关于作者
朱钦士，四川省成都市人。1968年毕业于北京大学生物学系生物化学专业。1984年获得荷兰阿姆斯特丹大学生物化学博士学位。1984年至1986年在中国科学院生物物理研究所酶学和生物能学实验室工作，同时任硕士研究生导师。1986年到美国西弗吉尼亚大学医学院生物化学系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉矶儿童医院从事基础医学研究。1991年至2009年在美国南加州大学从事研究工作。退休前为南加州大学医学院生物化学和分子生物学系副教授。
研究领域包括生物能，酶的结构和功能，蛋白质的合成与转运，癌症与染色体，神经递质，基因表达的调控机制，以及肝脏解毒系统。
分子之间怎样相互“认识”？
朱钦士
2011年08月21日
在《沉静下面的喧嚣》这篇文章中，我们谈到，在看似沉静的美女的细胞里，分子的运动却是超乎想象的激烈，每秒钟和别的分子碰撞成千上万次。神奇的是，在这种“乱糟糟”的环境中，一切生命活动却能够有条不紊地进行。分子之间能够彼此“辨别”，从成千上万种分子中准确地找到与自己有关的分子，完成各种化学反应，使生命成为可能。
可是细胞里既没有“交通警察”，分子也没有“眼睛”。那分子是通过什么方式“认识”对方的呢？
两个不同的分子要完美“结合”，要有两个条件。一个是接触面的形状要高度配合。你凸出来的地方，我就要凹进去；你凹进去的地方，我就要凸出去。这就像碎成两半的卵石，断面是凸凹不平的，但是能够彼此完美地对上。由于不同石头断裂时的断面彼此不同，这块石头的断面就无法和另一块石头的断面对上。这就保证了分子结合的特异性。形状不合的就结合不到一起。
中国古代调兵用的“虎符”，应用的就是这个原理。“虎符”外形是一支老虎，纵向分为两片。在外的将领手里一片，皇帝手里有另外一片。皇帝要调兵，就派人把这半片“虎符”带去。只有两个半片能完美对上，才说明来人是真的带着皇帝的旨意来的。调兵可不是小事，弄不好是要亡国的。“虎符”的原理，说明形状相配是多么重要。可是我们身体里的分子早就“知道”这个原理了。
不过对于分子之间的作用，光是形状还不保险。细胞里的分子种类成千上万，万一有结合面相似的分子呢？细胞中的化学反应可是出不得差错的，弄不好就会“胞死人亡”。所以在形状之上，还要加一道“密”，这就是电荷也要配合。在接触面的各个区域里，你带正电的地方，我在相对的地方就得是负电。你是负电，我就得是正电。你没有电，我也没有电。要是电荷不配对，正电荷与正电荷碰到一起，就会由于“同性相斥”的原理，把配错了的分子“推开”。
所以在分子水平，生命也是非常“聪明”的。这两道“密”（形状和电性）一加，任凭你分子千变万化，我也能准确地找到“另一半”。
下一个问题是，这种“绝配”是如何形成的呢？
我们细胞里的分子，主要是由碳（c）、氢（h）、氧（o）、氮（n）、硫（s）、磷（p）几种原子组成的。碳原子彼此相连成为骨架，上面再接上各种“功能基团”，比如羟基 —oh（“羟”发音“枪”，前面那个横道表示和骨架上的碳原子相连），巯基—sh（“巯”发音“秋”），氨基—nh2，羧基—cooh（“羧”发音“梭”，里面的两个氧原子都直接和碳原子相连，其中一个氧原子上还连一个氢原子）等等。这些原子通过“分享”它们的外层电子而结合在一起。
不过这个“分享”电子的情形要看是什么原子。碳原子很“平和”，和氢原子分享电子时，不“以大欺小”，而是“平等相待”。被碳原子和氢原子共享的那一对电子既不偏向碳原子，也不偏向氢原子，所以这样形成的联系（叫“化学键”）不带电。我们叫它“非极性键”。
氧原子可不同了。它对电子很“贪心”，总想多得。所以被氧原子和氢原子共享的电子总是偏向氧原子一边的。这样，氧原子就带一些负电，氢原子就带一些正电，氧原子和氢原子之间的共价键也就被叫做“极性键”。
在羧基里面，不仅直接和氢原子相连的那个氧原子要从氢原子那里抢电子，另一个氧原子也不甘寂寞，通过碳原子间接地和氢原子抢电子。在两个氧原子的“夹攻”之下，氢原子就快抓不住电子了。有些这样的氢原子就干脆放弃，把电子完全交出，自己做个光溜溜的氢原子核（氢离子），离开分子，在溶液中游荡，这就是我们说的“酸”（“酸性”就是溶液中氢离子浓度的量度，ph里面的那个h，指的就是氢离子）。醋（有效成分是乙酸 ch3cooh）是酸的，就是分子里面的氧原子抢电子太厉害，形成氢离子的结果。
除氧原子以外，氮原子也能“多占”它和氢原子之间的共用电子，使自己带部分负电，氢原子带部分正电，但程度不如氧原子那么强。
但是也不要把氧原子看成豪取强夺的“恶霸”。正是因为它抢电子的特性，分子带有氧的地方就会局部带电。而分子的局部带电正是为生命现象所必须的。
水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。可是两个氢原子也“打”不过一个氧原子，都得多分一些电子给氧原子，使它带部分负电荷，而两个氢原子带部分正电荷。带负电的氧原子就要和另一个水分子上带正电的氢原子互相吸引（这种联系叫做“氢键”），使水分子之间“抓”得很牢，不容易“飞”出液面去（即“蒸发”），所以水的沸点很高，要摄氏100度才沸腾。
汽油是由碳原子和氢原子组成的分子的混合物。由于碳原子对氢原子“平等相待”，分子不带电，彼此吸引力很小，所以汽油极容易挥发。水分子比汽油中的分子小很多。要是它不局部带电，就会比汽油还容易挥发，在室温下就不可能有液态水了，生命也就难以形成。
蛋白质是由20种不同的氨基酸线性相连形成的。氨基酸的“侧链”（不参与氨基酸之间连接的部分）有的不带电，有的带正电，有的带负电。由于水分子是局部带电的，那些不带电的侧链在水中“不受欢迎”（所以叫做“憎水”的，或者“亲脂”的）。这些被“排斥”的侧链只好彼此聚在一起，在这个过程中也把蛋白质“卷”成一定的形状：不带电的部分在内部，带电的侧链被水“欢迎”（所以叫做“亲水”的），位于外部。这样，蛋白质分子就既有了形状，又有了外部的电荷分布。根据蛋白质中20种氨基酸的排列情形不同，每一种蛋白质就有了自己特有的形状和表面电荷分布。我们前面说到的两种“加密”方式，就这样被“创造”出来了。
细胞里的其它小分子，也根据它们的分子形状和带电情况和蛋白质相互作用。由于蛋白质的形状和带电情况是高度特异的，每一个小分子也只会与它的代谢有关的蛋白质分子相互作用。它们的这种对应关系，是在长期进化过程中逐步发展完善起来的。
遗传物质dna的形成也和蛋白质形成的原理类似。核苷酸上面的碱基（嘌呤和嘧啶）主要是碳和氢组成的环，具有亲脂性。它们彼此叠在一起，位于dna分子内部。磷酸根和核糖亲水，彼此连接，位于分子的外部。内部碱基上面的羟基和氨基由于氢原子带部分正电，可以和对面碱基上的氧原子和氮原子相互吸引，形成碱基配对。所以dna双螺旋分子的形成，其实也是基于亲脂亲水的原理。
这种“亲水”和“亲脂”的性质不仅在蛋白质和核酸分子的构造上起作用，在细胞膜的形成上也是必不可少的。最初的生命要在水中形成，首要条件就是把自己的内容物和环境分隔开来。这个“墙壁”不能溶于水，否则就当不成墙壁了。但是把汽油加到水里并不会在水中形成薄膜。所以这个“墙壁”必须里面是“油”，外面亲水。这个任务就由磷脂来担当。磷脂分子上有两个脂肪酸，它们长长的碳氢“尾巴”和汽油分子类似，是亲脂的，位于膜的内面。另一头的磷酸根是高度亲水的，朝向膜的外面。由于膜有两个面，所以膜是双层的。每一层的脂肪酸尾巴向内，彼此相接，形成油性的内层。磷酸根朝外，与水接触。
我们的日常生活中，也常用到亲脂和亲水的原理。比如衣服上有了油迹，怎么办呢？一种办法是用亲脂的液体（叫“有机溶剂”，如四氯乙烯）去把油溶解掉，叫做“干洗”。其实干洗也用液体，不过用的不是水。最常用的还是水洗，用肥皂或其它去垢剂。它们分子的一端是亲脂的长碳氢链，相当于汽油，另一端是亲水的基团（如肥皂里面的羧基和洗衣粉里面的磺酸基）。亲脂的长链将油迹包裹，亲水的基团包在外面，就把污物带离衣物了。
氧、氮等原子对氢原子上电子的“掠夺”，造成了局部的电性，导致了分子的亲水性。而碳原子的“平等待人”又导致了亲脂性的产生。就是这两种性质的相互配合，使得生物大分子得以有特定的形状和电荷分布，使它们之间能够互相“认识”。这两种作用也使细胞膜能够形成，并且在细胞内形成各种结构。在此基础上，还能形成多细胞结构，以致整体人体。生命现象看似复杂，却有许多简单的基本原理在起作用。了解了这些基本原理，我们对这个世界的理解就又进了一步。
可是细胞里既没有“交通警察”，分子也没有“眼睛”。那分子是通过什么方式“认识”对方的呢？
两个不同的分子要完美“结合”，要有两个条件。一个是接触面的形状要高度配合。你凸出来的地方，我就要凹进去；你凹进去的地方，我就要凸出去。这就像碎成两半的卵石，断面是凸凹不平的，但是能够彼此完美地对上。由于不同石头断裂时的断面彼此不同，这块石头的断面就无法和另一块石头的断面对上。这就保证了分子结合的特异性。形状不合的就结合不到一起。
中国古代调兵用的“虎符”，应用的就是这个原理。“虎符”外形是一支老虎，纵向分为两片。在外的将领手里一片，皇帝手里有另外一片。皇帝要调兵，就派人把这半片“虎符”带去。只有两个半片能完美对上，才说明来人是真的带着皇帝的旨意来的。调兵可不是小事，弄不好是要亡国的。“虎符”的原理，说明形状相配是多么重要。可是我们身体里的分子早就“知道”这个原理了。
不过对于分子之间的作用，光是形状还不保险。细胞里的分子种类成千上万，万一有结合面相似的分子呢？细胞中的化学反应可是出不得差错的，弄不好就会“胞死人亡”。所以在形状之上，还要加一道“密”，这就是电荷也要配合。在接触面的各个区域里，你带正电的地方，我在相对的地方就得是负电。你是负电，我就得是正电。你没有电，我也没有电。要是电荷不配对，正电荷与正电荷碰到一起，就会由于“同性相斥”的原理，把配错了的分子“推开”。
所以在分子水平，生命也是非常“聪明”的。这两道“密”（形状和电性）一加，任凭你分子千变万化，我也能准确地找到“另一半”。
下一个问题是，这种“绝配”是如何形成的呢？
我们细胞里的分子，主要是由碳（c）、氢（h）、氧（o）、氮（n）、硫（s）、磷（p）几种原子组成的。碳原子彼此相连成为骨架，上面再接上各种“功能基团”，比如羟基 —oh（“羟”发音“枪”，前面那个横道表示和骨架上的碳原子相连），巯基—sh（“巯”发音“秋”），氨基—nh2，羧基—cooh（“羧”发音“梭”，里面的两个氧原子都直接和碳原子相连，其中一个氧原子上还连一个氢原子）等等。这些原子通过“分享”它们的外层电子而结合在一起。
不过这个“分享”电子的情形要看是什么原子。碳原子很“平和”，和氢原子分享电子时，不“以大欺小”，而是“平等相待”。被碳原子和氢原子共享的那一对电子既不偏向碳原子，也不偏向氢原子，所以这样形成的联系（叫“化学键”）不带电。我们叫它“非极性键”。
氧原子可不同了。它对电子很“贪心”，总想多得。所以被氧原子和氢原子共享的电子总是偏向氧原子一边的。这样，氧原子就带一些负电，氢原子就带一些正电，氧原子和氢原子之间的共价键也就被叫做“极性键”。
在羧基里面，不仅直接和氢原子相连的那个氧原子要从氢原子那里抢电子，另一个氧原子也不甘寂寞，通过碳原子间接地和氢原子抢电子。在两个氧原子的“夹攻”之下，氢原子就快抓不住电子了。有些这样的氢原子就干脆放弃，把电子完全交出，自己做个光溜溜的氢原子核（氢离子），离开分子，在溶液中游荡，这就是我们说的“酸”（“酸性”就是溶液中氢离子浓度的量度，ph里面的那个h，指的就是氢离子）。醋（有效成分是乙酸 ch3cooh）是酸的，就是分子里面的氧原子抢电子太厉害，形成氢离子的结果。
除氧原子以外，氮原子也能“多占”它和氢原子之间的共用电子，使自己带部分负电，氢原子带部分正电，但程度不如氧原子那么强。
但是也不要把氧原子看成豪取强夺的“恶霸”。正是因为它抢电子的特性，分子带有氧的地方就会局部带电。而分子的局部带电正是为生命现象所必须的。
水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。可是两个氢原子也“打”不过一个氧原子，都得多分一些电子给氧原子，使它带部分负电荷，而两个氢原子带部分正电荷。带负电的氧原子就要和另一个水分子上带正电的氢原子互相吸引（这种联系叫做“氢键”），使水分子之间“抓”得很牢，不容易“飞”出液面去（即“蒸发”），所以水的沸点很高，要摄氏100度才沸腾。
汽油是由碳原子和氢原子组成的分子的混合物。由于碳原子对氢原子“平等相待”，分子不带电，彼此吸引力很小，所以汽油极容易挥发。水分子比汽油中的分子小很多。要是它不局部带电，就会比汽油还容易挥发，在室温下就不可能有液态水了，生命也就难以形成。
蛋白质是由20种不同的氨基酸线性相连形成的。氨基酸的“侧链”（不参与氨基酸之间连接的部分）有的不带电，有的带正电，有的带负电。由于水分子是局部带电的，那些不带电的侧链在水中“不受欢迎”（所以叫做“憎水”的，或者“亲脂”的）。这些被“排斥”的侧链只好彼此聚在一起，在这个过程中也把蛋白质“卷”成一定的形状：不带电的部分在内部，带电的侧链被水“欢迎”（所以叫做“亲水”的），位于外部。这样，蛋白质分子就既有了形状，又有了外部的电荷分布。根据蛋白质中20种氨基酸的排列情形不同，每一种蛋白质就有了自己特有的形状和表面电荷分布。我们前面说到的两种“加密”方式，就这样被“创造”出来了。
细胞里的其它小分子，也根据它们的分子形状和带电情况和蛋白质相互作用。由于蛋白质的形状和带电情况是高度特异的，每一个小分子也只会与它的代谢有关的蛋白质分子相互作用。它们的这种对应关系，是在长期进化过程中逐步发展完善起来的。
遗传物质dna的形成也和蛋白质形成的原理类似。核苷酸上面的碱基（嘌呤和嘧啶）主要是碳和氢组成的环，具有亲脂性。它们彼此叠在一起，位于dna分子内部。磷酸根和核糖亲水，彼此连接，位于分子的外部。内部碱基上面的羟基和氨基由于氢原子带部分正电，可以和对面碱基上的氧原子和氮原子相互吸引，形成碱基配对。所以dna双螺旋分子的形成，其实也是基于亲脂亲水的原理。
这种“亲水”和“亲脂”的性质不仅在蛋白质和核酸分子的构造上起作用，在细胞膜的形成上也是必不可少的。最初的生命要在水中形成，首要条件就是把自己的内容物和环境分隔开来。这个“墙壁”不能溶于水，否则就当不成墙壁了。但是把汽油加到水里并不会在水中形成薄膜。所以这个“墙壁”必须里面是“油”，外面亲水。这个任务就由磷脂来担当。磷脂分子上有两个脂肪酸，它们长长的碳氢“尾巴”和汽油分子类似，是亲脂的，位于膜的内面。另一头的磷酸根是高度亲水的，朝向膜的外面。由于膜有两个面，所以膜是双层的。每一层的脂肪酸尾巴向内，彼此相接，形成油性的内层。磷酸根朝外，与水接触。
我们的日常生活中，也常用到亲脂和亲水的原理。比如衣服上有了油迹，怎么办呢？一种办法是用亲脂的液体（叫“有机溶剂”，如四氯乙烯）去把油溶解掉，叫做“干洗”。其实干洗也用液体，不过用的不是水。最常用的还是水洗，用肥皂或其它去垢剂。它们分子的一端是亲脂的长碳氢链，相当于汽油，另一端是亲水的基团（如肥皂里面的羧基和洗衣粉里面的磺酸基）。亲脂的长链将油迹包裹，亲水的基团包在外面，就把污物带离衣物了。
氧、氮等原子对氢原子上电子的“掠夺”，造成了局部的电性，导致了分子的亲水性。而碳原子的“平等待人”又导致了亲脂性的产生。就是这两种性质的相互配合，使得生物大分子得以有特定的形状和电荷分布，使它们之间能够互相“认识”。这两种作用也使细胞膜能够形成，并且在细胞内形成各种结构。在此基础上，还能形成多细胞结构，以致整体人体。生命现象看似复杂，却有许多简单的基本原理在起作用。了解了这些基本原理，我们对这个世界的理解就又进了一步。