說(shuō)到生命體和生命活動(dòng)，不能不論及一種最重要的生命物質(zhì)——蛋白質(zhì)。可以說(shuō)，沒(méi)有蛋白質(zhì)這種有機(jī)大分子物質(zhì)，就不會(huì)有生命體和生命活動(dòng)。

  蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，科學(xué)家們一直在努力研究蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和各種生物化學(xué)作用。地球上最初的蛋白質(zhì)分子是如何形成的？是在原子、分子的結(jié)合力作用下偶然相遇而形成的，還是在某種量子力學(xué)的作用下完成了如此復(fù)雜的大分子構(gòu)成？神奇的生命故事還在不斷進(jìn)行中，而這個(gè)奇妙故事的主角就是蛋白質(zhì)。

  蛋白質(zhì)是荷蘭科學(xué)家格利特•馬爾德在1838年發(fā)現(xiàn)的，他觀(guān)察到所有生物的生命活動(dòng)都離不開(kāi)蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)一種極重要的高分子有機(jī)物，它主要由氨基酸組成。氨基酸的不同排列組合構(gòu)成各種不同類(lèi)型的蛋白質(zhì)，人體中估計(jì)有10萬(wàn)種以上的蛋白質(zhì)。生命是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的高級(jí)形式，這種運(yùn)動(dòng)方式就是通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以蛋白質(zhì)有極其重要的生物學(xué)意義。

  細(xì)胞中的蛋白質(zhì)幾乎參與所有生命活動(dòng)，生命體的生長(zhǎng)、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)、遺傳、繁殖等都離不開(kāi)蛋白質(zhì)。從生命體的基本單元細(xì)胞來(lái)看，組成細(xì)胞的細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核都包含了大量蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)不僅是細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的支持成分，也是對(duì)細(xì)胞新陳代謝、活動(dòng)控制、基因繁殖、信息傳遞和運(yùn)動(dòng)等生命活動(dòng)起到控制作用的物質(zhì)。就連在最基本、最重要的光合作用中，都需要蛋白質(zhì)酶的參與才能合成葡萄糖。

  在生命體中，蛋白質(zhì)是除了水以外在組織中含量最高的物質(zhì)，并且在生物生長(zhǎng)過(guò)程中還會(huì)不斷更新，是新陳代謝的產(chǎn)物。植物可以靠光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物提供的能量來(lái)合成所需的蛋白質(zhì)，而動(dòng)物必須依靠食物來(lái)補(bǔ)充合成蛋白質(zhì)所需的能量和氨基酸。

  更為神奇的是，雖然動(dòng)物需要攝入含蛋白質(zhì)的食物，但是外來(lái)的蛋白質(zhì)是不能被身體直接利用的，必須通過(guò)消化過(guò)程把吃進(jìn)的蛋白質(zhì)分解成基本的氨基酸分子，然后輸送到細(xì)胞里，再按照自身基因格式重新組合成為自身的蛋白質(zhì)，這樣才能成為細(xì)胞組織成分，或是在細(xì)胞里的生命活動(dòng)中起作用。動(dòng)物每天要更新體內(nèi)大約0.25%~0.3%的蛋白質(zhì)，6~12個(gè)月完成全面更新。可以說(shuō)，每個(gè)生命體內(nèi)的蛋白質(zhì)都是獨(dú)有的，是所有生命活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

  氨基酸是指一類(lèi)含有堿性氨基（-NH2）和酸性羧基（-COOH）的有機(jī)化合物，它是合成蛋白質(zhì)的基本分子。氨基酸分子是由碳、氫、氧、氮和少數(shù)其他元素構(gòu)成的一類(lèi)有機(jī)分子。根據(jù)目前的研究，自然界中可能有幾百種不同構(gòu)成的氨基酸，但是能夠構(gòu)成生命體中的蛋白質(zhì)的氨基酸只有22種。不同種類(lèi)生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)成分和構(gòu)成是不一樣的，所以氨基酸營(yíng)養(yǎng)成分在各種食物中的含量也是不同的。各種生物對(duì)氨基酸的種類(lèi)和數(shù)量需求的差別，可能是造成不同生物對(duì)食物不同需求的基本原因。

  在地球生物圈的各種生命活動(dòng)中，制造蛋白質(zhì)的能量和原料的基本來(lái)源是植物。植物細(xì)胞不僅能通過(guò)光合作用產(chǎn)生葡萄糖，還能通過(guò)吸收土壤里的氮來(lái)制造氨基酸。

  通常植物是通過(guò)吸取土壤里的氨，或者與一種固氮菌共生的方式來(lái)獲取土壤里的氮的。固氮菌是一類(lèi)能夠?qū)⒋髿庵械牡獨(dú)廪D(zhuǎn)化為植物可利用的氨基態(tài)氮的細(xì)菌，這些細(xì)菌通常生活在土壤、根際和水體中，與植物形成共生關(guān)系。在這個(gè)過(guò)程中，固氮菌使用一種叫做氮酸還原酶的特殊酶來(lái)催化氮?dú)獾倪�原反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)需要大量能量，因此固氮菌通常需要從寄生的植物中獲取足夠的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)固氮作用。

  植物細(xì)胞制造氨基酸的過(guò)程主要發(fā)生在葉綠體和線(xiàn)粒體中。植物細(xì)胞利用腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）和一些輔助酶對(duì)二氧化碳和水進(jìn)行還原反應(yīng)，生成氨基酸的前體分子。然后，這些前體分子再經(jīng)過(guò)一系列的酶催化反應(yīng)，最終合成氨基酸。以這些氨基酸為原料，植物細(xì)胞消耗光合作用生成的葡萄糖，通過(guò)氧化反應(yīng)提供的能量來(lái)生成蛋白質(zhì)。植物細(xì)胞按照細(xì)胞中的脫氧核糖核酸（DNA）密碼格式合成蛋白質(zhì)，以構(gòu)成細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)和生成各種化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)酶，以及各種生命活動(dòng)所需的蛋白質(zhì)。整個(gè)過(guò)程復(fù)雜而有條不紊，對(duì)于其中的一些具體過(guò)程和活動(dòng)機(jī)理，科學(xué)家仍在深入研究探討之中。

  含氨的氮肥可以使農(nóng)作物獲得更多的氮元素來(lái)生成氨基酸、蛋白質(zhì)，所以氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種重要肥料。植物除了提供葡萄糖外，也提供氨基酸、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，生產(chǎn)這些營(yíng)養(yǎng)成分的能量來(lái)自于光合作用中吸收的太陽(yáng)光。而動(dòng)物需要直接（草食動(dòng)物）或間接（肉食動(dòng)物）從植物中獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物為它們提供獲取能量的糖類(lèi)和構(gòu)成組織成分的氨基酸、蛋白質(zhì)。可以說(shuō)，植物為地球生物的生命活動(dòng)提供了基本的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

  對(duì)于人體或其他脊椎動(dòng)物而言，氨基酸這種營(yíng)養(yǎng)分子可以分成必需氨基酸和非必需氨基酸。

  必需氨基酸是指人體或其他脊椎動(dòng)物不能合成或合成速度遠(yuǎn)不適應(yīng)機(jī)體需要的氨基酸，必須由從外界食物的營(yíng)養(yǎng)成分中直接攝入的食物蛋白來(lái)供給。必需氨基酸一共有9種，分別是亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蘇氨酸、賴(lài)氨酸和組氨酸。

  非必需氨基酸是指可以通過(guò)自身合成或從其他氨基酸轉(zhuǎn)化得到的氨基酸，不一定非從食物中攝取。非必需氨基酸一共有11種，分別是甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸、酪氨酸和半胱氨酸。

  只有這20種氨基酸才能用來(lái)生成蛋白質(zhì)的直接營(yíng)養(yǎng)物，而且對(duì)各種氨基酸使用的比例也有一定要求。

  科學(xué)家在研究復(fù)雜的有機(jī)化合物分子時(shí)發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜化合物的活動(dòng)性質(zhì)不僅僅取決于它們的元素成分，還與原子的空間排列結(jié)構(gòu)有關(guān)。比如，乙醇和二甲醚兩種化合物都是由2個(gè)碳原子、1個(gè)氧原子和6個(gè)氫原子組成，但是前者在室溫下是液體，后者卻是氣體。這種情況廣泛存在于復(fù)雜的有機(jī)分子世界，對(duì)于蛋白質(zhì)這種有機(jī)大分子來(lái)說(shuō)，空間結(jié)構(gòu)對(duì)分子性質(zhì)的影響更重要。

  蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與它在各種生命活動(dòng)中發(fā)揮的作用有著密切的關(guān)聯(lián)。蛋白質(zhì)中氨基酸基團(tuán)的鏈接秩序會(huì)引發(fā)大分子折疊的空間結(jié)構(gòu)，即能產(chǎn)生不同生物活性的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)支持各種生命活動(dòng)的特征，不僅僅來(lái)自于它的元素成分，也與具體的氨基酸鏈型構(gòu)成有關(guān)。生命體中的各種蛋白質(zhì)，是由氨基酸按照一定的格式鏈接而成的肽鏈以一定的空間結(jié)構(gòu)折疊而成，并且蛋白質(zhì)的神奇特性還與整個(gè)鏈條的空間折疊結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這個(gè)復(fù)雜而神奇的空間結(jié)構(gòu)幾乎有無(wú)限多種變化，從而生成各種不同作用的蛋白質(zhì)大分子，在生命體中發(fā)揮各種各樣的作用，從而維持生命體的組織和生命活動(dòng)。

  研究表明，各種蛋白質(zhì)的空間折疊結(jié)構(gòu)對(duì)蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)性質(zhì)有重要影響，且這個(gè)折疊過(guò)程受到細(xì)胞DNA基因的控制。蛋白質(zhì)的空間折疊結(jié)構(gòu)也是一個(gè)重要的科學(xué)研究方向。生命的模板DNA就是通過(guò)對(duì)氨基酸基團(tuán)的選擇和鏈接秩序，實(shí)現(xiàn)對(duì)能夠在組織和生命活動(dòng)中起作用的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的控制。所以，細(xì)胞中由DNA控制的蛋白質(zhì)生成過(guò)程是非常重要的生命活動(dòng)。

  細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的生產(chǎn)過(guò)程稱(chēng)為蛋白質(zhì)合成，它是由細(xì)胞DNA中的基因指令控制的。蛋白質(zhì)合成分為兩個(gè)階段：轉(zhuǎn)錄和翻譯。

  轉(zhuǎn)錄是指將DNA中的基因信息轉(zhuǎn)化為核糖核酸（RNA）聚合酶分子的過(guò)程。在細(xì)胞核中，RNA聚合酶沿著DNA模板鏈進(jìn)行掃描，讀取基因序列，并將其轉(zhuǎn)錄成一條RNA鏈。轉(zhuǎn)錄出來(lái)的RNA鏈稱(chēng)為mRNA，它是蛋白質(zhì)合成的模板。

  翻譯是指將mRNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的過(guò)程。翻譯發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，需要利用核糖體這種復(fù)雜的蛋白質(zhì)—核酸復(fù)合體。核糖體會(huì)將mRNA讀入，根據(jù)mRNA上的密碼子序列來(lái)選擇適配的tRNA，每個(gè)tRNA攜帶了一個(gè)氨基酸。當(dāng)tRNA與mRNA匹配時(shí)，核糖體會(huì)將它們連接起來(lái)，并將氨基酸從tRNA上釋放出來(lái)，形成一個(gè)多肽鏈。隨著mRNA不斷向前移動(dòng)，核糖體會(huì)讀取新的密碼子，選擇新的tRNA，并將氨基酸加入多肽鏈中，直到整個(gè)蛋白質(zhì)合成完畢。

  最終，新合成的蛋白質(zhì)會(huì)被包裝、折疊和定位到細(xì)胞內(nèi)的特定位置，以執(zhí)行其特定的功能。細(xì)胞內(nèi)按照遺傳基因DNA的格式生成蛋白質(zhì)的過(guò)程是生命活動(dòng)中的核心奧秘之一，現(xiàn)在這個(gè)奧秘正不斷被科學(xué)研究揭示出來(lái)。■

（作者系武漢大學(xué)教授）