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一一位于美国加州的Impossible Foods正是这样一家让不可能变成可能的食品科技公司。这家由美国斯坦福大学生物化学研究人员创办的初创企业,主要研究由植物血红蛋白中含有的分子制造食用肉及乳制品的技术。
这家公司已经在去年拿到了D轮投资,UBS(瑞士银行)领投,Viking Global Investors跟投,原有投资方Khosla Ventures、李嘉诚旗下的Horizons Ventures以及比尔・盖茨的GatesVenture也参与了此轮融资。
前不久,这家公司还酷酷地拒绝了谷歌出价在2~3亿美元收购要求,而拒绝的理由是由创始人兼CEO Patrick BTown在公开场合做出解释:“简单来说,我并不是认为谷歌有什么不好的地方。我们是一家以目标为导向的公司……我们不希望自己的成功依赖于一家正在从事许多业务的公司,并时不时的向他们申请资源和支持,因此我们在现阶段被任何企业收购都是不合理的。”
制造没有鸡蛋的蛋黄酱和没有肉的肉,这被称作硅谷食物2.0时代。Impssible Foods正是后者的代表。使用食品科技生产肉质感的植物蛋白食物,除了健康原因,更重要的是改变污染和动物杀戮的食物链。据说今年将在美国上市的“奶酪”汉堡,除了色香味之外,甚至还会有和奶酪一样的拉丝效果,价格可能会达到20美金。但随着技术的普及化,这类汉堡的价格会随之下降,而产品也会尽可能地推向全世界。当然了,这家公司希望生产出更多食品,比如植物蛋白的牛奶、培根、猪肉、鸡肉,让死硬派肉食者过上食素生活。
Brown和硅谷其它创新食品公司的创始人一样相信,为了肉食而养殖是一项既低效、又带有毁灭性的、毫无必要的技术。而食用植物蛋白不仅安全,甚至还能避免来自屠宰场的细菌。为此Brown和他的团队花了三年半的时间,研究日常饮食中人们食用肉类食品过程的复杂美妙体验,然后在植物世界中寻找特别的蛋白质和营养成分以重建这种体验。
这家公司的最重要的一个发现便是,heme(亚铁血红素)是肉类的色香味的“神奇成分”。尽管heme大量存在于肉类中,却是包括植物所在的每一个生命都有的元素。一种植物中天然存在的heme可以让植物蛋白肉也有真正的肉味。借助这项突破性发现,Impossible Foods得以制作真正好吃的植物肉汉堡。在植物世界中寻找能够组成肉类的各种最佳元素,这使得这家公司发现了很多意想不到的成分,比如可可和白兰瓜。
关键词 植物蛋白质;特性;提取;应用价值
中图分类号 Q946.1 文献标识码 B 文章编号 1007-5739(2014)01-0289-03
蛋白质是生物体所必需的生物大分子物质,是细胞中含量最丰富,功能最多的大分子物质,在各种生命活动过程中发挥重要作用,是维持生命的物质基础。联合国粮农组织(FAO)表示,成年人每天摄取蛋白质应在75 g以上,而世界人均水平只有68.8 g,我国目前平均水平仅60 g[1]。蛋白质摄入不足主要是由于蛋白质的绝对摄入量不足以及摄取的蛋白质中的氨基酸的比例失衡导致,目前解决蛋白质摄入不足的首要方法是开辟新型蛋白质来源,并通过合理的膳食搭配来解决氨基酸比例失衡。动物蛋白虽然是优质的蛋白源,但其转化途径要比植物蛋白质的提取需要更多的经济费用及更长的时间周期,而植物蛋白质的利用成本相对较低,因此加工利用植物蛋白质是我国目前主要的解决蛋白质供应不足的措施。
1 植物蛋白质的基本特性
按摄取来源可将蛋白质分为动物性蛋白质和植物性蛋白质2类。动物蛋白质主要来源于家禽、家畜以及鱼类的蛋、奶、肉等。其主要以酪蛋白为主,其特点是吸收利用率极高;植物性蛋白质,顾名思义是从植物中提取的,其营养成分与动物蛋白相仿,但植物蛋白质外周有纤维薄膜包裹从而使得植物蛋白质较动物蛋白难以消化。因此,从人体吸收利用率来说,植物蛋白质较动物蛋白低,但经过加工后的植物蛋白不仅更容易被人体所吸收,而且由于植物蛋白质几乎不含胆固醇和饱和脂肪酸,所以较动物蛋白更加健康养生。
从营养成分来说,蛋白质主要是由各种氨基酸组成,人体通过各种酶将蛋白质降解成各种氨基酸以后被人体所吸收。动物蛋白氨基酸成分比较全面,而植物性蛋白质所含的氨基酸的种类不如动物蛋白质多,其中赖氨酸、苏氨酸、色氨酸和蛋氨酸的含量均相对不足,因此从成分上来说可以将蛋白质分为完全蛋白和不完全蛋白,大多数植物性蛋白质属于不完全蛋白。如谷物蛋白含蛋白质10%左右,蛋白质含量不算高,是人类膳食蛋白质的主要来源,谷物蛋白一般缺乏赖氨酸;油料蛋白主要是蛋氨酸不足。例如小麦蛋白主要是赖氨酸和苏氨酸不足;玉米蛋白主要是色氨酸和赖氨酸不足;棉籽蛋白主要是蛋氨酸不足;花生蛋白主要也是缺乏蛋氨酸;豆类含有丰富的蛋白质,特别是大豆含蛋白质高达36%~40%,氨基酸组成也比较合理,大豆蛋白除蛋氨酸和半胱氨酸含量稍低于联合国粮农组织(FAO)推荐值外,氨基酸组成基本平衡,在体内的利用率较高,是植物蛋白质中非常好的蛋白质来源;葵花籽蛋白中,蛋氨酸的含量较高,如把蛋氨酸含量较高的葵花籽蛋白与大豆蛋白混合使用,可以补充大豆蛋白蛋氨酸的不足。因此,将各种植物蛋白混合制作食品大有市场前景[2]。另一方面,过多的摄入动物性蛋白,相对的胆固醇和饱和脂肪酸也将过量摄入,将导致高血压、高血脂、肥胖等各种“富贵病”。而将各种植物性蛋白质合理搭配,不仅可供人体获得所必需的各种必需氨基酸外,还可降低各种疾病的发病率,同时还具有提高免疫力、抗癌等作用。因此,植物蛋白在建立健康的饮食结构方面所起的作用也越来越受人们重视。
植物蛋白质具有良好的加工特性,经过加工后其具保水性和保型性,使其制品有耐储藏等较好的经济性品质。植物蛋白质可以单独制成各种食品,同时也可与其他如蔬菜,肉类等相组合加工成各种各样的食品。在追求营养、健康、安全饮食的今天,经加工而成的植物蛋白饮料、蛋白粉等也受到越来越多的人们青睐。植物蛋白的这些经济性、营养性、功能性的优点使植物蛋白质的提取加工成为当今世界热门产业,其开发潜力巨大,市场前景广阔。
2 植物蛋白质的分类及提取
根据植物中各成分含量及其来源的不同,可以将植物蛋白分为4种类型的蛋白质,即油料种子蛋白、豆类蛋白、谷类蛋白以及近年出现的螺旋藻蛋白。各类植物的物理形态不同,蛋白质的成分含量也不同,相应的提取方法也各不相同。
2.1 油料种子蛋白质
油料种子主要包括花生、油菜子、向日葵、芝麻等,其蛋白质种类主要以球蛋白为主。其中花生中蛋白质含量为26%~29%,其中球蛋白含量可以达到90%,其加工后溶解性高、黏度低,可用于制作面包及饮料等。向日葵是重要的油脂原料来源,其含有较高的球蛋白,但其赖氨酸含量有限。油菜籽产量很高,油菜籽含蛋白质25%,去油后的菜籽粕含有35%~45%的蛋白质[3]。在植物蛋白质中,油菜籽蛋白的营养价值最高,没有限制性氨基酸,特别是含有许多在大豆中含量不足的含硫氨基酸。以油菜籽的脱脂物为原料可以加工浓缩蛋白。蛋白质在提取、分离等加工过程中,容易受到因加热而变性的影响,使蛋白质溶解度降低,不能形成胶体,而油料种子蛋白质具有很好的保水性与持油性。此外,经分离得到的变性少的蛋白质,其发泡性、乳化性、凝胶性都很好。
目前采用的从油料中提取蛋白质的方法主要有2种:碱溶酸沉淀法和反胶束萃取法[4]。其中碱溶酸沉淀法酸碱用量大,对环境的污染严重。因此,一般选用萃取条件温和,蛋白不易失活的反胶束萃取法,同时它还具有溶剂可循环利用、成本较低的经济性优点。主要作用原理是将表面活性剂溶解到有机溶剂中,加溶一定量水形成反胶束溶液,同时从植物油料中萃取油和蛋白,油脂萃溶至有机溶剂中,蛋白或绿原酸加入萃入反胶束的极性内核中,在提取出绿原酸后萃取出蛋白质,最后用离子强度大的溶液反萃出来,经过脱盐干燥制得蛋白质产品。但该方法也有一定的局限性,在提取过程中由于使用溶剂较多,溶剂容易残留在制成的蛋白质产品中,因此反胶束萃取法不适用于提取相对分子质量较大的蛋白质。
2.2 豆类蛋白质
豆类中蛋白质的含量丰富,其主要存在于蛋白质体中,豆类的蛋白质含量高达40%,蛋白质体中达80%。一般而言,豆类蛋白质中碱性氨基酸含量较少,谷氨酸、天冬氨酸等酸性氨基酸含量较多,其中也以球蛋白为主,还含有丰富的不饱和脂肪酸、钙、磷、铁、膳食纤维等,不含胆固醇,具有很高的营养价值。现代营养学家研究证实,豆类蛋白质具有降低高血压、减少心血管病、促进营养吸收和降血脂的功效。不仅如此,豆类中还含有皂苷、异黄酮等活性成分,具有抗衰老、提高免疫力、促进钙物质吸收的功能[5]。
豆制品生产中普遍存在蛋白质提取率偏低的问题,以大豆提取为例,目前大豆蛋白质的提取率大多在60%以下[6]。大多数大豆蛋白都可溶于水,所以提高大豆蛋白质的提取率具有很大的潜力。根据蛋白质溶解特性大豆蛋白可分为清蛋白和球蛋白2类[7];又根据离心分离系数(即沉降系数)不同,大豆分离蛋白可分为2S、7S、11S和15S等4种组分[8]。根据蛋白质的分离程度的不同,豆类蛋白的分离方法可分为2类。一类是以低变性的豆粕为原料,用弱碱性溶液浸出蛋白质,将糖类和不溶性物质用高速离心机分离出去,提取用酸调节pH值为4.5~4.6,使蛋白质从溶液中沉析出来再经过碱水中和呈溶液状态,然后送入加热器中经快速灭菌后,喷雾干燥得成品,此时的蛋白成品含有少量的可溶性糖分、灰分以及其他微量成分[9-10]。另一类是将经过加工除去蛋白质中的可溶性糖分、灰分以及微量元素成分得到的浓缩蛋白质(SPC),提高了蛋白质的含量。周红霞[11]通过调整工艺参数,选用pH值7.0,将大豆用水浸泡15 h后在70 ℃高温下按豆水比1∶10磨浆使大豆蛋白的提取率达到近80%。随着新技术的开发利用,豆类蛋白的提取工艺也不断革新,如目前市面上出现的各种仿肉制品就是将从大豆中分离的蛋白经碱中和后通过有数千个小孔的隔膜后置醋酸盐溶液中,使蛋白质凝固析出,蛋白分子在一定程度上定向排列形成组织化大豆蛋白产品[12]。
2.3 谷类蛋白质
谷类主要包括玉米、小麦、黑麦等,谷类中的蛋白质不溶于水或盐溶液,其主要成分为溶解于碱溶液的谷蛋白和溶解于酒精的醇溶蛋白。玉黍中含有较多的醇溶蛋白,而小麦中含有13%蛋白质,其中谷蛋白和醇溶蛋白含量基本相同,均含有30%~50%,构成面筋的麦胶蛋白和麦谷蛋白是小麦籽粒中的主要蛋白质,它们一起构成面粉中的面筋质。麦谷蛋白与麦胶蛋白结合在一起很难分离,稍溶于热的稀乙醇中,但冷却后便成絮状而沉淀。只有新制得的尚未干燥的麦谷蛋白才非常容易溶解在弱碱和弱酸中,并在中和时又沉淀出来。小麦的蛋白质成分含量除亮氨酸、蛋氨酸、胱氨酸和色氨酸外,其余的必需氨基酸均达不到世界卫生组织(WHO)推荐的标准,其中赖氨酸严重缺乏,因此小麦粉蛋白质属于不完全蛋白质。
小麦的胚芽中还含有一些蛋白,其蛋白质含量高达30%左右,小麦胚芽蛋白是一种完全蛋白,含有人体必需 8种氨基酸和2种半必需氨基酸,占总氨基酸34.7%[13],且易于被人体吸收,小麦胚芽蛋白的组成中清蛋白占30.2%,α、γ、δ等3种球蛋白占18.9%,麦醇溶蛋白占14.0%,麦谷蛋白占0.30%~0.37%,水不溶性蛋白占30.2%[14]。因此,将各种谷类合理搭配成主食更有利于人体健康。
2.4 螺旋藻蛋白
螺旋藻是一种外观为蓝绿色、螺旋状单细胞水生植物,是最近食品界较为关注的蛋白质源。螺旋藻中主要的蛋白是藻蓝蛋白(phycocyanin,PC),在螺旋藻中主要以藻胆蛋白体的形式存在 ,其蛋白质含量高达70%,藻胆蛋白体由多种藻胆蛋白及连接蛋白或多肽组成[15],含有人体所必需的苏氨酸、赖氨酸等,同时螺旋藻蛋白极易被人体吸收利用,具有很高的营养价值。
螺旋藻蛋白极高的营养价值使其市场前景广阔,除了可以作为食品外还可用于医药原料,具有极高的经济价值。现在已经有多种藻蓝蛋白的提取方法,其中用新鲜藻丝为原料分段梯度盐析分离纯化藻蓝蛋白,经羟基磷灰石层析,能使提取的PC纯度大于普遍认可的标准[16]。还有一个相对较简单的方法是Ganapathi Patil et al[17]设计的,主要包括2个步骤:即双水相萃取和离子交换层析。该方法是从螺旋藻中得到藻蓝蛋白粗提物,然后经过双水相萃取步骤之后纯度得到提高,继续过离子交换层析,进一步纯化蛋白。
3 植物蛋白质的应用价值
植物蛋白质是一类氨基酸含量丰富的蛋白质,由于其具有丰富的营养和许多优良的功能特性,被广泛地应用于多种食品中,如肉类食品、焙烤食品、乳制品、饮料等。植物蛋白质一般不含或仅含有少量的胆固醇、油脂等,受到许多肥胖者、高血压、高血脂以及爱美人士的青睐。不仅是在食物方面,在医疗方面也有很大的应用,如藻蓝蛋白具有抗氧化、抗炎症的功效,还可以用来治疗氧化应激诱导的一些如 Alzheimer′s和 Parkins on′s等神经退化疾病[15,18],以及促进机体免疫系统功能和抑制溶血的作用。以大豆蛋白质为主的植物蛋白质产业在我国已具有相当规模。将植物蛋白质作为副原料,在鱼糜制品中应用,进一步降低鱼糜制品成本[19]。大豆饼、粕是所有饼粕类饲料中最为优越的饼粕,在猪、鸡配合饲料中得到广泛应用。近年来,植物蛋白饮料也深受人们的喜爱,花生乳、杏仁露等都是日常生活随处可见的饮料。
4 结语
越来越多的植物蛋白类产品的出现都标志着植物蛋白已经是生活中不可缺少的一类蛋白质,它的巨大开发前景也将随着生产技术和设备的完善被人们所认识。植物蛋白能够提供营养而廉价的蛋白质,世界各国正积极开发植物蛋白资源以解决蛋白质资源不足的现状。目前,植物蛋白资源的开发途径主要是通过高新技术对植物蛋白资源的应用进行研究并对传统产品进行改造。但植物蛋白的提取和加工的发展还受到一定的限制,主要是由于加工过程中营养成分的损失,以及加工后的废物处理等问题。这还需要逐步去解决,充分利用植物蛋白源,提高其利用效率,使其更好地为人们所利用。
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蛋白质的氨基酸序列决定其结构和功能,因此氨基酸序列比对可以用来鉴定微生物和植物蛋白的生化和功能等同性。一般确定蛋白质的序列的方法为N端测序和串联质谱测序。微生物和植物目的蛋白的N端测序一般用Edman测序法[9]。目的蛋白通过和异硫氰酸苯酯作用转变为苯胺基硫甲酰蛋白,这种修饰了的N端氨基酸通过和三氟乙酸作用发生裂解后转变成可以在色谱分析或者电泳中分离识别的乙内酰苯硫脲。由于这种转化不可能反应完全,所以获得的序列数量有限。但是微生物蛋白中的前10个氨基酸残留序列可以检测出来,并能与获得的植物蛋白序列直接进行序列比对。Edman法得到的数据是半定量的,并且可以检测出混合样品中的N端形式。Edman化学降解测序法虽可靠、有效,但仍有其无法避免的局限性,如N端封闭的、环状的蛋白不能测定;被修饰的蛋白不能给出确切的信号;要求蛋白或多肽的纯度在95%以上;测序速度较慢,灵敏度较低,耗费大等。采用钠升喷雾(Nano)技术和碰撞诱导解离(CIDcollisioninducddissociation)方法,在电喷雾-四极杆-飞行时间质谱(ES1-Q-TOFelectrspectrometryionizationquadrupole-timeofflight)上,可以对两种序列部分未知的天然多肽进行从头测序(denovosequence)。例如,刘清萍等[10]利用钠升电喷雾串联质谱法对从Sigma公司购买的标准肽(GLU1)-FIBRINOPEPTIDEB(Glu-fib)进行了测序,采用钠喷针进样,TOFMS扫描,得到Glu-fib的(M+2H)2+的离子峰(图2),用Micromass的专用解谱软件MasSeq直接解析其序列为EGVNDNEEGFFAR,与Glu-fib的序列完全吻合。这种方法可以方便有效的解决传统的Edman降解法测序中常见的实际问题,如末位残基的丢失,赖氨酸和亮氨酸难鉴定等,此方法的建立是对Edman降解测序法很好地补充。
2糖基化修饰
植物中超过一半的蛋白质是糖基化形式。糖基化修饰能改变蛋白质的生理化学特性,如耐热性、功能活性、蛋白折叠、转运和半衰期等。在植物蛋白中N-糖基化是一种常见的糖基化形式[11,12],一般为Asn-Xxx-Ser/Thr序列形式或较少见的Asn-Xxx-Cys序列形式(其中Xxx是除了Pro以外任意的氨基酸)。一般情况下,糖基化情况不同会导致蛋白生理化学性质的改变。在转基因植物中蛋白一般不会特异地进行糖基化,且大肠杆菌中表达的重组体蛋白也没有糖基化[13]。因此,如果能证明两种蛋白都不存在糖基化,也能证明两种蛋白在功能上具有等同性。典型的植物N-糖基化形式较复杂,并且每个糖基化基团增加1-2kD的质量[14]。通常检测植物蛋白糖基化基团的方法有:Westernblot免疫杂交分析、氨基酸序列分析、蛋白高效液相色谱分析、红外光谱(FT-IR)分析、电镜扫描图谱(SEM分析)等。图3就是一张从重组大肠杆菌和转基因玉米GA21叶片提取液中得到的mEPSPS蛋白的糖基化免疫杂交图[4],结果证明两种mEPSPS蛋白都没有糖基化,因此通过Westernblot检测可以获得比较植物蛋白和微生物蛋白糖基化状态的证据。
3生物活性
3.1酶蛋白活性
许多转基因蛋白都是酶类,证明转基因蛋白和微生物蛋白的活性具有等同性非常重要。酶的活力用酶单位表示,一般经常用酶联免疫吸附试验(ELISA)来检测酶活力。但是,ELISA试验不能区别活性蛋白和非活性蛋白,从而使酶活力结果不准确。因此,为了提高检测的准确性,在分离纯化转基因植物表达蛋白时用原始的植物提取液来进行试验。另外,需要考虑的是植物样品中的蛋白酶和次级代谢产物,以及提取过程中pH的迅速改变等,这些因素都会影响酶的活力。在比较微生物和植物蛋白酶活力时,最好用原始的转基因植物提取液与混合了非转基因植物提取液的微生物蛋白进行研究。例如,草甘膦抑制5-烯醇式丙酮蟒草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)的活性,这种酶可以催化莽草酸合成芳香族氨基酸过程。在转基因玉米GA21中表达一个经过改造的mEPSPS,其中由于两个氨基酸的替换,降低了草甘膦和mEPSPS的结合能力,从而产生草甘膦抗性[15]。微生物表达的mEPSPS蛋白酶活力是植物酶的9倍(表2)。然而,当微生物表达的酶和非转基因玉米提取液混合时,酶活力只是植物酶的2倍,表明玉米提取液抑制了mEPSPS的活性。这为利用微生物表达的mEPSPS是否适合代替植物表达的EPSPS来进行风险性研究提供了重要的信息。
3.2杀虫蛋白活性
杀虫蛋白的活性由一定时间内杀死给定试验幼虫的毒蛋白浓度或者剂量来衡量,一般由LC50来表示,即在一定时间内杀死暴露在毒蛋白中50%敏感幼虫的毒蛋白浓度。由于不同幼虫个体间会有些许不同,因此生物活性检测的结果也会不同。为了降低外来因素的干扰,植物和微生物杀虫蛋白的杀虫活力检测应当在统一的条件下进行,并且幼虫的来源也要统一,且随机分配到不同处理中。徐海滨等[5]证实大肠杆菌表达的Cry1Ie蛋白杀虫活性较强,与宋福平等[18]的试验结果大体一致(表3);纯化Cry1Ie蛋白对玉米螟的生长抑制明显,与转cry1Ie玉米叶片所进行玉米螟虫试结果有良好的一致性,表明纯化Cry1Ie蛋白与转cry1Ie玉米表达的抗虫蛋白在生物活性上具有相似性。目前,大部分商业化的转基因作物以表达酶类或者毒素蛋白为主,检测这些蛋白活性的方法相对较简单,但转基因作物新的特性需要检测方法不断改进更新。例如,一种增加玉米水利用效率的方法是在玉米中表达一种来自于枯草芽胞杆菌的冷休克蛋白(CSPB),CSPB结合到单链DNA或RNA上,由于这种蛋白可打开DNA双链,其结合活性可通过一个标记的双链探针发射出的荧光检测[19]。这种方法已用来测定微生物和植物表达的CSPB蛋白的等同性。微生物蛋白与转基因植物蛋白等同性的确定是为了利用微生物蛋白进行转基因作物的风险性评估。例如,杨辉等[20]在进行转基因表达蛋白的急性毒性试验时,一般以啮齿类动物(通常是小鼠)一次性高浓度经口暴露,观察时间为14d,对于EPA和OECD,建议在急性经口毒性试验中采用的剂量分别为2000和5000mg/kg。显然,从转基因植物中获得如此高的纯化蛋白是不可能的,而当确定微生物蛋白和植物蛋白具有等同性之后,通过微生物表达蛋白就可以达到目的。本研究室与其他相关实验室合作,开展了微生物蛋白的纯化工作,通过构建Cry1Ie蛋白表达载体,在大肠杆菌表达菌株BL21中大量表达纯化Cry1Ie蛋白,以证明Cry1Ie蛋白在转基因玉米中的安全性,同时做好安全性评价工作。
4结语
2、蛋类。蛋由蛋清和蛋黄组成。蛋清和蛋黄分别约占总可食部的2/3和1/3。蛋清中营养素主要是蛋白质,含有人体所需要的必需氨基酸,全蛋蛋白质几乎能被人体完全吸收利用,是食物中最理想的优质蛋白质。
3、鱼类。鱼类食品肉质细嫩,味道鲜美,营养丰富,容易消化,是人们喜爱的食物。尤其适宜老人、幼儿和病人食用。鱼类脂肪含量低,含量在1~10%,并且蛋白质的含量在15~20%,属优质蛋白质,鱼肉肌纤维较短,蛋白质组织结构松软,水分含量多,肉质鲜嫩,容易消化吸收,消化率达87——98%。
4、豆类。豆类的品种很多,主要有大豆、蚕豆、绿豆、豌豆、赤豆等。根据豆类的营养素种类和数量可将它们分为两大类。一类以黄豆为代表的高蛋白质、高脂肪豆类。另一种豆类则以碳水化合物含量高为特征,如绿豆、赤豆。豆类的营养价值非常高,每天坚持食用豆类食品,人体就可以减少脂肪含量,增加免疫力,降低患病的几率,豆类所含蛋白质含量高、质量好,其营养价值接近于动物性蛋白质,是最好的植物蛋白。
我们身体里面的蛋白质,负担的任务远比古代的武士进行搏斗为多。为了完成所有这些任务,蛋白质不但也有“十八般兵器”,而且比古代武士所用的还多一种,所以有“十九般兵器”。这些武器的名字中最后的两个字(氨酸)相同。为了看起来简洁,并且和上面的“十八般兵器”对应,我们在这里把这最后两个字略去,只写出它们前面的字,那就是丙、缬、亮、异亮、苯丙、脯、色、丝、酪、半胱、蛋、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏、天冬、谷、赖、精、组。
这些武器到底是什么,我们后面再讲。在这里先说说蛋白质的重要性和任务。任务清楚了,蛋白质为什么要这么多种“武器”就清楚了。
蛋白质不仅是构成皮肤(如胶原蛋白)、毛发、和指甲的材料,更与所有的生命活动有关。肌肉收缩需要几种蛋白纤维,物质转运需要各种蛋白转运器,识别敌友需要抗原识别蛋白,标记外来的异物需要抗体,凝血需要成纤维蛋白,调节血糖需要胰岛素,感知外界信号需要各种蛋白受体,把DNA缠绕成染色体需要组蛋白,控制基因的表达需要各种转录因子,等等。
除了以上功能以外,蛋白质最复杂,最繁重的任务,还是催化各种化学反应。生命活动是通过几千种化学反应来实现的,包括利用外来物质建造自己的身体,氧化食物中的分子以获取能量,生产前面提到的各种生命活动所需要的分子,如转运蛋白,抗体,激素,凝血因子,等等。化工厂里面要实现各种化学反应,常常使用高温高压的条件。但是在人体中,一切化学反应却必须在体温和常压下进行。这就给我们出了个难题。
比如在火力发电厂中,煤和石油是在高温下燃烧的。但是在常温下,放在空气中的煤和石油却很稳定。把葡萄糖放在空气中,哪怕在大热天(到37摄氏度),它也不能被氧气所氧化。这是因为,分子要进行化学反应,必须首先要得到足够的能量,把其中的化学键(把原子连接成分子的电子联系)打开。燃烧时上千度的高温能够提供足够的能量。但是在室温下,分子却得不到所需的能量,化学反应也就难以进行。而在我们的身体中,葡萄糖却可以容易地被“燃烧”,变成二氧化碳和水,释放出我们身体所需要的能量(见我在《科学网》里的博文,《人体中“烧”氢的“发电厂”》)。这就是因为,在体内,化学反应有蛋白质的帮助。蛋白质能把化学反应分成几步,每一步需要的能量都比较少,这就使得原来在体温下不能完成的化学反应也能顺利完成。反应完成以后,蛋白质又恢复原来的样子,本身并不消耗。这个过程就叫做“催化”。这些催化化学反应的蛋白质,就叫做“酶”。我们身体里面的几千种化学反应,都是由酶来催化的。
所以我们可以说,没有蛋白质就没有生命。蛋白质是一切生命活动的具体执行者。但是在过去的二、三十年中,由于若干关键技术的突破(比如工具酶的发现与制备,克隆技术,聚合酶链式反应即PCR,以及大规模测定DNA序列的技术等等),分子生物学得到了迅猛的发展。而在同一时期中,对蛋白质进行研究的传统技术却没有多少突破性的进展,反而需要借助分子生物学的手段。因此,现在人们对DNA和基因谈论得很多,对蛋白质的注意力反而有所下降。
其实DNA不过是记载生物密码的分子。而且密码里面的信息,只和蛋白质有关。DNA的作用,就是为各种不同的蛋白质编码,并且和转录因子一起,准确地控制每种蛋白质出现的时间和地点,仅此而已。其余的工作都交给蛋白质去做。DNA并不记录脂肪和葡萄糖的分子结构,也不为胆固醇和血红素的分子编码。是蛋白质在合成和利用这些分子。因此,DNA携带蛋白质的信息,蛋白质使生命得以实现。已经绝灭的猛犸和尼安德人的DNA还基本上存在,但那已经不是生命。只有细胞(比如卵细胞)里面的蛋白质有可能使它们重新变为活的生物。恩格斯说,“生命是蛋白质的存在方式”,进化论者说,“生命是传递基因的工具”,两种说法都有其道理。现在,人的DNA序列已经完全弄清,我们已经进入“后基因时代”,是重新把注意力放到蛋白质身上的时候了。
蛋白质要执行各种功能,首先就要准确地与各种分子相结合。这就需要蛋白质的表面形状要和与它结合的分子的形状相符,而且结合处的带电情况也要相配。这就要求蛋白质分子有各种特异的形状和表面电荷分布。这是由上面所说的“十九般兵器”来实现的。
蛋白质是由20种氨基酸线性相连形成的。每个氨基酸,就像它的名字所说的,分子上都有一个氨基(-NH2)和一个带酸性的“羧基”(COOH,“羧”发音“梭”)。它们都连在同一个碳原子上。一个氨基酸分子上的羧基可以和另一个氨基酸的氨基相连,形成的化学键叫肽键。几十或几百个氨基酸相连,就形成了蛋白质。
除甘氨酸以外,在这个同时与氨基和羧基相连的碳原子上,还连着一个功能基团。它们不参与肽键形成,所以叫做“侧链”。这样的侧链共有19种。在氨基酸彼此相连形成蛋白质的线性分子后,这些侧链就“横着”伸出来,好像一根长绳子上等距离地分出许多短的绳子。这些功能基团长短和形状不同,性质各异。有的带正电(如赖氨酸、精氨酸、组氨酸),有的带负电(如谷氨酸、天冬氨酸),有的“亲水”(如半胱氨酸、丝氨酸、蛋氨酸、酪氨酸),有的“亲”脂(如丙氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸)。在水溶液中,不带电的“亲脂”侧链“不受欢迎”,就像油与水不能混溶一样,只好彼此聚在一起,“藏”在蛋白质分子的内部。而带电的“亲水”侧链由于能与水分子“亲密相处”,就位于蛋白质分子的外面,包裹着“油性”的内核。这个过程也就把蛋白质分子“长绳子”“卷”成有一定形状的立体分子。而且蛋白质形状一固定,带电荷的侧链的位置也就被固定,形成蛋白质分子上特异的电荷分布。由侧链的种类和它们的排列顺序,就可以形成各式各样形状和电荷分布的蛋白质分子。这些具有特定形状和电荷分布的分子就可以去完成适合于它们的任务。
所以说,这“十九般兵器”,第一步的任务不是对外,而是首先形成具有特定结构的蛋白质分子,也就是搭建“工作平台”。
对于酶来说,形状和电荷还不够,还必须有具体对其它分子进行“加工“的”工具”,这些“工具”也是由这19种侧链来充当的。亲脂和亲水侧链可以结合于其它分子的亲脂和亲水部位,就像把要做手术的病人固定在手术台上。而具有不同电荷性质的侧链则可以直接参与化学反应,把它分成几个容易完成的步骤,像外科医生的手术器具。古代的武士每次一般只能使用一种武器,但是酶却可以同时使用多种武器,也就是多个侧链参与催化活动。不仅如此,这些参与化学反应的“兵器”在蛋白质分子中的排列,还能使它们位于化学反应所需要的空间位置。这些特点使得酶的催化高度有效,而且高度特异(即一种酶只催化一种反应)。在许多情况下,这“十九般兵器”也就够用了,也就是蛋白质分子自己就能完成催化反应。
不过有些化学反应是很难进行的,就是“十九般兵器”也无能为力。这个时候蛋白质就要请非蛋白物质来帮忙了。比如这“十九般兵器”自己都无法直接与氧相互作用。与氧有关的反应(比如血红蛋白运输氧和肝脏中的解毒酶在毒物分子上加上氧)就要请血红素分子来帮忙。它的中心有一个铁原子。它与血红素和蛋白结合之后,就能结合或活化氧原子。一些氧化还原反应也是难以在体温下进行的,光靠蛋白质自己还不行。这时蛋白质就请铁和硫的化合物来帮忙。这些被蛋白质“请”来帮忙的非蛋白物质就叫做“辅基”。人体中许多酶都带有辅基。