世界上“最豐富”的蛋白質

高建國

世界上“最豐富”的蛋白質是什么？要回答這個問題可以從不同的角度入手，如從人類自身的角度，問題的答案是：膠原蛋白。膠原蛋白是人體中最豐富的蛋白質，其含量介于25%～35%。而對于單個細胞來說，含量最豐富的蛋白質則是肌動蛋白，它被稱為真核細胞的“管家蛋白”。但當我們不考慮單個細胞或某個物種時，可以說，世界上最豐富的蛋白質是植物進行光合作用時的關鍵酶——1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（下文簡稱光合酶）。

為什么光合酶是地球上最豐富的蛋白質呢？這需要從生物學和進化學的角度來解釋。我們知道植物的光合作用是地球進行原初生產的原動力，它可以把二氧化碳和水轉變成多糖等有機物。生物界幾乎所有的需求均來源于植物光合作用。

從初級生產者的植物，到初級和次級消費的動物，生物量像金字塔一樣是逐漸減少的。所以，由此推理，我們可以知道地球上植物的生物量應該是最大的。如此巨大的生物量是需要靠植物辛勤耕耘慢慢積累的，而完成積累，光合酶必不可少。

據英國鄧迪大學的瑞文教授估計，一年內全球總初級生產力（綠色植物通過光合作用產生的全部有機物同化量）所需1017摩爾二氧化碳，而這些二氧化碳是要靠光合酶催化的，生產如此巨大的生物量，當然需要同樣數量龐大的酶。你或許會覺得酶不是具有高效性和專一性的特點嗎？發生化學反應時或許不需要那么多的光合酶。但光合酶是一種惰性酶，其對二氧化碳的親和力和吸附能力不強，所以植物只能通過增加含量來彌補這個不足。比如，科學家在菠菜的葉片中發現其含量占到總蛋白的65%以上。陸生植物的光合酶平均含量高達20%～25%，全球平均每秒產生1000千克光合酶，相當于地球上每個人需要44千克的光合酶才能生存下來。

光合酶之所以是全球第一大酶，除了與它的惰性有關之外，還因為它是一個雙功能的酶。在發生光合作用的過程中，它一方面與二氧化碳發生羧化反應進行“固碳”；另一方面它也進行加氧反應，這就會把辛苦固定的碳又再次浪費掉。光合酶的加氧反應于1971年被人們發現以來，科學家就致力于提高它的羧化效率，同時降低其氧化特性。雖然取得了一點小小的進展，但后來人們發現那樣做會產生一系列嚴重的后果，研究也便停止了。

另一個有趣的問題是，如果植物的生物量不是地球上最大的，那么光合酶還會是最豐富的蛋白質嗎？有些微生物學家認為細菌的生物量甚至比植物和動物的總和還要多。如果這一觀點被證明是正確的，那么世界上含量最多的蛋白質有可能要改寫成肌動蛋白或者酰基載體蛋白（ACP）——一種在細菌脂肪酸合成中發揮重要作用的蛋白質。

【責任編輯】張小萌