蛋白质与核酸
真正决定生命本质和特性的，是细胞内极为复杂而精细的有机大分子。其中，蛋白质和核酸作为最核心的两种生物大分子，分别扮演着维护生命活动与传递遗传信息的关键角色。蛋白质不仅承担着催化、运输、结构支撑、调节等多重生命功能，同时也是构成细胞、组织和器官的物质基础。而核酸则以其独特的序列和结构，精确地记录、保存和复制遗传信息，使生物的性状能够稳定地从一代传递到下一代，并支持遗传多样性与生命进化。
蛋白质和核酸分子数量巨大、结构多样且高度精细，没有它们就没有我们所见到的生命现象。蛋白质的功能之广泛，例如酶类可以高效催化体内的无数化学反应，免疫球蛋白可识别和抵抗外来病原体，肌动蛋白、肌球蛋白让肌肉运动变为可能。而核酸分为DNA和RNA两类，在细胞遗传、变异以及蛋白质合成等过程中至关重要。例如，DNA作为遗传密码的载体，就像一本巨大的“说明书”；RNA则将遗传信息带到细胞不同部位，参与蛋白质的合成和调控。
从食物中的牛奶、鸡蛋、豆腐，到我们身体的皮肤、头发、血液，甚至我们能思考和学习，这一切背后都离不开蛋白质和核酸在默默“工作”。理解它们，就如同走进了生命的核心秘密。
蛋白质
蛋白质是细胞中含量最丰富、功能最多样的有机化合物。无论是催化生化反应的酶，运输氧气的血红蛋白，还是抵御病原体的抗体，都是蛋白质。可以说，蛋白质参与了细胞几乎所有的生命活动，是生命活动的主要承担者。
蛋白质的元素组成与基本单位
蛋白质分子主要由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）四种元素组成，有些蛋白质还含有硫（S）元素。与糖类和脂质相比，蛋白质的显著特点是含有氮元素，因此氮元素常被看作蛋白质的特征元素。
蛋白质是由许多氨基酸分子通过化学键连接而成的大分子化合物。氨基酸是组成蛋白质的基本单位。每个氨基酸分子至少含有一个氨基（-NH₂）和一个羧基（-COOH），并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上，这个碳原子还连接着一个氢原子和一个侧链基团（R基）。不同的氨基酸具有不同的R基，正是R基的不同使各种氨基酸表现出不同的性质。
组成生物体蛋白质的氨基酸约有20种。这20种氨基酸通过不同的组合和排列，构成了成千上万种不同的蛋白质。其中有8种氨基酸是人体细胞不能合成的，必须从食物中直接获取，这些氨基酸称为必需氨基酸，包括赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸。
氨基酸的结构通式为：NH₂-CHR-COOH。其中R基团的不同是区分不同氨基酸的关键。
氨基酸如何构成蛋白质
当两个氨基酸分子相遇时，一个氨基酸分子的氨基与另一个氨基酸分子的羧基可以发生反应，形成一个肽键（-CO-NH-），同时脱去一分子水。这个过程称为脱水缩合。通过脱水缩合反应，多个氨基酸可以连接成肽链。
由两个氨基酸脱水缩合形成的化合物称为二肽，由三个氨基酸形成的称为三肽，由多个氨基酸形成的称为多肽。一条多肽链通常含有几十个到几百个氨基酸。需要注意的是，多肽链还不是成熟的蛋白质，它需要经过进一步的加工和折叠，形成特定的空间结构，才能成为具有生物活性的蛋白质。
在计算多肽链相关数值时，有一些重要的规律。如果有n个氨基酸脱水缩合形成一条肽链，则形成的肽键数为（n-1）个，脱去的水分子数也是（n-1）个。如果形成的是m条肽链，则肽键数为（n-m）个，脱去的水分子数也是（n-m）个。
下表展示了氨基酸形成多肽的一些基本关系。
蛋白质的结构层次
蛋白质的功能与其结构密切相关。蛋白质的结构可以分为四个层次。
一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序。不同的蛋白质具有不同的氨基酸序列，这是蛋白质特异性的根本原因。即使氨基酸的种类和数量相同，只要排列顺序不同，就会形成不同的蛋白质。
二级结构是指多肽链通过氢键等作用力形成的有规则的折叠，常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。这种有规律的折叠使多肽链更加紧凑。
三级结构是指在二级结构的基础上，多肽链进一步盘绕、折叠形成的特定空间构象。许多蛋白质只有一条多肽链，它们的三级结构就是其最终的功能性结构。
四级结构是指由两条或多条具有三级结构的多肽链通过非共价键结合形成的聚合体。并非所有蛋白质都具有四级结构，只有由多条肽链组成的蛋白质才有四级结构。例如，血红蛋白由4条多肽链组成，具有四级结构。
蛋白质结构的多样性
蛋白质的种类极其繁多，据估计，人体内约有10万种不同的蛋白质。蛋白质结构的多样性主要源于以下几个方面。
-
氨基酸的种类不同。虽然组成蛋白质的氨基酸只有20种，但这20种氨基酸的不同组合就能产生巨大的多样性。
-
氨基酸的数量不同。不同的蛋白质含有的氨基酸数量可以从几十个到几千个不等。含有的氨基酸越多，可能的组合方式就越多。
-
氨基酸的排列顺序不同。即使氨基酸的种类和数量完全相同，只要排列顺序不同，就会形成不同的蛋白质。以3个不同的氨基酸为例，它们可以形成6种不同排列顺序的三肽。如果是20种氨基酸组成的100个氨基酸的蛋白质，其可能的排列组合数是一个天文数字。
-
肽链的空间结构不同。同样的氨基酸序列，如果折叠方式不同，形成的空间结构不同，其功能也会不同。蛋白质的功能主要由其空间结构决定。
蛋白质的功能多样性
蛋白质的功能与其结构密切相关。由于蛋白质结构的多样性，决定了蛋白质功能的多样性。蛋白质几乎参与了细胞的所有生命活动。
蛋白质遇到高温、强酸、强碱、重金属盐等条件时，其空间结构会被破坏，这个过程称为蛋白质变性。蛋白质变性后往往失去其原有的生理功能。这就是为什么高温能够杀死细菌，也是为什么煮熟的鸡蛋不能再孵化出小鸡的原因。
核酸
如果说蛋白质是生命活动的主要承担者，那么核酸就是生命遗传信息的携带者。核酸控制着蛋白质的合成，从而控制着生物体的性状。没有核酸，生命的遗传和变异就无法实现，生物的进化也就无从谈起。
核酸的种类和分布
核酸是一类含有磷酸基团的大分子化合物，主要存在于细胞核中，因此得名核酸。根据其化学组成的不同,核酸可分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。
DNA主要存在于细胞核中的染色体上，在线粒体和叶绿体中也有少量分布。DNA是主要的遗传物质，绝大多数生物的遗传信息都储存在DNA分子中。
RNA主要存在于细胞质中，在细胞核中也有分布。RNA有多种类型，包括信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）等，它们在蛋白质合成过程中发挥着不同的作用。
核苷酸
核酸是由许多核苷酸聚合而成的大分子化合物。核苷酸是组成核酸的基本单位。每个核苷酸分子由三部分组成，一个磷酸基团、一个五碳糖和一个含氮碱基。
DNA和RNA的核苷酸在结构上略有不同。DNA的核苷酸含有的五碳糖是脱氧核糖，而RNA的核苷酸含有的五碳糖是核糖。在含氮碱基方面，DNA含有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种碱基，而RNA含有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）四种碱基。可以看出，DNA特有的碱基是胸腺嘧啶（T），RNA特有的碱基是尿嘧啶（U）。
组成DNA的核苷酸有4种，通常称为脱氧核苷酸，分别是腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。组成RNA的核苷酸也有4种，通常称为核糖核苷酸，分别是腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。
下表总结了DNA和RNA在组成上的异同。
DNA的双螺旋结构
DNA通常由两条核苷酸链构成。这两条链通过碱基之间的氢键相互连接，并按照反向平行的方式盘旋成双螺旋结构。DNA的双螺旋结构是由美国科学家沃森和英国科学家克里克在1953年提出的，这一发现是20世纪生物学最重要的成就之一。
DNA双螺旋结构的重要特点是碱基互补配对。在DNA双链中，一条链上的腺嘌呤（A）总是与另一条链上的胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）总是与胞嘧啶（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。这种碱基配对规律称为碱基互补配对原则，也称为查哥夫定则。
碱基互补配对原则是DNA分子复制和遗传信息传递的基础。根据这一原则，如果知道DNA一条链的碱基序列，就可以推断出另一条链的碱基序列。例如，如果一条链的碱基序列是ATGC，那么另一条链的碱基序列一定是TACG。
DNA分子中碱基配对还有一些规律。在整个DNA分子中，腺嘌呤（A）的数量等于胸腺嘧啶（T）的数量，鸟嘌呤（G）的数量等于胞嘧啶（C）的数量。因此，嘌呤碱基（A+G）的总数等于嘧啶碱基（T+C）的总数。
RNA的种类和功能
RNA通常为单链结构，但某些区域可以通过碱基配对形成局部的双链结构。根据功能的不同，RNA可以分为三大类。
这三种RNA在蛋白质合成过程中密切配合。mRNA携带遗传信息，tRNA运输氨基酸，rRNA组成核糖体提供合成场所。它们共同完成了从遗传信息到蛋白质的转化过程。
蛋白质与核酸的关系
蛋白质和核酸虽然是两类不同的生物大分子，但它们之间存在着密切的联系。这种联系可以概括为，遗传信息从DNA流向RNA，再从RNA流向蛋白质。这就是著名的中心法则。
DNA分子中储存着生物体的全部遗传信息。这些遗传信息以碱基序列的形式编码在DNA分子中。DNA分子上具有特定遗传信息的片段称为基因。
遗传信息从DNA传递到蛋白质需要经过两个主要步骤。第一步是转录，即以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。这个过程发生在细胞核中。通过转录，DNA上的遗传信息被转移到mRNA上。
第二步是翻译，即以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸序列的蛋白质的过程。这个过程发生在细胞质的核糖体上。mRNA上每三个相邻的碱基决定一个氨基酸，这三个碱基称为一个密码子。tRNA携带特定的氨基酸，通过反密码子识别mRNA上的密码子，将氨基酸运送到核糖体上。核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸按照mRNA上的碱基序列连接起来，形成多肽链。
这个从DNA到RNA再到蛋白质的遗传信息流动过程，称为基因表达。基因表达是生命活动的核心过程。通过基因表达，DNA中的遗传信息最终转化为具有特定功能的蛋白质，蛋白质再执行各种生命功能。
需要注意的是，并非所有细胞中的所有基因都时刻在表达。细胞会根据需要选择性地表达某些基因，这个过程称为基因表达调控。基因表达调控是细胞分化、个体发育、生命活动调节的分子基础。
中心法则后来被补充和完善。科学家发现，某些病毒的遗传物质是RNA，它们可以以RNA为模板合成DNA，这个过程称为逆转录。还发现RNA可以以自身为模板复制，称为RNA复制。因此，完整的中心法则包括，DNA可以复制、DNA可以转录为RNA、RNA可以翻译为蛋白质、RNA可以逆转录为DNA、RNA可以自我复制。
实验探究
生物科学的发展离不开实验。通过实验，我们可以验证理论，也可以发现新的现象。检测生物组织中的蛋白质和核酸是生物学的基本实验技能。
检测蛋白质
蛋白质可以与双缩脲试剂发生紫色反应。双缩脲试剂由A液（质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液）和B液（质量浓度为0.01g/mL的CuSO₄溶液）组成。
实验时，先向待测液中加入2mL A液，摇匀，使溶液呈碱性。然后加入3-4滴B液，摇匀。如果待测液中含有蛋白质，溶液会呈现紫色。这是因为蛋白质分子中的肽键与双缩脲试剂中的Cu²⁺在碱性条件下发生反应，生成紫色络合物。
这个实验可以用于检测豆浆、蛋清、牛奶等富含蛋白质的生物材料。需要注意的是，加入A液和B液的顺序不能颠倒，而且B液不能加入过多，否则会影响实验结果。
检测DNA和RNA的分布
甲基绿和吡罗红是两种核酸染色剂。甲基绿使DNA呈现绿色，吡罗红使RNA呈现红色。利用这两种染色剂，可以显示DNA和RNA在细胞中的分布。
实验时，取口腔上皮细胞制作临时装片，滴加甲基绿-吡罗红混合染液，染色8-10分钟。然后在显微镜下观察。可以看到细胞核被染成绿色（因为DNA主要分布在细胞核中），细胞质被染成红色（因为RNA主要分布在细胞质中）。
这个实验直观地展示了DNA和RNA在细胞中的分布规律，也验证了DNA是主要的遗传物质、主要存在于细胞核中这一结论。
实验中要注意，盐酸的作用是改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞，同时使染色质中的DNA和蛋白质分离，有利于DNA与染色剂结合。质量分数为8%的盐酸处理后，需要用蒸馏水冲洗，以防止盐酸影响染色。
总结
蛋白质是生命活动的主要承担者。蛋白质由氨基酸通过肽键连接而成。组成蛋白质的氨基酸有20种，它们通过不同的数量、种类、排列顺序和空间结构的组合，形成了种类繁多、功能多样的蛋白质。蛋白质的功能包括催化、运输、调节、免疫、运动、结构等多个方面，几乎参与了细胞的所有生命活动。
核酸是遗传信息的载体。核酸包括DNA和RNA两大类，它们都由核苷酸聚合而成。DNA通常为双链结构，遵循碱基互补配对原则。RNA通常为单链结构，包括mRNA、tRNA和rRNA三种主要类型，它们在蛋白质合成中发挥不同的作用。
蛋白质和核酸之间存在密切的联系。DNA中的遗传信息通过转录传递给RNA，RNA再通过翻译指导蛋白质的合成。这个从DNA到RNA再到蛋白质的信息流动过程，称为中心法则，是生命活动的核心过程。
理解蛋白质和核酸的结构与功能，对于认识生命现象、理解遗传规律、应用生物技术都具有重要意义。这些知识将为后续学习细胞代谢、遗传变异等内容提供必要的基础。
本节练习
第1题：下列关于蛋白质的叙述，正确的是（ ）
A. 蛋白质是由C、H、O三种元素组成的
B. 所有的蛋白质都含有S元素
C. 氨基酸是组成蛋白质的基本单位
D. 蛋白质遇高温变性后，冷却后可以恢复其功能
答案：C
解析：A选项错误，蛋白质主要由C、H、O、N四种元素组成，有些还含有S元素。B选项错误，并非所有蛋白质都含有S元素，只有含有半胱氨酸或蛋氨酸的蛋白质才含有S元素。C选项正确，氨基酸通过肽键连接形成多肽链，多肽链进一步折叠加工形成蛋白质，因此氨基酸是组成蛋白质的基本单位。D选项错误，蛋白质变性是不可逆的过程，一旦空间结构被破坏，即使条件恢复，蛋白质也不能恢复原有的结构和功能。
第2题：已知一个由20个氨基酸构成的蛋白质分子，其中含有两条肽链。问该蛋白质分子中含有的肽键数目是（ ）
A. 18个
B. 19个
C. 20个
D. 21个
答案：A
解析：根据公式，n个氨基酸形成m条肽链，肽键数 = n - m。本题中有20个氨基酸形成2条肽链，因此肽键数 = 20 - 2 = 18个。每条肽链内部，如果有n个氨基酸，就有（n-1）个肽键。两条肽链共有20个氨基酸，假设一条有x个，另一条有（20-x）个，则总肽键数 =（x-1）+（20-x-1）= 18个。同时，脱去的水分子数也是18个。
第3题：下表是DNA和RNA化学组成的比较，请根据表格回答问题。
（1）表中①②③分别是什么？
（2）在DNA分子中，如果一条链上A、T、G、C的数量比为1:2:3:4，那么另一条链上这四种碱基的数量比是多少？整个DNA分子中这四种碱基的数量比是多少？
（3）某DNA分子含有1000个碱基对，其中胞嘧啶有400个。该DNA分子中含有的氢键数目是多少？
答案：
（1）①是脱氧核糖；②是T（胸腺嘧啶）；③是4。
（2）根据碱基互补配对原则，在DNA双链中，一条链上的A与另一条链上的T配对，一条链上的G与另一条链上的C配对。如果一条链上A:T:G:C = 1:2:3:4，那么另一条链上T:A:C:G = 1:2:3:4，即A:T:G:C = 2:1:4:3。
整个DNA分子中，A的总数 = 一条链的A + 另一条链的A = 1+2 = 3；T的总数 = 2+1 = 3；G的总数 = 3+4 = 7；C的总数 = 4+3 = 7。因此，整个DNA分子中A:T:G:C = 3:3:7:7，即A:T:G:C = 1:1:7/3:7/3。更简单的理解是，整个DNA分子中，A的数量等于T的数量，G的数量等于C的数量。
（3）该DNA分子含有1000个碱基对，即共有2000个碱基。已知胞嘧啶有400个，根据碱基互补配对原则，鸟嘌呤也有400个。因此，腺嘌呤和胸腺嘧啶共有2000 - 400 - 400 = 1200个，各占600个。
A-T碱基对之间有2个氢键，G-C碱基对之间有3个氢键。该DNA分子中有600个A-T碱基对和400个G-C碱基对。因此，氢键总数 = 600×2 + 400×3 = 1200 + 1200 = 2400个。
第4题：下图表示遗传信息的传递过程，请回答问题。
DNA → RNA → 蛋白质
（1）从DNA到RNA的过程称为什么？这个过程发生在细胞的什么部位？
（2）从RNA到蛋白质的过程称为什么？这个过程发生在细胞的什么部位？
（3）mRNA、tRNA和rRNA在蛋白质合成过程中分别起什么作用？
（4）这个从DNA到RNA到蛋白质的遗传信息流动过程被称为什么？
答案：
（1）从DNA到RNA的过程叫做转录（Transcription）。在真核细胞中，转录主要发生在细胞核内；在原核细胞中，因没有细胞核，转录发生在细胞质中。
（2）从RNA到蛋白质的过程叫做翻译（Translation）。这个过程在细胞质中的核糖体上进行，无论是在真核细胞还是原核细胞，翻译的场所都是核糖体。
（3）mRNA（信使RNA）负责编码蛋白质的遗传信息，作为模板指导氨基酸的排列顺序；tRNA（转运RNA）负责识别mRNA上的密码子，并携带相应的氨基酸到核糖体上，参与肽链的合成；rRNA（核糖体RNA）是核糖体的主要组成成分，起到结构和催化作用，是蛋白质合成的“工作台”。
（4）这一过程被称为“中心法则”（Central Dogma），即遗传信息在生物体内从DNA经RNA到蛋白质的单向流动规律。
第5题：蛋白质的种类极其繁多，人体内约有10万种不同的蛋白质。请回答下列问题。
（1）蛋白质结构多样性的根本原因是什么？请从四个方面进行分析。
（2）下表列出了几种蛋白质及其主要功能，请将功能类型填入表格。
（3）蛋白质的功能主要由其空间结构决定。如果蛋白质遇到高温、强酸、强碱等条件，会发生什么变化？这种变化是否可逆？请举例说明。
答案：
（1）蛋白质结构多样性的根本原因包括以下四个方面：
第一，氨基酸的种类不同。组成蛋白质的氨基酸有20种，不同种类的氨基酸组合可以产生不同的蛋白质。
第二，氨基酸的数量不同。不同蛋白质含有的氨基酸数量从几十个到几千个不等，氨基酸数量越多，可能的组合方式就越多。
第三，氨基酸的排列顺序不同。即使氨基酸的种类和数量相同，只要排列顺序不同，就会形成不同的蛋白质。例如，3个不同的氨基酸可以形成6种不同排列的三肽。
第四，肽链的空间结构不同。同样的氨基酸序列，如果折叠方式不同，形成的空间结构不同，蛋白质的功能也会不同。
（2）①催化功能（或酶）；②运输功能；③调节功能（或激素）；④免疫功能。
（3）蛋白质遇到高温、强酸、强碱、重金属盐等条件时，其空间结构会被破坏，这个过程称为蛋白质变性。蛋白质变性后会失去原有的生理功能，这种变化是不可逆的。
例如：①鸡蛋煮熟后，蛋白质变性凝固，即使冷却也不能恢复到生鸡蛋的状态，煮熟的鸡蛋也不能孵化出小鸡。②高温消毒能够杀死细菌，就是因为高温使细菌体内的蛋白质变性失活，细菌失去生命活性而死亡。③医院用酒精消毒，也是利用酒精使细菌蛋白质变性的原理。④用甲醛溶液保存生物标本，甲醛能使蛋白质变性，从而防止标本腐败。
第6题：某生物兴趣小组进行了“检测生物组织中蛋白质和核酸”的实验，请回答相关问题。
（1）检测蛋白质时，使用双缩脲试剂。该试剂由A液（NaOH溶液）和B液（CuSO₄溶液）组成。实验操作时，应先加入哪种试剂？为什么？如果蛋白质存在，会出现什么颜色？
（2）某同学在检测蛋白质时，向豆浆中加入A液后，又一次性加入了5mL B液，结果溶液呈现蓝色而非紫色。请分析可能的原因，并提出改进措施。
（3）检测DNA和RNA在细胞中的分布时，使用甲基绿-吡罗红混合染液。在染色前需要用8%的盐酸处理，盐酸的作用是什么？
（4）该小组用人的口腔上皮细胞进行DNA和RNA分布实验，在显微镜下观察到细胞核呈现绿色，细胞质呈现红色。这说明了什么？如果用洋葱鳞片叶表皮细胞代替口腔上皮细胞，预期会观察到什么现象？
答案：
（1）应该先加入A液（NaOH溶液），再加入B液（CuSO₄溶液）。原因是双缩脲反应需要在碱性环境中进行，先加入NaOH溶液使溶液呈碱性，为反应创造条件。如果蛋白质存在，溶液会呈现紫色。这是因为蛋白质分子中的肽键与Cu²⁺在碱性条件下发生反应，生成紫色络合物。
（2）可能的原因：B液（CuSO₄溶液）加入过多。双缩脲试剂中B液只需加3-4滴即可，加入过多会使Cu²⁺浓度过高，溶液呈现Cu²⁺的蓝色，掩盖了紫色络合物的颜色。
改进措施：①严格按照实验要求，只加3-4滴B液；②如果已经加入过多B液，可以重新配制样品，按正确步骤和用量进行实验；③也可以向已有溶液中继续加入适量蛋白质溶液，增加蛋白质浓度，使紫色络合物的颜色更明显。
（3）8%盐酸的作用有两个：①改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞；②使染色质中的DNA与蛋白质分离，有利于DNA与染色剂（甲基绿）充分结合，使染色效果更明显。
注意：用盐酸处理后，需要用蒸馏水冲洗载玻片，以防止盐酸影响染色效果。
（4）这说明DNA主要分布在细胞核中（被甲基绿染成绿色），RNA主要分布在细胞质中（被吡罗红染成红色）。这个实验直观地验证了DNA和RNA在细胞中的分布规律。
如果用洋葱鳞片叶表皮细胞代替口腔上皮细胞，预期会观察到类似的现象：细胞核呈现绿色，细胞质呈现红色。这是因为无论是动物细胞还是植物细胞，DNA都主要存在于细胞核中，RNA都主要存在于细胞质中。但需要注意的是，植物细胞有细胞壁，可能需要适当延长盐酸处理时间，以提高细胞膜的通透性。