蛋白质与核酸

把一枚生鸡蛋放进热水里，原本透明、会流动的蛋清很快变成白色的固体；在另一个场景中，法医可以比较唾液、毛囊等样本中的 DNA 片段来辅助个体识别。一个现象发生在厨房里，一个应用出现在刑侦和亲子鉴定中，它们却把我们带向同一件事：细胞中有两类特别重要的大分子——蛋白质和核酸。

如果把细胞比作一间始终在运转的工厂，核酸更像保存和传递说明的“信息载体”，蛋白质则更像真正完成加工、运输、调节和防御的“工作人员”。不过，这个类比只能帮助我们起步。要真正理解生命活动，关键不在于记住两个名称，而在于顺着一条因果链追问：小分子怎样连成长链？长链为什么能拥有不同的形状？这些形状又怎样让细胞完成不同的任务？

蛋白质：细胞里真正“干活”的分子

先从一个熟悉的场景出发。吃进的食物需要被消化，氧气需要被血液运输，伤口受到病原体侵袭时需要防御，肌肉收缩时需要产生运动。这些事情看上去彼此差别很大，却常常有蛋白质参与其中。细胞的许多生命活动，正是由不同种类的蛋白质来完成的。

先看功能，再追问结构

蛋白质是细胞中含量最多的有机物，主要由碳、氢、氧、氮组成，有些还含有硫。这里有一个容易掉进的判断陷阱：蛋白质通常含氮，但“含氮”不能作为判断蛋白质的唯一依据，因为核酸等物质也含有氮。

不同蛋白质的任务可以相差很远。把它们放在同一张表里，不是为了背一串名词，而是为了看见一个事实：功能越多样，背后的结构差异就越值得追究。

例如，红细胞中的血红蛋白能够结合并运输氧气；唾液淀粉酶能加快淀粉分解；抗体能够识别特定抗原。它们都是蛋白质，却没有做同一件事。由此可以作出第一步推断：蛋白质功能多样的根源，是蛋白质结构具有多样性。接下来要解决的问题，就是蛋白质的结构从哪里来。

氨基酸：蛋白质的基本单位

组成蛋白质的基本单位是氨基酸。组成蛋白质的氨基酸有多种。每种氨基酸都至少含有一个氨基（—NH₂）和一个羧基（—COOH），并且都有一个氨基和一个羧基连在同一个碳原子上。这个碳原子还连接一个氢原子和一个 R 基。

可以把氨基酸的共同骨架写成：NH₂—CH(R)—COOH。其中最值得盯住的是 R 基：共同骨架让它们都能参与构成蛋白质，R 基的不同则使各种氨基酸具有不同的性质。就像一套积木的接口相同、积木块的形状和颜色不同，氨基酸才既能彼此连接，又能排列出丰富的组合。

两个氨基酸怎样连成一条链

一个氨基酸怎样变成蛋白质的一部分？关键在于相邻氨基酸之间发生的脱水缩合。一个氨基酸的羧基脱去羟基（—OH），另一个氨基酸的氨基脱去氢（—H），二者结合成一分子水；余下的部分相连，形成 —CO—NH—，这段连接叫作肽键。

两个氨基酸连接得到的产物叫二肽，三个氨基酸连接可形成三肽，许多氨基酸连接而成的长链叫多肽。多肽链还不能简单地等同于有功能的蛋白质：肽链还要盘曲、折叠，形成一定的空间结构；有些蛋白质还由多条肽链结合而成。因此，可以把蛋白质理解为由氨基酸脱水缩合形成的多肽链，经盘曲、折叠而具有一定空间结构的生物大分子。正是这种具体的空间结构，使蛋白质能“认准”自己的作用对象并完成特定任务。

下面的互动把脱水缩合拆成可操作的几个动作。先找出离开的 —OH 和 —H，再观察水分子和肽键怎样同时出现；最后用数量关系检查自己的理解。

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把“脱去多少水”变成可推导的关系

计算题不必从公式开始记。先抓住一个最简单的事实：每形成一个肽键，就发生一次脱水缩合，所以会脱去一分子水。若有 n 个氨基酸形成 m 条肽链，每一条链都保留两个末端，因此总共形成的肽键数为 n − m，脱去的水分子数也为 n − m。

结构不同，功能为什么会不同

从氨基酸到蛋白质，至少有四个层面会带来差异：组成蛋白质的氨基酸种类可以不同，氨基酸的数目可以不同，氨基酸的排列顺序可以不同，肽链盘曲、折叠形成的空间结构也可以不同。前三项决定了“线性链”写成什么样，后一项决定了这条链最终折成什么形状。

这也解释了为什么只改变排列顺序就可能得到不同蛋白质。设想用甲、乙、丙三种不同的积木依次排成一行：甲—乙—丙与乙—甲—丙，使用的积木种类和数量相同，但顺序不同。对于蛋白质，顺序改变会影响后续的折叠方式，最后可能形成结构和功能不同的蛋白质。

鸡蛋受热变白，是理解“结构决定功能”的好现象。高温、强酸、强碱或重金属盐等条件可能破坏蛋白质的空间结构，使其失去原有的生物活性，这个过程叫作蛋白质变性。煮熟的鸡蛋仍然含有组成蛋白质的氨基酸和肽键，但原有的空间结构已经改变，因此不能把“变性”误解为“蛋白质元素完全消失”或“肽键一定全部断裂”。

核酸：把遗传信息写成可传递的序列

如果蛋白质像工厂里的各种机器和工人，那么细胞如何保证不同细胞在需要时做出合适的蛋白质？答案要从核酸中寻找。刑侦中比较 DNA、育种中追踪遗传性状，背后依赖的都是核酸能够储存和传递遗传信息这一性质。

DNA 和 RNA 在哪里

核酸包括两大类：脱氧核糖核酸，简称 DNA；核糖核酸，简称 RNA。和蛋白质一样，核酸也是以碳链为基本骨架的生物大分子；它由碳、氢、氧、氮、磷等元素构成。在真核细胞中，DNA 主要分布在细胞核中，线粒体和叶绿体中也含有少量 DNA；RNA 主要分布在细胞质中，在细胞核中也有分布。这里的“主要”很重要，它提醒我们不要把“主要分布于”说成“只分布于”。

绝大多数生物以 DNA 作为遗传物质，因此 DNA 是主要的遗传物质；少数病毒以 RNA 作为遗传物质。核酸能够承担遗传信息，不是因为它有一个特别的颜色或位置，而是因为组成它的基本单位可以排出大量不同的顺序。

核苷酸：核酸的基本单位

核酸是由许多核苷酸连接成的长链，核苷酸就是它的基本单位。每个核苷酸都由三部分组成：一分子磷酸、一分子五碳糖和一分子含氮碱基。五碳糖和含氮碱基的不同，构成了 DNA 与 RNA 的关键差别。

其中，A 表示腺嘌呤，G 表示鸟嘌呤，C 表示胞嘧啶，T 表示胸腺嘧啶，U 表示尿嘧啶。DNA 与 RNA 都有 A、G、C；DNA 特有 T，RNA 特有 U。只要把“糖”和“特有碱基”连在一起记忆，就能把二者区分清楚：脱氧核糖配 T，核糖配 U。

从分子大小看，核苷酸只是基本单位，许多核苷酸首尾连接才形成核酸长链。因此，“核苷酸”和“核酸”的关系，类似于“氨基酸”和“蛋白质”的关系：前者是基本单位，后者是由许多基本单位连接而成的生物大分子。它们都体现了生物大分子以碳链为基本骨架这一共同特点。

序列怎样成为信息

DNA 和 RNA 中可选择的碱基种类不多，但碱基的排列顺序可以千变万化。就像四个字母能够通过不同顺序组成许多不同的词，一条核酸链上核苷酸的排列顺序能够承载不同的遗传信息。DNA 分子上有遗传效应的片段叫作基因；基因中核苷酸的排列顺序，正是遗传信息的一种体现。

DNA 通常由两条脱氧核苷酸链构成，两条链反向平行地围绕同一轴盘旋成双螺旋结构。两条链之间并不是随意贴在一起，而是遵循碱基互补配对原则：A 总是与 T 配对，G 总是与 C 配对。A 与 T 之间形成两个氢键，G 与 C 之间形成三个氢键。

碱基互补配对使 DNA 的一条链能够为另一条链提供“对应信息”。例如，一条链局部的碱基顺序是 A—T—G—C，与它配对的另一条链对应为 T—A—C—G。因此，在整个双链 DNA 分子中，A 的总数等于 T 的总数，G 的总数等于 C 的总数，嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数。请注意，这些数量关系针对的是整个双链 DNA 分子，不能直接套到某一条单链或 RNA 分子上。

下面的互动先让你拼出 DNA、RNA 的基本单位，再用即时反馈检查配对规则。它的目标不是抢答，而是把“磷酸—糖—碱基”和“配对对象”真正连成一张脑中的图。

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RNA 如何参与蛋白质的合成

RNA 通常是单链。在蛋白质合成中，常见的 RNA 有三类：信使 RNA（mRNA）携带从 DNA 转录来的遗传信息；转运 RNA（tRNA）能够转运相应的氨基酸；核糖体 RNA（rRNA）与蛋白质共同构成核糖体。三者不是各做各的，而是在合成蛋白质时彼此配合。

把过程压缩成一条清晰的线路，可以这样理解：DNA 中的遗传信息先通过转录传给 RNA；随后，以 mRNA 为模板，在核糖体上进行翻译，氨基酸按一定顺序连接成多肽链；多肽链再形成一定的空间结构，成为能够发挥作用的蛋白质。mRNA 上相邻的 3 个碱基构成一个密码子，通常决定一种氨基酸或作为终止信号。

这条从 DNA 到 RNA 再到蛋白质的信息流动，是理解遗传信息如何影响生命活动的桥梁。它也把本章两个主角重新连在一起：核酸主要负责储存和传递信息，蛋白质主要负责执行生命活动。

用实验让推断落地

分子看不见，不代表只能靠想象。高中生物中的颜色反应和显微观察，能让“样品中是否含有某类物质”“它们主要分布在哪里”变成可以观察、比较的证据。

检测生物组织中的蛋白质

检测蛋白质可使用双缩脲试剂。其核心不是把样品染成任意颜色，而是利用蛋白质中的肽键在碱性条件下与 Cu²⁺ 发生紫色反应。实验时，应先向两支试管分别加入等量的待测组织样液和清水；清水组是空白对照，用来排除试剂自身带来颜色变化的干扰。随后，两组都先加入双缩脲试剂 A 液（NaOH 溶液）创造碱性环境，再加入少量双缩脲试剂 B 液（CuSO₄ 溶液），振荡均匀后比较颜色。

若待测样液中含有较多蛋白质，通常可观察到紫色；空白对照不应出现这一紫色。清水组可用于检查试剂本身的背景颜色，但不能排除待测样液原有颜色的干扰，因此应选用颜色浅的样液，并比较加入试剂前后的颜色变化。B 液加入过多时，Cu²⁺ 自身的蓝色会干扰观察；若先加 B 液再加 A 液，后加入的碱性溶液会使 Cu²⁺ 生成蓝色沉淀，也不利于观察清晰的紫色反应。因此，顺序和用量都是这个实验的关键变量。

观察 DNA 和 RNA 在细胞中的分布

要观察 DNA 与 RNA 在细胞中的主要分布，可用甲基绿—吡罗红混合染色剂。甲基绿使 DNA 呈绿色，吡罗红使 RNA 呈红色。以人口腔上皮细胞为材料时，基本思路是：制备临时装片，用盐酸处理并冲洗，进行染色，再在显微镜下观察。

盐酸处理不是多余的一步。它能改变细胞膜等结构的通透性，加速染色剂进入细胞；同时有利于染色质中的 DNA 与蛋白质分离，使 DNA 更容易与甲基绿结合。处理后要用蒸馏水的缓水流冲洗，再进行染色，避免残留盐酸影响染色效果。

预期现象是细胞核区域主要呈绿色、细胞质区域主要呈红色。由此得到的结论应该准确表述为：在真核细胞中，DNA 主要分布在细胞核中，RNA 主要分布在细胞质中。这个实验支持的是“主要分布”的结论，不能把它说成“DNA 只在细胞核中”，也不能仅凭这一次染色就直接证明 DNA 是主要遗传物质。

把本章连成一条线

回头看开头的鸡蛋：加热使蛋白质的空间结构改变，所以蛋清凝固；而 DNA 能用于个体信息分析，是因为核苷酸序列能够携带遗传信息。一个现象强调“结构影响功能”，另一个应用强调“序列能够编码信息”。这两条认识会在后续的细胞代谢、遗传与变异学习中反复出现。

本节练习

第 4 题：脱水缩合计算

由 20 个氨基酸形成一条肽链，且不形成环状结构，会脱去多少个水分子？形成多少个肽键？

第 5 题：从结构推功能

某物质由许多脱氧核苷酸连接而成。请推断它最可能属于哪类生物大分子，并说明它与蛋白质在主要功能上的一个区别。