高建國

世界上“最豐富”的蛋白質(zhì)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(zhì)，其含量介于25%～35%。而對于單個細(xì)胞來說，含量最豐富的蛋白質(zhì)則是肌動蛋白，它被稱為真核細(xì)胞的“管家蛋白”。但當(dāng)我們不考慮單個細(xì)胞或某個物種時，可以說，世界上最豐富的蛋白質(zhì)是植物進(jìn)行光合作用時的關(guān)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(zhì)呢？這需要從生物學(xué)和進(jìn)化學(xué)的角度來解釋。我們知道植物的光合作用是地球進(jìn)行原初生產(chǎn)的原動力，它可以把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成多糖等有機(jī)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(chǎn)者的植物，到初級和次級消費(fèi)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(yīng)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(jù)英國鄧迪大學(xué)的瑞文教授估計，一年內(nèi)全球總初級生產(chǎn)力（綠色植物通過光合作用產(chǎn)生的全部有機(jī)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(chǎn)如此巨大的生物量，當(dāng)然需要同樣數(shù)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(diǎn)嗎？發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)，所以植物只能通過增加含量來彌補(bǔ)這個不足。比如，科學(xué)家在菠菜的葉片中發(fā)現(xiàn)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(dá)20%～25%，全球平均每秒產(chǎn)生1000千克光合酶，相當(dāng)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(guān)之外，還因為它是一個雙功能的酶。在發(fā)生光合作用的過程中，它一方面與二氧化碳發(fā)生羧化反應(yīng)進(jìn)行“固碳”；另一方面它也進(jìn)行加氧反應(yīng)，這就會把辛苦固定的碳又再次浪費(fèi)掉。光合酶的加氧反應(yīng)于1971年被人們發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)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(diǎn)小小的進(jìn)展，但后來人們發(fā)現(xiàn)那樣做會產(chǎn)生一系列嚴(yán)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(zhì)嗎？有些微生物學(xué)家認(rèn)為細(xì)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(diǎn)被證明是正確的，那么世界上含量最多的蛋白質(zhì)有可能要改寫成肌動蛋白或者酰基載體蛋白（ACP）——一種在細(xì)菌脂肪酸合成中發(fā)揮重要作用的蛋白質(zhì)。

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