王澤斌

在日常生活中，我們有時(shí)會(huì)聽(tīng)到“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)”、“蛋白質(zhì)變性”等詞匯?！暗鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)”是指蛋白質(zhì)呈現(xiàn)出的空間造型，而“變性”實(shí)際上是指它們?cè)械男螒B(tài)發(fā)生改變。那么，蛋白質(zhì)如何擺出造型?它們?yōu)槭裁匆吧κ着恕?這些對(duì)我們?nèi)祟愑钟惺裁礃拥囊饬x呢?搭出蛋白的“積木”——氨基酸

說(shuō)到蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，就不能不提氨基酸。形象地講，通常，一個(gè)碳原子有“四只手”，每只手可以抓一樣?xùn)|西。氨基酸內(nèi)的核心碳原子一只手抓了一個(gè)羧基；一只手抓了一個(gè)氨基；還有一只手比較“低調(diào)”，只抓了一個(gè)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(tuán)各不相同，它通常被稱為“側(cè)鏈基團(tuán)”。氨基酸的性質(zhì)就取決于這個(gè)各不相同的基團(tuán)。

當(dāng)兩個(gè)氨基酸相遇時(shí)，彼此的氨基和羧基結(jié)合形成肽鍵，原來(lái)的兩個(gè)氨基酸就變成了一個(gè)大的分子，稱為“二肽”。二肽剩余的一個(gè)羧基和一個(gè)氨基可以分別繼續(xù)結(jié)合其他氨基酸的氨基和羧基，從而形成長(zhǎng)串的大分子，最小的蛋白質(zhì)由幾十個(gè)氨基酸構(gòu)成，而大的蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)日可能成百上千。

造型的產(chǎn)生

經(jīng)過(guò)連接的氨基酸彼此之間會(huì)形成各種各樣的“鄰里關(guān)系”，于是構(gòu)成了諸如“阿爾法螺旋”、“倍塔折疊”、“轉(zhuǎn)折”、“無(wú)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(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)范圍，相距較遠(yuǎn)的殘基還可以通過(guò)一定的作用力互相接近。疏水作用是最常見(jiàn)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(cè)鏈基團(tuán)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(yuǎn)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(shí)，它們之間的作用會(huì)比疏水或靜電作用更加強(qiáng)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(huì)達(dá)到一個(gè)使體系平衡而又相對(duì)松散的狀態(tài)。通過(guò)諸如上面提到的各種力的作用，蛋白質(zhì)有了一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)甚至四級(jí)結(jié)構(gòu)。像積木一樣，它的一級(jí)結(jié)構(gòu)確定了它們按照怎樣的順序連接起來(lái)，二級(jí)結(jié)構(gòu)決定了氨基酸鄰里之間的關(guān)系如何，三級(jí)結(jié)構(gòu)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(jí)結(jié)構(gòu)是類似兩個(gè)以上造型的組合。

造型的意義——結(jié)構(gòu)決定功能

自然界有數(shù)不清的蛋白質(zhì)。截止到2006年，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB)里已經(jīng)有了4萬(wàn)個(gè)已知造型的蛋白質(zhì)，而這一數(shù)字還在迅速增加。此外，還有無(wú)數(shù)個(gè)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(wú)法估量了。

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

人類為什么關(guān)心蛋白質(zhì)的造型

人們花費(fèi)巨大經(jīng)費(fèi)來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)造型的研究，不僅僅是為了滿足好奇心，也為了謀求更多實(shí)際的利益。

比如說(shuō)，如果一種蛋白質(zhì)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(nèi)。但是從自然界的物質(zhì)中提純某種蛋白質(zhì)并非易事，提純過(guò)程中，為保持蛋白質(zhì)的形態(tài)還要十分小心地進(jìn)行操作。如果純度不夠高，或者殘留了一點(diǎn)致命的雜質(zhì)，注射進(jìn)血液里不僅可能治不好病，還可能產(chǎn)生危險(xiǎn)。所以現(xiàn)代醫(yī)藥生產(chǎn)更傾向于把控制蛋白質(zhì)合成的基因提取出來(lái)，放進(jìn)細(xì)菌里精心培養(yǎng)來(lái)生產(chǎn)該蛋白質(zhì)。如果在不影響蛋白質(zhì)造型的前提下，在該蛋白質(zhì)上加個(gè)標(biāo)簽，就可以用那枚標(biāo)簽來(lái)“點(diǎn)名”，非常輕松地將這個(gè)蛋白質(zhì)和其他蛋白質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而大大降低了生產(chǎn)成本。比如，研究人員經(jīng)常給某個(gè)蛋白質(zhì)加上6個(gè)連續(xù)的組氨酸，再在細(xì)菌中合成這種蛋白質(zhì)后將其打成漿，并讓“細(xì)菌汁”通過(guò)一層阻攔組氨酸的特殊材料，之后進(jìn)行洗脫，這樣提純的操作就要簡(jiǎn)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(lái)的。

但是，有的蛋白質(zhì)需要借助生物體中其他的物質(zhì)幫助才能擺出正確的造型，這樣的蛋白質(zhì)在細(xì)菌中合成出來(lái)后，只有正確的氨基酸序列，沒(méi)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(dòng)物細(xì)胞中培育，這樣，研究的成本也變高了。

研究蛋白質(zhì)造型更重要的意義在于，我們可以按照實(shí)際需要去改造和設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)通常只有造型中的某一部分對(duì)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(duì)該部分進(jìn)行生產(chǎn)。蛋白質(zhì)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(gè)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(gè)造型和導(dǎo)致造型改變的氨基酸，就可以給它做各種“手術(shù)”，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(gè)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(shí)候

蛋白質(zhì)變性是指在某種條件下，蛋白質(zhì)擺不出正確的造型了。所以，經(jīng)常有人說(shuō)“某種情況導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，影響營(yíng)養(yǎng)價(jià)值”，一些廣告也說(shuō)“某某食品運(yùn)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(huì)失去本來(lái)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(jìn)入人體后，絕大多數(shù)被分解成了單個(gè)的氨基酸，只有極少數(shù)能保留幾個(gè)氨基酸構(gòu)成的“多肽”。其實(shí)人體只需要這些“積木塊”進(jìn)入體內(nèi)后重新連接，重?cái)[造型。所以，有沒(méi)有它本來(lái)的造型，在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上意義不大。

我們吃的絕大多數(shù)蛋白食物，本來(lái)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(lái)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(lái)就經(jīng)過(guò)了高溫干燥，其中的蛋白早已“變性”。