蛋白质的“十九般兵器”
蛋白质不仅是构成皮肤(如胶原蛋白)、头发和指甲的物质，而且与所有生命活动相关。肌肉收缩需要多种蛋白质纤维，物质转运需要多种蛋白质转运蛋白，需要抗原识别蛋白来识别朋友和敌人，需要抗体来标记异物，需要纤维蛋白来凝结血液，需要胰岛素来调节血糖，需要多种蛋白质受体来感知外部信号，需要组蛋白来将DNA包裹到染色体中，需要多种转录因子来控制基因表达，等等。
《论语》中有这样一句话:“工人要做好工作，首先要磨利工具”。为了做好工作，必要的工具是不可缺少的。在现代火器出现之前，当人们想要打猎或战斗时，他们可以自然地打拳、踢腿和咬人，也就是说，使用人体的“独立”工具。但是如果有武器可以帮助，力量就更大了。古人很久以前就知道这个道理，所以他们开发了各种武器。在《水浒传》中，80万禁军教头教授九文龙十进“十八般武艺”，即使用“十八般兵器”:矛、锤、弓、弩、矛、鞭、锏、剑、链、獠、斧、钺、匕首、戟、牌、棍、枪、扒。
我们身体中的蛋白质比古代战士在战斗中承担更多的任务。为了完成所有这些任务，蛋白质不仅有“18种武器”，而且还有不止一种古代战士使用的武器，所以它有“19种武器”。这些武器名称中的最后两个词(氨基酸)是相同的。为了看起来简单，与上面的“18种武器”相对应，我们将省略最后两个词，只写它们前面的词，即C、V、亮、一亮、苯C、乳房、颜色、丝、奶酪、胱天蛋白酶、鸡蛋、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏、芦笋、谷类、赖、京和祖。
这些武器是什么，我们以后再谈。让我们先谈谈蛋白质的重要性和任务。任务很清楚，为什么蛋白质需要这么多“武器”也很清楚。
蛋白质不仅是构成皮肤(如胶原蛋白)、头发和指甲的物质，而且与所有生命活动相关。肌肉收缩需要多种蛋白质纤维，物质转运需要多种蛋白质转运蛋白，需要抗原识别蛋白来识别朋友和敌人，需要抗体来标记异物，需要纤维蛋白来凝结血液，需要胰岛素来调节血糖，需要多种蛋白质受体来感知外部信号，需要组蛋白来将DNA包裹到染色体中，需要多种转录因子来控制基因表达，等等。
除了上述功能，蛋白质最复杂和繁重的任务是催化各种化学反应。生命活动是通过数以千计的化学反应来实现的，包括利用外来物质来建造自己的身体，氧化食物中的分子来获得能量，以及产生各种生命活动所需的上述分子，如转运体、抗体、激素、凝血因子等。化工厂经常使用高温高压条件来进行各种化学反应。但是在人体内，所有的化学反应都必须在体温和正常压力下进行。这给了我们一个难题。
例如，在火力发电厂，煤和油在高温下燃烧。但是在常温下，空气中的煤和油非常稳定。当葡萄糖被放在空气中时，即使在炎热的天气里(37摄氏度)，它也不会被氧气氧化。这是因为，为了让分子进行化学反应，它们必须首先获得足够的能量来打开化学键(连接原子和分子的电子连接)。燃烧过程中几千度的高温可以提供足够的能量。然而，在室温下，分子得不到所需的能量，化学反应很难进行。在我们的身体里，葡萄糖很容易“燃烧”成二氧化碳和水，释放出我们身体需要的能量。这是因为，在人体内，化学反应是由蛋白质辅助的。蛋白质可以将化学反应分成几个步骤，每一步都需要较少的能量，这使得在体温下无法完成的化学反应能够成功完成。反应完成后，蛋白质恢复到原来的样子而不被消耗。这个过程被称为“催化”。这些催化化学反应的蛋白质被称为酶。人体内成千上万的化学反应都是由酶催化的。
所以我们可以说没有蛋白质就没有生命。蛋白质是所有生命活动的具体执行者。然而，在过去的20到30年中，由于在几个关键技术(如工具酶的发现和制备、克隆技术、聚合酶链式反应(聚合酶链反应)和大规模DNA测序技术等)上的突破，分子生物学得到了迅速发展。)。然而，在同一时期，蛋白质研究的传统技术并没有取得多大突破，而是需要分子生物学的帮助。结果，人们现在谈论了很多关于DNA和基因的事情，但是他们对蛋白质的关注已经减少了。
事实上，DNA只是一个记录生物密码的分子。密码中的信息只与蛋白质有关。脱氧核糖核酸的功能是编码各种蛋白质，与转录因子一起，精确控制每种蛋白质的时间和位置，仅此而已。剩下的工作留给蛋白质。DNA不记录脂肪和葡萄糖的分子结构，也不编码胆固醇和血红素的分子。正是蛋白质合成并利用这些分子。因此，DNA携带蛋白质的信息，这使得生命成为可能。已经灭绝的猛犸象和尼安德特人的DNA基本上仍然存在，但那不再是生命。只有细胞中的蛋白质(如卵细胞)才有可能让它们再次存活。恩格斯说“生命是蛋白质存在的方式”，进化论者说“生命是传递基因的工具”。这两种观点都有各自的理由。现在人类的DNA序列已经完全阐明，我们已经进入“后基因时代”，是时候重新关注蛋白质了。
为了执行各种功能，蛋白质必须首先与各种分子精确结合。这要求蛋白质的表面形状应该与其结合的分子形状一致，并且结合位点也应该带电。这要求蛋白质分子具有各种特定的形状和表面电荷分布。这是通过上述“19种武器”实现的。
蛋白质由20个氨基酸线性连接而成。每个氨基酸，顾名思义，在其分子上有一个氨基(-NH2)和一个酸性“羧基”(COOH，“羧基”读作“穿梭”)。它们都连接在同一个碳原子上。一个氨基酸分子上的羧基可以与另一个氨基酸的氨基相连，形成的化学键称为肽键。数十或数百种氨基酸连接在一起形成蛋白质。
除了甘氨酸外，这个碳原子上还连接了一个官能团，这个官能团同时连接了氨基和羧基。它们不参与肽键的形成，所以被称为“侧链”。这种侧链有19种。氨基酸相互连接形成线性蛋白质分子后，这些侧链“侧向”延伸，就像一条将许多短绳等距离分开的长绳。这些官能团具有不同的长度和形状以及不同的性质。有些带正电荷(如赖氨酸、精氨酸、组氨酸)，有些带负电荷(如谷氨酸、天冬氨酸)，有些带“亲水性”(如半胱氨酸、丝氨酸、蛋氨酸、酪氨酸)，有些带“亲脂性”(如丙氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸)。在水溶液中，不带电荷的“亲脂性”侧链是“不受欢迎的”，就像油和水不能混溶一样，所以它们必须聚集在一起，“隐藏”在蛋白质分子中。带电的“亲水”侧链位于蛋白质分子之外，并被“油性”内核包裹，因为它能与水分子“紧密相处”。在这个过程中，蛋白质分子是“长绳”，并“卷”成具有特定形状的三维分子。此外，一旦蛋白质的形状固定，带电侧链的位置也固定，在蛋白质分子上形成特定的电荷分布。具有不同形状和电荷分布的蛋白质分子可以由侧链的类型及其排列顺序形成。这些具有特定形状和电荷分布的分子可以完成适合它们的任务。
因此，“19武器”的首要任务不是对外，而是形成具有特定结构的蛋白质分子，即建立一个“工作平台”。
对于酶来说，形状和电荷是不够的。还必须有专门“处理”其他分子的“工具”。这19条侧链也为这些“工具”服务。亲脂性和亲水性侧链可以与其他分子的亲脂性和亲水性部分结合，就像在手术台上固定要手术的病人一样。具有不同电荷性质的侧链可以直接参与化学反应，将它们分成几个容易完成的步骤，例如外科医生的手术器械。在古代，战士一次只能使用一种武器，但是酶可以同时使用多种武器，即参与催化活动的多条侧链。不仅如此，这些参与蛋白质分子化学反应的“武器”的排列也能使它们位于化学反应所需的空间。这些特征使得酶的催化作用非常有效和高度特异性(即一种酶只催化一个反应)。在许多情况下，“十九种武器”就足够了，也就是说，蛋白质分子本身可以完成催化反应。
然而，有些化学反应很难进行，就连“19武器”也无能为力。这时，蛋白质会向非蛋白质物质求助。例如，这些“19武器”不能直接与氧气本身相互作用。与氧相关的反应(如血红蛋白输送氧和肝脏中的解毒酶向毒物分子中添加氧)需要血红蛋白分子的帮助。它的中心有一个铁原子。它与血红素和蛋白质结合后，可以结合或激活氧原子。一些氧化还原反应在体温下也很难进行，仅蛋白质是不够的。这时，蛋白质要求铁和硫化合物帮忙。这些被蛋白质“邀请”的非蛋白质物质被称为“辅基”。人体内的许多酶都带有辅基。
有些人可能会问为什么蛋白质只有19种“武器”，因为蛋白质有时需要辅助基团。为什么进化没有给它更多的武器？蛋白质的“技能”不是更强吗？？这与蛋白质合成过程有关。在合成蛋白质分子的“机器”(核糖体)中，氨基酸是根据信使核糖核酸(核糖核酸)的编码一个接一个地添加的。但是牢房里既没有“交警”也没有“眼睛”。他们不会自己“排队”，而是推推搡搡。因此，每个人都有平等的机会到达反应位点，每次获得正确氨基酸到达反应位点的机会只有二十分之一。DNA只有四个组成部分，所以有效碰撞的概率要高得多，所以DNA合成的速度要快得多。蛋白质合成中要添加20种氨基酸，所以速度要慢得多。如果我们添加更多种类的氨基酸，蛋白质的合成会更慢，使生命难以维持。经过数亿年的进化，构成蛋白质的氨基酸数量稳定在20个，这是需求和可能平衡的结果。
此外，“十九种武器”不是由谁“设计”的，而是在生物学的进化过程中，在千千一千万种不同的分子结构中最终“选择”出来的。当你阅读这篇文章时，这些“武器”正忙于在你的细胞中工作，精确地完成我们身体赋予它们的任务。尽管我们不能用眼睛“看”到它们，也感觉不到它们的存在，但正是因为它们神奇的力量，生命才成为可能。想到这里，我们不能不被生活的美丽和奇迹所感动。