胶体

    到19世纪末，生物化学家已经确定，蛋白质是由氨基酸组成
的大分子，正如纤维素是由葡萄糖构成、橡胶是由异成二烯构成的
一样。但是，这里有这样一个重要的差别：纤维素和橡胶是由一
种结构单元组成的，而一种蛋白质是由许多不同的氨基酸组成的。
因此，要想确定蛋白质的结构就要解决一些特殊而微妙的问题。

   第一个问题就是要弄清楚在蛋白链分子中氨基酸到底是怎样
连接在一起的。E．费歇尔首先开始研究这个问题。他把一个氨
基酸的羧基总是与下一个氨基酸的氨基相连接，从而把一些氨基
酸连接成链。1901年，他首次完成了这种缩合，去掉一个分子的
水，把一个甘氨酸分子与另一个甘氨酸分子连接在一起。

    这是最简单的缩合。1907年，E．费歇尔合成了由18个氨基
酸组成的一条链，其中15个是甘氨酸，其余3个是亮氨酸。这个
分子显示不出任何明显的蛋白质特性，但是E．费歇尔认为，这只
是因为这条链不够长。他把他合成的链称做肽（这个词源自希腊
语，意思是“消化”），因为他认为当蛋白质被消化时会分解成这种
成分。E．费歇尔把羧基的碳与氨基的组合命名为肽键。

    1932年，德国生物化学家伯格曼（E．费歇尔的一名学生）设
计了一种由各种氨基酸构成肽的方法。波兰血统的美国生物化学
家费鲁顿用伯格曼的方法制备了一些肽，这些肽可以被消化液分
解成较小的碎片。由于已有充分的理由认为，消化液只能水解（加
水后分解）分子的一个键，所以合成肽中氨基酸之间的键必定与真
正蛋白质中连接氨基酸的键相同。对于费歇尔蛋白质结构肽键理
论的正确性人们一直存有怀疑，这个证明消除了人们的疑虑。

    在20世纪早期的几十年中，合成的肽仍然非常小，在性质上
完全不像蛋白质。E．费歇尔曾经制备了一个具有18个氨基酸的
肽，我在前面已经讲过了；1916年，瑞士化学家阿伯德哈顿制备了
一个有19个氨基酸的肽，比E．费歇尔的多一个氨基酸，但是这
个记录保持了30年。当时化学家们已经知道，这种肽与蛋白质分
子比较起来，确实只是一个微小的碎片，因为蛋白质的分子量是非
常大的。

    例如，让我们来看一看血液中的一种蛋白质——血红蛋白。
血红蛋白含有铁，而铁仅占分子量的0．34％。化学证据表明，血
红蛋白分子含有4个铁原子，其总分子量大约为 67 000；4个铁原
子的总重量为 4×55．85，约占这种分子分子量的0．34％。因此，
血红蛋白一定含有大约550个氨基酸（氨基酸的平均分子量
约为120）。把这个数字与阿伯德哈顿的19个氨基酸相比，就可以
看出他合成的肽小得微不足道了，而血红蛋白只是一般大小的蛋
白质。

    对蛋白质分子量的精确测量是通过让蛋白质在离心机内旋转
而得到的。离心机是利用离心力把粒子从中心向外推的一种旋转
装置（图12-1）。当离心力大于地球引力时，悬浮在溶液中的粒
子就会从中心向外沉降，其速率大于在重力作用下沉降的速率。
例如，在这种离心机中，红血球会很快地沉降出来，而鲜牛奶会分
离成两部分：奶油和较重的脱脂奶。在一般的重力下，这些特殊的
分离也会发生，但是离心作用加快了这种分离过程。

    虽然蛋白质分子是非常大的，但是它们还没有重到在重力下
能从溶液中沉淀出来的程度；也不能在一般的离心机中迅速沉降
出来。是1923年，瑞典化学家斯韦德贝里发明了一种能够把分
子按重量分开的超速离心机。这种高速装置每秒钟旋转1万多
圈，产生的离心力达到地面重力的9万倍。由于斯韦德贝里在研
究悬浮物体方面的贡献，他获得了1926年的诺贝尔化学奖。


               图12- 1  离心机的原理


    利用超速离心机，化学家们能够根据沉淀的速率确定一些蛋
白质的分子量（为了纪念这位化学家，沉淀速率的测量单位称为斯
韦德贝里）。结果表明，小的蛋白质的分子量只有几千，所含的氨
基酸大概不超过50个（仍然明显地多于19个）。其他蛋白质的分
手量达几十万甚至几百万，就是说它们一定是由几千个或几万个
氨基酸组成的。蛋白质含有如此巨大的分子，所以从19世纪中叶
以来才被列为系统研究的一类物质。

   苏格兰化学家格雷姆由于对扩散感兴趣而成了这个领域的先
驱。两种物质的分子接触时就会以扩散的方式互相混合。他是由
研究气体通过小孔或细管的扩散速率开始的。到1831年，他能够
证明，一种气体的扩散速率与其分子量的平方根成反比（格雷姆定
律）。（顺便说一下，人们正是利用格雷姆定律将铀-235与铀-238
分离的。）

    在以后的几十年中，格雷姆转而研究被溶解物质的扩散现象。
他发现，像盐、糖、硫酸铜等化合物的溶液能够透过大块的羊皮纸
（大概羊皮纸上有普通显微镜看不见的小孔）。而像阿拉伯树胶、
胶、白明胶等物质的溶液却透不过去。显然，后一类物质的大分子
不能穿过羊皮纸上的小孔。

    格雷姆把能够穿过羊皮纸的物质叫做拟晶体（正好我们容易
得到它们的晶体）。那些不能穿过羊皮纸的物质，如胶，他称之为
胶体。于是，对大分子（或大原子团，尽管这些原子团未形成独特
的分子）的研究便被称为胶体化学。因为蛋白质和活组织中的其
他重要分子都很大，所以胶体化学对生物化学（对活组织中进行的
化学反应的研究）有着特别重要的意义。

    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
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（单个颗粒大小，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
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。