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界面上的世界之五----超级两面派

(2007-09-25 10:22:25)
标签:

知识/探索

也算科普

蛋白质

分类: 案头之山水
 (都过中秋节去了吧?我这儿没啥可过的,要不是大家提起我都快忘了。一直对于吃月饼没有大兴趣。最近还要搬一次家,更没有精神去干点啥。先贴这篇,名词太多,大家过节吃好喝好了回来再看。可能会有段时间没空写完整的东西了。)
 

上一篇说到表面活性剂是自然界的两面派,它们可以使本来不相容的油水和谐共处,形成类似奶的东西,称为“乳液”,相应地表面活性剂也经常被称为“乳化剂”。在食品工业上,更为常用的乳化剂是蛋白质。而蛋白质的个头更大,结构更复杂,乳化性能也各不相同。从这个意义上说,蛋白质可以说是“超级两面派”。

蛋白质的两面派性格得从蛋白质的结构说起,而蛋白质的结构又不能不说氨基酸。氨基酸,顾名思义,就是带了氨基的酸。我们可以从最核心的那个碳原子说起。一个碳原子有四个胳膊,每个胳膊可以抓一样东西。氨基酸里最核心的那个碳原子,一个胳膊抓了一个羧基,这个特征使它称为“酸”,跟女同胞们爱吃的那个醋之所以被称为“醋酸”的化学原因是一样的;另一只胳膊抓了一个氨基,所以叫“氨基”酸;还有一只胳膊比较低调,只抓了一个氢原子;所有的氨基酸有三只胳膊所抓的东西是一样的。而另一只胳膊,所抓的东西相互不同,就是“同为氨基酸家族的一员,做“人”的差距咋就那么大”的原因。

可以说,不同氨基酸在化学结构上的差别只在于四只胳膊中的一只抓的东西不同。这个不同的东西,通常被称为“侧链基团”。侧链基团虽然只占了一只胳膊,其个头往往比这个氨基酸所有的其他部分还大。对于氨基酸的性格,这个基团的影响巨大。如果侧链基团疏水,这个氨基酸也就被称为疏水氨基酸;反之如果这个基团亲水,就被称为亲水氨基酸。当然,也有侧链基团奉行中庸之道,即不明显亲水也不明显疏水。

当一个氨基酸碰到任何一个氨基酸,一个会提供自己氨基上的氢原子,一个会提供自己羧基上的一个羟基(“羟”这个字很有意思,各取了“氢”和“氧”的一部分,读音差不多是这两个字的反切音),合成一个水分子招待客人,而去了氢的氨基和去了羟基的羧基(叫作“羰基”,一个碳一个氧)勾结起来就成了一个大的分子,被称为“二肽”,相应的二者勾结的那个地方就被称为“肽键”,而两个部分被称为“氨基酸残基”。这个跟人类社会差不多,不同的人要团结成一个整体,总是要每个成员作出一些牺牲或者磨平一些棱角的。这个二肽还有一个羧基一个氨基,可以分别继续勾结别的氨基酸。到最后,可以形成一长串的氨基酸。最小的蛋白质由几十个氨基酸勾结而成,而大的蛋白质可能多达几百上千。

这样的一串氨基酸残基,被称为蛋白质的一级结构。也就是说,它告诉我们这个蛋白的氨基酸是怎样连结的。被连在了一起的氨基酸残基难免与邻居们形成各种各样的邻里关系。有的地方一残基形成一个像弹簧的那样的形状,叫做“阿尔法螺旋”,是一种比较稳定的邻里关系;有的地方形成类似上下折叠的样子,叫做“倍塔折叠”;还有一种直接拐弯的样子,称为“伽马转折”。这些都是有序的结构,类似邻里之间有不同程度的联系。螺旋是很紧密一种联系,类似中国传统社会,早上谁家鸡下了个双黄蛋,中午就传遍了全村。氨基酸序列上还有一些部分就象现代社会,邻里之间鸡犬之声相闻老死不相往来,同一单元住了几年还是不知道隔壁的男女是夫妻还是父女。这种结构叫做“无规卷曲”。这四种邻里关系的结构,在蛋白质科学上被称为“二级结构”,通俗说来就是邻里之间的关系。

氨基酸残基之间的连接虽然很紧密,但还是可以在一定范围内转动。不难想象,几十上百个残基都有一定的活动范围,总体来看那些相距比较远的残基还可以通过一定的作用力互相接近。疏水作用是最常见的一中,那些疏水的的残基,不喜欢外界的水而互相接近;而那些亲水的残基则使劲往外挤去寻找更多的水。另一种重要的相互作用是静电力,有的侧链基团是带电的,同性相斥异性相吸的作用也造成序列上相距较远的氨基酸残基发生排斥或吸引。由于受到身边邻居的牵连和空间距离的限制,这些作用力最后会达到一种合适的平衡。总的来说,这种关系是基于某一点共同特质的,没有什么利益关联,也不很紧密。就象新浪上一伙人,由于共同的爱好,经常互相来往,探讨一下科学精神科学思维或者艺术什么的。但是他们之间只是基于某一点共同的特质,其他方面可能差别巨大。由于空间的限制,比如这些人可能在北京、西北、华南、山东、四川、浙江。。。甚至在地球的另一面,他们的联系很松散。有的氨基酸含有硫原子,如果另一个也含有硫原子,这两个硫原子可能发生很紧密地联结,这样的一种相互作用远比疏水或静电作用强烈,被称为“二硫键”。就象一个在西北,一个在华南,俩人是亲哥俩,就会存在远比共同探讨问题强烈得多的关系。

这样的一种远距离作用,使得氨基酸残基在空间里排列组合,再加上空间的限制和邻居的牵绊,最后会形成一个稳定的空间结构。这种结构被称为蛋白质的“三级结构”。不同蛋白质的三级结构相去甚远,对于蛋白质尤其是那些药用的蛋白,这种空间结构对于功能的影响,甚至比氨基酸的组成更为重要。两个或者多个具有三级结构的蛋白质结构,还可能组合成更大的结构,称为蛋白质的“四级结构”。

就像前面所说,疏水的氨基酸倾向于藏在蛋白质的内部而亲水的残基露在外面,形成一个紧密的近似球体。但是,由于空间的限制和邻居的牵绊,还是有些疏水残基留在分子表面。这样,在蛋白质的分子表面,同时存在着亲水的部位和疏水的部位。疏水部位的存在,使得这些蛋白质分子就象表面活性剂一样,有着两面派的性格。而这种两面派的性格还不是一成不变的,在外界环境的影响下,蛋白质的空间结构遭到破坏,内部的疏水残基显露出来,整个分子的两面派倾向就会发生改变。这也是为什么蛋白质的乳化性质比较复杂的原因。还有一些蛋白质,结构比较特殊,整个分子缺乏有序结构,以无规卷曲为主。而疏水残基和亲水残基相对比较集中,整个分子就象个大的表面活性剂。牛奶中就存在着这两种类型的蛋白。

这篇本来是要说牛奶家族的内幕,但是牵涉到太多蛋白质结构的问题。写到这里已经很长了,还出现了大量名词。不是这个领域的人士,能够看到这里的,都该表扬一下。下一篇是牛奶家族的内幕,比较贴近生活,没有那么多专业名词了。

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