阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第12章

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蛋白质分子很大，对此可以多方面加以利用。假如一张羊皮
纸的一边是纯水，另一边是蛋白质的胶体溶液。蛋白质分子不能
通过羊皮纸，而且它们还堵塞了一些水分子的通道（如果没有它们
堵塞的话，这些水分子本来是可以通过的）。因此，水通过羊皮纸
进入胶体溶液要比从胶体溶液中渗透出来容易。结果，蛋白质溶
液一边的液体增多，形成一种渗透压。　


1877年，德国植物学家普费弗尔告诉人们怎样测量这种渗透
压，并根据这种渗透压来确定大分子的分子量。这是估计大分子
分子量的第一个比较好的方法。

同样，蛋白质溶液也可以放入用半透膜制作的袋子中（这种膜
上有小孔，只让小分子通过，而不让大分子通过）。如果把这些袋
子放入流动的水中，小分子和离子就会通过膜而被水冲走，而把大
蛋白质分子留下来。这种透析过程就是纯化蛋白质溶液的最简单


第十二章　蛋白质

第十二章　蛋白质

的方法。

胶体般大的分子足以使光线散射，小分子却不能。不仅如此，
短波光线比长波光线散射得更厉害。1869年，爱尔兰物理学家廷
德尔首先注意到这种效应，因此，人们称这种效应为廷德尔效应。
天空为什么是蓝色的？现在的解释是，这是大气中的尘埃颗粒对
短波阳光的散射效应造成的。在日落时，由于日间的活动，大气中
的灰尘特别多，当光线穿过这样一层较厚的大气时，大量的光线被
散射掉，留下的主要是红色和橙色的光，于是形成火烧云的壮丽景
象。

由于通过胶体溶液的光线被散射，所以从侧面看上去像一个
明显的光锥。晶状体物质的溶液被照射时没有明显的光锥出现，
因此被称为光学透明。1902年，奥地利血统的德国化学家席格蒙
迪利用这种观察设计了一种超显微镜，可以垂直观察胶体溶液，使
单个颗粒呈现为明亮的光点（单个颗粒太小，用普通显微镜看不
到）。由于这方面的努力，他获得了　
1925年的诺贝尔化学奖。

蛋白质化学家希望能制造出蛋白质，当然渴望能够合成长的
多肽链。但是　
E。　费歇尔和伯格曼的方法每次只能增加一个氨基
酸，当时认为用这种方法合成长的多肽链是完全行不通的。因此
需要一种方法能够在链反应中把多个氨基酸连接起来，如同贝克
兰在制造高聚合塑料时所使用的方法一样。1947年，以色列化学
家卡查斯基和哈佛的化学家　
R。　B。　伍德沃德（合成奎宁的那个人）
都报道说，他们通过链反应的聚合作用成功地制造出了多肽。他
们开始用的原料是一种稍微改变了的氨基酸（这种改变在反应过
程中正好被完全消除）。由此开始，他们合成了由上百个甚至上千
个氨基酸组成的多肽。

这些链通常只有一种氨基酸如甘氨酸或酪氨酸组成的，因此
被称为多聚甘氨酸和多聚酪氨酸。如果开始时使用两种不同氨基


阿西莫夫最新科学指南

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酸的混合物，也可以合成链中含有两种不同氨基酸的多肽。但是，
这些合成的多肽只与最简单的一种蛋白质如丝心蛋白（蚕丝中的
蛋白质）相似。

多肽链

有些蛋白质像纤维素或尼龙一样，既具有纤维状又具有晶体
状：例如，丝心蛋白、角蛋白（毛发和皮肤里的蛋白质）和胶原蛋白
（腱和结缔组织中的蛋白质）。德国物理学家赫佐格通过显示这些
物质能够衍射　
X射线，从而证明了它们的结晶度。另一位德国物
理学家布里尔分析了衍射图，从而确定了多肽链中原子的间距。　
20世纪　
30年代，英国生物化学家阿斯特伯里等人利用　
X射线衍
射进一步了解了多肽链的结构。他们能够相当精确地计算出相邻
原子之间的距离和相邻的键所成的角度。他们还了解到，丝心蛋
白的链是完全伸展的，就是说，这些原子间键的角度能够使它们几
乎排列在一条直线上。

多肽链的这种完全伸展是一种最简单的排列，叫做　
β构型。
当毛发被拉紧时，角蛋白分子就会像丝心蛋白分子一样呈这种构
型。（如果把毛发弄湿，就可拉伸到原来的　
3倍长。）但是在通常不
拉伸的状态下，角蛋白分子显示出比较复杂的排列，称为　
α构型。　


1951年，加利福尼亚理工学院的泡令和科里提出，　
α…构型的多
肽链呈螺旋形（类似螺旋楼梯）。为了弄清原子之间所有的键在未
拉紧的自然取向的状态下　
α…构型的排列情况，他们设计了各种模
型，最后确定螺旋的每一圈具有　
3。6个氨基酸的长度，即相当于　


5。4埃。
什么东西能够使一个螺旋保持它的形状呢？泡令认为，这种
东西就是所谓的氢键。我们已经看到，当　
1个氢原子连接到　
1个
氧原子或　
1个氮原子上的时候，氧原子或氮原子占用了大部分成


第十二章　蛋白质

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键电子，因而氢原子略带正电荷，而氧原子或氮原子略带负电荷。
在螺旋中，在螺旋转弯上或下的　
1个氧原子或　
1个氮原子附近，有　
1个氢原子周期性地出现，靠近氧原子或氮原子。略带正电的氢
原子被略带负电的邻居所吸引。这种吸引力虽然只有一般化学键
吸引力的　
1/20，但足以使螺旋保持其形状了。可是，牵拉纤维很
容易使螺旋展开，于是将纤维拉长。

至此，我们只是讨论了蛋白质分子的主链，即……　
CCNCCNCCNCCN……
型的链，氨基酸的各种侧链在蛋白质结构中也起
着重要的作用。

除甘氨酸外，所有的氨基酸都至少有一个不对称的碳原子，即
在羧基和氨基之间的那个碳原子。所以每一种氨基酸都可以以两
种旋光异构体存在。这两种异构体的通式是：　


OO　
COH　COH　


H　C　NH2　NH2　C　H　
侧链　
侧链　
D…型氨基酸　L…型氨基酸

但是，化学分析和　
X射线分析看来都相当肯定，多肽链仅仅
是由　
L…型氨基酸组成的。在这种情况下，相邻氨基酸的侧链伸出
在主链的异侧；相间的侧链伸出在主链的同侧。由两种异构体的
混合物组成的链不可能稳定，因为当　
L…型氨基酸和　
D…型氨基酸相
邻的时候，在同一侧就会有两个相邻的侧链突出出来，这样就会使
侧链拥挤，并使键变形。

侧链是把相邻的肽链连接在一起的重要因素。当一条链上的　
1个带负电荷的侧链靠近其邻居上的　
1个带正电荷的侧链时，它　



阿西莫夫最新科学指南

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们会形成　
1个静电键。侧链还可以提供起连接作用的氢键。不仅
如此，双头的氨基酸胱氨酸能够把它的一个氨　
…羧顺序插入一个链
中，而把另一个氨　
…羧顺序插入下一个链中。于是两个链被侧链里
的两个硫原子连接在一起（二硫键）。多肽键的连接可以说明蛋白
质纤维的强度。它解释了为什么看上去很脆弱的蜘蛛网却非常坚
韧，为什么角蛋白能够形成像指甲、老虎的爪子、鳄鱼的鳞、犀牛的
角那样坚硬的结构。

溶液中的蛋白质

上面这一切很好地说明了蛋白质纤维的结构。溶液中的蛋白
质情况又如何呢？它们具有什么样的结构呢？

它们确实具有一定的结构，但是这种结构非常脆弱。对溶液
稍微加热或搅动，或加入一点儿酸、碱，或任何其他的环境变化，都
会使溶解的蛋白质变性，即蛋白质失去执行其自然功能的能力，而
且它的许多特性也会改变；还有，变性作用通常是不可逆的，例如，
煮硬的鸡蛋就再也不能变软了。

看来可以肯定，变性作用与多肽主链失去某种特殊的构型有
关。到底结构的哪一部分被破坏了呢？对于溶液中的蛋白质，　
X
射线衍射无能为力，但是我们可以利用其他技术。

例如，1928年，印度物理学家喇曼发现，被溶液中的分子所散
射的光，波长会发生一定程度的变化。根据这种变化的性质，可以
推断出分子的结构。由于这项喇曼效应的发现，喇曼获得了　
1930
年的诺贝尔物理学奖。（光的这种波长变化，一般叫做进行散射的
分子的喇曼光谱。）　


20年后，根据原子核具有磁性这一事实，人们又发展了另一
种巧妙的方法。受到强磁场作用的分子能够吸收某些频率的无线
电波，称做核磁共振，通常缩写为　
NMR，可以从中得到关于原子


第十二章　蛋白质

第十二章　蛋白质

之间的键的信息。特别是，核磁共振技术能够确定分子内部微小
的氢原子的位置，而　
X射线衍射却探测不出来。核磁共振技术是
在　
1946年由两组人员各自独立研究出来的。一组人员由珀塞耳
领导（后来珀塞耳首先探测到由空间的中性氢原子发射的射电波，
见第二章），另一组由瑞士血统的美国物理学家　
F。布洛赫领导。
由于这一成就，珀塞耳和　
F。布洛赫分享了　
1952年的诺贝尔物理
学奖。

现在再回到溶液中蛋白质的变性的问题上。美国化学家多蒂
和布劳特利用光散射技术研究溶液中合成的多肽链，发现它们具
有螺旋结构。通过改变溶液的酸度，多蒂和布劳特能够把这些螺
旋分解成不规则的小圈；通过调整溶液的酸度，可以使螺旋复原。
他们还证明，螺旋变成不规则的小圈降低了溶液的旋光性。他们
甚至能够证明蛋白质螺旋扭转的方向：蛋白质螺旋是沿着左旋螺
纹的方向扭转的。

所有这些发现表明，一种蛋白质的变性与其螺旋结构的被破
坏有关。

蛋白质分子的分解

上面我们从总体上讨论了蛋白质分子的结构——链的一般形
状。蛋白质分子结构的细节又是怎样的呢？例如，在某个给定的
蛋白质分子中，每一种氨基酸各有多少个呢？

我们可以把一个蛋白质分子分解成组成它的各种氨基酸（通
过在酸中加热），然后测定混合液中每一种氨基酸有多少。遗憾的
是，有些氨基酸在化学性质上彼此非常相似，用普通的化学方法几
乎不能把它们截然分开，而用色谱法能够把各种氨基酸分得清清
楚楚（见第六章）。1941年，英国生物化学家马丁和辛格首先把色
谱法应用于这个方面。他们采用的是用淀粉作为色柱里的填料。


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1948年，美国生物化学家　S。　穆尔和斯坦把氨基酸的淀粉色谱法的
效率提高到一个新水平，因此，他们分享了　1972年的诺贝尔化学
奖。

把各种氨基酸的混合液倒入淀粉柱里，待所有的氨基酸分子
附着在淀粉颗粒上以后，再用新鲜的溶剂把氨基酸从柱中慢慢地
淋洗下去。每一种氨基酸都以自己特定的速率从柱中向下移动。
当每一种氨基酸从柱的底部分别流出时，那种氨基酸溶液的液滴
就被收集在一个容器里；然后用一种能够使氨基酸呈色的化学药
品，对每一个容器里的溶液进行处理。颜色的强度表示溶液中某
种氨基酸的含量。这种颜色强度是用一种叫做分光光度计的仪器
测量的。分光光度计可以通过某一特定波长的光被吸收的量显示
出颜色的强度（图　12…2）。


图　12…2分光