蛋白質(zhì)相關(guān)知識點的深入思考

◎ 王 璽 張 健

蛋白質(zhì)是高中生必須掌握的一個非常重要的名詞概念。它是生命活動的主要承擔(dān)者，例如DNA 聚合酶能夠復(fù)制遺傳物質(zhì)，胰島素可以傳遞信息，調(diào)節(jié)血糖，免疫球蛋白可與外來病原體結(jié)合，保護機體健康。蛋白質(zhì)是貫穿高中生物學(xué)科絕大多數(shù)知識點的主線索。

本文從五個基本生物學(xué)基本觀念出發(fā)，層層剖析，提出問題，深化理解蛋白質(zhì)相關(guān)的多個知識點。

一、蛋白質(zhì)的合成

基本觀念:蛋白質(zhì)由核糖體合成。

除了哺乳動物成熟紅細胞等特例外，幾乎絕大多數(shù)的細胞都有核糖體，包括最小的原核細胞支原體。病毒沒有核糖體，無法生產(chǎn)蛋白質(zhì)，需要寄生于活細胞中。

問題一:蛋白質(zhì)全都在核糖體中合成的嗎? 答:現(xiàn)已知細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)的合成步驟都起始于核糖體。具有特殊信號肽序列的多肽合成起始后，很快隨著核糖體轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。

問題二:其他細胞器可以合成蛋白質(zhì)嗎? 答:分泌蛋白的進一步的合成和加工發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，然后以囊泡包被運輸?shù)礁郀柣w完成最后的加工修飾。其他細胞器不能合成蛋白質(zhì)。

問題三:溶酶體不能合成蛋白質(zhì)，其中的蛋白質(zhì)從哪來? 答:溶酶體中含有多種蛋白質(zhì)類的酸性水解酶。這些水解酶起始在核糖體上合成，之后轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進行N-連接的糖基化，再進入高爾基體發(fā)生特異反應(yīng)，生成甘露糖-6-磷酸的糖基標(biāo)記，由此被分選轉(zhuǎn)運到溶酶體[1]。

問題四:線粒體和葉綠體中含有的某些蛋白質(zhì)從哪來? 答:線粒體和葉綠體屬于半自主性細胞器。這兩種細胞器的蛋白質(zhì)，一部分由自己內(nèi)部專用的核糖體合成;另一部分由細胞核編碼，于游離核糖體中合成后被釋放，然后依據(jù)其特異性的序列信息，轉(zhuǎn)運到線粒體或葉綠體[1]。

二、蛋白質(zhì)的加工

基本觀念:分泌蛋白的最后加工和分選由高爾基體完成。

問題一:內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成的囊泡里包裹的蛋白質(zhì)一般不具有活性嗎? 答:某些生長因子和某些病毒囊膜蛋白，在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中切除信號肽后便成為有活動性的成熟多肽。還有很多蛋白質(zhì)激素和神經(jīng)多肽需要在高爾基體分泌的囊泡中發(fā)生特異性水解才會具有生物活性[1]。

問題二:只有分泌蛋白需要加工嗎? 答:高中所學(xué)的分泌蛋白有蛋白質(zhì)類激素、抗體，消化酶等。細胞膜上的糖蛋白也需要加工修飾。問題三:原核細胞沒有高爾基體，能產(chǎn)生分泌蛋白嗎? 答:原核生物中20%的蛋白質(zhì)需要跨膜轉(zhuǎn)運來通過細胞質(zhì)膜，包括水解酶類、細胞毒素、生長因子等[2]。問題四:原核細胞產(chǎn)生的分泌蛋白沒有高爾基體的加工，如何獲得活性? 如何運送到細胞膜?答:原核細胞產(chǎn)生的分泌蛋白也具有特殊序列，可引導(dǎo)多肽轉(zhuǎn)運到周質(zhì)空間，并可能影響該蛋白質(zhì)的切割和折疊。然而將真核細胞編碼蛋白質(zhì)的基因?qū)肴绱竽c桿菌細胞內(nèi)，是無法產(chǎn)生有活性的成熟蛋白質(zhì)，因為原核細胞缺乏真核細胞蛋白質(zhì)修飾折疊的輔助因子，也沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體[2]。

三、蛋白質(zhì)的利用

基本觀念:蛋白質(zhì)類激素(如胰島素)不能口服。

蛋白質(zhì)是生物大分子，如若口服會被消化酶分解成小分子肽或氨基酸，從而失去相應(yīng)的功能。問題一:多酶片為何能口服?答:多酶片的外層是淀粉酶、胃蛋白酶，內(nèi)層是腸溶衣片包裹的胰蛋白酶。該藥片不能嚼碎，原因是內(nèi)部的胰蛋白酶暴露在胃酸環(huán)境下會喪失活性。問題二:抗體可以口服嗎? 答:抗體(免疫球蛋白)一般不能口服。IgA 是母乳中含量最多，最為重要的一類抗體，可以防止病原體吸附在黏膜表面，從而抑制病菌的入侵。新生兒通過母乳獲得的IgA，可保留在消化道黏膜上發(fā)揮作用。嬰兒黏膜分泌物內(nèi)含分泌片，可以封閉IgA 抗體的蛋白酶敏感位點，使其在富含蛋白酶的黏液中存在更長的時間[3]。

四、蛋白質(zhì)的結(jié)合

基本觀念:真核細胞中蛋白質(zhì)可以和DNA 結(jié)合形成染色體。

問題一:蛋白質(zhì)可以和RNA 結(jié)合嗎? 答:RNA 可以和蛋白質(zhì)結(jié)合為核糖體。另外，端粒酶也是一種由催化蛋白和RNA 模板組成的酶，可合成染色體末端的DNA。

問題二:蛋白質(zhì)還可以與什么物質(zhì)結(jié)合? 答:蛋白質(zhì)與糖可結(jié)合成糖蛋白參與細胞間的信息交流。其實所有的蛋白質(zhì)均能結(jié)合或黏附特定的物質(zhì)，結(jié)合過程或短暫或緊密[4]。例如鈣調(diào)蛋白，只有在和鈣離子結(jié)合時才能被激活，賦予蛋白質(zhì)特定功能。

問題三:原核細胞中存在蛋白質(zhì)和DNA 結(jié)合的復(fù)合物嗎? 答:原核細胞的DNA 分子裸露，并未與蛋白質(zhì)結(jié)合。僅當(dāng)DNA 發(fā)生復(fù)制時，DNA 聚合酶可以和DNA 暫時性地結(jié)合。DNA 聚合酶最早是在1957年，由美國科學(xué)家阿瑟·科恩伯格在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的[5]。

五、蛋白質(zhì)的運輸

基本觀念:主動運輸?shù)倪^程中需要載體蛋白的協(xié)助。

問題一:載體蛋白是如何協(xié)助物質(zhì)進行主動運輸?shù)? 答:幾乎所有類型的生物膜都有載體蛋白。載體蛋白可專一性地與特定的小分子結(jié)合，通過改變自身構(gòu)象，協(xié)助特定小分子完成跨膜轉(zhuǎn)運。該過程載體蛋白不會對被轉(zhuǎn)運物進行化學(xué)修飾[1]。

問題二:胞吞胞吐的過程中有載體蛋白參與嗎? 答:胞吞胞吐又被稱為膜泡運輸。參與此運輸過程的是受體蛋白。問題三:載體蛋白和受體蛋白如何區(qū)別? 答:載體蛋白可被看作是一扇旋轉(zhuǎn)式門，每次都需要改變自身空間結(jié)構(gòu)，且只允許那些能與自身結(jié)合的分子或離子通過，直接將物質(zhì)轉(zhuǎn)運進出生物膜。受體蛋白結(jié)合特定分子后，會將信息從一個胞內(nèi)分子傳遞到另一個分子，最終號召的分子可與效應(yīng)蛋白(如參與某些代謝過程的酶、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄相關(guān)的蛋白質(zhì))相互作用，從而改變細胞的特定生理行為[4]，并不一定起到控制物質(zhì)進出生物膜的功能。低密度脂蛋白(LDL)的運輸過程中，膜受體蛋白主要負責(zé)在細胞內(nèi)側(cè)募集銜接蛋白。銜接蛋白再結(jié)合網(wǎng)格蛋白，網(wǎng)格蛋白的聚集會導(dǎo)致質(zhì)膜的內(nèi)陷，從而包裹LDL 進入細胞，并與胞內(nèi)體初步融合。受體蛋白在此細胞器中被釋放，與LDL 分離。如此受體蛋白返回細胞膜可重復(fù)使用。而含有LDL 的胞內(nèi)體進一步與溶酶體融合，最終LDL 被水解釋放出膽固醇和脂肪酸供細胞利用[1]。

問題四:蛋白質(zhì)顆粒進出生物膜一定依賴于胞吞胞吐嗎? 答:蛋白質(zhì)進出核膜依賴的是核孔復(fù)合體，并非胞吞胞吐作用。以親核蛋白為例，它們一般具有特殊的氨基酸序列，核孔復(fù)合體只會識別被某些蛋白因子結(jié)合的待轉(zhuǎn)運親核蛋白，同時核孔復(fù)合體的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，方能將親核蛋白從胞質(zhì)側(cè)轉(zhuǎn)移進入核質(zhì)側(cè)，而后蛋白因子會與被轉(zhuǎn)運的親核蛋白分離[1]。

通過五個方向?qū)Φ鞍踪|(zhì)知識點的深入探討與分析，能夠充分拔高學(xué)生生物學(xué)專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的鉆研精神。