必需氨基酸酸的空间

为什么几个氨基酸通过一定顺序排列,并具有一定的空间结构,便会突然具有生物活性?
为什么不按这顺序或不具有特定的空间结构,便会失去生物活性??生物活性是什么,又是如何去定义的??生命如何由化学物质变为生物?难道这一切只是偶然?
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我们把一个生命,想象成一条特别特别长、有好多支线的全自动流水线。这条流水线上,有几万种不同功能的机械手臂(蛋白质)。其中有一个机械手臂,唯一的作用,就是把螺丝拧到螺母里。在这个空间里,有一万颗螺丝,也有一万颗螺母。如果任由它们随机、快速碰撞。经过多长时间,所有螺丝,都能准确地拧到螺母里面呢?肯定会是非常长的一段时间。我们假设是一万年。而这个自动机械手臂,它准确地识别螺丝,也准确地识别螺母,并把它们摆在正确的位置上,一拧,螺母就套在螺丝上了。这样,完成全部工作,只要一小时。这个机械手臂,就是n个氨基酸按一定序列,组成的蛋白质。那么很多问题就来了:蛋白质是怎样行使这个功能的?为什么这n个氨基酸按一定序列一组合,就变成了这个有功能的蛋白质?如果氨基酸不按这个序列排布,只改变一点点,行不行?这个设计这么碉堡,最开始是怎样形成的?问题1:蛋白质是怎样行使功能的?答:蛋白质的种类成千上万,功能各不相同。有的负责帮助物质分解/合成,有的负责维持细胞内外离子浓度,有的特异性识别并帮助清除目标物,有的帮助其它蛋白质正确折叠……
举个栗子。有种蛋白质,叫丙酮酸激酶,由500多个氨基酸按一定次序组成,折叠成一个球一样的东西,作用是把磷酸烯醇丙酮酸和ADP,转化成丙酮酸和ATP。它是怎么搞的呢?第一步,它先识别这两种分子,并把它们(以及两个镁离子、一个钾离子和一个水分子)放在合适的位置上。这个时候在第270个位置上的赖氨酸,就会辅助磷酸烯醇丙酮酸,脱去一个磷酸根,并使ADP磷酸化,形成了ATP。
这时,脱去磷酸根的磷酸烯醇丙酮酸,就变成了中间产物enolate。Enolate通过质子化,形成终产物丙酮酸。图片来自Dombrauckas, J. D., Santarsiero, B. D. & Mesecar, A. D. (2005). Structural basis for tumor pyruvate kinase M2 allosteric regulation and catalysis. Biochemistry 44, .图片来自Dombrauckas, J. D., Santarsiero, B. D. & Mesecar, A. D. (2005). Structural basis for tumor pyruvate kinase M2 allosteric regulation and catalysis. Biochemistry 44, .问题2:为什么这n个氨基酸按一定序列一组合,就变成了这个有功能的蛋白质?答:它刚刚形成的时候,是一条按顺序组成的氨基酸链。链里面的这20种氨基酸,主链(羧基和氨基脱水组成的肽键)都一样,侧链都不一样:有的长,有的短;有的带正电,有的带负电,它们就倾向于相互结合;有的亲水,就喜欢包裹在外边,有的疏水就喜欢在里边……这样,它就瞬间自动(或通过分子伴侣的帮助)缩成一个固定的形状,在这个形状里,不同氨基酸之间固定形成了一定的化学键,使这个蛋白质的能量最低。另外,蛋白分子不是铁板一块,如@Yang Eninala(见评论)所述,它会动的。底物分子的结合,以及其它效应剂的结合,都可能会诱发蛋白质分子的构象改变,从而实现对其功能的调节。动图见动图见
这个蛋白质形成的的这个特殊结构,往往都带有一定特殊形状的结合口袋。这种口袋,只能特异性地结合一种(或几种)物质/分子。当这个分子结合到这个口袋上的时候,就会被转化(酶)、阻止/放行(离子通道)、结合后打死(抗体)……动图见问题3:如果氨基酸不按这个序列排布,改变一些,行不行?答:不一定。科学家小盆友们好调皮哦,总是想改变造物主的设定。有的时候改改这里,把脯氨酸变成丙氨酸,完了,α螺旋都散掉了,蛋白崩溃了……又改改那里,把半胱氨酸变成丝氨酸,这回总差不多了吧?完了,丝氨酸难以被氧化,蛋白失去被氧化还原调节的能力了。
不过有的时候也改了也没什么大问题。有时没啥区别嘛,有时改了之后,蛋白活性好高啊,ATP转化率暴涨,大家快来看CRISPR转基因人呐,小盆友瞬间举起大汽车,小胖子跑赢袋鼠不费劲,一跳三层楼,胸口碎大石,一夜驭七女,每人整七回,七七四十九,枪在手,跟我走,蓝黄枪头全都有……问题4:这个设计这么碉堡,最开始是怎样形成的?答:有人说,是上帝neng的。我觉得有可能。
还有人说,星球早期,温度奇高无比,能量多得用不完,各种原子随机碰撞,难保碰不出它四五种核酸。再一组合:九千九百九十九亿九千九百九十九万九千九十九种组合都失败了,就只有一种成功了。成功了,这个核酸序列()就能延续下去,能行使功能,能传代。
它还不怎么稳定。不稳定,就造成它在传代的时候,可能有一点点突变。99.99%的突变,都造成了这玩意更容易死,那这种“容易死”的基因就传不下来,传不下来就算了。只有0.01%的子代,更适应这个环境了,那它就能更快更好地生活、传代。
更适应环境,能够更好地生存,不只有一种方式,可以是:老子不怕死,老子后代千千万(细菌)老子长寿(大树)老子聪明(人)……==============补充==============有人问了,你活性位点那么小,而整个蛋白质那么大一个,貌似其它部位没啥用啊。 我还用上面那个丙酮酸激酶举例子。你看它是个同源四聚体,就是四个亚基都一样。我们看右下角那个亚基(有灰色有蓝色有红色那个)。这个蛋白的活性位点,在这个亚基的中间偏下部位(蓝灰两结构域之间)。这个位点,没有那个灰色的结构域像个盖子一样盖起来的话,是无法形成的。那么这个灰色的盖子,怎样合起来呢?它要求左边那个屎色的亚基上有个氨基酸残基Arginine342插进来,才能形成。所以这个Arginine也是至关重要的。那么这个Arginine怎样插进来呢?我们还是看这个灰蓝红亚基,它的右上角,结合了一个小分子,叫果糖1,6二磷酸。别看它离得老远,貌似和这个蛋白的活性位点没什么关系,它要是不结合上来,它上面的那个loop就会形成另外一个构象,不再是向里弯,而是向外弯到上面那个棕色的亚基上,会引起整个四个亚基的大旋转(13°),那Arginine342就插不进来,蛋白活性就低多了。我们把负责结合果糖1,6二磷酸的一个Arginine489,突变成Alanine,它没办法结合果糖1,6二磷酸了,蛋白活性也就降低了。总结一下:把离活性位点好远的Arginine489突变成Alanine;它就不再容易结合效应剂果糖1,6二磷酸;所以那个位点的loop就不再向里弯,而是变成另外一个低能量、向外弯、结合其它亚基的构象;引起全部4个亚基的旋转;所以Arginine342无法再插到邻近亚基的灰色和蓝色两个结构域之间,稳定灰色结构域;灰色结构域盖子盖不下来,活性位点难以形成;蛋白活性大大减小。牵!一!发!而!动!全!身!
氨基酸按照一定的顺序排列不一定会成为有固定结构的分子。有生物活性的蛋白质分子也不一定有固定的结构。我比较同意
的回答,不过觉得还有一个点没有答到:你随手写下一个氨基酸序列,虽然它可以疏水残基被包埋,甚至还可能有氢键、电荷等其它作用参与折叠等过程,但不太可能它就是一条能折叠到(唯一的)天然态结构的蛋白质的序列,蛋白质的序列是在进化中被选择出来的,随手写一个序列,你随手写下的序列很有可能:(1)没有一个确定的能量最低状态(玻璃态);(2)有一个能量最低的状态,但该状态跟能量次低的状态没有什么差距(不具有热稳定性);(3)有一个能量最低的状态,但那个状态实现起来特别困难(例如链长太长,折叠过程需要经过能量很高的中间态,最低能量态需要打上各种复杂的绳结);(4)就算有确定的结构,但也不一定真的能行使某些确定的功能。事实上,真实世界里,大多数生物体内的蛋白质(或者根据生物体内蛋白质做简单的突变,又或者人工设计的蛋白质)通常都有一个(或者很少的若干个)稳定的能量最低的结构,并在这个结构附近实现其动力学,之所以能有这些少量的稳定的结构就是因为「序列空间」已经被大大压缩了。因此,更准确的说法不是「几个氨基酸通过一定顺序排列,并具有一定的空间结构,便会突然具有生物活性」,而是「具有折叠快、稳定性强或其它特殊功能特性的极罕见的氨基酸排列方式,能快速折叠到稳定的天然态结构,这些确定的天然态结构能实现其生物学功能,在进化中被选择了出来」。至于各种蛋白质为什么能实现功能,则各个蛋白各有其精妙处,这里不再赘述。考虑到这一点,再来看看
的比喻,我觉得可以这样理解:确实一开始有各种随机组装的手工车间,但也有各种组合形式的生产流水线,正因为有「进化」的参与,所以才形成了「自动机械手臂」(蛋白质),大自然毁掉了那些组装效率不高的流水线,解雇掉了那些员工,只有那些高效生产的车间被留了下来,不断扩大生产,并且在现有的基础上,生产线被不断改进,设计出各种新的组装机器,再后来,随着进化的不断进行,甚至为了进一步提高效率,还出现了更多的车间,更多的工具,甚至出现了蓝翔……
所谓"生物活性",并不神秘,只是各种化学作用而已。
这种"活性"真的不复杂,无非是化学键的断裂和形成,各种次级键的作用,疏水性与亲水性,等等。
去找本《生物化学原理》,不用细看,随便翻一翻,就有个整体认知了。有了整体认知,就明白了。
忙着生物化学的期中考,看到这个问题,发现并不能语言精确地回答,有些郁闷,所以,复习去了嗯。
生化很有意思的。
还是想说,就人体而言,我觉得真正神奇令人膜拜的,不是人怎样完成这些生物功能,而是,人怎样长成这个复杂精致而完美的样子,去完成这些功能。解剖学虽然是个切开来看的倒带过程,但,也够有意思的。
第一,你问,顺序或不具有特定的空间结构,便会失去生物活性?假设有一个密码锁,要你按照顺序输入50个字母,她就给你一个叫做“生物活性”的奖励。首先顺序不对会发生什么事,想象如果你在书写一个很长的单词,如果你全都写对了,那么OK,门就开了,如果你写错了,那么它毫无例外不可能送给你这个叫做“生物活性”的奖励(废话,如果开了那还叫密码锁吗)。然后问题来了,有的密码锁质量不好,错了一个也无所谓,那么你输入错误了一个你还可以得到相对的奖励,但是这个奖励自然没有全写对的好,这种时候拿到的这个生物活性或者低或者有问题,但是他还是有用的(按情况来说)。然后如果你写的实在不堪入目,颠三倒四,那么对不起,不给你,等着被警察带走重塑人生吧。这个时候,密码锁觉得光是线性的密码太不安全了,于是与时俱进,开发出一种叫3D密码的玩意,他有洋洋洒洒的1000个密码要你从头到尾毫无错误地填写,不但不能错,而且还有一个特殊的要求:因为是3D,所以它规定了:我要把这一千个密码绕成很多圈圈的立体结构(比如螺旋),而且绕了之后我要求在面向我的这个视角里出现几个A,几个B,几个C,而且ABC的顺序和位置都要是对的,我才给你奖励。这样你就要算了,哦,首先A要分别在第几位,绕成圈之后他才可能在一个平面上,然后B,然后C。这样一来,就算你顺序对了,但是绕的方式不对,绕的形状不对,圈大了,圈小了自然都不能逃过密码系统的法眼。也就是说,只有完完全全顺序对,形状对,才能得到这个叫“生物活性”的奖励。这里这种ABC形成的从某个角度看严格的空间顺序我们叫生物活性的“活性中心”----一般来说,活性中心的氨基酸是绝对不能错误的,别的位置有错还可能有救,但是活性中心的出问题--等死。但是这样密码系统还是不爽,觉得这样也不能满足他们高冷的需求,他们说为什么只能是字母?我非要在字母上画画,于是各种糖基,各种磷酸化就跑出来了,不符合这些,你画的不好他还是不认你。等你千辛万苦画出来了,密码系统告诉你,等下,你要得到这个叫“生物活性”的宝物吗?集齐7个不同样子的蛋白(domain)吧!把他们按照顺序插在一起就能有生物活性了!然后你收集齐了,系统又告诉你,不行啊,今天天气不好(偏酸,时常有尿素),我心情不好,以后再说吧。或者以后不用再说了(高温)。简而言之,我变性了。以上,当然不是所有蛋白都非要符合以上所有的条件才有生物活性。他们只需要其中的几个,但是顺序,空间构象一定要对。但是有些时候并不是这样,就像你玩游戏有额外奖励一样,有时候你排错了,不一定颗粒无收,会奖励你一种非常意想不到的东西,就是异常的生物活性,比如你不小心把Kras的12G换成了D,那就奖励你胰腺癌风险+1,然后碰巧你的P53的273R也变成H了,那么再给你胰腺癌+2。但是有时候也会得到的真的奖励,那要看你造化了,这就是自然选择的机制。第二:生物活性是什么,又是如何去定义的生物活性是什么其实不好回答,简单来说就是他能发挥功能。就像细胞里有个流水线,有1000个人,去了之后什么都干,在睡觉,那么你很显然没有“生物功能”,有的人一个人能干两个人的活,我们叫这个人“生物活性强”,有的人效率低,那么他就是低活性。有人的喜欢捣乱,最后导致生产线不行,最后这个叫细胞的小作坊垮了,这种人就是有“毒性”。简而言之,生物活性就是蛋白质等等物质,在生物体内能发挥自己本职作用的能力。第三:生命如何由化学物质变为生物如果只是狭义上回答这个问题,就是先转录,再翻译,再由HSP指导折叠,然后加上各种糖基,扔到他们该去的地方就行了。这个如果有人能回答出来,那么基本上人类离自己的终点也不远了,这是一个终极题目。1953年Stanley L.Miller做了著名的模拟实验,模拟了地球初始的环境之后,简单的有机小分子在加热,放电等等地球原始环境下形成了尿素,氨基酸等等生命的初始物质。但是这里有个问题,不管是生物,还是人类进化的过程中总是有让人费解的“空白期”(比如南猿到人类的40w年),这种奇怪的巨大的质的飞跃,让我们非常好奇,非常敬畏。究竟是什么力量指挥简单的小分子排队组合成一个巨大的整体?答案是:天知道。这就是为什么很多科学家到了后期陷入了神秘主义一样,牛顿晚年根据圣经言之凿凿地算出世界末日在2046年←说不定真的呢?最后你说是偶然?这个很哲学,偶然其实就是必然。只是我们并不知道把看似偶然的东西聚集在一起,然后导出一个必然的走向的条件。我们所渴望的,所梦想得到的就是这么一个条件。人类的科学史,就是把偶然导向必然的历史。因为知道了自然规律,就可以指挥偶然。当然了撇开辩证因素不提,也不一定是偶然,如此精密的生物,或许真有庞大的地外文明,也不说不定,说不定真是人类不过是别人饲养在生态瓶里的蜗牛,可见世界上的一切好坏确实各占一半。-----------------------------------------极简版:A:氨基酸如何能变成有功能的蛋白质?Q:不同的氨基酸在基因通过mRNA的指导,rRNA的提供场所,tRNA的转运下,在核糖体循环的过程中进行准确高效的脱水缩合,形成的肽链是蛋白质的最初形态,此时的蛋白质大多没有生物活性,很多在molecular chaperones的帮助下折叠成相应的构象,并且domain组合之后,使得相应的氨基酸残基在空间上相互靠近或是出于特定的相互作用位置,经过糖基化等等一系列的复杂修饰,在信号肽等的指导下被运送至相应的部位,并且由后者指导他的状态(分泌蛋白或者膜蛋白,包括穿膜几次,穿膜次序等)。折叠错误等等大约总量30%的蛋白会被ubiquitin proteasome pathway等方式降解。当然这不是生物活性的全部,还有复杂的相互作用关系以及严苛的微环境均处于一定条件才可发挥正常功能。由GLDN指导的gliomedin定位在细胞膜上对Schwann cell有重要作用,但是在某些情况下,他的ECD区会由某酶水解出OLF的不完整产物剪切脱离完整蛋白,形成多聚体,以分泌蛋白的形式发挥不一样的生物活性。这种情况在生物体内比较多见。这里在蛋白不完整的情况下,不是生物活性的丢失,而是生物活性的转变,以gliomedin为例转变并非非常突兀,还保持了一些原特性。当然剪切之后活性完全变化的例子也有很多,比较麻烦,这里不说了。这种状况亦是最为困难的研究点。A:生物活性是什么?Q:生物体内能发挥功能的特性。A:生物活性本质上怎么产生的?Q:母鸡。A:偶然吗?Q:偶然即是必然,必然即是偶然,偶偶必必不知道也。
没有生命活性,只有生物活性,或者活性。蛋白质序列是通过特定的外形来达到其化学效果的,这一点可以是催化剂,也可以是原材料。化学效果和外形的关系很简单,通过设计外形和特定的官能团,比蛋白质简单得多的化学分子可以达到和酶一致甚至更好的效果。蛋白质只有极少的序列能够有稳定外形,比方说你随机合成1亿个不同序列,大概只有几千个是稳定的,这几千个里面,可能一个有实际化学价值的都没有。生物能够通过进化,把这些非常稀少的序列找出来,而一旦找出来,就能够稳定而批量的生产出来。打比方说,氨基酸序列就好比电。电作为能源,最大的好处就是能够和其他能源自由转换,然后稳定生产。稳定生产(自我复制)和万能就是氨基酸和核酸作为生物分子,有别于普通化学分子的地方。这就和语言为什么能够交流一样,你满足一定的条件,通过进化和淘汰,自然就会产生这样的结果。
说得更深一点,其实牵涉到鸡生蛋蛋生鸡的问题,蛋白质和核酸的形成和相互作用。这个和自组织自催化很有关系。别把生物或生物活性想得太神奇(尽管确实很神奇),本质上仍然是化学的,物理的。
感觉题主应该不是要问这些神奇的东西的实现过程,而是要问为什么会这么神奇(这类问题总是不知道怎么表述,一本哲学书上说是比上一个问题更深一层的问题。)
这真的个大问题,所以先说说感觉,再说说理性思考的结果。
我感觉生物(就常见的地球生物来说——毕竟不知道外星球会是怎样)是一部精密机械——当然,比人类设计出来的要先进太多了,但感觉两者应该是同一类,一样可以用物理定律去描述原理,去建模。
说完了感觉,再说说理性思考的结果。感觉中生物是精密机械,可以用物理定律完整地为之建模。但是问题来了。研究生物我们更多地使用最终因,而较少使用直推因——毕竟实在太复杂了。那么,这种似乎默认了上帝存在的最终因是否是伪装得很好的直推因呢?如果不是,那么很显然,这个世界存在上帝,题主所问的就是上帝设计的一个系统,我们因为某种目的而存在——所以我们有了意义。这真是悲哀。算了,说说是的情况吧——如果这个宇宙等等可以被物理定律用数学建模,那么,我们的事物将没有最终的意义可言。所以我理解的题主所问的问题将不复存在——因为这个世界就是这样子 ,他只是按照一定规则演化出来的。
我觉得生物就像机器一样。你也可以问 为什么一堆钢铁、马达和集成电路等连在一起就能运动。其实本质在于各个部分各司其职,把自己的功能发挥出来,最后形成了一个在外界看来能够运动的整体。重点在于每个物质都恰当地完成自己结构赋予的功能。生物的美妙在于太多的“零件”在偶然的情况下相互碰撞连接在一起,最终形成这一在外界看来具有运动能力(生物活性)的东西。
看这个问题不禁想起了一句话:做生物研究的做着做着就变成神创论信奉者了。生命本身就是个神奇的存在。
作为一个学化学的,一开始我也不懂为神马一堆代码就变成游戏了,好神奇 (O_O)
那种特定的氨基酸所构成的肽链或蛋白质刚好适应环境,所以就保存下来了,后来这种生命形式就保留下来了
20来种氨基酸种类各异,之间相互作用涵盖了几乎所有非共价键总类,因此每一个肽链在特定环境中,总会以疏水为开始,在统计上通会有一个稳态或亚稳态结构,如果这个结构恰好有合适的空间构型,并且在这个合适的构型处有含有特定官能团的氨基酸,能够催化一个有用的反应进行,或者能够有用的作为骨架等结合在某处,那么恭喜这个多肽,它就在进化中中彩一般被留下来。具体来说,生物体正常新陈代谢的过程,应该就是自组装和化学反应的集合结果,而由于这些乱造的反应条件必须温和,不能有加热加压等手段促进反应物结合,所以只能要求各种反应物取向高度匹配,而多肽的各种高级结构中总能有满足的,也就是所谓的有活性的。如果恰好蛋白在特异空间中又有能催化,比如帮助电子转移啥的,的基团,那必须是极好的,生物体没理由不留下,所以就慢慢进化成现在这些蛋白。而这种选择显然现在还没完事,也就有了各种奇葩假设生物的存在。。嗯就这样吧
不是突然具有生命活性,氨基酸经过一定顺序的排列,剪切,和一定构造的折叠,氨基酸形成了蛋白质,蛋白质才具有生命活性
分子间的相互作用,归结于化学键,又源于物理作用力的实质,其实觉得,这种相互作用20种氨基酸组合排列特定条件下形成the蛋白结构,就像密码本一样,只不过20放到指数位置,通过现有计算还无法穷举得到对应密码。
这个问题在任何一个本科生化教材都说的很详细。每个氨基酸是有一定结构的。所以它们连成的肽也是会有一定结构的。蛋白质结构的形成每一步都是有实验证明的。
结构决定性质,而氨基酸的类型和顺序决定了结构。其实仅此而已。
氨基酸连起来变成一个东西叫肽链,这时没有任何活性。后来拧巴一阵变成蛋白质。这里引入一个思路,就是所谓“生物活性”跟“活的”一点关系都没有,只是说体现了一种形状而已。蛋白质是可以体现形状的,所以就生物活性了。之后就是根据需要制造不同的蛋白,这是脱氧核糖核酸也就是dna还有核糖核酸也就是rna的工作。那么蛋白的形状是啥嘞?细胞膜知道么?病毒那层蛋白壳知道么?跟高聚分子一样,只不过蛋白构成的东西大部分都是生物,仅此而已。其实题主的疑问主要在这个“生物活性”上,不要认为蛋白质就是活的,想想煮鸡蛋,再想想豆浆,再想想鸡大腿,你就饿了。
生命的产生我认为是物质在不断的熵涨落的条件下产生的 有一定的偶然性 但放宽到足够长的时间下 产生这种可以从环境筛选中存留下来的生命又是必然的
确实一开始有各种随机组装的手工车间,但也有各种组合形式的生产流水线,正因为有「进化」的参与,所以才形成了「自动机械手臂」(蛋白质),大自然毁掉了那些组装效率不高的流水线,解雇掉了那些员工,只有那些高效生产的车间被留了下来,不断扩大生产,并且在现有的基础上,生产线被不断改进,设计出各种新的组装机器,再后来,随着进化的不断进行,甚至为了进一步提高效率,还出现了更多的车间,更多的工具,甚至出现了蓝翔……相关知识点:
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答案:B【解析】试题分析:酶的本质是蛋白质或RNA,蛋白质具有空间结构,改变空间结构会引起酶活性的改变或丧失,A正确;酶为化学反应的顺利进行降低活化能,B错误;酶的活性与温度和pH都有关系,C 正确;酶的本质是蛋白质或RNA, 所以基本组成单位是或核糖,D正确。考点:本题考查酶的知识。意在考查能理解所学知识的要点,把握知识间的内在联系的能力。
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