我们经常听说“蛋白质结构”“蛋白质变性”之类的话。通常所说的“蛋白质结构”是指蛋白质摆出的空间造型，“变性”就是它们本来造型的改变。那么，蛋白质如何摆出造型？又为什么要摆造型？这对人类有什么意义吗？ 

　　一、搭出蛋白质的材料——氨基酸

　　要说蛋白质摆造型，不能不说氨基酸。氨基酸，顾名思义，就是带了氨基的酸。在有机物里面，一个碳原子通常有四个胳膊，每个胳膊可以抓一样东西。氨基酸里最核心的那个碳原子，一个胳膊抓了一个羧基（羧基是是一个碳原子上接了一个氧原子，还有一个带着一个氢原子的氧原子），这个羧基使它称为“酸”，跟女同胞们爱吃的那个醋之所以被称为“醋酸”的化学原因是一样的；另一只胳膊抓了一个氨基，所以叫“氨基”酸；还有一只胳膊比较低调，只抓了一个氢原子；所有的氨基酸都有三只胳膊所抓的东西是一样的。而另一只胳膊，所抓的东西各不同，也就是 “同为氨基酸家族的一员，差距咋就那么大”的原因。

　　可以说，不同氨基酸在化学结构上的差别只在于四只胳膊中的一只抓的东西不同。这个不同的东西，通常被称为“侧链基团”。侧链基团虽然只占了一只胳膊，其个头有时候比这个氨基酸的其它部分加起来还大。氨基酸的性格，也就取决于这个基团。如果它疏水，这个氨基酸也就被称为疏水氨基酸；反之，如果这个基团亲水，就被称为亲水氨基酸。当然，也有些侧链基团奉行中庸之道，即不明显亲水也不明显疏水。

“氨基酸”牌积木

　　当一个氨基酸碰到另一个氨基酸，一个会提供自己氨基上的氢原子，一个会提供自己羧基上的一个羟基——羟基就是前面说的那个带着氢原子的氧原子（“羟”这个字很有意思，各取了“氢”和“氧”的一部分，读音差不多是这两个字的反切音——前一个字的声母加后一个字的韵母），合成一个水分子招待客人，而去了氢的氨基和去了羟基的羧基（叫作“羰基”，一个碳一个氧）勾结起来，原来的两个氨基酸就变成了一个大的分子，被称为“二肽”。相应的二者勾结的那个地方就被称为“肽键”，而原来的两个氨基酸则被称为“氨基酸残基”——各自缺了一部分，要搭帮才能生存。。这个跟人类社会差不多，不同的人要团结成一个整体，总是需要每个成员作出一些牺牲或者磨平一些棱角。这个二肽还有一个羧基一个氨基，可以分别继续勾结别的氨基酸。到最后，可以形成一长串的氨基酸。最小的蛋白质由几十个氨基酸勾结而成，而大的蛋白质则多达几百上千。

　　二、造型的产生——为了和谐

　　这样的一串氨基酸残基，被称为蛋白质的一级结构。也就是说，它告诉我们这个蛋白质含有哪些氨基酸，是怎样连结的。被连在了一起的氨基酸残基难免与邻居们形成各种各样的邻里关系。有的地方形成一个像弹簧的那样的形状，叫做“阿尔法螺旋”，是一种比较稳定的邻里关系；有的地方形成类似上下折叠的样子，叫做“倍塔折叠”；还有一种直接拐弯的样子，称为“转折”。这些都是有序的结构，类似邻里之间有不同程度的联系。螺旋是很紧密一种联系，就象中国传统社会，早上谁家的鸡下了个双黄蛋，中午就传遍了全村。氨基酸序列上还有一些部分就象现代社会，邻里之间鸡犬之声相闻老死不相往来，同一单元住了几年还是不知道隔壁的男女是夫妻还是父女。这种结构叫做“无规卷曲”。这四种邻里关系的结构，在蛋白质科学上被称为“二级结构”，通俗说来就是邻里之间的关系。

　　氨基酸残基之间的连接虽然很紧密，但还是可以在一定范围内转动。不难想象，几十上百个残基都有一定的活动范围，总体来看那些相距比较远的残基还可以通过一定的作用力互相接近。疏水作用是最常见的一中，那些疏水的的残基，不喜欢外界的水而互相靠近；而那些亲水的残基则使劲往外挤去寻找更多的水。另一种重要的相互作用是静电力，有的侧链基团是带电的，同性相斥异性相吸的作用也造成序列上相距较远的氨基酸残基发生排斥或吸引。由于受到身边邻居的牵连和空间距离的限制，这些作用力最后会达到一种合适的平衡。总的来说，这种关系是基于大家高兴而存在的，没有太强的利益关联，也不很紧密。就象网络上的一群人，由于共同的爱好，经常互相来往，探讨一下共同感兴趣的问题什么的。由于空间的限制，比如这些人可能在北京、西北、华南、山东、四川、浙江。。。甚至在地球的另一面，联系很松散。但是有的氨基酸含有硫原子，如果另一个也含有硫原子，这两个硫原子就可能发生很紧密的联结。这样的一种相互作用远比疏水或静电作用强烈，被称为“二硫键”。就象一个在北京，一个在芝加哥，月老在俩人中间搭了根红线，他们之间的的关系就远比其它氨基酸在一起探讨科学问题强烈得多。

　　这样的几种远距离作用，使得氨基酸残基在空间里排列组合，再加上空间的限制和邻居的牵绊，最后会形成一个稳定的空间结构。这种结构被称为蛋白质的“三级结构”。两个或者多个具有三级结构的蛋白质结构，还可能组合成更大的结构，称为蛋白质的“四级结构”。

　　总的来说，蛋白质的氨基酸就象积木块，它的一级结构确定了它们按照什么顺序链接起来，二级结构决定了氨基酸的邻里之间关系如何，三级结构则是为了让氨基酸们处于一种和谐舒服的状态而摆出的造型，而四级结构，就类似两个以上造型的组合。

　　三、蛋白质摆造型的意义——结构决定功能

酶蛋白，看家本领是搞催化

　　自然界有数不清的蛋白质。到2006年，蛋白质数据库PDB里已经有了四万个造型被搞清楚的蛋白质，而这一数字还在以越来越快的速度增加。此外，还有无数个人类知道其存在，却不知道摆什么造型的蛋白。至于人类还不知道的蛋白，就更无法估量了。

　　就象人的长相一样，每个蛋白质的造型都各不相同——即使是一卵双生的兄弟，还是有细微的差别。蛋白质摆出各种造型当然不是为了照相或者装酷。蛋白质是最重要的生命物质，生物体靠它们来进行各种各样的生命活动。这些活动的进行，最关键的一步就是靠近“行动目标”。比如，一个蛋白要解毒，必须要摆出一个“陷阱造型”把毒素装进去；一个蛋白要清除自由基，也得有一个造型正好把自由基抓住。很多蛋白质是催化某个生化反应的酶，通常的作用方式就是摆出一个象锁一样的造型，正好让被催化的反应物作钥匙。一般一把钥匙开一把锁，只有那种特定的反应物能够进入这个酶构成的锁，从而发生反应。否则，一个酶逮谁灭谁，实在是很危险——比如说本来是要让它杀癌细胞的，结果一路杀将过去，把正常细胞也杀个干净。不过也有的蛋白质造型比较牛，除了作自己最擅长的工作，也能客串一下把类似的东西也干掉。还有一些酶摆的是最普通的造型，只要底物差不多，就照单全收。最典型的就是消化酶，比如淀粉酶不管你吃的是什么淀粉，它都一概分解；而蛋白酶不管什么蛋白，也都一概切开。

　　四、人类为什么关心蛋白质的造型

　　人类进行的许多科学研究，主要是为了满足好奇心。世界各国纷纷拍出以“亿”为单位的经费来研究蛋白质摆造型，显然不属此列——这实在有着很大的“功利”的原因。

　　比如说，如果一种蛋白质能够治疗某种疾病，那么我们通常需要把它提纯——很多情况下，熟吃生吃蘸了酱吃都不能起作用，需要注射。但是从自然界的东西中提纯蛋白质实在很一件很费劲的事情——想想那么多的成分，想要的蛋白怎么会乖乖出来？如果纯度不够高，或者残留了一点致命的杂质，再注射进血液里，可能把旧病治好了，却又产生了新病。而且，提纯过程中还要小心轻放，不能磕不能碰，搞不好把造型破坏了就没有用了。

对，你没看错，这就是牛筋面——里面有一堆“留”下来的蛋白质。

　　所以，现代医药生产上喜欢把控制蛋白质合成的基因弄出来，放进细胞里，培养细胞来生产该蛋白。如果在该蛋白上加个标签而不影响造型的话，就可以用那标签来点名，把这个蛋白和别的杂蛋白很容易地分开，从而大大降低生产成本。比如人们经常在某个蛋白质的头上加上六个连续的组氨酸，在细菌合成这个蛋白之后，人们把细菌打成浆，去掉残渣，让“细菌汁”通过一层特定材料做成的“树脂”。那种材料专门拉住那六个组氨酸不让走，而别的东西都能通过。然后再拿一些树脂材料更喜欢的东西去“洗脱”，那层固体立刻“喜新厌旧”，就让需要的蛋白质下来了。这样的提纯操作就要简单多了。现在，许多医药、食品以及其它工业用的酶就是这么生产出来的。

　　但是，有的蛋白质被宠坏了，要借助生物体中别的东西帮助才能摆出正确的造型。这样的蛋白在细菌中合成出来的话就只有正确的氨基酸序列，而没有正确的造型，也就不能胜任它们的工作。要有正确的造型，就只能放到动物细胞中去生产。而动物细胞比较娇气，养起来成本更高，因而生产出来的蛋白也就比较值钱了。

　　如果只是如此的话，搞清楚蛋白质的造型都还不是那么重要。毕竟，不知道它们的造型，也可以做上面的这些事情，只要每一步都把蛋白拿出来试试还能不能完成它的工作就行了。研究蛋白造型更重要的意义在于可以按照需要去改造和设计它们。比如说，一个能治病的蛋白质，通常只是造型中的一小块起作用。知道了那一小块的情况，就可以把那些凑热闹的部分去掉，只生产有用的那一小块。个头越小，在医药上的使用就越方便。再比如，一个酶只能在某个温度下工作，到了别的温度下就失去了功力。如果我们明白了它起作用的那个造型和导致造型改变的氨基酸，就可以给它做各种手术，在保证造型不变的前提下把“不稳定因素”替换掉，那么这个酶就可能在其它的温度环境中保持战斗力了。

　　五、蛋白造型也有不重要的时候

所谓奶酪，不过是牛奶蛋白变了性

　　许多人都知道“蛋白质变性”这个词——就是在某种条件下，它摆不出正确的造型了。所以，经常有人说“什么什么会导致蛋白质变性，影响营养价值”，忽悠人的广告也说“某某食品运用高科技手段，保留了蛋白活性”……

　　绝大多数的蛋白，在高温下都会失去本来的造型，也就是“变性”了。但是人们吃蛋白，是为了获取氨基酸，所有的蛋白到了肚子里，绝大多数被分解成了单个氨基酸，只有极少一部分能保留几个氨基酸而成为“多肽”。人体只需要这些积木的块，到了体内再重新连接，重摆造型。所以，有没有它本来的造型，在营养上一点意义都没有。

　　我们吃的绝大多数蛋白食物，本来就需要它失去本来的造型，而变成美食。比如豆浆中的蛋白，被加热失去本来造型，又被加入凝固剂促使它们“手拉手肩并肩”，最后变成了豆腐。至于奶粉之类，本来就经过了高温干燥，早就“变性”了。而进一步加工的牛奶蛋白则更惨，不仅失去了空间造型，还可能被一种叫凝乳酶的蛋白拦腰砍开，再连接起来而成为奶酪。