蛋白质也会玩“行为艺术”？
爱吃鸡蛋清还是鸡蛋黄？转化成生物化学的语言，你喜欢蛋白质还是脂肪？
蛋白质和脂肪都是好东西，只要搭配好比例且不过量。蛋白质比脂肪名声好多了，起码减肥人士不嫌弃。但过量食用，多余的蛋白质在体内会转变为脂肪，代谢后的含氮化合物会加重肾脏的负担。
健康的原则，在于适度；而蛋白质分子的原则，在于行为艺术。
蛋白质是生命的物质基础，各种各样的蛋白质分工合作，承载了大多数的生命活动。有的当“砖瓦”，构建生物体；有的“搞运输”，自身作为载体运送其它物质；有的当“士兵”，与侵入的病原体作战；有的开“生化工厂”，作为酶催化各种生化反应；有的是“管理者”，作为激素调节各种生理反应；有的当“缓冲区”，组成结缔组织，让身体富有弹性，并作为“外包装”保护身体，如皮肤里的胶原蛋白；有的则是“传令兵”，在细胞间传递信息……
这些功能的实现，蛋白质都要表演行为艺术。要么折叠，要么扭曲，要么纠缠，不把身体扭成某个特定姿态，就不能体现出这些生物活性来。
蛋白质分子就是微型的“瑜伽大师”。
蛋白质是个“建筑物”？
脂肪生着吃，熟着吃，吃的都是脂肪酸和胆固醇组成的脂肪分子。蛋白质可不一样。生着吃，你吃的是一座挺立的“大厦”，熟着吃，你吃的是一座坍塌的“大厦”。煎炒烹炸大鱼，煮炖煲煨大肉可不仅仅是满足吃货的口腹之欲，只要你肯思考，就能看到结构生物学的影子。
蛋白质还是那个蛋白质，氨基酸序列还是那个序列，然而生熟味道迥异，这是为什么？这个因为蛋白质会“变性”。
而这要从蛋白质的组成谈起。
生物体内的蛋白质是由20多种α-氨基酸组成的。有的蛋白质含有磷，还有些含有碘，以及铁、铜、锌、锰、钴、钼等金属离子。氨基酸的最大特点，分子里既有碱性的氨基（-NH2），也有酸性的羧基（-COOH）。植物体自己可以合成全部所需的氨基酸，动物提的氨基酸，有的自己制造，有的要“进口”，依靠食物来获取。
相同或者不同的氨基酸你出一个氨基，我出一个羧基，去除一个水分子，然后连成一个或者有分支或者无分支的长链，就是肽链，不同的肽链组装在一起，就是蛋白质。
氨基酸的序列叫做蛋白质的一级结构，肽链的“舞姿”是蛋白质的二级结构和三级结构，肽链们的“集体舞”，就是蛋白质的“舞姿”，这是四级结构。因此蛋白质是个“建筑物”。
蛋白质也会练“瑜伽”
决定蛋白质功能的，不仅是氨基酸序列，还有蛋白质的“舞姿”。化学课上，老师们组装的分子模型总是硬邦邦的，而事实上，很多有机大分子都是柔性的，柔柔的，可以通过扭曲折叠及翻转做出很多高难度动作，像极了“瑜伽”大师。
蛋白质如同生物体内的“行为艺术家”，柔韧多姿的“瑜伽”，正是它发挥功能的前提。在生物化学上，这些“瑜伽”叫做蛋白质的折叠，各类的折叠在一起，组成蛋白质的空间构象。对很多生物大分子来说，空间构象几乎和结构具有同样的重要性。把肉和鸡蛋煮熟，蛋白质的氨基酸序列没有变，肽链没有变，只是空间构象变化了，肉和蛋的性状和口感变化了，这叫做蛋白质的“变性”，即空间构象的坍塌。如果不幸被烧伤烫伤，皮肉虽然都在，却再也无法承担生理功能了。
蛋白质为什么要练“瑜伽”，一个生物大分子为何如此重视“姿态”？蛋白质只有正确地折叠，才会具有正常的生理功能。一旦错误折叠，要么被降解掉，要么蛋白质活性丧失，有时会让人患病。困扰老年人的阿尔茨海默症，是因为蛋白质构象变化了；囊性纤维病变是蛋白质不能折叠；家族性高胆固醇症是蛋白质错误折叠；家族性淀粉样蛋白症，则是蛋白质沉淀……
蛋白质的高级结构是由蛋白质的一级结构决定。有人将一级结构和蛋白质构象之间的这种关联，称之为“第二遗传密码”，蛋白质构象的重要性，由此可见一斑。
蛋白质氨基酸序列的突变，会让蛋白质的构象和功能发生很大的变化。例如镰刀形贫血病，即是一个氨基酸发生了突变。之后，两条血红蛋白链互相“锁”在一起，最终与其他血红蛋白链共同形成一个不溶的长柱形螺旋纤维束。于是红细胞被扭旋成了镰刀形，最终造成血液里的红细胞携氧能力下降，导致患者慢性溶血性贫血。这种基因突变造成蛋白质分子改变的疾病，称为“分子病”。
蛋白质的“瑜伽”教练是谁？
蛋白质的折叠是随意的发生，还是有内在的机制？
有的时候，蛋白质折叠是自动的，不需要“瑜伽”教练，完全“自学成才”。
一些小分子蛋白质在体外可逆的变性复性，就是一个证据。“热力学假说”认为，在一定的环境下，如不同的溶液组分、pH值、温度和离子强度下，蛋白质中的多肽链会自动调整空间位置，犹如水往地低处走一样，让整个系统处于自由能最低的状态，这样蛋白质的结构最稳定，形成蛋白质的构象。
有的时候，蛋白质需要“瑜伽教练”辅导动作，这些“教练”叫做分子伴侣或者折叠酶。分子伴侣和折叠酶都是蛋白质，它们的作用是帮助其他蛋白质正确折叠，就像教练手把手地教你正确动作一样，在发挥作用时，和所要帮助的蛋白质结合，折叠完毕与其分离，不参与这些蛋白质的生理功能。
正如行军作战要讲究排兵布阵，每场战斗的胜利，不能完全归功于单个士兵一样，蛋白质的生命功能也是“排兵布阵”的结果，所以每个蛋白质都要不辞劳苦地把做“瑜伽”，把氨基酸排兵布阵。
头发角蛋白含有大量的α-螺旋结构，头发有了弹性；蚕丝中有大量的β-螺旋，蚕丝柔软和易于伸展……相比于氨基酸序列信息，根据蛋白质的构象往往可以更准确地预测蛋白质的功能。活细胞中每种生理功能并非总是一直进行的，各种生理功能之间要随时间空间进行转换，因此要对这些功能的执行者蛋白质进行“开”和“关”。蛋白质的构象并不是恒定的，会随着功能的开关而有所变化。
结构蛋白，像“钢筋”一样，多呈纤维状；酶是个“媒婆”，多呈球状，里面有个小空间，让即将反应的有机物质聚在一起，亲密地“谈谈恋爱”；在细胞上承担细胞内外物质运输的“膜蛋白”则把自己变成了一个交通繁忙的“隧道”……
从广场舞到拉丁舞通吃
假如你会跳拉丁舞，广场舞对你就不难。你的“瑜伽”教练会教你不同的动作的，同一种蛋白质也会在不同的构象中穿梭变换，这叫做“变构效应”。
谁是变构这门功课的好学生？血红蛋白和肌红蛋白。这两种蛋白质的主要功能都是携带氧。血红蛋白在血液里，肌红蛋白在肌肉组织中。
不管氧的分压如何，肌红蛋白总是与氧分子保持高亲和性，亲密地拥抱，从不“嫌弃”。血红蛋白由于“变构效应”，却表现大大地不同，对氧分子“嫌贫爱富”。氧分压低时，与氧的亲和力降低，释放出氧，传递给肌红蛋白；氧分压高时，血红蛋白则多多益善，能携带多少氧分子就携带多少。为什么会这样？
原来血红蛋白的构象，随着氧分压的不同而有所变化。人的血红蛋白有4个亚基。当氧分压高时，一个亚基与氧结合后，会引起蛋白质构象的变化，让其他亚基与氧更容易结合，结合速度更快。而当氧分压低时，一个亚基上的氧分子脱离后，会带动更多的亚基解除氧分子，就像领头羊带着羊群一样，这种现象叫做正协同性。血红蛋白和肌红蛋白就这样形成了一个将氧分子从肺部带到组织肌肉中的有效机制。
现在预测蛋白质结构已经成为生命科学的一个研究热点，于是，就有个新名词，结构生物学。什么是结构生物学呢，就是以生物大分子特定空间结构、结构的特定运动与生物学功能的关系为基础，来阐明生命现象及其应用的科学。
如果你喜欢折纸，如果你喜欢叠餐巾，如果你灵巧的双手总能把寻常的物品变出“瑜伽”，说不准你将来会成为一个优秀的结构生物学家。
- 发表于 2015-08-16 00:00
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