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  说到生命体和生命活动，不能不论及一种最重要的生命物质——蛋白质。可以说，没有蛋白质这种有机大分子物质，就不会有生命体和生命活动。

  蛋白质是生命的物质基础，科学家们一直在努力研究蛋白质的组成、结构和各种生物化学作用。地球上最初的蛋白质分子是如何形成的？是在原子、分子的结合力作用下偶然相遇而形成的，还是在某种量子力学的作用下完成了如此复杂的大分子构成？神奇的生命故事还在不断进行中，而这个奇妙故事的主角就是蛋白质。

  蛋白质是荷兰科学家格利特•马尔德在1838年发现的，他观察到所有生物的生命活动都离不开蛋白质。蛋白质是生物体内一种极重要的高分子有机物，它主要由氨基酸组成。氨基酸的不同排列组合构成各种不同类型的蛋白质，人体中估计有10万种以上的蛋白质。生命是物质运动的高级形式，这种运动方式就是通过蛋白质来实现的，所以蛋白质有极其重要的生物学意义。

  细胞中的蛋白质几乎参与所有生命活动，生命体的生长、发育、运动、遗传、繁殖等都离不开蛋白质。从生命体的基本单元细胞来看，组成细胞的细胞膜、细胞质和细胞核都包含了大量蛋白质。这些蛋白质不仅是细胞组织结构的支持成分，也是对细胞新陈代谢、活动控制、基因繁殖、信息传递和运动等生命活动起到控制作用的物质。就连在最基本、最重要的光合作用中，都需要蛋白质酶的参与才能合成葡萄糖。

  在生命体中，蛋白质是除了水以外在组织中含量最高的物质，并且在生物生长过程中还会不断更新，是新陈代谢的产物。植物可以靠光合作用生产的有机物提供的能量来合成所需的蛋白质，而动物必须依靠食物来补充合成蛋白质所需的能量和氨基酸。

  更为神奇的是，虽然动物需要摄入含蛋白质的食物，但是外来的蛋白质是不能被身体直接利用的，必须通过消化过程把吃进的蛋白质分解成基本的氨基酸分子，然后输送到细胞里，再按照自身基因格式重新组合成为自身的蛋白质，这样才能成为细胞组织成分，或是在细胞里的生命活动中起作用。动物每天要更新体内大约0.25%~0.3%的蛋白质，6~12个月完成全面更新。可以说，每个生命体内的蛋白质都是独有的，是所有生命活动的重要物质基础。

  氨基酸是指一类含有碱性氨基（-NH2）和酸性羧基（-COOH）的有机化合物，它是合成蛋白质的基本分子。氨基酸分子是由碳、氢、氧、氮和少数其他元素构成的一类有机分子。根据目前的研究，自然界中可能有几百种不同构成的氨基酸，但是能够构成生命体中的蛋白质的氨基酸只有22种。不同种类生物体内的蛋白质成分和构成是不一样的，所以氨基酸营养成分在各种食物中的含量也是不同的。各种生物对氨基酸的种类和数量需求的差别，可能是造成不同生物对食物不同需求的基本原因。

  在地球生物圈的各种生命活动中，制造蛋白质的能量和原料的基本来源是植物。植物细胞不仅能通过光合作用产生葡萄糖，还能通过吸收土壤里的氮来制造氨基酸。

  通常植物是通过吸取土壤里的氨，或者与一种固氮菌共生的方式来获取土壤里的氮的。固氮菌是一类能够将大气中的氮气转化为植物可利用的氨基态氮的细菌，这些细菌通常生活在土壤、根际和水体中，与植物形成共生关系。在这个过程中，固氮菌使用一种叫做氮酸还原酶的特殊酶来催化氮气的还原反应。这个反应需要大量能量，因此固氮菌通常需要从寄生的植物中获取足够的能量来驱动固氮作用。

  植物细胞制造氨基酸的过程主要发生在叶绿体和线粒体中。植物细胞利用腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）和一些辅助酶对二氧化碳和水进行还原反应，生成氨基酸的前体分子。然后，这些前体分子再经过一系列的酶催化反应，最终合成氨基酸。以这些氨基酸为原料，植物细胞消耗光合作用生成的葡萄糖，通过氧化反应提供的能量来生成蛋白质。植物细胞按照细胞中的脱氧核糖核酸（DNA）密码格式合成蛋白质，以构成细胞组织结构和生成各种化学反应的蛋白质酶，以及各种生命活动所需的蛋白质。整个过程复杂而有条不紊，对于其中的一些具体过程和活动机理，科学家仍在深入研究探讨之中。

  含氨的氮肥可以使农作物获得更多的氮元素来生成氨基酸、蛋白质，所以氮肥是农业生产中的一种重要肥料。植物除了提供葡萄糖外，也提供氨基酸、蛋白质等营养成分，生产这些营养成分的能量来自于光合作用中吸收的太阳光。而动物需要直接（草食动物）或间接（肉食动物）从植物中获取营养物质，植物为它们提供获取能量的糖类和构成组织成分的氨基酸、蛋白质。可以说，植物为地球生物的生命活动提供了基本的营养物质。

  对于人体或其他脊椎动物而言，氨基酸这种营养分子可以分成必需氨基酸和非必需氨基酸。

  必需氨基酸是指人体或其他脊椎动物不能合成或合成速度远不适应机体需要的氨基酸，必须由从外界食物的营养成分中直接摄入的食物蛋白来供给。必需氨基酸一共有9种，分别是亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸和组氨酸。

  非必需氨基酸是指可以通过自身合成或从其他氨基酸转化得到的氨基酸，不一定非从食物中摄取。非必需氨基酸一共有11种，分别是甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、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。

  只有这20种氨基酸才能用来生成蛋白质的直接营养物，而且对各种氨基酸使用的比例也有一定要求。

  科学家在研究复杂的有机化合物分子时发现，复杂化合物的活动性质不仅仅取决于它们的元素成分，还与原子的空间排列结构有关。比如，乙醇和二甲醚两种化合物都是由2个碳原子、1个氧原子和6个氢原子组成，但是前者在室温下是液体，后者却是气体。这种情况广泛存在于复杂的有机分子世界，对于蛋白质这种有机大分子来说，空间结构对分子性质的影响更重要。

  蛋白质的空间结构与它在各种生命活动中发挥的作用有着密切的关联。蛋白质中氨基酸基团的链接秩序会引发大分子折叠的空间结构，即能产生不同生物活性的蛋白质。蛋白质支持各种生命活动的特征，不仅仅来自于它的元素成分，也与具体的氨基酸链型构成有关。生命体中的各种蛋白质，是由氨基酸按照一定的格式链接而成的肽链以一定的空间结构折叠而成，并且蛋白质的神奇特性还与整个链条的空间折叠结构密切相关。这个复杂而神奇的空间结构几乎有无限多种变化，从而生成各种不同作用的蛋白质大分子，在生命体中发挥各种各样的作用，从而维持生命体的组织和生命活动。

  研究表明，各种蛋白质的空间折叠结构对蛋白质分子的生物学性质有重要影响，且这个折叠过程受到细胞DNA基因的控制。蛋白质的空间折叠结构也是一个重要的科学研究方向。生命的模板DNA就是通过对氨基酸基团的选择和链接秩序，实现对能够在组织和生命活动中起作用的蛋白质分子构成的控制。所以，细胞中由DNA控制的蛋白质生成过程是非常重要的生命活动。

  细胞内蛋白质的生产过程称为蛋白质合成，它是由细胞DNA中的基因指令控制的。蛋白质合成分为两个阶段：转录和翻译。

  转录是指将DNA中的基因信息转化为核糖核酸（RNA）聚合酶分子的过程。在细胞核中，RNA聚合酶沿着DNA模板链进行扫描，读取基因序列，并将其转录成一条RNA链。转录出来的RNA链称为mRNA，它是蛋白质合成的模板。

  翻译是指将mRNA转化为蛋白质的过程。翻译发生在细胞质中，需要利用核糖体这种复杂的蛋白质—核酸复合体。核糖体会将mRNA读入，根据mRNA上的密码子序列来选择适配的tRNA，每个tRNA携带了一个氨基酸。当tRNA与mRNA匹配时，核糖体会将它们连接起来，并将氨基酸从tRNA上释放出来，形成一个多肽链。随着mRNA不断向前移动，核糖体会读取新的密码子，选择新的tRNA，并将氨基酸加入多肽链中，直到整个蛋白质合成完毕。

  最终，新合成的蛋白质会被包装、折叠和定位到细胞内的特定位置，以执行其特定的功能。细胞内按照遗传基因DNA的格式生成蛋白质的过程是生命活动中的核心奥秘之一，现在这个奥秘正不断被科学研究揭示出来。■

（作者系武汉大学教授）