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第五章 细胞与基因的量子信息逻辑（第1页）

第五章　细胞与基因的量子信息逻辑

生命本身就让人充满无限遐想，人体就像一个精密的智能结构，每天都在精确地运作，不被察觉地完成人们的生理功能。生物细胞就像一台台联网的智能的计算机，不仅仅内部完成精密的分工合作，而且也为人体细胞之间的联系提供信息的通道与合作提供方便，当然，生物体细胞远比计算机有趣，有更多的未解之谜等待探索。

组成人体的小小细胞内部有机分子是如何进行精密运算的，有机分子是如何听从统一指挥，如何分工，如何接受信息并行动，很多的科学事实使我们从量子角度来打量细胞的逻辑及其结构，越来越多的证据表明，细胞内的大分子本身一直在用量子特征进行本身的运动。

在人体免疫系统里面，具有免疫原性的物质，其分子量都较大，其中大分子蛋白质和多糖具有强免疫原性，小分子多肽及核酸也具有免疫原性。分子量大于1万的蛋白质，可含有大量不同的抗原决定簇，是最强的免疫原。免疫原性除与分子量有关外，还与其化学结构相关。就这方面来讲，有机化合物的官能团是决定化学性质的主要原因。有机生物分子的功能团化学活泼，功能团能改变邻近原子的几何形状及其上的电子分布，从而改变整个有机分子的化学反应性。比如在有机分子中的杂环化合物中，烃的氢原子可以被不同的功能团（官能团）取代，并产生不同类的有机物。而功能团的结构，也必然在其深层逻辑结构中，量子力学发挥着重要积极的作用，并且有可能创造出功能团自己的分子级别的力学特征，虽然人们目前证据似乎比较模糊。

谁在指挥细胞中的有机物质精确的运作，这些有机分子接受与传递信息的深层原因在哪里，生命的内在原因在哪里，生命的驱动力在哪里，为什么诞生生命，这就是宇宙本身的一个巨大秘密。作者推想生命储存的层级及表达的核心应该在原子核与外部的场与多原子形成的大分子结构层里，这些也包括细胞及多细胞形成的生物体。

第一节　一台精密的量子计算机

生命体的基础是细胞，传统认为，细胞是生命与非生命之间的界限，单细胞是微生物，也构成像植物、动物、人等这样的生命体。我们可以把细胞及细胞里面的各个功能单位，看做一个量子复合体，从本质来讲，细胞本身也确实是由各个量子单元组成的精密复合体。

像原子内的电子场在不断运动一样，在活细胞中，细胞质以各种不同的方式在流动着，包括细胞质环流、穿梭流动和布朗运动等，下图083为一种甲藻的细胞核居然也能够自旋转运动。

细胞在分裂之前，细胞核中的染色体会被观察到这种旋转运动，因此这种运动一般会被认为与细胞分裂有关，细胞质运动是一种消耗能量的生命现象。细胞的生命活动越旺盛，细胞质流动越快，反之，则越慢。细胞死亡后，其细胞质的流动也就停止了。

细胞构成的生命体就是一个精密的信息网络交换系统，蛋白质，DNA与组蛋白，组成的核小体结构，核糖体具有在细胞体外的自装性与活性。只是他们在细胞体内更像是生命细胞的分工合作者。

蛋白质、DNA、RNA是生命的重要三要素：在生命体内，细胞是生命的基本单元。细胞的信息遗传及活动的流动可以分为两个部分：第一部分是存储于基因DNA序列中的遗传信息通过信使RNA转录和翻译传入蛋白质的一级序列中。第二部分是氨基酸肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象，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。

基因的表达是在细胞中完成的，DNA分子、RNA分子、氨基酸分子、核糖体和线粒体等众多的细胞器一道，合作完成遗传信息的转录和翻译。在组成蛋白质的肽链合成后，肽链就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，经过一系列步骤，被运送到各自的岗位，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子，开始承担细胞生命活动的各项职责。DNA是基因的载体，是生命的后台指挥者，蛋白质相当于活跃于生命前台的演员，组成蛋白质的氨基酸分子在细胞内按照逻辑被其他分子有秩序的组装，生命的外在一切性状通过蛋白质来表现。

随着基因组研究不断深入，蛋白组学研究逐渐展开，RNA的研究也取得了突破性的进展，发现了许多新的RNA分子，人们逐渐认识到DNA是携带遗传信息分子，蛋白质是执行生物学功能分子，而RNA既是信息分子，又是功能分子，也是生命开始，进化初始物质。

对于生物学的探索，随着新的技术手段及研究的不断深入，科学工作者们越来越把目标从分子生物学转向了生物学的量子领域，这是一个进步。而新研究也证明很多构成生命细胞的大分子，比如蛋白质、DNA等越来越体现其量子的特征。只有从量子角度来看，才能够更好地理解细胞内那些有机分子为什么能够像蚂蚁群体那样展开分工，各自坚守自己的岗位。

细胞中的酶是有机催化剂，酶可以在一秒钟内催化数百万个反应，一些酶的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率，这种现象无法用目前公认的理论来解释。一种理论模型用量子理论的穿隧效应，即质子或电子可以穿过激活能垒（就如同穿过隧道一般）。

蛋白质折叠后在体外可以自发的进行再折叠，实验证明，许多蛋白在体外可以进行可逆的变性、复性、折叠。有人认为蛋白质可自发折叠成天然构象过程是纯粹的热力学过程。

氢键在DNA和RNA中连接着互补编码基因的碱基对，构成了各种蛋白质结构。传统理论认为，只有形成了氢键才能实现质子迁移，在DNA和RNA中氢键网络就像一种“质子线”。而美国伯克利国家实验室的先进光源（ALS）最近发现，在氢键被封锁的情况下，在没有氢键网络的情况下，质子也可能发生迁移，这意味着在RNA、DNA以及更广泛的生物反应中，存在另一种质子迁移路线。这无疑为科学家研究蛋白质折叠、“Pi堆叠”等生物过程提供了一条新思路。另外下面讲到酶的超速催化反应、基因信息的传播等资料也会罗列出一条线索，这条线索就是在构成生命的有机物内，它们之间不仅仅是外在的表观反映，而且存在多分支直接的量子的逻辑。

以下为有机物及蛋白质的衍射结构，表明有机物的排列，有其量子特征：蛋白质与组成生命有机分子的结构说明，在生命体基本细菌、细胞结构中，深层领域还是以量子有秩序的排列为主，类似于分子与量子的结构。从分子、量子的深层结构联系，思考生命问题，更具有启发性，而生命包括意识更深层量子的具体表现。

精细的亚显微结构

亚显微结构又称为超微结构，它们是能够在电子显微镜下看到的直径小于0。2微米的细微结构，亚显微结构有核膜、核糖体、内质网、线粒体（未染色）、高尔基体、中心体等。

从本质上说，所有的复杂细胞里都有线粒体，线粒体是细胞内微小的细胞器，是生物氧化的场所，以ATP的形式生产我们几乎所有的能量。它们就像活细胞里的微小生命“发电厂”，利用氧来燃烧食物，生产我们赖以生存的几乎全部能量。线粒体非常微小，一粒沙里可以容纳10亿个。平均每个细胞里有300~400个线粒体，整个人体里有1亿亿个以上线粒体。

线粒体看上去像细菌，其实它们的前身就是自由生活的细菌，大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活，与细胞内蛋白质、DNA、RAN等合作，形成共生，共享细胞环境。至今它们还保留了基因组的一个碎片，作为曾经独立存在的印记。它们与宿主细胞之间纠结的关系织成了生命所有的经纬，从能量、性和繁殖，到细胞自杀、衰老和死亡。

线粒体中保持了自己的部分基因，线粒体呼吸链中的某些蛋白质或酶的编码基因就在mtDNA（线粒体DNA）上。线粒体还能独立合成一些蛋白质，因为线粒体有自己的rRNA、tRNA和核糖体可以表达自己的基因。现在已知的线粒体基因组至少含有tRNA基因、rRNA基因、细胞色素氧化酶基因、ATP酶基因、细胞色素还原酶基因、一些抗药性基因等。

在细胞质内还有微丝和微管等结构，它们的主要机能不只是对细胞起骨架支持作用，以维持细胞的形状，也参加细胞的运动，如有丝分裂的纺锤丝以及纤毛、鞭毛的微管。此外，细胞质内还有各种内含物，如糖原、脂类、色素等。

真核细胞中，肌动蛋白在微丝结合蛋白的协同下，形成独特的微丝性骨架结构，与细胞中许多重要的功能活动有关，如肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等。

近年来发现微丝骨架网络系统与细胞信号传递有关。

第二节　细胞里的活性物质

蛋白质——我折叠，我快乐

蛋白质是生命的物质基础。蛋白质占人体重量的16%~20%，即一个重60千克的成年人体内约有蛋白质9。6~12千克。人体内蛋白质的种类很多，不同的蛋白质性质、功能各异，但都是由20多种氨基酸按不同比例组合而成的，组成蛋白质的大部分氨基酸是以碳链骨架生物合成的，并在体内不断进行代谢与更新。

蛋白质在生物体中有多种活性功能，比如催化功能，生物体新陈代谢的化学反应大部分都是由蛋白质称酶催化来完成的。在运动功能方面，从最低等的细菌鞭毛运动到高等动物的肌肉收缩，这都是通过蛋白质来实现的。在运输功能方面，在生命活动过程中，许多小分子及离子的运输是由各种专一的蛋白质来完成的，例如在血液中血浆白蛋白运送小分子，红细胞中的血红蛋白运送氧气、二氧化碳等。高等动物具有机械支持功能的组织如骨、结缔组织以及具有覆盖保护功能的毛发、皮肤、指甲等组织主要是由胶原、角蛋白、弹性蛋白等组成。在免疫和防御功能方面，生物体为了维持自身的生存，拥有多种类型的防御手段，其中不少是靠蛋白质来执行的，例如抗体即是一类高度专一的蛋白质，它能识别和结合侵入生物体的外来物质，如异体蛋白质、病毒和细菌等，取消其有害作用。

蛋白质是有20种氨基酸按照各种折叠结构而构成的具有不同功能的活性的生物大分子。蛋白质由核酸编码的α氨基酸之间通过α氨基和α羧基形成的肽键连接而成的肽链，经翻译后加工而生成的具有特定立体结构的、有活性的大分子，蛋白质在人体的胃肠道内并不直接被吸收，而是在胃肠道中经过多种消化酶的作用，将高分子蛋白质分解为低分子的多肽或氨基酸后，在小肠内被吸收，然后再沿着肝门静脉进入肝脏。一部分氨基酸在肝脏内进行分解或合成蛋白质；另一部分氨基酸继续随血液分布到各个组织器官，任其选用，合成各种特异性的组织蛋白质。在正常情况下，氨基酸进入血液中与其输出速度几乎相等，所以正常人血液中氨基酸含量相当恒定。

绝大多数酶的化学本质是蛋白质，具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。酶是催化特定化学反应的蛋白质、RNA或其复合体。酶是生物催化剂，能通过降低反应的活化能加快反应速度，但不改变反应的平衡点。哺乳动物细胞里有几千种酶。酶的活力可受多种因素的调节控制，使生命体能适应外界条件的变化，维持生命的活力。

所有的酶都含有四种元素，酶的一个非常重要的功能是参与在动物消化系统的工作。以淀粉酶和蛋白酶为代表的一些酶可以将进入消化道的大分子（淀粉和蛋白质）降解为小分子，以便于肠道吸收。淀粉不能被肠道直接吸收，而酶可以将淀粉水解为麦芽糖或更进一步水解为葡萄糖等肠道可以吸收的小分子。不同的酶分解不同的食物底物，在草食性反刍动物的消化系统中存在一些可以产生纤维素酶的细菌，纤维素酶可以分解植物细胞壁中的纤维素，从而提供可被吸收的养料。

人体从食物中摄取的蛋白质，必须在胃蛋白酶等作用下，水解成氨基酸，然后再在其他酶的作用下，选择人体所需的20多种氨基酸，按照一定的顺序重新结合成人体所需的各种蛋白质，这其中发生了许多复杂的化学反应。可以这么说，酶是生命运转、生物新陈代谢、生物丰富多彩的主要原因之一。

酶的催化效率比无机催化剂更高，反应速率更快，酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。比如，乳清酸核苷—5'-磷酸脱羧酶所催化的反应在无酶情况下，需要7800万年才能将一半的底物转化为产物。而同样的反应过程，如果加入这种脱羧酶，只需要25毫秒就可以完成了。一般情况下，酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽。酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的，由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏。

酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应。若因遗传缺陷造成某个酶缺损或因为高温等其他原因造成酶的活性减弱，都可能导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病。

酶可以同等地催化正向反应和逆向反应，而并不改变反应自身的化学平衡。例如，碳酸酐酶可以催化如下两个互逆反应，催化哪一种反应则是依赖于反应物浓度。

酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。有一些酶的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率，这种现象无法用目前公认的理论来解释。有一种理论模型引入了基于量子理论的穿隧效应，即质子或电子可以穿过激活能垒（就如同穿过隧道一般）。有报道发现色胺中质子存在量子穿隧效应，也有相关的实验报道提出在一种醇脱氢酶的催化反应中存在穿隧效应，因此，有研究者相信在酶催化中也存在着穿隧效应，可以直接穿过反应能垒，而不是像传统理论模型的方式那样通过降低能垒达到催化效果。