蛋白質也會玩“行為藝術”？

愛吃雞蛋清還是雞蛋黃？轉化成生物化學的語言，你喜歡蛋白質還是脂肪？

蛋白質和脂肪都是好東西，只要搭配好比例且不過量。蛋白質比脂肪名聲好多了，起碼減肥人士不嫌棄。但過量食用，多余的蛋白質在體內會轉變為脂肪，代謝后的含氮化合物會加重腎臟的負擔。

健康的原則，在于適度；而蛋白質分子的原則，在于行為藝術。

蛋白質是生命的物質基礎，各種各樣的蛋白質分工合作，承載了大多數的生命活動。有的當“磚瓦”，構建生物體；有的“搞運輸”，自身作為載體運送其它物質；有的當“士兵”，與侵入的病原體作戰；有的開“生化工廠”，作為酶催化各種生化反應；有的是“管理者”，作為激素調節各種生理反應；有的當“緩沖區”，組成結締組織，讓身體富有彈性，并作為“外包裝”保護身體，如皮膚里的膠原蛋白；有的則是“傳令兵”，在細胞間傳遞信息……

這些功能的實現，蛋白質都要表演行為藝術。要么折疊，要么扭曲，要么糾纏，不把身體扭成某個特定姿態，就不能體現出這些生物活性來。

蛋白質分子就是微型的“瑜伽大師”。

蛋白質是個“建筑物”？

脂肪生著吃，熟著吃，吃的都是脂肪酸和膽固醇組成的脂肪分子。蛋白質可不一樣。生著吃，你吃的是一座挺立的“大廈”，熟著吃，你吃的是一座坍塌的“大廈”。煎炒烹炸大魚，煮燉煲煨大肉可不僅僅是滿足吃貨的口腹之欲，只要你肯思考，就能看到結構生物學的影子。

蛋白質還是那個蛋白質，氨基酸序列還是那個序列，然而生熟味道迥異，這是為什么？這個因為蛋白質會“變性”。

而這要從蛋白質的組成談起。

生物體內的蛋白質是由20多種α-氨基酸組成的。有的蛋白質含有磷，還有些含有碘，以及鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬等金屬離子。氨基酸的最大特點，分子里既有堿性的氨基（-NH2），也有酸性的羧基（-COOH）。植物體自己可以合成全部所需的氨基酸，動物提的氨基酸，有的自己制造，有的要“進口”，依靠食物來獲取。

相同或者不同的氨基酸你出一個氨基，我出一個羧基，去除一個水分子，然后連成一個或者有分支或者無分支的長鏈，就是肽鏈，不同的肽鏈組裝在一起，就是蛋白質。

氨基酸的序列叫做蛋白質的一級結構，肽鏈的“舞姿”是蛋白質的二級結構和三級結構，肽鏈們的“集體舞”，就是蛋白質的“舞姿”，這是四級結構。因此蛋白質是個“建筑物”。　

蛋白質也會練“瑜伽”

決定蛋白質功能的，不僅是氨基酸序列，還有蛋白質的“舞姿”。化學課上，老師們組裝的分子模型總是硬邦邦的，而事實上，很多有機大分子都是柔性的，柔柔的，可以通過扭曲折疊及翻轉做出很多高難度動作，像極了“瑜伽”大師。

蛋白質如同生物體內的“行為藝術家”，柔韌多姿的“瑜伽”，正是它發揮功能的前提。在生物化學上，這些“瑜伽”叫做蛋白質的折疊，各類的折疊在一起，組成蛋白質的空間構象。對很多生物大分子來說，空間構象幾乎和結構具有同樣的重要性。把肉和雞蛋煮熟，蛋白質的氨基酸序列沒有變，肽鏈沒有變，只是空間構象變化了，肉和蛋的性狀和口感變化了，這叫做蛋白質的“變性”，即空間構象的坍塌。如果不幸被燒傷燙傷，皮肉雖然都在，卻再也無法承擔生理功能了。

蛋白質為什么要練“瑜伽”，一個生物大分子為何如此重視“姿態”？蛋白質只有正確地折疊，才會具有正常的生理功能。一旦錯誤折疊，要么被降解掉，要么蛋白質活性喪失，有時會讓人患病。困擾老年人的阿爾茨海默癥，是因為蛋白質構象變化了；囊性纖維病變是蛋白質不能折疊；家族性高膽固醇癥是蛋白質錯誤折疊；家族性淀粉樣蛋白癥，則是蛋白質沉淀……

蛋白質的高級結構是由蛋白質的一級結構決定。有人將一級結構和蛋白質構象之間的這種關聯，稱之為“第二遺傳密碼”，蛋白質構象的重要性，由此可見一斑。

蛋白質氨基酸序列的突變，會讓蛋白質的構象和功能發生很大的變化。例如鐮刀形貧血病，即是一個氨基酸發生了突變。之后，兩條血紅蛋白鏈互相“鎖”在一起，最終與其他血紅蛋白鏈共同形成一個不溶的長柱形螺旋纖維束。于是紅細胞被扭旋成了鐮刀形，最終造成血液里的紅細胞攜氧能力下降，導致患者慢性溶血性貧血。這種基因突變造成蛋白質分子改變的疾病，稱為“分子病”。

蛋白質的“瑜伽”教練是誰？

蛋白質的折疊是隨意的發生，還是有內在的機制？

有的時候，蛋白質折疊是自動的，不需要“瑜伽”教練，完全“自學成才”。

一些小分子蛋白質在體外可逆的變性復性，就是一個證據。“熱力學假說”認為，在一定的環境下，如不同的溶液組分、pH值、溫度和離子強度下，蛋白質中的多肽鏈會自動調整空間位置，猶如水往地低處走一樣，讓整個系統處于自由能最低的狀態，這樣蛋白質的結構最穩定，形成蛋白質的構象。

有的時候，蛋白質需要“瑜伽教練”輔導動作，這些“教練”叫做分子伴侶或者折疊酶。分子伴侶和折疊酶都是蛋白質，它們的作用是幫助其他蛋白質正確折疊，就像教練手把手地教你正確動作一樣，在發揮作用時，和所要幫助的蛋白質結合，折疊完畢與其分離，不參與這些蛋白質的生理功能。

正如行軍作戰要講究排兵布陣，每場戰斗的勝利，不能完全歸功于單個士兵一樣，蛋白質的生命功能也是“排兵布陣”的結果，所以每個蛋白質都要不辭勞苦地把做“瑜伽”，把氨基酸排兵布陣。

頭發角蛋白含有大量的α-螺旋結構，頭發有了彈性；蠶絲中有大量的β-螺旋，蠶絲柔軟和易于伸展……相比于氨基酸序列信息，根據蛋白質的構象往往可以更準確地預測蛋白質的功能。活細胞中每種生理功能并非總是一直進行的，各種生理功能之間要隨時間空間進行轉換，因此要對這些功能的執行者蛋白質進行“開”和“關”。蛋白質的構象并不是恒定的，會隨著功能的開關而有所變化。

結構蛋白，像“鋼筋”一樣，多呈纖維狀；酶是個“媒婆”，多呈球狀，里面有個小空間，讓即將反應的有機物質聚在一起，親密地“談談戀愛”；在細胞上承擔細胞內外物質運輸的“膜蛋白”則把自己變成了一個交通繁忙的“隧道”……

從廣場舞到拉丁舞通吃

假如你會跳拉丁舞，廣場舞對你就不難。你的“瑜伽”教練會教你不同的動作的，同一種蛋白質也會在不同的構象中穿梭變換，這叫做“變構效應”。

誰是變構這門功課的好學生？血紅蛋白和肌紅蛋白。這兩種蛋白質的主要功能都是攜帶氧。血紅蛋白在血液里，肌紅蛋白在肌肉組織中。

不管氧的分壓如何，肌紅蛋白總是與氧分子保持高親和性，親密地擁抱，從不“嫌棄”。血紅蛋白由于“變構效應”，卻表現大大地不同，對氧分子“嫌貧愛富”。氧分壓低時，與氧的親和力降低，釋放出氧，傳遞給肌紅蛋白；氧分壓高時，血紅蛋白則多多益善，能攜帶多少氧分子就攜帶多少。為什么會這樣？

原來血紅蛋白的構象，隨著氧分壓的不同而有所變化。人的血紅蛋白有4個亞基。當氧分壓高時，一個亞基與氧結合后，會引起蛋白質構象的變化，讓其他亞基與氧更容易結合，結合速度更快。而當氧分壓低時，一個亞基上的氧分子脫離后，會帶動更多的亞基解除氧分子，就像領頭羊帶著羊群一樣，這種現象叫做正協同性。血紅蛋白和肌紅蛋白就這樣形成了一個將氧分子從肺部帶到組織肌肉中的有效機制。

現在預測蛋白質結構已經成為生命科學的一個研究熱點，于是，就有個新名詞，結構生物學。什么是結構生物學呢，就是以生物大分子特定空間結構、結構的特定運動與生物學功能的關系為基礎，來闡明生命現象及其應用的科學。

如果你喜歡折紙，如果你喜歡疊餐巾，如果你靈巧的雙手總能把尋常的物品變出“瑜伽”，說不準你將來會成為一個優秀的結構生物學家。