淺談對蛋白質(zhì)變性及其變化形式的認識

2017-07-07 11:58:32蔣良

化學教與學 2017年6期

蔣良

摘要：針對中學化學和中學生物教學在蛋白質(zhì)變性及其變化形式上存在的一些問題，從辯證唯物主義基本原理的物質(zhì)基本運動形式的哲學層面進行認識，梳理了蛋白質(zhì)發(fā)生變性時蛋白質(zhì)結構的變化情況，簡單討論了蛋白質(zhì)變性過程中蛋白質(zhì)發(fā)生的主要變化形式的種類。

關鍵詞：物質(zhì)變化的基本形式；蛋白質(zhì)變性；蛋白質(zhì)結構；生物化學過程

文章編號：1008-0546（2017）06-0009-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.06.002

一、問題的提出

在中學化學和中學生物進行蛋白質(zhì)性質(zhì)的教學時，常有老師說“蛋白質(zhì)的變性是化學變化”，在一些公開出版的教輔用書及試題中也時常能見到類似的敘述和題目。和相關老師交流，詢問他們?yōu)槭裁凑J為這一變化是化學變化？他們給出的解釋是：物質(zhì)發(fā)生的變化只有物理變化和化學變化這兩種形式，一個具體物質(zhì)所發(fā)生的某一具體變化如果不是物理變化，那就一定是化學變化；蛋白質(zhì)變性后得到的物質(zhì)，其理化性質(zhì)及生理活性都和原來的蛋白質(zhì)不同（理化性質(zhì)發(fā)生了改變，特別是失去了生理活性），即不再是原來的蛋白質(zhì)了，所以蛋白質(zhì)的變性不屬于物理變化，因而是化學變化。

解釋看似有據(jù)。事實真的是這樣嗎？這就需要對客觀世界里物質(zhì)的變化形式和原理，以及蛋白質(zhì)的結構和蛋白質(zhì)變性的關系等有一個較全面的了解，并由此去認識才能給出答案。

二、物質(zhì)變化的基本形式

物質(zhì)的變化即物質(zhì)的運動。在恩格斯的《自然辯證法》中把客觀世界里各種各樣的物質(zhì)運動，按照從低級到高級、由簡單到復雜的順序，依次劃分為機械運動、物理運動、化學運動、生物運動和社會運動這五種基本運動形式。在每一種基本運動形式中，又包含著許多的具體運動形式。如，物理運動中包含聲、光、熱、電、磁等運動形式[1]。化學變化中不能沒有相對位置的變化、溫度變化和電的變化等次要的變化，有機生命中不能沒有機械的、物理的、化學的、熱的、電的等等次要的變化。但是，次要運動形式的存在并不能把每一次的主要形式的本質(zhì)包括無遺[2]。一個具體物質(zhì)發(fā)生的某一具體變化所屬的基本變化形式是由其包含的最高級的、最本質(zhì)的運動形式來決定的。

這五種不同的基本運動形式既相互區(qū)別，又密切聯(lián)系。不同基本運動形式的區(qū)別，在于不同運動形式有著不同的物質(zhì)基礎和特殊矛盾[1]。機械運動是物體之間或物體內(nèi)各部分之間相對位置的變化，是最簡單、最普遍的運動，在各種復雜運動（如物理運動、化學變化、生命現(xiàn)象等）中都包含著位置的變化，但不能把各種復雜運動歸結為機械運動。物理運動是指物質(zhì)僅改變其物理性質(zhì)（如聚集狀態(tài)、密度、溶解度、電導率等），而不改變其分子（或晶體）的化學組成和化學性質(zhì)的變化[3]。化學運動是在原子分子層次上，物質(zhì)的化學組成、化學鍵和化學性質(zhì)均發(fā)生改變的變化。生物運動是生物（包括植物、動物和微生物）有機體的變化，生物最重要的特征是新陳代謝和自我復制[3]。社會運動是人們按照設定的目標從事的有意識、有目的的社會活動，會引起社會機體的變化等[4]。

決不能混淆各種基本運動形式之間的本質(zhì)不同。例如，化學變化的本質(zhì)是原子、分子和離子等微粒間化學鍵的變化[5]，是否發(fā)生了化學鍵的斷裂與生成，是化學變化和純粹的分子運動（熱運動）或純粹的電子運動（電磁運動）等物理變化的本質(zhì)區(qū)別。同樣地，木材制成桌椅、瓷碗破碎等等諸如此類的變化都不具有物理運動的本質(zhì)，宋心琦先生指出：這些變化僅僅是宏觀物體的形狀、大小、單個質(zhì)量及空間位置等的變化，而其成分和內(nèi)部結構都沒有變化，所以它們的物理性質(zhì)就沒有發(fā)生改變，也就是沒有發(fā)生物理變化[6]。作為高級運動形式的社會運動，其本質(zhì)“并不是在于社會中發(fā)生著機械的、物理的、化學的、生物的過程（雖然沒有這些過程的社會生活是完全不可能的），而是在于它有著自己的特別的，與屬于生物界和非生物界的過程在質(zhì)的方面有區(qū)別的發(fā)展規(guī)律，即生產(chǎn)力及生產(chǎn)關系發(fā)展的規(guī)律。”[7]

不同基本運動形式之間的密切聯(lián)系是，它們能夠在適當?shù)臈l件下共同存在于一個具體的變化中并相互轉(zhuǎn)化，而不是互不相關、界線分明地孤立存在。如，摩擦生熱是機械運動轉(zhuǎn)化為熱運動，電解反應是電運動轉(zhuǎn)化為化學運動，電池放電是化學運動轉(zhuǎn)化為電運動，煤燃燒是化學運動轉(zhuǎn)化為熱運動，蒸汽機將熱運動轉(zhuǎn)化為機械運動等等[7]。生物體及生物體內(nèi)的各種生物變化都是直接由機械運動、物理變化和化學變化引起的，呼吸、營養(yǎng)、排泄等等是如此，純粹的肌肉運動也同樣是如此[8]。在化學變化中會同時發(fā)生機械運動、物理變化。蠟燭的燃燒這一化學變化所包含的機械的、物理的變化（在火焰產(chǎn)生前、燃燒時以及火焰熄滅后的一段時間內(nèi)都包含有機械的、物理的變化），是人們耳熟能詳?shù)奈镔|(zhì)不同基本運動形式之間相互聯(lián)系及轉(zhuǎn)化的最好例證。一般地，低級運動形式是高級運動形式的基礎，高級運動形式是從低級運動形式發(fā)展而來，高級運動形式中包含著低級運動形式[1]，但不能認為高級運動形式是低級運動形式的簡單加和。

恩格斯指出[2]：“正如一個運動形式是從另一個運動形式中發(fā)展出來的一樣，這些形式的反映，即各種不同的科學，也必然是一個從另一個中產(chǎn)生出來”；當化學產(chǎn)生了蛋白質(zhì)的時候，化學過程就超出了它本身的范圍，進入了一個內(nèi)容更豐富的領域，即有機生命的領域；生物體“無疑是把力學、物理學和化學結合為一個整體的高度的統(tǒng)一，而這種三位一體是不能再分離的”。各門具體科學就是分別以不同的物質(zhì)運動形式作為自己的研究對象[9]。

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。在所有生物體的每一個細胞里都含有蛋白質(zhì)，幾乎一切生命過程和生理效能，都是由無數(shù)蛋白質(zhì)分子的運動（變化）實現(xiàn)的。不同的蛋白質(zhì)其生理效能不同。生命現(xiàn)象是物質(zhì)運動的高級形式[10]，這一運動形式所包含的物質(zhì)及機械的、物理的、化學的和生物的等變化雖然錯綜復雜，但必須有蛋白質(zhì)的參與才能完成[11]。

事實表明，蛋白質(zhì)的變性使蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和生物性質(zhì)都發(fā)生了改變[11]。由此可知，蛋白質(zhì)的變性過程應當包含有機械的、物理的、化學的以及生物的等變化形式。但是，單獨的蛋白質(zhì)還不是生命[12]，從目前科學上對物質(zhì)的分類看，蛋白質(zhì)屬于生物大分子，而不屬于動物、植物或微生物等生物。很明顯，這種具有生物活性的大分子又和普通（沒有生物活性）的分子有著許多的不同。所以，把蛋白質(zhì)的變性簡單地歸結為化學變化或其它某一基本變化形式，都似乎是不妥的。

三、蛋白質(zhì)的結構和蛋白質(zhì)變性的關系[10，11，13]

1. 蛋白質(zhì)的結構

蛋白質(zhì)的結構分為一級結構、二級結構、三級結構和四級結構。一級結構又叫初級結構，其他結構統(tǒng)稱為高級結構或空間結構。

蛋白質(zhì)的一級結構是指其分子中的各種氨基酸殘基，通過肽鍵按照一定的排列順序連接成的骨架——多肽鏈，即由肽鍵（共價鍵）形成的多肽鏈中的氨基酸序列。這是蛋白質(zhì)的基本結構。1969年IUPAC規(guī)定蛋白質(zhì)的一級結構只指多肽鏈中的氨基酸序列。事實證明，當某蛋白質(zhì)分子中的某一氨基酸改變時，蛋白質(zhì)的生物性質(zhì)也將改變。每種蛋白質(zhì)都有惟一、確定的氨基酸序列。此外，在某些蛋白質(zhì)分子中含有的少量鏈內(nèi)或鏈間的共價二硫鍵也屬于一級結構的范疇[14]。

蛋白質(zhì)的二級結構是指每條多肽鏈都不是直線狀的，而是以部分螺旋、部分折疊、部分卷曲等的固定構象存在，即指多肽鏈自身的折疊和環(huán)繞的方式。進一步地，是指主鏈上不同肽段的固定構象，但不涉及側(cè)鏈的構象。造成二級結構的原因主要是，同一條多肽鏈上的不相鄰的羰基氧和亞氨基氫之間形成了氫鍵。1969年IUPAC規(guī)定二級結構是主鏈原子的局部空間排列，但不包括側(cè)鏈的構象及跟別的鏈段的相互關系。

在二級結構的基礎上，同一條多肽鏈里的氨基酸殘基上的各種側(cè)鏈之間通過氫鍵、范德華力、疏水作用、鹽鍵等次級鍵（又叫次級作用或副鍵、弱鍵）的作用，使多肽鏈在三維空間再進一步地卷曲、折疊、盤繞，形成更復雜的特定構象，這就是蛋白質(zhì)的三級結構。

許多蛋白質(zhì)分子是由兩條或兩條以上的多肽鏈組成（這些多肽鏈可以相同也可以不同，每條多肽鏈稱為一個亞基或亞單位，且都有各自獨立的一級、二級和三級結構），這些多肽鏈依靠次級鍵、按一定的空間排列方式締合在一起，構成一個聚集體的獨特的空間結構，即是蛋白質(zhì)的四級結構。這是蛋白質(zhì)的最高級結構。如，牛胰島素由兩條多肽鏈組成，血紅蛋白、煙草斑紋病毒分別是由四條、兩千多條可分離的多肽鏈組成。具有四級結構的蛋白質(zhì)，其單獨的亞基一般沒有生物活性。

通過以上內(nèi)容可知，不是所有的蛋白質(zhì)都具有四級結構，由一條多肽鏈形成的蛋白質(zhì)只有一級、二級和三級結構，由兩條或兩條以上多肽鏈形成的蛋白質(zhì)才有四級結構。在蛋白質(zhì)的一級結構中的作用力是共價鍵（主要是肽鍵），在各高級結構中的作用是各種次級鍵。共價二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質(zhì)的構象上也起著重要作用[15]。顯然，次級鍵的鍵能要比共價鍵的鍵能弱得多，次級鍵很容易被破壞、斷開。蛋白質(zhì)的各級結構的有關比較見表1。

2. 蛋白質(zhì)的結構和蛋白質(zhì)變性的關系

物質(zhì)的結構決定物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)性質(zhì)的變化是物質(zhì)結構發(fā)生改變的結果。所以，蛋白質(zhì)變性的原因與本質(zhì)是蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結構的改變。研究表明，蛋白質(zhì)的變性是蛋白質(zhì)的高級結構都被破壞、徹底改變所造成的，但不涉及一級結構，一級結構沒有變化。

當?shù)鞍踪|(zhì)變性時，其分子中的次級鍵都被破壞而不再存在，原來（由次級鍵的作用形成的）規(guī)則、緊密、特有的空間結構（因次級鍵被破壞）變成無規(guī)則松散的結構，雖然肽鍵和肽鏈沒有斷裂，但變化后的空間結構也不能再恢復到其原來的結構，即這時空間結構的變化是不可逆的。如，雞蛋白經(jīng)加熱后就凝固變?yōu)椴煌该鞯挠矇K，就是由于分子中為形成高級結構的各種次級鍵都被破壞了，分子內(nèi)部的空間結構發(fā)生了深刻的變化，使蛋白質(zhì)變性，再沒有辦法把凝固的蛋白變?yōu)樵瓉砜扇艿牡鞍住＝^大多數(shù)的酶是具有生物活性的蛋白質(zhì)，其生物活性是由它的活性中心決定的，這種活性中心是分子中的多肽鏈經(jīng)過卷曲折疊等的三級結構，而在分子中形成的某些具有特定生物學功能的區(qū)域，如果蛋白質(zhì)的二級以上的空間結構都遭到破壞，則這樣的區(qū)域即活性中心就不再存在，其有關的生物活性也就消失了。由此可知，蛋白質(zhì)的生物活性和蛋白質(zhì)的空間結構密切相關。

生物活性喪失是蛋白質(zhì)變性的主要特征，有時空間結構只有輕微的局部改變，甚至這些改變還沒有影響到蛋白質(zhì)的其他物理化學性質(zhì)時，蛋白質(zhì)的生物活性就已經(jīng)喪失了[15]。變性后的蛋白質(zhì)在性質(zhì)上的最顯著表現(xiàn)主要有原有生物活性的喪失，溶解度降低、黏度增大、難以結晶，更容易被水解酶催化水解等。

一般地，把能使蛋白質(zhì)變性的因素主要分為物理因素和化學因素兩類。物理因素主要有加熱、加壓、攪拌、振蕩、干燥、紫外線照射、超聲波作用等；化學因素主要有重金屬鹽、強酸、強堿、三氯乙酸、乙醇、丙酮、甲醛、尿素等。那么，不同的因素作用于蛋白質(zhì)使蛋白質(zhì)變性時，蛋白質(zhì)所發(fā)生的主要變化形式又是怎樣的呢？現(xiàn)做些簡單分析。

加熱、振蕩、紫外線照射等使蛋白質(zhì)變性時，是破壞了蛋白質(zhì)分子中的氫鍵等各種次級鍵（如加熱是熱運動使氫鍵等斷裂），從而使其空間結構被破壞、改變，進而導致其理化性質(zhì)的變化和生物活性的喪失，但在變化過程中沒有共價鍵的斷裂和生成，蛋白質(zhì)的化學組成沒有變化（沒有別的物質(zhì)生成），因此這時蛋白質(zhì)發(fā)生的變化主要是物理變化，亦即是主要由物理變化造成了蛋白質(zhì)變性。

當乙醇、丙酮等與蛋白質(zhì)混合時，由于這些有機物的親水能力很強，因此它們既能使蛋白質(zhì)膠粒表面的水化膜消失而凝聚沉淀，又能進入多肽鏈的空隙引起溶脹作用使氫鍵等次級鍵被破壞，從而使蛋白質(zhì)變性。所以，在此時的變化過程中也沒有共價鍵的斷裂和生成，也還是主要由物理變化造成了蛋白質(zhì)變性。75%的乙醇溶液用于醫(yī)療消毒的原理即是如此。

重金屬鹽使蛋白質(zhì)變性，是由于重金屬陽離子能夠與蛋白質(zhì)中游離的羧基生成不溶性的鹽，則在這時的變化過程中有化學鍵的斷裂和生成。強酸、強堿使蛋白質(zhì)變性，是由于強酸、強堿既能使蛋白質(zhì)中的氫鍵斷裂，也能與蛋白質(zhì)中游離的氨基或羧基反應生成鹽，即在變化過程中也有化學鍵的斷裂和生成。因此，重金屬鹽、強酸、強堿等使蛋白質(zhì)變性的過程中，都有化學變化發(fā)生，這時蛋白質(zhì)的變性主要是由化學變化造成的。

另外，在一定條件下，若改變的只是蛋白質(zhì)的三級和四級結構，則這時空間結構的變化一般是可逆的，如果消除掉這些（改變?nèi)壓退募壗Y構的）條件，那么變化后的蛋白質(zhì)的空間結構能夠再恢復到其原來的結構，這時蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物活性都不會發(fā)生變化。如，血紅蛋白在低濃度的水楊酸鈉溶液中的變化就是如此，除去水楊酸鈉后其天然性質(zhì)就可以得到恢復。當?shù)鞍踪|(zhì)在水溶液中受到酸、堿或酶等催化劑的作用，其一級結構被破壞時，則是發(fā)生了蛋白質(zhì)的水解反應，此時可以生成一系列的中間產(chǎn)物，直到完全水解最終產(chǎn)物是氨基酸。當然，蛋白質(zhì)的水解反應不屬于蛋白質(zhì)的變性。同樣地，蛋白質(zhì)被灼燒生成二氧化碳、水等物質(zhì)的變化，也不屬于蛋白質(zhì)的變性。

四、簡單的結語

蛋白質(zhì)的變性是一個十分復雜的過程，其中所涉及的物質(zhì)變化形式也是復雜多樣的。能夠使蛋白質(zhì)發(fā)生變性的因素或方法有很多，不同的因素致使蛋白質(zhì)變性時，蛋白質(zhì)所發(fā)生的主要變化也不盡相同。如，有些因素是使蛋白質(zhì)主要發(fā)生物理變化而造成蛋白質(zhì)變性，有些因素是使蛋白質(zhì)主要發(fā)生化學變化而造成蛋白質(zhì)變性，有些因素是使蛋白質(zhì)既發(fā)生物理變化、又發(fā)生化學變化而造成蛋白質(zhì)變性，也就是說物理變化或化學變化都能夠造成蛋白質(zhì)變性。所以，在蛋白質(zhì)變性過程中所發(fā)生的物質(zhì)變化形式是既有物理變化，也有化學變化，還有生物活性變化等。因此，從哲學的層面上看，蛋白質(zhì)的變性不應該屬于化學變化；從自然科學的角度上看，蛋白質(zhì)的變性應該屬于生物化學過程，屬于生物化學的范疇。

蛋白質(zhì)變性過程中包含的物質(zhì)變化形式的多樣性，從物質(zhì)的一種變化現(xiàn)象——蛋白質(zhì)變性的角度，既說明了客觀事物的變化過程是復雜的，又反映了不同的物質(zhì)變化形式之間是密切聯(lián)系和能夠相互轉(zhuǎn)化的。當然，這種多樣性是有規(guī)律的，且規(guī)律是可認識的和可利用的。

蛋白質(zhì)是一大類具有特定結構和一定生物學功能的生物大分子。科學研究表明，蛋白質(zhì)的種類繁多，在整個生物界約有1010～1012種蛋白質(zhì)，其空間結構極其復雜，但目前為人們所認識的還非常少[16]。形成一個蛋白質(zhì)分子的氨基酸的種類、數(shù)量以及排列順序和內(nèi)部的各種構象等等都是確定的，任何一點都不得改變，否則就會引起蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生理功能的變化[10]。進一步地，只有以生物大分子內(nèi)部的三維結構為基礎，才能認識蛋白質(zhì)的有關生物活性的原因和作用機理，揭示相關生命活動的本質(zhì)。

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