知識樹：蛋白質的命運？

來自專欄孢子學院的生物學9 人贊了文章

在學分子生物學和細胞生物學的時候，其中很大的一部分是講述蛋白質在細胞中是如何被編碼、摺疊、修飾、降解以及發揮功能的，這一部分的知識往往涉及到不同的細胞器或蛋白、生命過程以及一些特殊的情況。

令人掛科的知識和真是有趣的知識往往是一念之差。

比如我就覺得這個真複雜，一定有什麼有趣的角度可以把他們串起來烤著吃。

當然，蛋白質的命運是我後來想出來的，在學這兩門課程的時候，我還是老老實實跟著老師的PPT和教材把下面這些知識走了一遍：

• 生物膜系統與蛋白質的分選；
• 蛋白質的翻譯與加工；
• 蛋白質的修飾；
• 真核細胞質膜、細胞核、細胞骨架、線粒體、葉綠體、溶酶體、過氧化物……
• 基因的表達調控；
• ……

然後我就發現，居然沒有一章是以蛋白質為主角的，這麼重要的生物大分子出場的時候不是工人就是被「work」的對象，沒有人想來談一談它的一生嗎！

所以我就畫了個圖，試圖從五花八門的蛋白質類型中找出一個所有蛋白質的「人生」模板。

做出來之後，我一直覺得它不夠完美，畢竟大家打開它就要費很大的勁了（要在專門的看圖軟體裡面打開，要不然很模糊的），而且，理想的蛋白質一生要形成一個「環」，因為在製造「下一代蛋白質」的過程中，上一代蛋白質隆重出場了很多次。

不過令我滿意的是，這張圖已經基本包含了形成各種蛋白質需要的過程，一是包括了蛋白質軀體的製造甚至調控它製造的過程，其次還包括了蛋白質到內質網、高爾基體那裡「進修」的過程，最後我還沒有忘記他們是怎麼光榮犧牲的……

這還不夠，我們只是知道了細胞對蛋白質「干」了什麼，沒有傾聽蛋白質的心聲。

那麼，它們究竟想做什麼呢？我潛入細胞深入採訪了一下，得到了這樣的答案：

1. 酶，有很大一部分蛋白質屬於酶類，這也是我們印象中最經典的蛋白質形象，不過，這裡的酶特指起催化作用的蛋白酶，至於那些透過酶、信號酶等等，他們是被強行安插到其他崗位的苦命人，說起來這都怪那些起名的兩腳獸。
2. 膜蛋白，這一類蛋白總是與磷脂雙分子層相依為命，他們是蛋白質潛入脂質王國的間諜，依靠著疏水α螺旋打入磷脂內部，其中的整合膜蛋白是最成功的間諜，他們甚至佔了人類基因總數的接近三分之一，你說可不可怕。
3. 還有一些傢伙，他們既是酶也是膜蛋白，所以即使膜蛋白都去做脂質王國裡面的間諜了，他們還是沒有忘記自己的本職工作，其中連續幾億年獲得勞動模範稱號的ATP合酶是它們中最典型的代表。
4. 第四類是蛋白質王國中最精通變身術的傢伙們，他們有一種叫做「變構」的技能，通過友好的磷酸分子傳遞信號，改變自己的構象，將信號向下傳遞或者做一些運動——他們比酶的活性中心還要精通變身的技巧。
5. DNA結合蛋白是蛋白質王國中的主宰者，他們掌管著幾乎所有蛋白質的製造，通過精巧的結構結合DNA上的元件，從而啟動一個蛋白質的製造，說起來如果核糖體是所有蛋白質的母親，那麼這些DNA結合蛋白一定是他們的父親，從轉錄因子到RNA聚合酶，都屬於這一類。

當然了，還有一些其他的小眾蛋白質，我廢了好大的力氣也沒有找到他們的身影，因此想給他們作傳就難了很多。（比如抗體、細胞骨架蛋白、血紅蛋白等等）（沒找到他們的身影其實是我了解不深不敢妄言）

都說結構與功能相適應，在蛋白質的王國里，只有經過一系列「培養」和「考核」，蛋白質才能夠上崗工作，這些培養與考核的過程，自然就是前面說的那些了。

信號肽是蛋白質與生俱來的通行證，我見過很多有身上長著信號肽的傢伙，他們把這個還分成了好幾類，有「內質網定位」「內質網滯留」「高爾基體定位」「核定位」「葉綠體定位」等等好多類型，不過他們都有一些共同點，比如都帶了一串疏水的殘基，這幫助他們穿過疏水的磷脂雙分子層，通行證的兩端還帶有幫助結合其他蛋白質的結構。

還有一些稀有的「通行證」，比如糖基化、M6P修飾。

由於對膜蛋白是怎麼潛入脂質王國的很感興趣，我著重採訪了很多膜蛋白。

我發現，有的傢伙喜歡醯基化，這樣可以讓他們錨定在質膜上；

還有的多肽鏈一開始就通過疏水的α螺旋固定在了內質網上，他們有的甚至可以反覆穿膜很多次，然後隨著膜的運動轉移到其他的膜上；

當然，我還發現了酸性磷酸酶這個特立獨行的傢伙，它居然做出了先分泌到胞外然後再被吞回胞內的騷操作，當然這也形成了幼年溶酶體——胞內體。

膜蛋白裡面有個重要的族群，他們是外周膜蛋白，帶有糖基化的外周膜蛋白——他們的糖基賦予了他們接受信號的能力，而身體另外一端的催化酶或奇妙構象就負責幫助他們把識別到的信號傳遞下去，他們有的學會了磷酸化和去磷酸化，還有的可以發生神奇的變構。

跨膜運輸蛋白是細胞質膜上的貴客，他們內部分成了好幾個派別。

以鈉鉀泵為代表的載體蛋白（通透酶）是一群有不依賴ATP的離子載體和一群依賴ATP的離子泵組成，後者經常嘲笑前者是不捨得消耗ATP的窮光蛋。

以水通道為代表的通道蛋白是另一群清高的傢伙，他們不像離子載體那樣忙忙碌碌甚至有的時候全軍上陣都不能完成任務（離子載體有閾值），他們高傲孤冷效率極高，一旦通道打開便飛速運轉，他們有的感受電位、還有的需要離子配位，還有的感受離子的壓力，不一而足。

我還有過一些其他的採訪，關於蛋白質的神奇功能與結構，這些採訪被記錄在：

喵大俠：你了解的最有趣的蛋白質是什麼，為什麼？

喵大俠：自然界中，有利用濃度梯度合成ATP的結構嗎？

喵大俠：酶為什麼可以降低活化能？

喵大俠：蛋白質的空間結構是只由氨基酸性質（如親水性等）決定，還是通過核糖體內質網使其有空間結構？

喵大俠：人體免疫系統真的能合成這麼多抗體嗎？

當然我作為一個採訪界的菜雞、生物界的鹹魚，很多地方其實搞得也不是很清楚，有不少大佬做出了其他精彩的介紹：

吳思涵：大家都明白身體的運動是因為肌肉的收縮，那肌肉收縮或者說肌肉細胞收縮的動力源又是什麼？

吳思涵：不通過顯微鏡或結構的方法如何知道DNA繞著組蛋白？

menz：為什麼幾個氨基酸通過一定順序排列，並具有一定的空間結構，便會突然具有生物活性？

@吳思涵 @menz 其實我就一直很想知道這麼多視頻圖片之類的素材平時是怎麼積累下來的……

翻書翻圖好累，有機會更新第二輯。這篇主要是引出以蛋白質的命運角度去理解基因表達調控、真核細胞結構、蛋白質構效關係這三個方面的知識，其實細節上的東西可能並不完全正確，只是給大家一個前一陣在雜談三中所說的「做思維導圖的角度」。

雜談（三）：如何建立知識體系

鑒於我「生物界鹹魚」的局限，因此十分希望大佬來投稿本專欄更細緻更新奇地闡述我們在學習生物學的三大基礎課程（生化、分子、細胞）中那些有趣、可能被忽視的點！

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