浅谈对蛋白质变性及其变化形式的认识

蒋良

摘要：针对中学化学和中学生物教学在蛋白质变性及其变化形式上存在的一些问题，从辩证唯物主义基本原理的物质基本运动形式的哲学层面进行认识，梳理了蛋白质发生变性时蛋白质结构的变化情况，简单讨论了蛋白质变性过程中蛋白质发生的主要变化形式的种类。

关键词：物质变化的基本形式；蛋白质变性；蛋白质结构；生物化学过程

文章编号：1008-0546（2017）06-0009-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.06.002

一、问题的提出

在中学化学和中学生物进行蛋白质性质的教学时，常有老师说“蛋白质的变性是化学变化”，在一些公开出版的教辅用书及试题中也时常能见到类似的叙述和题目。和相关老师交流，询问他们为什么认为这一变化是化学变化？他们给出的解释是：物质发生的变化只有物理变化和化学变化这两种形式，一个具体物质所发生的某一具体变化如果不是物理变化，那就一定是化学变化；蛋白质变性后得到的物质，其理化性质及生理活性都和原来的蛋白质不同（理化性质发生了改变，特别是失去了生理活性），即不再是原来的蛋白质了，所以蛋白质的变性不属于物理变化，因而是化学变化。

解释看似有据。事实真的是这样吗？这就需要对客观世界里物质的变化形式和原理，以及蛋白质的结构和蛋白质变性的关系等有一个较全面的了解，并由此去認识才能给出答案。

二、物质变化的基本形式

物质的变化即物质的运动。在恩格斯的《自然辩证法》中把客观世界里各种各样的物质运动，按照从低级到高级、由简单到复杂的顺序，依次划分为机械运动、物理运动、化学运动、生物运动和社会运动这五种基本运动形式。在每一种基本运动形式中，又包含着许多的具体运动形式。如，物理运动中包含声、光、热、电、磁等运动形式[1]。化学变化中不能没有相对位置的变化、温度变化和电的变化等次要的变化，有机生命中不能没有机械的、物理的、化学的、热的、电的等等次要的变化。但是，次要运动形式的存在并不能把每一次的主要形式的本质包括无遗[2]。一个具体物质发生的某一具体变化所属的基本变化形式是由其包含的最高级的、最本质的运动形式来决定的。

这五种不同的基本运动形式既相互区别，又密切联系。不同基本运动形式的区别，在于不同运动形式有着不同的物质基础和特殊矛盾[1]。机械运动是物体之间或物体内各部分之间相对位置的变化，是最简单、最普遍的运动，在各种复杂运动（如物理运动、化学变化、生命现象等）中都包含着位置的变化，但不能把各种复杂运动归结为机械运动。物理运动是指物质仅改变其物理性质（如聚集状态、密度、溶解度、电导率等），而不改变其分子（或晶体）的化学组成和化学性质的变化[3]。化学运动是在原子分子层次上，物质的化学组成、化学键和化学性质均发生改变的变化。生物运动是生物（包括植物、动物和微生物）有机体的变化，生物最重要的特征是新陈代谢和自我复制[3]。社会运动是人们按照设定的目标从事的有意识、有目的的社会活动，会引起社会机体的变化等[4]。

决不能混淆各种基本运动形式之间的本质不同。例如，化学变化的本质是原子、分子和离子等微粒间化学键的变化[5]，是否发生了化学键的断裂与生成，是化学变化和纯粹的分子运动（热运动）或纯粹的电子运动（电磁运动）等物理变化的本质区别。同样地，木材制成桌椅、瓷碗破碎等等诸如此类的变化都不具有物理运动的本质，宋心琦先生指出：这些变化仅仅是宏观物体的形状、大小、单个质量及空间位置等的变化，而其成分和内部结构都没有变化，所以它们的物理性质就没有发生改变，也就是没有发生物理变化[6]。作为高级运动形式的社会运动，其本质“并不是在于社会中发生着机械的、物理的、化学的、生物的过程（虽然没有这些过程的社会生活是完全不可能的），而是在于它有着自己的特别的，与属于生物界和非生物界的过程在质的方面有区别的发展规律，即生产力及生产关系发展的规律。”[7]

不同基本运动形式之间的密切联系是，它们能够在适当的条件下共同存在于一个具体的变化中并相互转化，而不是互不相关、界线分明地孤立存在。如，摩擦生热是机械运动转化为热运动，电解反应是电运动转化为化学运动，电池放电是化学运动转化为电运动，煤燃烧是化学运动转化为热运动，蒸汽机将热运动转化为机械运动等等[7]。生物体及生物体内的各种生物变化都是直接由机械运动、物理变化和化学变化引起的，呼吸、营养、排泄等等是如此，纯粹的肌肉运动也同样是如此[8]。在化学变化中会同时发生机械运动、物理变化。蜡烛的燃烧这一化学变化所包含的机械的、物理的变化（在火焰产生前、燃烧时以及火焰熄灭后的一段时间内都包含有机械的、物理的变化），是人们耳熟能详的物质不同基本运动形式之间相互联系及转化的最好例证。一般地，低级运动形式是高级运动形式的基础，高级运动形式是从低级运动形式发展而来，高级运动形式中包含着低级运动形式[1]，但不能认为高级运动形式是低级运动形式的简单加和。

恩格斯指出[2]：“正如一个运动形式是从另一个运动形式中发展出来的一样，这些形式的反映，即各种不同的科学，也必然是一个从另一个中产生出来”；当化学产生了蛋白质的时候，化学过程就超出了它本身的范围，进入了一个内容更丰富的领域，即有机生命的领域；生物体“无疑是把力学、物理学和化学结合为一个整体的高度的统一，而这种三位一体是不能再分离的”。各门具体科学就是分别以不同的物质运动形式作为自己的研究对象[9]。

蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。在所有生物体的每一个细胞里都含有蛋白质，几乎一切生命过程和生理效能，都是由无数蛋白质分子的运动（变化）实现的。不同的蛋白质其生理效能不同。生命现象是物质运动的高级形式[10]，这一运动形式所包含的物质及机械的、物理的、化学的和生物的等变化虽然错综复杂，但必须有蛋白质的参与才能完成[11]。

事实表明，蛋白质的变性使蛋白质的物理性质、化学性质和生物性质都发生了改变[11]。由此可知，蛋白质的变性过程应当包含有机械的、物理的、化学的以及生物的等变化形式。但是，单独的蛋白质还不是生命[12]，从目前科学上对物质的分类看，蛋白质属于生物大分子，而不属于动物、植物或微生物等生物。很明显，这种具有生物活性的大分子又和普通（没有生物活性）的分子有着许多的不同。所以，把蛋白质的变性简单地归结为化学变化或其它某一基本变化形式，都似乎是不妥的。

三、蛋白质的结构和蛋白质变性的关系[10，11，13]

1. 蛋白质的结构

蛋白质的结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。一级结构又叫初级结构，其他结构统称为高级结构或空间结构。

蛋白质的一级结构是指其分子中的各种氨基酸残基，通过肽键按照一定的排列顺序连接成的骨架——多肽链，即由肽键（共价键）形成的多肽链中的氨基酸序列。这是蛋白质的基本结构。1969年IUPAC规定蛋白质的一级结构只指多肽链中的氨基酸序列。事实证明，当某蛋白质分子中的某一氨基酸改变时，蛋白质的生物性质也将改变。每种蛋白质都有惟一、确定的氨基酸序列。此外，在某些蛋白质分子中含有的少量链内或链间的共价二硫键也属于一级结构的范畴[14]。

蛋白质的二级结构是指每条多肽链都不是直线状的，而是以部分螺旋、部分折叠、部分卷曲等的固定构象存在，即指多肽链自身的折叠和环绕的方式。进一步地，是指主链上不同肽段的固定构象，但不涉及侧链的构象。造成二级结构的原因主要是，同一条多肽链上的不相邻的羰基氧和亚氨基氢之间形成了氢键。1969年IUPAC规定二级结构是主链原子的局部空间排列，但不包括侧链的构象及跟别的链段的相互关系。

在二级结构的基础上，同一条多肽链里的氨基酸残基上的各种侧链之间通过氢键、范德华力、疏水作用、盐键等次级键（又叫次级作用或副键、弱键）的作用，使多肽链在三维空间再进一步地卷曲、折叠、盘绕，形成更复杂的特定构象，这就是蛋白质的三级结构。

许多蛋白质分子是由两条或两条以上的多肽链组成（这些多肽链可以相同也可以不同，每条多肽链称为一个亚基或亚单位，且都有各自独立的一级、二级和三级结构），这些多肽链依靠次级键、按一定的空间排列方式缔合在一起，构成一个聚集体的独特的空间结构，即是蛋白质的四级结构。这是蛋白质的最高级结构。如，牛胰岛素由两条多肽链组成，血红蛋白、烟草斑纹病毒分别是由四条、两千多条可分离的多肽链组成。具有四级结构的蛋白质，其单独的亚基一般没有生物活性。

通过以上内容可知，不是所有的蛋白质都具有四级结构，由一条多肽链形成的蛋白质只有一级、二级和三级结构，由两条或两条以上多肽链形成的蛋白质才有四级结构。在蛋白质的一级结构中的作用力是共价键（主要是肽键），在各高级结构中的作用是各种次级键。共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象上也起着重要作用[15]。显然，次级键的键能要比共价键的键能弱得多，次级键很容易被破坏、断开。蛋白质的各级结构的有关比较见表1。

2. 蛋白质的结构和蛋白质变性的关系

物质的结构决定物质的性质，物质性质的变化是物质结构发生改变的结果。所以，蛋白质变性的原因与本质是蛋白质分子内部结构的改变。研究表明，蛋白质的变性是蛋白质的高级结构都被破坏、彻底改变所造成的，但不涉及一级结构，一级结构没有变化。

当蛋白质变性时，其分子中的次级键都被破坏而不再存在，原来（由次级键的作用形成的）规则、紧密、特有的空间结构（因次级键被破坏）变成无规则松散的结构，虽然肽键和肽链没有断裂，但变化后的空间结构也不能再恢复到其原来的结构，即这时空间结构的变化是不可逆的。如，鸡蛋白经加热后就凝固变为不透明的硬块，就是由于分子中为形成高级结构的各种次级键都被破坏了，分子内部的空间结构发生了深刻的变化，使蛋白质变性，再没有办法把凝固的蛋白变为原来可溶的蛋白。绝大多数的酶是具有生物活性的蛋白质，其生物活性是由它的活性中心决定的，这种活性中心是分子中的多肽链经过卷曲折叠等的三级结构，而在分子中形成的某些具有特定生物学功能的区域，如果蛋白质的二级以上的空间结构都遭到破坏，则这样的区域即活性中心就不再存在，其有关的生物活性也就消失了。由此可知，蛋白质的生物活性和蛋白质的空间结构密切相关。

生物活性丧失是蛋白质变性的主要特征，有时空间结构只有轻微的局部改变，甚至这些改变还没有影响到蛋白质的其他物理化学性质时，蛋白质的生物活性就已经丧失了[15]。变性后的蛋白质在性质上的最显著表现主要有原有生物活性的丧失，溶解度降低、黏度增大、难以结晶，更容易被水解酶催化水解等。

一般地，把能使蛋白质变性的因素主要分为物理因素和化学因素两类。物理因素主要有加热、加压、搅拌、振荡、干燥、紫外线照射、超声波作用等；化学因素主要有重金属盐、强酸、强碱、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质使蛋白质变性时，蛋白质所发生的主要变化形式又是怎样的呢？现做些简单分析。

加热、振荡、紫外线照射等使蛋白质变性时，是破坏了蛋白质分子中的氢键等各种次级键（如加热是热运动使氢键等断裂），从而使其空间结构被破坏、改变，進而导致其理化性质的变化和生物活性的丧失，但在变化过程中没有共价键的断裂和生成，蛋白质的化学组成没有变化（没有别的物质生成），因此这时蛋白质发生的变化主要是物理变化，亦即是主要由物理变化造成了蛋白质变性。

当乙醇、丙酮等与蛋白质混合时，由于这些有机物的亲水能力很强，因此它们既能使蛋白质胶粒表面的水化膜消失而凝聚沉淀，又能进入多肽链的空隙引起溶胀作用使氢键等次级键被破坏，从而使蛋白质变性。所以，在此时的变化过程中也没有共价键的断裂和生成，也还是主要由物理变化造成了蛋白质变性。75%的乙醇溶液用于医疗消毒的原理即是如此。

重金属盐使蛋白质变性，是由于重金属阳离子能够与蛋白质中游离的羧基生成不溶性的盐，则在这时的变化过程中有化学键的断裂和生成。强酸、强碱使蛋白质变性，是由于强酸、强碱既能使蛋白质中的氢键断裂，也能与蛋白质中游离的氨基或羧基反应生成盐，即在变化过程中也有化学键的断裂和生成。因此，重金属盐、强酸、强碱等使蛋白质变性的过程中，都有化学变化发生，这时蛋白质的变性主要是由化学变化造成的。

另外，在一定条件下，若改变的只是蛋白质的三级和四级结构，则这时空间结构的变化一般是可逆的，如果消除掉这些（改变三级和四级结构的）条件，那么变化后的蛋白质的空间结构能够再恢复到其原来的结构，这时蛋白质的理化性质和生物活性都不会发生变化。如，血红蛋白在低浓度的水杨酸钠溶液中的变化就是如此，除去水杨酸钠后其天然性质就可以得到恢复。当蛋白质在水溶液中受到酸、碱或酶等催化剂的作用，其一级结构被破坏时，则是发生了蛋白质的水解反应，此时可以生成一系列的中间产物，直到完全水解最终产物是氨基酸。当然，蛋白质的水解反应不属于蛋白质的变性。同样地，蛋白质被灼烧生成二氧化碳、水等物质的变化，也不属于蛋白质的变性。

四、简单的结语

蛋白质的变性是一个十分复杂的过程，其中所涉及的物质变化形式也是复杂多样的。能够使蛋白质发生变性的因素或方法有很多，不同的因素致使蛋白质变性时，蛋白质所发生的主要变化也不尽相同。如，有些因素是使蛋白质主要发生物理变化而造成蛋白质变性，有些因素是使蛋白质主要发生化学变化而造成蛋白质变性，有些因素是使蛋白质既发生物理变化、又发生化学变化而造成蛋白质变性，也就是说物理变化或化学变化都能够造成蛋白质变性。所以，在蛋白质变性过程中所发生的物质变化形式是既有物理变化，也有化学变化，还有生物活性变化等。因此，从哲学的层面上看，蛋白质的变性不应该属于化学变化；从自然科学的角度上看，蛋白质的变性应该属于生物化学过程，属于生物化学的范畴。

蛋白质变性过程中包含的物质变化形式的多样性，从物质的一种变化现象——蛋白质变性的角度，既说明了客观事物的变化过程是复杂的，又反映了不同的物质变化形式之间是密切联系和能够相互转化的。当然，这种多样性是有规律的，且规律是可认识的和可利用的。

蛋白质是一大类具有特定结构和一定生物学功能的生物大分子。科学研究表明，蛋白质的种类繁多，在整个生物界约有1010～1012种蛋白质，其空间结构极其复杂，但目前为人们所认识的还非常少[16]。形成一个蛋白质分子的氨基酸的种类、数量以及排列顺序和内部的各种构象等等都是确定的，任何一点都不得改变，否则就会引起蛋白质的理化性质和生理功能的变化[10]。进一步地，只有以生物大分子內部的三维结构为基础，才能认识蛋白质的有关生物活性的原因和作用机理，揭示相关生命活动的本质。

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