信 服 的 蛋白 质 折 叠 机 制 。蛋 白 质 折 叠 的 问 题 虽 然 复 杂 ,但 研 究 者 们 坚 信 一 定 能 找 到 蛋 白 质 折 叠 的 规 律 。 从 历 史 上 的 经 验来 看 ,由 核 酸 到 蛋 白 质 的 第 一 遗 传 密 码 的 发 现 ,就 是 一 个 从 复 杂 的 现 象 发 现 简 单 规 律 的 成 功 范 例 ,因此 人 们 有 理 由 相 信 ,作 为 生 命 发 生 过 程 的 第 二 遗 传 密 码 ,蛋 白 质 的 折 叠 有 其 内 部 蕴 涵 的 简 单 规 律 ,只要 找 到 了 这 一 规 律 ,许 多 过 去 悬 而 未 决 的 问 题 都 可 以 得 到 解 决 。 经 过 人 们 长 期 的 努 力 ,已 经 找 到 了 蛋白 质 折 叠 的 部 分 规 律 ,例 如 通 过 二 级 结 构 预 测 和 计 算 机 模 拟 方 法 ,研 究 者 们 找 到 了 一 些 由 几 个 氨 基 酸残 基 组 成 的 一 级 序 列 决 定 二 级 结 构 的 规 律 ;不 同 的 作 用 力 在 蛋 白 质 折 叠 过 程 所 起 的 作 用 已 被 阐 明 ;许多 具 体 的 蛋 白 质 的 折 叠 过 程 也 已 经 被 研 究 者 们 分 析 得 十 分 清 楚 。经 过 认 真 的 总 结 与 分 析 ,我 发 现 蛋 白 质 折 叠 现 象 的 复 杂 性 与 自 然 界 物 质 系 统 的 复 杂 性 原 理 符 合 。物 质 系 统 的 复 杂 性 体 现 在 体 系 的 多 层 次 性 、 多 因 素 性 、 多 变 性 ,各 因 素 、 子 系 统 之 间 及 与 环 境 之 间 的 相互 作 用 、 整 体 的 行 为 和 演 化 等 方 面 上 。 它 是 物 质 系 统 整 体 性 、 层 次 性 、 关 联 性 、 开 放 性 等 基 本 特 征 的 集中 体 现 ,蛋 白 质 折 叠 现 象 的 复 杂 性 正 是 自 然 界 物 质 系 统 复 杂 性 在 生 物 学 上 的 一 个 影 射 。 另 一 方 面 ,蛋白 质 折 叠 必 然 遵 循 一 定 规 律 的 认 识 是 对 规 律 本 质 特 性 的 反 映 ,因 而 是 唯 物 的 、 辩 证 的 。 规 律 的 本 质 特性 表 现 为 客 观 性 、 普 遍 性 和 实 践 性 ,规 律 的 客 观 性 是 指 客 观 存 在 的 ,不 因 主 观 作 用 而 改 变 ,蛋 白 质 折 叠的 规 律 同 第 一 遗 传 密 码 一 样 也 是 客 观 存 在 的 ,只 是 目 前 没 有 被 完 全 发 现 而 已 ;规 律 的 普 遍 性 指 规 律 应在 相 当 大 的 空 间 与 时 间 范 围 内 有 效 ,蛋 白 质 折 叠 的 规 律 适 用 于 构 成 各 种 生 物 (从 简 单 的 原 核 生 物 到 复杂 的 高 等 动 物 )的 蛋 白 质 ,而 且 从 生 命 起 源 的 时 候 起 就 存 在 ;规 律 的 实 践 性 指 规 律 可 以 指 导 实 践 ,又 可被 实 践 检 验 ,蛋 白 质 折 叠 的 规 律 已 经 在 一 些 层 次 上 被 蛋 白 质 折 叠 方 面 的 研 究 实 践 证 明 ,且 在 治 疗 蛋 白错 误 折 叠 病 、 对 包 涵 体 进 行 溶 解 与 复 性 方 面 对 人 们 的 实 践 活 动 起 到 了 一 定 的 指 导 意 义 。 因 此 ,从 哲 学的 角 度 分 析 ,蛋 白 质 折 叠 的 规 律 是 客 观 存 在 的 ,科 学 家 们 所 提 出 的 关 于 蛋 白 质 折 叠 机 制 的 理 论 是 反 映这 一 客 观 规 律 的 科 学 规 律 ,在 不 久 的 将 来 ,蛋 白 质 折 叠 规 律 一 定 会 被 人 们 找 到 ,并 指 导 人 们 更 加 健 康的 实 践 活 动 。对 自 然 界 物 质 系 统 的 复 杂 性 原 理 与 规 律 本 质 特 性 的 认 识 对 我 的 研 究 工 作 有 很 大 的 帮 助 ,在 研 究精 氨 酸 激 酶 的 折 叠 时 ,我 得 到 了 大 量 看 起 来 杂 乱 无 章 的 结 果 ,我 当 时 认 为 其 中 一 定 存 在 将 这 些 结 果 有机 地 组 合 在 一 起 的 规 律 ,通 过 仔 细 地 分 析 ,我 发 现 在 变 性 的 精 氨 酸 激 酶 折 叠 的 过 程 中 存 在 两 个 折 叠 中间 体 的 规 律 。 另 外 ,我 认 识 到 客 观 世 界 是 复 杂 的 ,不 可 能 只 用 一 条 简 单 的 规 律 就 能 解 释 所 有 现 象 ,所以 在 发 现 了 上 述 规 律 后 ,我 继 续 做 实 验 并 寻 找 其 它 蕴 涵 的 规 律 ,发 现 脯 胺 酰 的 顺 反 异 构 是 导 致 第 二 个折 叠 中 间 体 产 生 的 原 因 ,从 而 使 我 的 实 验 结 果 更 加 完 善 。 另 外 ,关 于 蛋 白 质 折 叠 是 否 遵 循 一 条 简 单 规律 的 问 题 ,我 认 为 蛋 白 质 折 叠 的 规 律 比 第 一 遗 传 密 码 要 复 杂 得 多 ,不 可 能 用 一 个 简 单 的 公 式 或 法 则 说明 ,蛋 白 质 折 叠 的 规 律 应 该 由 一 组 相 对 简 单 的 规 律 组 成 ,具 体 到 每 一 种 蛋 白 质 ,由 这 些 规 律 之 中 的 若干 规 律 组 合 在 一 起 产 生 作 用 。 对 这 些 规 律 的 寻 找 需 要 大 量 的 工 作 ,包 括 蛋 白 质 晶 体 的 解 构 ,折 叠 中 间体 的 寻 找 ,结 构 的 预 测 ,折 叠 步 骤 的 解 析 ,对 影 响 折 叠 因 子 的 分 析 等 等 ,并 需 要 所 有 研 究 相 关 领 域 的 科学 家 的 配 合 ,计 算 机 在 生 物 学 研 究 中 的 使 用 将 大 大 加 快 蛋 白 质 折 叠 规 律 的 寻 找 过 程 。蛋 白 质 折 叠 过 程 遵 守 量 变 与 质 变 规 律 。 蛋 白 质 的 折 叠 过 程 是 由 一 条 或 几 条 完 全 伸 展 的 、 没 有 任何 生 物 学 功 能 的 肽 链 转 变 成 有 特 定 空 间 结 构 的 、 有 生 物 学 功 能 的 球 状 或 纤 维 状 蛋 白 质 的 过 程 ,作 为 折叠 起 始 的 肽 链 与 作 为 折 叠 终 点 的 蛋 白 质 在 结 构 和 功 能 上 都 有 本 质 的 区 别 。 过 去 描 述 蛋 白 质 折 叠 的 两态 模 型 一 度 占 据 统 治 地 位 ,即 人 们 普 遍 认 为 蛋 白 质 的 折 叠 过 程 是 由 肽 链 到 蛋 白 质 的 瞬 间 转 变 ,没 有 中间 体 存 在 ,但 随 着 测 量 仪 器 和 手 段 的 不 断 改 进 ,在 对 蛋 白 质 折 叠 过 程 的 研 究 中 ,人 们 发 现 了 越 来 越 多的 部 分 折 叠 态 ,并 最 终 承 认 蛋 白 质 的 折 叠 过 程 是 一 个 包 含 了 许 多 步 骤 的 序 变 过 程 ,是 一 个 快 相 过 程 与01慢 相 过 程 相 结 合 的 过 程 ,每 个 过 程 中 都 不 断 有 构 象 中 间 态 出 现 与 消 亡 ,许 多 构 象 中 间 态 的 出 现 与 消 亡都 是 在 极 短 的 时 间 内 发 生 的 ,并 具 有 不 可 逆 性 与 不 断 进 化 性 。蛋 白 质 的 折 叠 起 始 态 与 折 叠 终 态 在 本 质 上 的 区 别 以 及 蛋 白 质 折 叠 过 程 的 序 变 性 是 唯 物 辨 证 法 中质 变 与 量 变 规 律 在 生 物 界 的 典 型 体 现 。 量 和 质 的 范 畴 以 对 立 面 统 一 和 斗 争 的 普 遍 规 律 为 基 础 ,质 表现 为 与 这 一 或 那 一 事 物 的 存 在 同 一 的 规 定 性 ,而 且 是 本 质 的 规 定 性 ,似 乎 与 事 物 存 在 本 身 融 为 一 体 ,它 表 明 一 切 现 存 事 物 可 以 区 分 为 彼 此 有 别 的 、 相 对 独 立 的 、 稳 定 的 存 在 形 态 、 形 式 和 方 式 ;和 质 的 特 征不 同 ,量 的 特 征 比 较 灵 活 ,易 变 而 较 不 固 定 ,量 比 较 接 近 的 是 属 性 、 现 象 的 范 畴 而 不 是 本 质 的 范 畴 。 质与 量 之 间 相 互 平 衡 的 因 素 用 度 的 范 畴 来 表 示 ,现 象 的 数 量 方 面 的 变 化 超 出 度 的 界 限 的 矛 盾 趋 势 合 乎规 律 地 引 起 质 变 。 量 变 和 质 变 是 相 互 转 化 的 ,在 量 变 积 累 的 基 础 上 新 事 物 产 生 和 旧 事 物 消 亡 ,量 变 转化 为 根 本 的 质 变 ;反 过 来 ,质 变 可 以 转 化 为 量 变 。 质 和 量 经 常 处 于 相 互 依 存 之 中 ,质 变 和 量 变 的 不 断变 化 的 相 互 关 系 通 过 渐 进 的 转 化 紧 密 相 连 ;复 杂 系 统 的 质 变 ,根 据 其 参 数 的 多 样 性 需 要 更 多 方 面 的 量的 准 备 ,这 些 系 统 发 展 的 关 节 点 是 一 些 按 照 不 同 路 线 发 生 的 量 变 的 集 合 点 。 具 体 到 蛋 白 质 折 叠 的 问题 上 面 ,蛋 白 质 从 折 叠 起 始 态 到 折 叠 终 态 的 转 变 是 质 变 ,而 在 此 过 程 中 充 斥 着 各 种 属 性 在 量 上 的 变化 ,例 如 相 应 的 氨 基 酸 残 基 之 间 距 离 的 改 变 ,“ ” - 螺 旋 与 “ ” - 折 叠 含 量 的 变 化 ,疏 水 内 核 尺 寸 的 变化 ,顺 式 脯 氨 酸 与 反 式 脯 氨 酸 比 例 的 变 化 ,都 属 于 量 变 的 范 畴 。 用 光 谱 学 的 方 法 监 测 蛋 白 质 的 折 叠 过程 中 ,所 监 测 到 的 光 谱 (例 如 荧 光 光 谱 ,圆 二 色 光 谱 ,核 磁 谱 等 )在 强 度 上 的 变 化 也 是 连 续 的 ,是 一 个 量变 的 过 程 。 当 蛋 白 质 的 诸 多 属 性 的 量 变 积 累 到 一 定 程 度 时 ,蛋 白 质 在 结 构 上 的 变 化 超 过 了 其 内 在 的度 ,于 是 发 生 了 质 变 ,具 有 新 的 结 构 与 功 能 的 折 叠 状 态 取 代 了 原 有 的 折 叠 状 态 。通 过 探 索 精 氨 酸 激 酶 的 再 折 叠 过 程 的 研 究 ,我 对 其 中 所 蕴 涵 的 质 变 与 量 变 的 规 律 有 了 更 深 刻 的认 识 。 经 过 多 年 的 研 究 ,我 们 已 发 现 一 条 合 理 的 精 氨 酸 激 酶 的 再 折 叠 途 径 ,即 由 充 分 变 性 态 经 历 无 活性 的 部 分 折 叠 体 具 有 部 分 活 性 的 折 叠 中 间 态 有 活 性 的 、 分 子 整 体 折 叠 已 经 完 成 、 接 近 天 然 态 的 二聚 体 最 终 折 叠 为 天 然 态 的 途 径 。 我 认 为 ,不 仅 由 完 全 变 性 态 到 天 然 态 的 转 变 是 质 变 ,由 变 性 态 到 折 叠模 型 中 的 各 中 间 态 的 转 变 以 及 各 中 间 态 之 间 的 转 变 也 属 于 质 变 的 范 畴 ,因 为 它 们 之 间 在 结 构 上 有 了本 质 的 区 别 ,例 如 ,在 精 氨 酸 激 酶 再 折 叠 的 过 程 中 ,出 现 的 两 个 平 衡 态 中 间 体 ,在 结 构 上 存 在 着 本 质 的区 别 。 这 些 折 叠 态 之 间 的 质 变 同 样 由 大 量 的 量 变 转 化 而 来 ,其 中 许 多 转 变 过 程 由 于 在 很 短 的 时 间 发生 ,其 过 渡 状 态 转 瞬 即 逝 ,从 而 不 能 被 我 们 观 察 与 捕 捉 到 。 如 果 我 们 站 在 更 高 的 角 度 上 看 精 氨 酸 激 酶的 再 折 叠 过 程 ,我 们 可 以 认 为 在 不 同 中 间 体 之 间 诸 多 属 性 的 量 变 转 化 成 了 质 变 ,而 一 系 列 中 间 体 的 质变 又 可 以 转 化 为 精 氨 酸 激 酶 整 个 折 叠 过 程 的 量 变 ,并 最 终 转 化 为 完 全 变 性 态 与 天 然 态 之 间 的 质 变 。4 利 用 事 物 复 杂 性 的 属 性 研 究 生 命 现 象复 杂 性 是 客 观 事 物 的 一 种 本 质 属 性 ,符 合 当 今 自 然 科 学 的 进 程 。 首 先 ,复 杂 性 是 客 观 事 物 的 一 种属 性 。 复 杂 性 是 客 观 事 物 本 身 具 有 的 属 性 ,是 事 物 存 在 和 演 化 过 程 当 中 自 身 表 现 出 来 的 普 遍 特 征 。复 杂 性 的 存 在 并 非 简 单 地 是 由 于 人 们 的 认 识 能 力 和 分 析 手 段 的 欠 缺 ,而 是 有 着 更 深 的 客 观 基 础 。 其次 ,复 杂 性 是 客 观 事 物 层 次 之 间 的 相 互 关 系 。 复 杂 性 与 物 质 层 次 结 构 之 间 有 密 切 关 系 ,复 杂 性 是 建 立在 层 次 论 基 础 上 的 。 简 单 性 只 适 合 于 把 整 个 生 命 当 作 一 个 统 一 的 大 层 次 来 考 虑 ,具 有 很 大 的 局 限 性 ;而 复 杂 性 适 合 于 把 生 命 当 作 多 层 次 ,甚 至 无 限 多 层 次 的 体 系 来 考 虑 ,具 有 更 大 的 普 遍 性 。 当 系 统 研 究进 入 生 命 领 域 ,面 对 的 是 复 杂 而 巨 大 的 系 统 ,组 分 不 但 巨 大 ,而 且 种 类 繁 多 ,相 互 关 联 又 异 常 错 综 复杂 ,从 微 观 到 宏 观 有 许 多 中 间 层 次 ,不 同 层 次 之 间 关 系 也 很 复 杂 。 这 种 系 统 的 组 分 本 身 往 往 已 是 复 杂系 统 。 再 次 ,复 杂 性 是 客 观 事 物 跨 越 层 次 的 不 可 直 接 还 原 的 相 互 关 系 。 物 质 层 次 结 构 表 现 为 一 系 列层 次 的 相 互 关 系 之 中 。 实 际 的 研 究 工 作 表 明 ,层 次 之 间 属 性 的 化 约 或 还 原 是 不 可 能 的 。 例 如 ,细 胞 与器 官 ,蛋 白 质 的 一 级 结 构 与 其 高 级 结 构 等 。从 目 前 我 们 已 经 认 识 到 的 来 看 ,近 代 科 学 在 思 想 方 法 上 的 主 要 偏 颇 在 于 形 而 上 学 的 还 原 论 的 严重 影 响 ,即 片 面 强 调 分 解 ,而 在 相 当 大 的 程 度 上 忽 视 了 综 合 。 具 体 表 现 在 对 生 命 的 研 究 领 域 ,这 种 片11面 性 主 要 表 现 在 以 下 三 个 方 面 :第 一 ,忽 视 了 整 体 性 ,认 为 只 要 掌 握 了 各 个 局 部 ,整 体 自 然 而 然 地 就 清楚 了 。 亚 里 士 多 德 曾 说 过 :“ 整 体 大 于 它 的 各 部 分 之 和 。 ” 即 在 若 干 部 分 组 成 一 个 整 体 时 ,除 了 各 自 的各 种 属 性 之 外 ,还 产 生 了 新 的 质 。 第 二 ,片 面 强 调 量 变 ,而 忽 视 了 质 变 ,甚 至 认 为 一 切 质 变 都 可 以 归 结为 量 的 变 化 ,在 事 实 上 否 认 了 质 变 。 第 三 ,否 认 层 次 之 间 的 质 的 差 别 ,以 为 已 经 认 识 的 局 部 规 律 可 以在 任 何 层 次 上 适 用 。对 待 事 物 的 复 杂 性 ,我 们 应 该 用 辨 证 唯 物 主 义 的 观 点 来 看 ;既 要 承 认 它 的 客 观 存 在 ,是 事 物 的 基本 属 性 ,又 要 看 到 它 是 相 对 于 人 类 认 识 的 有 限 性 而 存 在 的 ,只 不 过 是 人 们 不 能 把 认 识 的 点 连 成 线 ,织成 网 ,构 成 面 而 造 成 的 。 当 代 科 学 技 术 虽 然 创 立 了 一 些 新 理 论 研 究 复 杂 性 ,但 它 们 也 只 是 就 事 物 的 某一 方 面 ,或 结 构 ,或 状 态 ,或 功 能 ,或 信 息 和 物 质 能 量 交 换 ,单 独 应 用 它 们 还 是 很 难 揭 示 生 命 的 复 杂 性 ,从 认 识 论 的 角 度 讲 ,它 们 也 难 以 脱 出 还 原 的 旧 窠 。 通 过 对 事 物 复 杂 性 的 研 究 ,我 们 对 人 类 认