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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
第十二章 蛋白质
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
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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
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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分光光度计。光束被分为两部分，一部分通过要分析的标本，而另一
部分直接到光电池。因为通过标本的光束被减弱，在光电池中释放的电子比未
被吸收的光束释放的少，所以这两部分光束在示波器上显示出电位差，这样就可
以测量出标本的光的吸收量
［顺便说一下，分光光度计也可以用在其他的化学分析上。如
果让波长连续增加的光通过一种溶液，吸收的量就会平稳地改变，
在某些波长时上升到最大值，而在另一些波长时下降到最小值。
结果形成一种吸收光谱。每一种原子团都有自己特定的一个或几
第十二章 蛋白质
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虽然用淀粉色谱法测定氨基酸非常令人满意，但是在这种方
法发展起来的时候，马丁和辛格研究出了一种更简单的色谱法，叫
做纸色谱法（图 12…3）。各种氨基酸能够在一张滤纸上被分开
图 12…3纸色谱法
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把
1～2滴不同氨基酸
的混合液滴在滤纸的一个角上，然后把滤纸这一边的边缘浸入丁
醇一类的溶剂中。由于毛细作用，溶剂沿着滤纸慢慢地移动。（将
吸水纸的一角浸入水中，你就会看到这种现象。）溶剂经过液滴时
顺便带上氨基酸分子，因而使氨基酸分子也沿着滤纸移动。如同
淀粉色谱法一样，每种氨基酸都以特定的速率沿滤纸移动。过一
段时间以后，混合液中的各种氨基酸便在滤纸上分成一系列的斑
点。有些斑点可能含有两种或三种氨基酸。要把这些氨基酸再分
开，需要等滤纸干燥以后，把滤纸从原来的位置旋转
90度，然后把
新的边缘浸入第二种溶剂中，这种溶剂将把这几种氨基酸再分别
沉积成几个斑点。最后，待整张滤纸干燥以后，再用化学药品冲
洗，使氨基酸的斑点带色或变黑。这真是一种富有戏剧性的奇观：
原来混合在一种单一溶液中的各种氨基酸，现在布满整张滤纸，就
像一幅由彩色斑点拼成的工艺品。有经验的生物化学家根据斑点
所占的位置，能够识别出每一种氨基酸，几乎一眼就能看出原蛋白
质的成分。把一个斑点溶解，他们甚至能够测量出这种蛋白质中
某种氨基酸的含量。由于对这项技术的发展，马丁和辛格获得
1952年的诺贝尔化学奖。
（1952年，马丁同詹姆斯一起，把这种技术原理应用在分离气
体上。各种气体或蒸汽的混合物可以利用氮或氦一类惰性载气的
气流通过液态溶剂或吸收性固体的表面。混合的气体通过后，在
另一端出现时就分开了。这种气相色谱法特别有用，因为它分离
速度快，而且非常精密，能够探测出痕量的杂质。）
色谱分析准确地估计出了各种蛋白质的每一种氨基酸含量。
例如，已经发现，一种被称为血清清蛋白的血液蛋白质分子，含有
15个甘氨酸、45个缬氨酸、
58个亮氨酸、
9个异亮氨酸、
31个脯氨
酸、33个苯丙氨酸、
18个酪氨酸、
1个色氨酸、
22个丝氨酸、
27个
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
苏氨酸、32个胱氨酸、4个半胱氨酸、6个甲硫氨酸、25个精氨酸、
16个组氨酸、
58个赖氨酸、
46个天门冬氨酸和
80个谷氨酸，总计
有
18个不同类型的
526个氨基酸，分子量约为
69 000。（除了这
18种以外，还有一种普通的氨基酸，叫做丙氨酸。）
德国血统的美国生物化学家布兰德提出了一套代表各种氨基
酸的符号，现在已被普遍采用。为了避免与元素符号相混淆，他用
每一种氨基酸英文名字的前三个字母来为其命名，而不是只用第
一个字母。其中有几个比较特殊：
CyS代表胱氨酸，以表明它的两
半通常被连接到两种不同的链上；半胱氨酸用
CySH代表，以区别
于胱氨酸；异亮氨酸的符号是
Ileu而不是
Iso，因为
Iso是许多化
学名词的字头。
用这种符号，血清清蛋白的分子式可以写成：
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
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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