分子水平上结构与功能相适应的四个实例

王永田

(山东省费县教育局教研室 273400)

王立凤

(山东省费县朱田中学 273418)

1 分子水平上的四个实例

1.1 氨基酸结构通式 高中生物学教材中对氨基酸有这样的描述：“每种氨基酸分子都至少含有一个氨基(-NH2)、一个羧基(-COOH),并且都有一个氨基和一个羧基连结在同一个碳原子上”(图1)。

自然界中的氨基酸远不止20种，为什么构建蛋白质的氨基酸必须至少要有一个氨基和一个羧基并且连结在同一个碳原子上？氨基酸的R基团中也可以含有氨基或羧基，为什么R基团中的氨基和羧基不参与脱水缩合？这涉及氨基酸分子的结构与功能相适应的问题。

基因通过转录和翻译控制着蛋白质的合成。在翻译阶段，mRNA通过与tRNA的协作实现特定氨基酸序列的线性控制[1]。每一个tRNA分子3′端与所携带氨基酸的特定羧基相连，与该羧基相连的同一个碳原子上必定连着一个氨基。核糖体在mRNA上移动时，该羧基与下一个tRNA分子3′端所携带氨基酸的特定氨基(与羧基连在同一个碳原子上的氨基)脱水缩合，如此依次进行。

试想，如果氨基酸分子结构式中找不到连结在同一个碳原子上的氨基和羧基，翻译出的肽链将失去其线性主链结构；如果R基上的氨基和羧基也参与脱水缩合，那么一个氨基酸就可能同时与多个氨基酸结合，mRNA就无法保证肽链形成过程中氨基酸的准确定位，特定的遗传物质(基因)就无法控制合成出特定的蛋白质。因此，构成生物体内蛋白质的氨基酸都必须满足氨基和羧基必须连结在同一个碳原子上。结构与功能相适应，是自然选择的必然结果。

1.2 核酸分子 DNA和RNA都是核酸大分子，分子中碱基(对)的排列顺序携带了大量的遗传信息。分子结构的不同决定两者功能有明显的不同，使它们各司其职(表1)。

通过比较可以看出，DNA和RNA的单体都是核苷酸，两种核酸分子都是遗传信息的携带者，其结构是与各自功能相适应的。

表1 生物的DNA和RNA结构和功能比较

1.3 糖原和脂肪 糖原和脂肪都是由C、H、O三种元素组成的动物细胞内的大分子储能物质，但又不仅仅是储能物质。分子结构的不同导致两者功能存在较大的差异。

糖原分为肝糖原和肌糖原。糖原与支链淀粉相似，是由许多个葡萄糖组成的带分枝的大分子多糖，是人和动物细胞的储能物质。提纯的糖原为白色无定形颗粒，密度(1.83 g/cm3)比脂肪大，易溶于水，在酶的作用下可以迅速地合成或分解，由此决定糖原是一种能被迅速利用的储能形式。

肝糖原通过迅速分解、合成以维持血糖浓度。肝糖原占肝脏总质量6%～8%，约为100 g，量虽然不多，但在维持血糖浓度方面具有重要的作用。一方面，随着代谢进行，当血糖因消耗而浓度逐渐降低时，在神经-体液的调节下，肝糖原会迅速分解，陆续释放到血液中，提高血糖浓度；另一方面，当由于食物的消化吸收等导致血糖浓度快速升高时，通过胰岛素的调节，肝脏细胞吸收葡萄糖将其合成肝糖原暂时储存，迅速降低血糖浓度，从而维持血糖浓度的相对稳定。

储存在肌肉中的肌糖原约占肌肉总质量的1%～2%，约为400 g。在剧烈运动等生理状况下，肌糖原可迅速酵解为乳酸，同时为肌肉自身收缩供给能量。乳酸由血液运输到肝脏合成肝糖原。

脂肪是细胞内良好的储能物质。脂肪是非极性化合物，以无水的形式存在于细胞内，而糖原是极性化合物，是以高度的水合形式存在，在机体内贮存时所占体积相当于同等质量脂肪所占体积的4倍左右。脂肪中C、H的比例较高，氧化分解时需要更多的O2，1 g糖原氧化分解释放约17 kJ的能量，而1 g脂肪可以释放39 kJ的能量。因此，脂肪是一种很“经济”的储能物质。

脂肪分子结构比糖原结构稳定，而且密度较小，比热容较高，容易形成大颗粒，可以起到润滑和保温作用。脂肪分布在体内不容易进行活动的区域，能缓冲和减压，还能更有效的储存能量；而糖原一般以分子形式存在于细胞中，不能自身聚合成大的分子团，故容易参与生化反应，不容易长期储存能量。

1.4 染色质与染色体的转化 染色质和染色体都是由DNA和蛋白质组成的，是同一种物质在不同时期的两种存在状态。两种状态的转化有什么意义呢？

染色质状态与复制、转录相适应。染色质呈细丝状，在有丝分裂的分裂间期或减数第一次分裂前的间期，解旋酶容易解开其螺旋，便于DNA分子的复制；遗传信息存在于DNA分子碱基对的排列顺序中。在分化的细胞中，染色质状态有利于RNA聚合酶发挥作用，快速完成基因的转录过程。

染色体状态则与遗传物质的分配相适应。染色质状态尽管与复制和转录相适应，但是缠绕的细丝却不利于遗传物质的平均分配。因此，在有丝分裂的前期或减数第一次分裂的前期，染色质逐渐螺旋缠绕，缩短变粗，成为染色体，从而便于将遗传物质精确地平均分配到两个子细胞中。

2 适应的相对性及其迁移应用

2.1 适应的相对性 结构与功能相适应是通过长期的生物进化形成的，是自然选择的结果，也是物种多样性和适应性的具体体现。在此基础上，进一步形成了生命系统更高层次的多样性和适应性。但是，随着环境条件的变化，有些“适应”变成了“不适应”，说明适应具有相对性。例如，中生代时期爬行动物非常适应环境，但到了中生代末期，地球出现了强烈的造山运动，气候环境发生了巨大的变化，大量的爬行动物，例如重达几吨，甚至几十吨的恐龙适应不了环境突变的打击，趋于灭亡。而某些爬行类则发生了角质鳞片的突变，逐渐演化形成羽——鸟类逐渐形成，适应了新的环境。说明突变和基因重组为生物进化提供了原材料，在自然选择的作用下，新的“适应”会逐渐形成。

2.2 “结构与功能相适应”观念的运用 “结构与功能相适应”的学科思想，是指导学生分析问题、解决问题的“活”的理念。例如，在学习生态系统时，可以分析生态系统的结构如何与其物质循环、能量流动和信息传递功能相适应，分析“每种生物都离不开它们的生活环境，同时又能适应、影响和改变环境”[2]；分析“高等多细胞生物和人体在生长、发育、代谢、遗传和变异等各种活动中，通过一定的调节机制，使机体保持稳态，并作为一个整体完成复杂的生命活动，适应多变的环境”[3]。