阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第10章
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Gly15Val45Leu58
Ileu9Pro31Phe33Tyr18Try1Ser22Thr27CyS32CyHS4Met6Arg25His16Lys58
Asp46Glu80。应该承认，分子式这样写比较简洁，但念起来并不顺
口。
分析肽链
发现一种蛋白质的经验式只是工作的一半——实际上远不到
一半，更为艰巨的工作是破译一种蛋白质分子的结构。有充分的
理由相信，每一种蛋白质的性质完全取决于所有那些氨基酸在分
子的链上是怎样（按什么次序）排列的。这就给生物化学家提出了
一个难题。即使每种氨基酸只用一次，
19种氨基酸在一条链上可
能的排列方式也有大约
12亿亿种。如果你觉得这个数目难以置
信，试求
19×18×17×16×……的值，这就是求有多少种可能的
排列方式的方法。如果你不相信算术，可以找出
19个棋子，在棋
子上依次标上
1至
19，看看你能把它们排列成多少种不同的次
序。我保证，这个游戏你很快就会玩不下去的。
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如果你有一个像血清清蛋白那样由
500多个氨基酸组成的蛋
白质，那么它可能的排列方式就会有大约
1×10600种，即在
1的后
面加
600个零。这简直是一个大得难以相信的数目，比整个已知
宇宙中亚原子粒子的数目还要大得多。换句话说，就此而言，即使
把这些粒子都压结实，宇宙也远远容纳不下。
虽然在那么多可能的排列方式中，要弄清楚一个血清清蛋白
分子到底属于哪一种，似乎是没有希望的，但是这类问题实际上已
经得到了处理和解决。
1945年，英国生物化学家桑格着手确定一条肽链中氨基酸的
排列次序。他首先试图鉴定出肽链一端（氨基端）的氨基酸。
显然，这一端的氨基酸（称做
N末端氨基酸）的氨基是游离
的，就是说，不与另一个氨基酸相连接。桑格使用了一种能够与游
离的氨基结合、但不能与已经跟羧基连接的氨基结合的化学药品，
制取了肽链的一种
DNP（二硝基苯酚）衍生物。利用
DNP，他可以
标记出
N末端氨基酸。因为把
DNP结合在一起的键比把链上的
氨基酸结合在一起的键力量大，所以它能够把链分解成单个的氨
基酸，并把带有
DNP标记的那一个氨基酸分离出来。碰巧
DNP
基为黄色，因此这种特殊的氨基酸同其
DNP标记一起，在纸色谱
图上呈现为一个黄色的斑点。
因此，桑格能够分离并鉴定出一条肽链的氨基端的氨基酸。
用同样的方法，他鉴定出链另一端的氨基酸——含有一个游离羧
基的氨基酸，叫做
C末端氨基酸。他还多次把一条肽链中的一些
其他氨基酸一个一个地切割下来，并鉴定出它的末端顺序。
桑格进而研究整条肽链。他选用的是胰岛素。这种蛋白质有
两个优点：一是它对人体的功能有非常重要的作用；二是它是一种
比较小的蛋白质，胰岛素的最简式分子量只有
6 000。DNP处理
表明，这种蛋白质分子由两条肽链组成，因为它含有两种不同的
N
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
末端氨基酸。这两条链是由一些胱氨酸分子连接起来的。桑格用
化学的方法断开胱氨酸中两个硫原子之间的键，把胰岛素分子分
成它的两条肽链，每一条都完整无损。其中一条链的
N末端氨基
酸为甘氨酸（称之为
G链），另一条链的
N末端氨基酸是苯丙氨酸
（称之为
P链）。现在可以对这两条链分别进行研究了。
桑格和他的同事塔皮首先把
G链和
P链分解成单个的氨基
酸，从而鉴定出组成
G链的
21个氨基酸和组成
P链的
30个氨基
酸。接着，为了了解排列顺序的情况，他们就把
G链和
P链分解
成由
2～3个氨基酸组成的碎片，而不分解为单个的氨基酸。这个
任务可以通过部分水解的方法来完成，水解仅断开链中比较弱的
键；也可以通过用某些消化物质攻击胰岛素的方法来完成，这些消
化物质只断开氨基酸之间的某些键而不损害其他键。
利用这些方法，桑格和塔皮把
G链和
P链分别分解成许多不
同的片段。例如，把
P链分解成
48个不同的片段，其中由
2个氨
基酸（二肽）组成的片段
22个，由
3个氨基酸组成的片段
14个，由
3个以上的氨基酸组成的片段
12个。
经过分离的各种小的肽，用纸色谱法可以再分解成单个的氨
基酸。现在研究者们准备测定这些片段中氨基酸的顺序了。假如
他们有一个由缬氨酸和异亮氨酸组成的二肽。问题会是：顺序是
Val－Ileu还是
Ileu－Val？换句话说，N末端氨基酸是缬氨酸还是
异亮氨酸？（氨基以及相继的
N末端单元，通常认为在一条链的
左端。）对此，
DNP标记可以回答这个问题。如果
DNP标记出现
在缬氨酸上，那么，缬氨酸就是
N末端氨基酸，从而可以确认这个
二肽的排列顺序是
Val－Ileu。如果
DNP标记出现在异亮氨酸
上，排列顺序则为
Ileu－Val。
一个由
3个氨基酸组成的片段，其排列顺序也可以确定出来。
假如一个片段的组成是亮氨酸、缬氨酸和谷氨酸。
DNP试验可以
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首先鉴定出
N末端氨基酸。比方说，如果是亮氨酸，那么，排列顺
序不是
Leu－Val－Glu就是
Leu－Glu－Val。然后人工合成这两
种组合，并分别滴在滤纸上，使成为色谱图上的斑点，再看看哪一
种组合在滤纸上占的位置与被研究的片段所占的位置相同。
对于含有
3个以上氨基酸的肽，可以把它们先分解成比较小
的片段，然后再进行分析。
用这种方法把胰岛素分子分成的所有片段的结构确定以后，
下一步就是按照它们在链中的正确次序，把这些片段连接在一
起——就像小孩玩拼板玩具那样。这里有许多线索可寻。例如，
已知
G链只含有
1个单位的氨基酸——丙氨酸，在从分解
G链所
得到的肽混合物中，发现丙氨酸有两种组合方式：丙氨酸
…丝氨酸
和肽氨酸…丙氨酸。因此，在完整的
G链中，排列次序一定是
CyS－Ala－Ser。
利用这些线索，桑格和塔皮逐渐地把这些片段拼到了一起。
把所有的片段都确认出来，并以完全满意的顺序把它们排列出来，
要花费几年的时间。但是到了
1952年，他们就研究出了
G链和
P
链中所有氨基酸的精确的排列次序，接着他们继续研究两条链是
怎样连接起来的。1953年，他们宣布终于胜利地破译了胰岛素的
结构。一种重要的蛋白质分子的全部结构第一次被研究出来了。
由于这一成就，桑格获得了
1958年的诺贝尔化学奖。
生物化学家们立即采用桑格的方法来确定其他蛋白质分子的
结构。1959年，攻克了核糖核酸酶，这是一种由含有
124个氨基
酸的单个肽链组成的蛋白质分子；1960年，研究出了含有
158个
氨基酸的烟草花叶病毒的蛋白质单位；1964年，破译了一种含有
223个氨基酸的蛋白质——胰蛋白酶；到
1967年，这种研究技术
实际上已经自动化了。瑞士血统的美国生物化学家埃德曼设计了
一种顺序分析仪，可以把
5毫克纯蛋白质的氨基酸一个一个地分
第十二章 蛋白质
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的
60个氨基酸就是用这个方法在
4
天内鉴定出来的。
人们已经详细地研究出了更长的肽链。到
20世纪
80年代，
任何蛋白质，不论有多大，其详细结构都可以确定出来。只要不怕
麻烦，就毫无疑问。
总的来说，这些分析表明，大部分蛋白质都能在它们的链上充
分显示出所有（或几乎所有）不同的氨基酸。只有几种比较简单的
纤维状蛋白，如丝中或腱中发现的那些蛋白，偏重于
2～3种氨基
酸。
在由全部
19种氨基酸组成的那些蛋白质中，单个的氨基酸没
有明显的排列次序，也很少发现有周期性的重复。这些氨基酸是
这样排列的，当链通过在各处形成的氢键而折叠起来的时候，各种
侧链能构成一个含有正确排列次序的原子团或电荷图样的表面，
从而使蛋白质发挥其功能。
合成蛋白质
一旦弄清楚了多肽链中氨基酸的顺序，人们就可以着手完全
按照那种正确的顺序把氨基酸结合在一起了。当然，一开始合成
的是一种小的蛋白质。在实验室中合成的第一种蛋白质是催产
素，一种对人体有许多重要功能的激素。催产素是一种极小的蛋
白质分子，只含有
8个氨基酸。1953年，美国生物化学家迪维尼
奥成功地合成了一种与催产素的特征完全相似的肽链，而且，这种
合成肽的确显示出自然激素的全部特性。迪维尼奥获得了
1955
年的诺贝尔化学奖。
在以后的几年中，人们合成出了更复杂的蛋白质分子；但是要
用按照特殊顺序排列的特殊氨基酸合成一种特殊的分子，打个比
方说，就必须像穿串珠一样，一次只穿一个。这件事情在
20世纪
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50年代如同在半个世纪以前的
E。 费歇尔时代一样困难。每次把
一个特殊的氨基酸连接到一条链上，都必须用繁琐的方法把这种
新的化合物同所有其他的部分分离，然后再重新开始连接另一个
特殊的氨基酸。在每一步骤中都会有大部分物质在副反应中失
去，因此，即使简单的链，能合成的量也很小。
但是，1959年初，由美国生物化学家梅里菲尔德领导的一个
小组，在新的方向上有了突破。所需要的链的开头的一个氨基酸
被连接在用聚苯乙烯树脂制成的串珠上。这些串珠在所使用的溶
液中不溶解，而且通过简单的过滤就能够同其他所有的物质分离。
把含有第二个氨基酸的新溶液加进去，第二个氨基酸就会接在第
一个上。再过滤，然后再倒入含有第三个氨基酸的新溶液。加溶
液的步骤非常简单迅速，因此可以自动化，而且几乎没有任何损
失。1965年，用这种方法合成了胰岛素分子；
1969年，合成了更长
的核糖核酸酶的链，共含有
124个氨基酸；接着，
1970年，中国血
统的美国生物化学家李卓浩合成了有
188个氨基酸链的人体生长
激素。原则上讲，只要具有足够的耐心，任何蛋白质现在都能人工
合成。
蛋白质分子的形状
认识到蛋白质分子是一串氨基酸（打个比方）以后，人们希望
对蛋白质分子能有更多的了解。氨基酸链究竟是以什么方式扭曲
的呢？蛋白质分子的确切形状是什么样的呢？
奥地利血统的英国化学家佩鲁茨和他的英国同事肯德鲁着手
研究这个问题。佩鲁茨把血红蛋白作为研究对象。血红蛋白是血
液中载氧的蛋白质，含有大约
12 000个原子。肯德鲁则挑选了肌
红蛋白，一种在功能上类似血红蛋白的肌肉蛋白质，但在大小上只
有血红蛋白的
1/4。他们使用的是
X射线衍射分析法。
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
佩鲁茨使用的装置能够把一些蛋白质分子和一个大质量原子
（如金或汞的原子）结合起来，因为这些大质量原子衍射
X射线的
效率特别高。这样，他得到很多线索，从而更精确地推断出在没有
大质量原子的情况下血红蛋白分子的结构。到
1959年，肌红蛋白
分子的结构弄清楚了，第二年血红蛋白分子的结构也研究出来了。
这样就可以制造出它们的立体模型，使每一单个原子都安置在看
上去很可能是正确的位置。结果，佩鲁茨和肯德鲁分享了
1962年
的诺贝尔化学奖。
有理由认为，利用佩鲁茨…肯德鲁技术得出的这些立体结构，
终归要由那一串氨基酸的性质来确定。打个比方说，氨基酸串具
有一些自然折皱点，当它们弯曲的时候，必然会发生某些相互联
系，从而使氨基酸串适当地折叠起来。通过计算出所有原子间的
距离和连接键所放置的角度，就能够确定这些折叠和相互联系的
情况，但这确实是一项繁琐的工作。这项工作也已经利用计算机
了：不仅用计算机进行计算，而且还让计算机把结果显示在屏幕
上。
不管怎样，已经知道立体形状详细情况的蛋白质分子的数目
正在迅速增加。胰岛素作为向分子生物学发起新的攻击的起点，
它所具有的立体形状是英国生物化学家
D。 C。 霍奇金
1969年研
究出来的。
酶
蛋白质分子非常复杂，而且几乎有无数的种类，因而很有用
处。蛋白质在生物体内要执行多种不同的功能。
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一种主要功能就是为身体提供结构骨架。正如纤维素构成植
物的骨架一样，各种纤维状蛋白质对复杂的动物也起着同样的作
用。蜘蛛织网的丝和昆虫幼虫做茧的丝都是蛋白质纤维。鱼和爬
行动物的鳞主要是由角蛋白构成的。毛发、羽毛、犄角、蹄子、爪子
和指甲也含有角蛋白，它们只不过是变化了的鳞。皮肤由于含有
大量的角蛋白才那么坚韧。体内的支持组织（软骨、韧带、腱甚至
于骨骼的有机支架）主要是由胶原蛋白和弹性蛋白一类的蛋白质
分子组成的。肌肉是由一种叫做肌动球蛋白的复杂的纤维状蛋白
质组成的。
在所有这些实例中，蛋白质纤维不是纤维素的代用品，而是纤
维素的改良品。蛋白质纤维比纤维素更结实、更柔软。纤维素可
以支持植物，但植物不需要做比随风摇晃更复杂的运动。而蛋白
质纤维则必须适应身体各部位的弯曲，以进行各种快速运动和振
动等。
可是，不论在结构上还是在功能上，蛋白质纤维只是蛋白质中
最简单的一类。大多数其他蛋白质要做的工作更精细、更复杂。
为了全面地维持生命，必须在体内进行许多化学反应。这些
反应种类繁多，而且必须高速进行，每一个反应都要和所有其他的
反应紧密配合，因为生命的平稳活动不是依赖某一种反应，而是依
赖所有的反应。此外，所有的反应必须在最温和的环境下进行，即
没有高温、没有强的化学药品，也没有高压。这些反应必须在严格
而灵活的控制下进行，而且必须根据环境的变化特点和身体变化
的需要经常进行调整。在成千上万的反应中，即使有一个反应太
慢或太快，多少都会给身体造成损害。
所有这一切都是由蛋白质分子来完成的。
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
催化作用
到
18世纪末，化学家们以拉瓦锡为先导，开始用定量的方法
来研究各种反应，特别是测定化学反应进行的速率。他们很快就
注意到，环境稍微改变就会使反应速率发生重大变化。例如，当克
希霍夫发现有酸存在淀粉就会变成糖时，他注意到，尽管酸极大地
加快了这个反应，但在反应过程中酸本身并没有被消耗。人们很
快又发现了一些其他这样的例子。德国化学家德贝赖纳发现，铂
的粉末（称做铂黑）能够促使氢和氧结合成水，如果没有铂黑的帮
助，这个反应只有在高温下才会发生。德贝赖纳甚至设计了一种
能够自动点火的灯，在灯里面把氢气流喷到一个涂�
