說到生命體和生命活動，不能不論及一種最重要的生命物質——蛋白質。可以說，沒有蛋白質這種有機大分子物質，就不會有生命體和生命活動。
蛋白質是生命的物質基礎，科學家們一直在努力研究蛋白質的組成、結構和各種生物化學作用。地球上最初的蛋白質分子是如何形成的？是在原子、分子的結合力作用下偶然相遇而形成的，還是在某種量子力學的作用下完成了如此復雜的大分子構成？神奇的生命故事還在不斷進行中，而這個奇妙故事的主角就是蛋白質。
蛋白質是荷蘭科學家格利特•馬爾德在1838年發現的，他觀察到所有生物的生命活動都離不開蛋白質。蛋白質是生物體內一種極重要的高分子有機物，它主要由氨基酸組成。氨基酸的不同排列組合構成各種不同類型的蛋白質，人體中估計有10萬種以上的蛋白質。生命是物質運動的高級形式，這種運動方式就是通過蛋白質來實現的，所以蛋白質有極其重要的生物學意義。
細胞中的蛋白質幾乎參與所有生命活動，生命體的生長、發育、運動、遺傳、繁殖等都離不開蛋白質。從生命體的基本單元細胞來看，組成細胞的細胞膜、細胞質和細胞核都包含了大量蛋白質。這些蛋白質不僅是細胞組織結構的支持成分，也是對細胞新陳代謝、活動控制、基因繁殖、信息傳遞和運動等生命活動起到控制作用的物質。就連在最基本、最重要的光合作用中，都需要蛋白質酶的參與才能合成葡萄糖。
在生命體中，蛋白質是除了水以外在組織中含量最高的物質，并且在生物生長過程中還會不斷更新，是新陳代謝的產物。植物可以靠光合作用生產的有機物提供的能量來合成所需的蛋白質，而動物必須依靠食物來補充合成蛋白質所需的能量和氨基酸。
更為神奇的是，雖然動物需要攝入含蛋白質的食物，但是外來的蛋白質是不能被身體直接利用的，必須通過消化過程把吃進的蛋白質分解成基本的氨基酸分子，然后輸送到細胞里，再按照自身基因格式重新組合成為自身的蛋白質，這樣才能成為細胞組織成分，或是在細胞里的生命活動中起作用。動物每天要更新體內大約0.25%~0.3%的蛋白質，6~12個月完成全面更新。可以說，每個生命體內的蛋白質都是獨有的，是所有生命活動的重要物質基礎。
氨基酸是指一類含有堿性氨基（-NH2）和酸性羧基（-COOH）的有機化合物，它是合成蛋白質的基本分子。氨基酸分子是由碳、氫、氧、氮和少數其他元素構成的一類有機分子。根據目前的研究，自然界中可能有幾百種不同構成的氨基酸，但是能夠構成生命體中的蛋白質的氨基酸只有22種。不同種類生物體內的蛋白質成分和構成是不一樣的，所以氨基酸營養成分在各種食物中的含量也是不同的。各種生物對氨基酸的種類和數量需求的差別，可能是造成不同生物對食物不同需求的基本原因。
在地球生物圈的各種生命活動中，制造蛋白質的能量和原料的基本來源是植物。植物細胞不僅能通過光合作用產生葡萄糖，還能通過吸收土壤里的氮來制造氨基酸。
通常植物是通過吸取土壤里的氨，或者與一種固氮菌共生的方式來獲取土壤里的氮的。固氮菌是一類能夠將大氣中的氮氣轉化為植物可利用的氨基態氮的細菌，這些細菌通常生活在土壤、根際和水體中，與植物形成共生關系。在這個過程中，固氮菌使用一種叫做氮酸還原酶的特殊酶來催化氮氣的還原反應。這個反應需要大量能量，因此固氮菌通常需要從寄生的植物中獲取足夠的能量來驅動固氮作用。
植物細胞制造氨基酸的過程主要發生在葉綠體和線粒體中。植物細胞利用腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）和一些輔助酶對二氧化碳和水進行還原反應，生成氨基酸的前體分子。然后，這些前體分子再經過一系列的酶催化反應，最終合成氨基酸。以這些氨基酸為原料，植物細胞消耗光合作用生成的葡萄糖，通過氧化反應提供的能量來生成蛋白質。植物細胞按照細胞中的脫氧核糖核酸（DNA）密碼格式合成蛋白質，以構成細胞組織結構和生成各種化學反應的蛋白質酶，以及各種生命活動所需的蛋白質。整個過程復雜而有條不紊，對于其中的一些具體過程和活動機理，科學家仍在深入研究探討之中。
含氨的氮肥可以使農作物獲得更多的氮元素來生成氨基酸、蛋白質，所以氮肥是農業生產中的一種重要肥料。植物除了提供葡萄糖外，也提供氨基酸、蛋白質等營養成分，生產這些營養成分的能量來自于光合作用中吸收的太陽光。而動物需要直接（草食動物）或間接（肉食動物）從植物中獲取營養物質，植物為它們提供獲取能量的糖類和構成組織成分的氨基酸、蛋白質。可以說，植物為地球生物的生命活動提供了基本的營養物質。
對于人體或其他脊椎動物而言，氨基酸這種營養分子可以分成必需氨基酸和非必需氨基酸。
必需氨基酸是指人體或其他脊椎動物不能合成或合成速度遠不適應機體需要的氨基酸，必須由從外界食物的營養成分中直接攝入的食物蛋白來供給。必需氨基酸一共有9種，分別是亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蘇氨酸、賴氨酸和組氨酸。
非必需氨基酸是指可以通過自身合成或從其他氨基酸轉化得到的氨基酸，不一定非從食物中攝取。非必需氨基酸一共有11種，分別是甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸、酪氨酸和半胱氨酸。
只有這20種氨基酸才能用來生成蛋白質的直接營養物，而且對各種氨基酸使用的比例也有一定要求。
科學家在研究復雜的有機化合物分子時發現，復雜化合物的活動性質不僅僅取決于它們的元素成分，還與原子的空間排列結構有關。比如，乙醇和二甲醚兩種化合物都是由2個碳原子、1個氧原子和6個氫原子組成，但是前者在室溫下是液體，后者卻是氣體。這種情況廣泛存在于復雜的有機分子世界，對于蛋白質這種有機大分子來說，空間結構對分子性質的影響更重要。
蛋白質的空間結構與它在各種生命活動中發揮的作用有著密切的關聯。蛋白質中氨基酸基團的鏈接秩序會引發大分子折疊的空間結構，即能產生不同生物活性的蛋白質。蛋白質支持各種生命活動的特征，不僅僅來自于它的元素成分，也與具體的氨基酸鏈型構成有關。生命體中的各種蛋白質，是由氨基酸按照一定的格式鏈接而成的肽鏈以一定的空間結構折疊而成，并且蛋白質的神奇特性還與整個鏈條的空間折疊結構密切相關。這個復雜而神奇的空間結構幾乎有無限多種變化，從而生成各種不同作用的蛋白質大分子，在生命體中發揮各種各樣的作用，從而維持生命體的組織和生命活動。
研究表明，各種蛋白質的空間折疊結構對蛋白質分子的生物學性質有重要影響，且這個折疊過程受到細胞DNA基因的控制。蛋白質的空間折疊結構也是一個重要的科學研究方向。生命的模板DNA就是通過對氨基酸基團的選擇和鏈接秩序，實現對能夠在組織和生命活動中起作用的蛋白質分子構成的控制。所以，細胞中由DNA控制的蛋白質生成過程是非常重要的生命活動。
細胞內蛋白質的生產過程稱為蛋白質合成，它是由細胞DNA中的基因指令控制的。蛋白質合成分為兩個階段：轉錄和翻譯。
轉錄是指將DNA中的基因信息轉化為核糖核酸（RNA）聚合酶分子的過程。在細胞核中，RNA聚合酶沿著DNA模板鏈進行掃描，讀取基因序列，并將其轉錄成一條RNA鏈。轉錄出來的RNA鏈稱為mRNA，它是蛋白質合成的模板。
翻譯是指將mRNA轉化為蛋白質的過程。翻譯發生在細胞質中，需要利用核糖體這種復雜的蛋白質—核酸復合體。核糖體會將mRNA讀入，根據mRNA上的密碼子序列來選擇適配的tRNA，每個tRNA攜帶了一個氨基酸。當tRNA與mRNA匹配時，核糖體會將它們連接起來，并將氨基酸從tRNA上釋放出來，形成一個多肽鏈。隨著mRNA不斷向前移動，核糖體會讀取新的密碼子，選擇新的tRNA，并將氨基酸加入多肽鏈中，直到整個蛋白質合成完畢。
最終，新合成的蛋白質會被包裝、折疊和定位到細胞內的特定位置，以執行其特定的功能。細胞內按照遺傳基因DNA的格式生成蛋白質的過程是生命活動中的核心奧秘之一，現在這個奧秘正不斷被科學研究揭示出來。■
（作者系武漢大學教授）