王澤斌

在日常生活中，我們有時會聽到“蛋白質結構”、“蛋白質變性”等詞匯?！暗鞍踪|結構”是指蛋白質呈現(xiàn)出的空間造型，而“變性”實際上是指它們原有的形態(tài)發(fā)生改變。那么，蛋白質如何擺出造型?它們?yōu)槭裁匆吧κ着恕?這些對我們人類又有什么樣的意義呢?搭出蛋白的“積木”——氨基酸

說到蛋白質的空間結構，就不能不提氨基酸。形象地講，通常，一個碳原子有“四只手”，每只手可以抓一樣東西。氨基酸內的核心碳原子一只手抓了一個羧基；一只手抓了一個氨基；還有一只手比較“低調”，只抓了一個氫原子；所有的氨基酸都有三只手所抓的東西是相同的，而剩下的一只手，不同的氨基酸所抓的基團各不相同，它通常被稱為“側鏈基團”。氨基酸的性質就取決于這個各不相同的基團。

當兩個氨基酸相遇時，彼此的氨基和羧基結合形成肽鍵，原來的兩個氨基酸就變成了一個大的分子，稱為“二肽”。二肽剩余的一個羧基和一個氨基可以分別繼續(xù)結合其他氨基酸的氨基和羧基，從而形成長串的大分子，最小的蛋白質由幾十個氨基酸構成，而大的蛋白質中氨基酸數(shù)日可能成百上千。

造型的產(chǎn)生

經(jīng)過連接的氨基酸彼此之間會形成各種各樣的“鄰里關系”，于是構成了諸如“阿爾法螺旋”、“倍塔折疊”、“轉折”、“無規(guī)卷曲”等空間形態(tài)。氨基酸之間的連接雖然很緊密，但還是可以在一定范圍內轉動的。氨基酸合成肽之后，其本身剩余的部分稱為“殘基”。殘基都有一定的活動范圍，相距較遠的殘基還可以通過一定的作用力互相接近。疏水作用是最常見的一種，疏水的殘基不喜歡外界的水而互相靠近，而親水的殘基則使勁往外擠，去尋找更多的水；另一種重要的相互作用是靜電力，有的側鏈基團是帶電的，同性相斥、異性相吸的作用也造成序列上相距較遠的氨基酸殘基發(fā)生排斥或吸引。如果系統(tǒng)中存在二硫鍵時，它們之間的作用會比疏水或靜電作用更加強烈。由于受到“鄰居”的牽連和空間距離的限制，這些作用力最后會達到一個使體系平衡而又相對松散的狀態(tài)。通過諸如上面提到的各種力的作用，蛋白質有了一級、二級、三級甚至四級結構。像積木一樣，它的一級結構確定了它們按照怎樣的順序連接起來，二級結構決定了氨基酸鄰里之間的關系如何，三級結構則是為了讓氨基酸們處于一種合適的狀態(tài)而擺出的造型，而四級結構是類似兩個以上造型的組合。

造型的意義——結構決定功能

自然界有數(shù)不清的蛋白質。截止到2006年，蛋白質數(shù)據(jù)庫(PDB)里已經(jīng)有了4萬個已知造型的蛋白質，而這一數(shù)字還在迅速增加。此外，還有無數(shù)個人類知道其存在，卻不知道其造型如何的蛋白。至于人類還不知道的蛋白，就更加無法估量了。

每個蛋白質的造型各不相同，就好象這世界上沒有兩片完全一樣的葉子。蛋白質擺出各種造型當然不是因為“愛美”，它作為最重要的生命物質，作用是維持生物體各種各樣的生命活動，而這些生命活動能否順利，最關鍵的一步就是蛋白質能否靠近“行動目標”。比如：有解毒作用的蛋白，必須要擺出一個“陷阱造型”，把毒素裝進去；要清除自由基的蛋白，也要有一個能把自由基抓住的造型；作為催化某個生化反應的酶的蛋白質，通常的造型就是一把“鎖”，而被催化的反應物就好比“鑰匙”，一把鑰匙開一把鎖，只有那種特定的反應物才能夠進入這個“鎖”中發(fā)生反應。

人類為什么關心蛋白質的造型

人們花費巨大經(jīng)費來進行蛋白質造型的研究，不僅僅是為了滿足好奇心，也為了謀求更多實際的利益。

比如說，如果一種蛋白質能夠治療某種疾病，我們通常的做法是將其提純，并注射到生物體內。但是從自然界的物質中提純某種蛋白質并非易事，提純過程中，為保持蛋白質的形態(tài)還要十分小心地進行操作。如果純度不夠高，或者殘留了一點致命的雜質，注射進血液里不僅可能治不好病，還可能產(chǎn)生危險。所以現(xiàn)代醫(yī)藥生產(chǎn)更傾向于把控制蛋白質合成的基因提取出來，放進細菌里精心培養(yǎng)來生產(chǎn)該蛋白質。如果在不影響蛋白質造型的前提下，在該蛋白質上加個標簽，就可以用那枚標簽來“點名”，非常輕松地將這個蛋白質和其他蛋白質區(qū)分開來，從而大大降低了生產(chǎn)成本。比如，研究人員經(jīng)常給某個蛋白質加上6個連續(xù)的組氨酸，再在細菌中合成這種蛋白質后將其打成漿，并讓“細菌汁”通過一層阻攔組氨酸的特殊材料，之后進行洗脫，這樣提純的操作就要簡單多了。現(xiàn)在，許多醫(yī)藥、食品以及其它工業(yè)用的酶就是這樣生產(chǎn)出來的。

但是，有的蛋白質需要借助生物體中其他的物質幫助才能擺出正確的造型，這樣的蛋白質在細菌中合成出來后，只有正確的氨基酸序列，沒有正確的造型，不能勝任它們的工作。要想有正確的造型，就只能將其放到動物細胞中培育，這樣，研究的成本也變高了。

研究蛋白質造型更重要的意義在于，我們可以按照實際需要去改造和設計蛋白質。因為蛋白質通常只有造型中的某一部分對人體有效。知道了那部分的情況，就可以把其余“湊熱鬧”的部分去掉，只對該部分進行生產(chǎn)。蛋白質所占空間越小，在醫(yī)藥上的使用就越方便。再比如，有一種酶只能在某個溫度下工作，其他溫度下就失去了效力。如果我們弄懂它起作用的那個造型和導致造型改變的氨基酸，就可以給它做各種“手術”，在保證造型不變的前提下把“不穩(wěn)定因素”替換掉，那么這個酶就可以在其他的溫度中保持戰(zhàn)斗力了。

蛋白造型也有不重要的時候

蛋白質變性是指在某種條件下，蛋白質擺不出正確的造型了。所以，經(jīng)常有人說“某種情況導致蛋白質變性，影響營養(yǎng)價值”，一些廣告也說“某某食品運用高科技手段，保留了蛋白活性”等等。

絕大多數(shù)的蛋白，在高溫下都會失去本來的造型，也就是“變性”。但是人們吃蛋白，是為了獲取氨基酸，蛋白進入人體后，絕大多數(shù)被分解成了單個的氨基酸，只有極少數(shù)能保留幾個氨基酸構成的“多肽”。其實人體只需要這些“積木塊”進入體內后重新連接，重擺造型。所以，有沒有它本來的造型，在營養(yǎng)學上意義不大。

我們吃的絕大多數(shù)蛋白食物，本來就需要它失去原有的造型變成美食。比如豆?jié){中的蛋白，被加熱失去本來造型，又被加入石膏促使它們“手拉手肩并肩”，最后變成了豆腐；再比如奶粉，本來就經(jīng)過了高溫干燥，其中的蛋白早已“變性”。