氨基酸
在研究生命物质的初期，化学家们就发现了一类性质奇特的物质。在加热时，这类物质由液态变为固态，而不是由固态变为液态。蛋清、奶里面的酪蛋白和血液里的球蛋白，就是呈现这种特性的物质。1777年，法国化学家麦夸尔把所有加热后凝固的物质归为特殊的一类，称之为蛋白物质，罗马《博物志》编纂家普林尼曾把蛋清叫做清蛋白。
当19世纪的有机化学家们着手分析蛋白质的时候，发现这些化合物比其他有机分子复杂得多。1839年，荷兰化学家穆尔德得出了一个基本式子：C40H62O2N10，他认为这是蛋白物质共有的一个通式，只要在这个基本式子中加入一些含硫或含磷的基团，就可以形成各种蛋白化合物。穆尔德把这个基本式子命名为蛋白质（这个词是由希腊语转化来的，意思是“头等重要的”）。当时使用这个词，大概只是为了表明这个基本式子在决定蛋白质的结构方面是头等重要的；但是后来事物发展的结果证明，用这个词来表示这些物质本身也是非常贴切的。自从知道了蛋白质以后，人们很快就发现蛋白质对于生命是极为重要的。
在穆尔德工作后10年内，李比希证实，对于生命来说蛋白质的作用甚至比碳水化合物或脂肪更为重要：蛋白质不仅供给碳、氢、氧，而且供给碳水化合物或脂肪中所没有的氮和硫，还经常供给磷。
穆尔德等人企图找出蛋白质的完整实验式，这种企图在当时是注定要失败的。蛋白质分子太复杂了，当时所用的方法是分析不了的。但是，人们已经开始从另一个方面对蛋白质进行研究，最后不仅揭示出了蛋白质的组成，而且揭示出了蛋白质的结构。化学家们开始了解到了蛋白质结构单元的一些情况。
1820年，布拉孔诺把纤维素在酸中加热（见第十一章 ）成功地分解成葡萄糖单元后，决定用同样的方法处理一下白明胶（一种蛋白物质）。处理的结果得到了一种甜的结晶物质。虽然布拉孔诺最初怀疑这种物质是糖，但是后来证明这种物质不是糖，而是一种含氮的化合物，因为从这种物质中可以得到氨（NH3）。现在人们把布拉孔诺分离出来的这种化合物叫做甘氨酸（源自希腊语“甜”）。
此后不久，布拉孔诺把肌肉组织在酸中加热，得到了一种白色的结晶物质。他把这种物质命名为亮氨酸（源自希腊语“白”）。
后来，当甘氨酸和亮氨酸的结构式被确定以后，人们发现它们基本上是相似的：
甘氨酸
亮氨酸
可以看出，每种化合物在两端各有一个氨基和一个羧基。因为凡是含有羧基的分子羧基都会使之具有酸性，所以这些分子被命名为氨基酸。氨基和羧基之间由单个碳原子连接的氨基酸叫做α-氨基酸。甘氨酸和亮氨酸都是α-氨基酸。
随着时间的推移，化学家们又从蛋白质中分离出其他的α-氨基酸。例如，李比希从奶的蛋白质（酪蛋白）中得到一种他称之为酪氨酸的α-氨基酸：
酪氨酸
各种α-氨基酸之间的差异，完全取决于连接在氨基和羧基之间那个单个碳原子上的原子团的性质。例如，最简单的氨基酸——甘氨酸，其碳原子上只连接有一对氢原子。其他的氨基酸都有一条含碳的侧链连接在那个碳原子上。
下面我只再介绍一种氨基酸的分子式，这对讨论本章后面的一些问题会有所帮助。这种氨基酸就是德国化学家默尔内尔1899年发现的胱氨酸。这是一个有两个头的分子，含有两个硫原子：
胱氨酸
实际上，英国化学家渥拉斯顿1810年从膀胱结石中首次分离出胱氨酸；因此才根据希腊语“膀胱”一词命名为胱氨酸。默尔内尔所做的工作只是证明，这种有百年历史的化合物不仅是膀胱结石里的一种物质，也是蛋白质的一种组分。
胱氨酸很容易还原，就是说，很容易在S－S键的地方添加两个氢原子。于是，分子分裂成两半，每一半含有一个巯基。这种被还原的两半叫做半胱氨酸，半胱氨酸很容易被氧化成胱氨酸。
巯基的一般脆性对一些蛋白质分子的功能是重要的。对生命最为重要的化学物质的特点，就是在轻微的刺激下能够保持微妙的平衡，并能够以某种方式移动。巯基便是有助于形成这种能力的原子组合的一部分。
目前已经鉴定出的重要氨基酸（即在大多数蛋白质中存在的）共计19种。其中最后一种是由美国化学家W.C.罗斯于1935年发现的。今后不大可能再发现任何其他共同的氨基酸了。①
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、橡胶是由异戊二烯构成的一样。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67000；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。
图12-1 离心机的原理
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。但是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。
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）。其他蛋白质的分子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（单个颗粒太小，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。
多肽链
有些蛋白质像纤维素或尼龙一样，既具有纤维状又具有晶体状：例如，丝心蛋白、角蛋白（毛发和皮肤里的蛋白质）和胶原蛋白（腱和结缔组织中的蛋白质）。德国物理学家赫佐格通过显示这些物质能够衍射X射线，从而证明了它们的结晶度。另一位德国物理学家布里尔分析了衍射图，从而确定了多肽链中原子的间距。20世纪30年代，英国生物化学家阿斯特伯里等人利用X射线衍射进一步了解了多肽链的结构。他们能够相当精确地计算出相邻原子之间的距离和相邻的键所成的角度。他们还了解到，丝心蛋白的链是完全伸展的，就是说，这些原子间键的角度能够使它们几乎排列在一条直线上。
多肽链的这种完全伸展是一种最简单的排列，叫做β构型。当毛发被拉紧时，角蛋白分子就会像丝心蛋白分子一样呈这种构型。（如果把毛发弄湿，就可拉伸到原来的3倍长。）但是在通常不拉伸的状态下，角蛋白分子显示出比较复杂的排列，称为α构型。
1951年，加利福尼亚理工学院的泡令和科里提出，α-构型的多肽链呈螺旋形（类似螺旋楼梯）。为了弄清原子之间所有的键在未拉紧的自然取向的状态下α-构型的排列情况，他们设计了各种模型，最后确定螺旋的每一圈具有3.6个氨基酸的长度，即相当于5.4埃。
什么东西能够使一个螺旋保持它的形状呢？泡令认为，这种东西就是所谓的氢键。我们已经看到，当1个氢原子连接到1个氧原子或1个氮原子上的时候，氧原子或氮原子占用了大部分成键电子，因而氢原子略带正电荷，而氧原子或氮原子略带负电荷。在螺旋中，在螺旋转弯上或下的1个氧原子或1个氮原子附近，有1个氢原子周期性地出现，靠近氧原子或氮原子。略带正电的氢原子被略带负电的邻居所吸引。这种吸引力虽然只有一般化学键吸引力的1/20，但足以使螺旋保持其形状了。可是，牵拉纤维很容易使螺旋展开，于是将纤维拉长。
至此，我们只是讨论了蛋白质分子的主链，即……CCNCC-NCCNCCN……型的链，氨基酸的各种侧链在蛋白质结构中也起着重要的作用。
除甘氨酸外，所有的氨基酸都至少有一个不对称的碳原子，即在羧基和氨基之间的那个碳原子。所以每一种氨基酸都可以以两种旋光异构体存在。这两种异构体的通式是：
但是，化学分析和X射线分析看来都相当肯定，多肽链仅仅是由L-型氨基酸组成的。在这种情况下，相邻氨基酸的侧链伸出在主链的异侧；相间的侧链伸出在主链的同侧。由两种异构体的混合物组成的链不可能稳定，因为当L-型氨基酸和D-型氨基酸相邻的时候，在同一侧就会有两个相邻的侧链突出出来，这样就会使侧链拥挤，并使键变形。
侧链是把相邻的肽链连接在一起的重要因素。当一条链上的1个带负电荷的侧链靠近其邻居上的1个带正电荷的侧链时，它们会形成1个静电键。侧链还可以提供起连接作用的氢键。不仅如此，双头的氨基酸胱氨酸能够把它的一个氨-羧顺序插入一个链中，而把另一个氨-羧顺序插入下一个链中。于是两个链被侧链里的两个硫原子连接在一起（二硫键）。多肽键的连接可以说明蛋白质纤维的强度。它解释了为什么看上去很脆弱的蜘蛛网却非常坚韧，为什么角蛋白能够形成像指甲、老虎的爪子、鳄鱼的鳞、犀牛的角那样坚硬的结构。
溶液中的蛋白质
上面这一切很好地说明了蛋白质纤维的结构。溶液中的蛋白质情况又如何呢？它们具有什么样的结构呢？
它们确实具有一定的结构，但是这种结构非常脆弱。对溶液稍微加热或搅动，或加入一点儿酸、碱，或任何其他的环境变化，都会使溶解的蛋白质变性，即蛋白质失去执行其自然功能的能力，而且它的许多特性也会改变；还有，变性作用通常是不可逆的，例如，煮硬的鸡蛋就再也不能变软了。
看来可以肯定，变性作用与多肽主链失去某种特殊的构型有关。到底结构的哪一部分被破坏了呢？对于溶液中的蛋白质，X射线衍射无能为力，但是我们可以利用其他技术。
例如，1928年，印度物理学家喇曼发现，被溶液中的分子所散射的光，波长会发生一定程度的变化。根据这种变化的性质，可以推断出分子的结构。由于这项喇曼效应的发现，喇曼获得了1930年的诺贝尔物理学奖。（光的这种波长变化，一般叫做进行散射的分子的喇曼光谱。）
20年后，根据原子核具有磁性这一事实，人们又发展了另一种巧妙的方法。受到强磁场作用的分子能够吸收某些频率的无线电波，称做核磁共振，通常缩写为NMR，可以从中得到关于原子之间的键的信息。特别是，核磁共振技术能够确定分子内部微小的氢原子的位置，而X射线衍射却探测不出来。核磁共振技术是在1946年由两组人员各自独立研究出来的。一组人员由珀塞耳领导（后来珀塞耳首先探测到由空间的中性氢原子发射的射电波，见第二章 ），另一组由瑞士血统的美国物理学家F.布洛赫领导。由于这一成就，珀塞耳和F.布洛赫分享了1952年的诺贝尔物理学奖。
现在再回到溶液中蛋白质的变性的问题上。美国化学家多蒂和布劳特利用光散射技术研究溶液中合成的多肽链，发现它们具有螺旋结构。通过改变溶液的酸度，多蒂和布劳特能够把这些螺旋分解成不规则的小圈；通过调整溶液的酸度，可以使螺旋复原。他们还证明，螺旋变成不规则的小圈降低了溶液的旋光性。他们甚至能够证明蛋白质螺旋扭转的方向：蛋白质螺旋是沿着左旋螺纹的方向扭转的。
所有这些发现表明，一种蛋白质的变性与其螺旋结构的被破坏有关。
蛋白质分子的分解
上面我们从总体上讨论了蛋白质分子的结构——链的一般形状。蛋白质分子结构的细节又是怎样的呢？例如，在某个给定的蛋白质分子中，每一种氨基酸各有多少个呢？
我们可以把一个蛋白质分子分解成组成它的各种氨基酸（通过在酸中加热），然后测定混合液中每一种氨基酸有多少。遗憾的是，有些氨基酸在化学性质上彼此非常相似，用普通的化学方法几乎不能把它们截然分开，而用色谱法能够把各种氨基酸分得清清楚楚（见第六章 ）。1941年，英国生物化学家马丁和辛格首先把色谱法应用于这个方面。他们采用的是用淀粉作为色柱里的填料。1948年，美国生物化学家S.穆尔和斯坦把氨基酸的淀粉色谱法的效率提高到一个新水平，因此，他们分享了1972年的诺贝尔化学奖。
把各种氨基酸的混合液倒入淀粉柱里，待所有的氨基酸分子附着在淀粉颗粒上以后，再用新鲜的溶剂把氨基酸从柱中慢慢地淋洗下去。每一种氨基酸都以自己特定的速率从柱中向下移动。当每一种氨基酸从柱的底部分别流出时，那种氨基酸溶液的液滴就被收集在一个容器里；然后用一种能够使氨基酸呈色的化学药品，对每一个容器里的溶液进行处理。颜色的强度表示溶液中某种氨基酸的含量。这种颜色强度是用一种叫做分光光度计的仪器测量的。分光光度计可以通过某一特定波长的光被吸收的量显示出颜色的强度（图12-2）。
图12-2 分光光度计。光束被分为两部分，一部分通过要分析的标本，而另一部分直接到光电池。因为通过标本的光束被减弱，在光电池中释放的电子比未被吸收的光束释放的少，所以这两部分光束在示波器上显示出电位差，这样就可以测量出标本的光的吸收量
［顺便说一下，分光光度计也可以用在其他的化学分析上。如果让波长连续增加的光通过一种溶液，吸收的量就会平稳地改变，在某些波长时上升到最大值，而在另一些波长时下降到最小值。结果形成一种吸收光谱。每一种原子团都有自己特定的一个或几个吸收峰。在刚刚进入20世纪的时候，美国物理学家柯布伦茨首先证明，在红外区域这种现象尤为明显。虽然当时他的仪器太粗糙，使这项技术未能实际应用，但是自从第二次世界大战以来，人们越来越多地使用红外分光光度计来分析复杂化合物的结构，这种仪器能对2～40微米的光谱进行自动扫描并能记录下结果。用于化学分析的各种光学方法，包括无线电波吸收、光吸收、光散射等，都非常精密，并且没有破坏性（换句话说，标本在检验过程中不被破坏），因而完全取代了前一章中提到的李比希、杜马和普列格尔的古典分析法。］
虽然用淀粉色谱法测定氨基酸非常令人满意，但是在这种方法发展起来的时候，马丁和辛格研究出了一种更简单的色谱法，叫做纸色谱法（图12-3）。各种氨基酸能够在一张滤纸上被分开（一种用特别纯的纤维素制成的吸水纸）。把1～2滴不同氨基酸的混合液滴在滤纸的一个角上，然后把滤纸这一边的边缘浸入丁醇一类的溶剂中。由于毛细作用，溶剂沿着滤纸慢慢地移动。（将吸水纸的一角浸入水中，你就会看到这种现象。）溶剂经过液滴时顺便带上氨基酸分子，因而使氨基酸分子也沿着滤纸移动。如同淀粉色谱法一样，每种氨基酸都以特定的速率沿滤纸移动。过一段时间以后，混合液中的各种氨基酸便在滤纸上分成一系列的斑点。有些斑点可能含有两种或三种氨基酸。要把这些氨基酸再分开，需要等滤纸干燥以后，把滤纸从原来的位置旋转90度，然后把新的边缘浸入第二种溶剂中，这种溶剂将把这几种氨基酸再分别沉积成几个斑点。最后，待整张滤纸干燥以后，再用化学药品冲洗，使氨基酸的斑点带色或变黑。这真是一种富有戏剧性的奇观：原来混合在一种单一溶液中的各种氨基酸，现在布满整张滤纸，就像一幅由彩色斑点拼成的工艺品。有经验的生物化学家根据斑点所占的位置，能够识别出每一种氨基酸，几乎一眼就能看出原蛋白质的成分。把一个斑点溶解，他们甚至能够测量出这种蛋白质中某种氨基酸的含量。由于对这项技术的发展，马丁和辛格获得1952年的诺贝尔化学奖。
图12-3 纸色谱法
（1952年，马丁同詹姆斯一起，把这种技术原理应用在分离气体上。各种气体或蒸汽的混合物可以利用氮或氦一类惰性载气的气流通过液态溶剂或吸收性固体的表面。混合的气体通过后，在另一端出现时就分开了。这种气相色谱法特别有用，因为它分离速度快，而且非常精密，能够探测出痕量的杂质。）
色谱分析准确地估计出了各种蛋白质的每一种氨基酸含量。例如，已经发现，一种被称为血清清蛋白的血液蛋白质分子，含有15个甘氨酸、45个缬氨酸、58个亮氨酸、9个异亮氨酸、31个脯氨酸、33个苯丙氨酸、18个酪氨酸、1个色氨酸、22个丝氨酸、27个苏氨酸、32个胱氨酸、4个半胱氨酸、6个甲硫氨酸、25个精氨酸、16个组氨酸、58个赖氨酸、46个天门冬氨酸和80个谷氨酸，总计有18个不同类型的526个氨基酸，分子量约为69000。（除了这18种以外，还有一种普通的氨基酸，叫做丙氨酸。）
德国血统的美国生物化学家布兰德提出了一套代表各种氨基酸的符号，现在已被普遍采用。为了避免与元素符号相混淆，他用每一种氨基酸英文名字的前三个字母来为其命名，而不是只用第一个字母。其中有几个比较特殊：CyS代表胱氨酸，以表明它的两半通常被连接到两种不同的链上；半胱氨酸用CySH代表，以区别于胱氨酸；异亮氨酸的符号是Ileu而不是Iso，因为Iso是许多化学名词的字头。
用这种符号，血清清蛋白的分子式可以写成：Gly15Val45Leu58Ileu9Pro31Phe33Tyr18Try1Ser22Thr27CyS32CyHS4Met6Arg25His16Lys58Asp46Glu80。应该承认，分子式这样写比较简洁，但念起来并不顺口。
分析肽链
发现一种蛋白质的经验式只是工作的一半——实际上远不到一半，更为艰巨的工作是破译一种蛋白质分子的结构。有充分的理由相信，每一种蛋白质的性质完全取决于所有那些氨基酸在分子的链上是怎样（按什么次序）排列的。这就给生物化学家提出了一个难题。即使每种氨基酸只用一次，19种氨基酸在一条链上可能的排列方式也有大约12亿亿种。如果你觉得这个数目难以置信，试求19×18×17×16×……的值，这就是求有多少种可能的排列方式的方法。如果你不相信算术，可以找出19个棋子，在棋子上依次标上1至19，看看你能把它们排列成多少种不同的次序。我保证，这个游戏你很快就会玩不下去的。
如果你有一个像血清清蛋白那样由500多个氨基酸组成的蛋白质，那么它可能的排列方式就会有大约1×10600种，即在1的后面加600个零。这简直是一个大得难以相信的数目，比整个已知宇宙中亚原子粒子的数目还要大得多。换句话说，就此而言，即使把这些粒子都压结实，宇宙也远远容纳不下。
虽然在那么多可能的排列方式中，要弄清楚一个血清清蛋白分子到底属于哪一种，似乎是没有希望的，但是这类问题实际上已经得到了处理和解决。
1945年，英国生物化学家桑格着手确定一条肽链中氨基酸的排列次序。他首先试图鉴定出肽链一端（氨基端）的氨基酸。
显然，这一端的氨基酸（称做N末端氨基酸）的氨基是游离的，就是说，不与另一个氨基酸相连接。桑格使用了一种能够与游离的氨基结合、但不能与已经跟羧基连接的氨基结合的化学药品，制取了肽链的一种DNP（二硝基苯酚）衍生物。利用DNP，他可以标记出N末端氨基酸。因为把DNP结合在一起的键比把链上的氨基酸结合在一起的键力量大，所以它能够把链分解成单个的氨基酸，并把带有DNP标记的那一个氨基酸分离出来。碰巧DNP基为黄色，因此这种特殊的氨基酸同其DNP标记一起，在纸色谱图上呈现为一个黄色的斑点。
因此，桑格能够分离并鉴定出一条肽链的氨基端的氨基酸。用同样的方法，他鉴定出链另一端的氨基酸——含有一个游离羧基的氨基酸，叫做C末端氨基酸。他还多次把一条肽链中的一些其他氨基酸一个一个地切割下来，并鉴定出它的末端顺序。
桑格进而研究整条肽链。他选用的是胰岛素。这种蛋白质有两个优点：一是它对人体的功能有非常重要的作用；二是它是一种比较小的蛋白质，胰岛素的最简式分子量只有6000。DNP处理表明，这种蛋白质分子由两条肽链组成，因为它含有两种不同的N末端氨基酸。这两条链是由一些胱氨酸分子连接起来的。桑格用化学的方法断开胱氨酸中两个硫原子之间的键，把胰岛素分子分成它的两条肽链，每一条都完整无损。其中一条链的N末端氨基酸为甘氨酸（称之为G链），另一条链的N末端氨基酸是苯丙氨酸（称之为P链）。现在可以对这两条链分别进行研究了。
桑格和他的同事塔皮首先把G链和P链分解成单个的氨基酸，从而鉴定出组成G链的21个氨基酸和组成P链的30个氨基酸。接着，为了了解排列顺序的情况，他们就把G链和P链分解成由2～3个氨基酸组成的碎片，而不分解为单个的氨基酸。这个任务可以通过部分水解的方法来完成，水解仅断开链中比较弱的键；也可以通过用某些消化物质攻击胰岛素的方法来完成，这些消化物质只断开氨基酸之间的某些键而不损害其他键。
利用这些方法，桑格和塔皮把G链和P链分别分解成许多不同的片段。例如，把P链分解成48个不同的片段，其中由2个氨基酸（二肽）组成的片段22个，由3个氨基酸组成的片段14个，由3个以上的氨基酸组成的片段12个。
经过分离的各种小的肽，用纸色谱法可以再分解成单个的氨基酸。现在研究者们准备测定这些片段中氨基酸的顺序了。假如他们有一个由缬氨酸和异亮氨酸组成的二肽。问题会是：顺序是Val－Ileu还是Ileu－Val？换句话说，N末端氨基酸是缬氨酸还是异亮氨酸？（氨基以及相继的N末端单元，通常认为在一条链的左端。）对此，DNP标记可以回答这个问题。如果DNP标记出现在缬氨酸上，那么，缬氨酸就是N末端氨基酸，从而可以确认这个二肽的排列顺序是Val－Ileu。如果DNP标记出现在异亮氨酸上，排列顺序则为Ileu－Val。
一个由3个氨基酸组成的片段，其排列顺序也可以确定出来。假如一个片段的组成是亮氨酸、缬氨酸和谷氨酸。DNP试验可以首先鉴定出N末端氨基酸。比方说，如果是亮氨酸，那么，排列顺序不是Leu－Val－Glu就是Leu－Glu－Val。然后人工合成这两种组合，并分别滴在滤纸上，使成为色谱图上的斑点，再看看哪一种组合在滤纸上占的位置与被研究的片段所占的位置相同。
对于含有3个以上氨基酸的肽，可以把它们先分解成比较小的片段，然后再进行分析。
用这种方法把胰岛素分子分成的所有片段的结构确定以后，下一步就是按照它们在链中的正确次序，把这些片段连接在一起——就像小孩玩拼板玩具那样。这里有许多线索可寻。例如，已知G链只含有1个单位的氨基酸——丙氨酸，在从分解G链所得到的肽混合物中，发现丙氨酸有两种组合方式：丙氨酸-丝氨酸和肽氨酸-丙氨酸。因此，在完整的G链中，排列次序一定是CyS－Ala－Ser。
利用这些线索，桑格和塔皮逐渐地把这些片段拼到了一起。把所有的片段都确认出来，并以完全满意的顺序把它们排列出来，要花费几年的时间。但是到了1952年，他们就研究出了G链和P链中所有氨基酸的精确的排列次序，接着他们继续研究两条链是怎样连接起来的。1953年，他们宣布终于胜利地破译了胰岛素的结构。一种重要的蛋白质分子的全部结构第一次被研究出来了。由于这一成就，桑格获得了1958年的诺贝尔化学奖。
生物化学家们立即采用桑格的方法来确定其他蛋白质分子的结构。1959年，攻克了核糖核酸酶，这是一种由含有124个氨基酸的单个肽链组成的蛋白质分子；1960年，研究出了含有158个氨基酸的烟草花叶病毒的蛋白质单位；1964年，破译了一种含有223个氨基酸的蛋白质——胰蛋白酶；到1967年，这种研究技术实际上已经自动化了。瑞士血统的美国生物化学家埃德曼设计了一种顺序分析仪，可以把5毫克纯蛋白质的氨基酸一个一个地分离和鉴定出来。肌红蛋白链的60个氨基酸就是用这个方法在4天内鉴定出来的。
人们已经详细地研究出了更长的肽链。到20世纪80年代，任何蛋白质，不论有多大，其详细结构都可以确定出来。只要不怕麻烦，就毫无疑问。
总的来说，这些分析表明，大部分蛋白质都能在它们的链上充分显示出所有（或几乎所有）不同的氨基酸。只有几种比较简单的纤维状蛋白，如丝中或腱中发现的那些蛋白，偏重于2～3种氨基酸。
在由全部19种氨基酸组成的那些蛋白质中，单个的氨基酸没有明显的排列次序，也很少发现有周期性的重复。这些氨基酸是这样排列的，当链通过在各处形成的氢键而折叠起来的时候，各种侧链能构成一个含有正确排列次序的原子团或电荷图样的表面，从而使蛋白质发挥其功能。
合成蛋白质
一旦弄清楚了多肽链中氨基酸的顺序，人们就可以着手完全按照那种正确的顺序把氨基酸结合在一起了。当然，一开始合成的是一种小的蛋白质。在实验室中合成的第一种蛋白质是催产素，一种对人体有许多重要功能的激素。催产素是一种极小的蛋白质分子，只含有8个氨基酸。1953年，美国生物化学家迪维尼奥成功地合成了一种与催产素的特征完全相似的肽链，而且，这种合成肽的确显示出自然激素的全部特性。迪维尼奥获得了1955年的诺贝尔化学奖。
在以后的几年中，人们合成出了更复杂的蛋白质分子；但是要用按照特殊顺序排列的特殊氨基酸合成一种特殊的分子，打个比方说，就必须像穿串珠一样，一次只穿一个。这件事情在20世纪50年代如同在半个世纪以前的E.费歇尔时代一样困难。每次把一个特殊的氨基酸连接到一条链上，都必须用繁琐的方法把这种新的化合物同所有其他的部分分离，然后再重新开始连接另一个特殊的氨基酸。在每一步骤中都会有大部分物质在副反应中失去，因此，即使简单的链，能合成的量也很小。
但是，1959年初，由美国生物化学家梅里菲尔德领导的一个小组，在新的方向上有了突破。所需要的链的开头的一个氨基酸被连接在用聚苯乙烯树脂制成的串珠上。这些串珠在所使用的溶液中不溶解，而且通过简单的过滤就能够同其他所有的物质分离。把含有第二个氨基酸的新溶液加进去，第二个氨基酸就会接在第一个上。再过滤，然后再倒入含有第三个氨基酸的新溶液。加溶液的步骤非常简单迅速，因此可以自动化，而且几乎没有任何损失。1965年，用这种方法合成了胰岛素分子；1969年，合成了更长的核糖核酸酶的链，共含有124个氨基酸；接着，1970年，中国血统的美国生物化学家李卓浩合成了有188个氨基酸链的人体生长激素。原则上讲，只要具有足够的耐心，任何蛋白质现在都能人工合成。
蛋白质分子的形状
认识到蛋白质分子是一串氨基酸（打个比方）以后，人们希望对蛋白质分子能有更多的了解。氨基酸链究竟是以什么方式扭曲的呢？蛋白质分子的确切形状是什么样的呢？
奥地利血统的英国化学家佩鲁茨和他的英国同事肯德鲁着手研究这个问题。佩鲁茨把血红蛋白作为研究对象。血红蛋白是血液中载氧的蛋白质，含有大约12000个原子。肯德鲁则挑选了肌红蛋白，一种在功能上类似血红蛋白的肌肉蛋白质，但在大小上只有血红蛋白的1/4。他们使用的是X射线衍射分析法。
佩鲁茨使用的装置能够把一些蛋白质分子和一个大质量原子（如金或汞的原子）结合起来，因为这些大质量原子衍射X射线的效率特别高。这样，他得到很多线索，从而更精确地推断出在没有大质量原子的情况下血红蛋白分子的结构。到1959年，肌红蛋白分子的结构弄清楚了，第二年血红蛋白分子的结构也研究出来了。这样就可以制造出它们的立体模型，使每一单个原子都安置在看上去很可能是正确的位置。结果，佩鲁茨和肯德鲁分享了1962年的诺贝尔化学奖。
有理由认为，利用佩鲁茨-肯德鲁技术得出的这些立体结构，终归要由那一串氨基酸的性质来确定。打个比方说，氨基酸串具有一些自然折皱点，当它们弯曲的时候，必然会发生某些相互联系，从而使氨基酸串适当地折叠起来。通过计算出所有原子间的距离和连接键所放置的角度，就能够确定这些折叠和相互联系的情况，但这确实是一项繁琐的工作。这项工作也已经利用计算机了：不仅用计算机进行计算，而且还让计算机把结果显示在屏幕上。
不管怎样，已经知道立体形状详细情况的蛋白质分子的数目正在迅速增加。胰岛素作为向分子生物学发起新的攻击的起点，它所具有的立体形状是英国生物化学家D.C.霍奇金1969年研究出来的。
酶
蛋白质分子非常复杂，而且几乎有无数的种类，因而很有用处。蛋白质在生物体内要执行多种不同的功能。
一种主要功能就是为身体提供结构骨架。正如纤维素构成植物的骨架一样，各种纤维状蛋白质对复杂的动物也起着同样的作用。蜘蛛织网的丝和昆虫幼虫做茧的丝都是蛋白质纤维。鱼和爬行动物的鳞主要是由角蛋白构成的。毛发、羽毛、犄角、蹄子、爪子和指甲也含有角蛋白，它们只不过是变化了的鳞。皮肤由于含有大量的角蛋白才那么坚韧。体内的支持组织（软骨、韧带、腱甚至于骨骼的有机支架）主要是由胶原蛋白和弹性蛋白一类的蛋白质分子组成的。肌肉是由一种叫做肌动球蛋白的复杂的纤维状蛋白质组成的。
在所有这些实例中，蛋白质纤维不是纤维素的代用品，而是纤维素的改良品。蛋白质纤维比纤维素更结实、更柔软。纤维素可以支持植物，但植物不需要做比随风摇晃更复杂的运动。而蛋白质纤维则必须适应身体各部位的弯曲，以进行各种快速运动和振动等。
可是，不论在结构上还是在功能上，蛋白质纤维只是蛋白质中最简单的一类。大多数其他蛋白质要做的工作更精细、更复杂。
为了全面地维持生命，必须在体内进行许多化学反应。这些反应种类繁多，而且必须高速进行，每一个反应都要和所有其他的反应紧密配合，因为生命的平稳活动不是依赖某一种反应，而是依赖所有的反应。此外，所有的反应必须在最温和的环境下进行，即没有高温、没有强的化学药品，也没有高压。这些反应必须在严格而灵活的控制下进行，而且必须根据环境的变化特点和身体变化的需要经常进行调整。在成千上万的反应中，即使有一个反应太慢或太快，多少都会给身体造成损害。
所有这一切都是由蛋白质分子来完成的。
催化作用
到18世纪末，化学家们以拉瓦锡为先导，开始用定量的方法来研究各种反应，特别是测定化学反应进行的速率。他们很快就注意到，环境稍微改变就会使反应速率发生重大变化。例如，当克希霍夫发现有酸存在淀粉就会变成糖时，他注意到，尽管酸极大地加快了这个反应，但在反应过程中酸本身并没有被消耗。人们很快又发现了一些其他这样的例子。德国化学家德贝赖纳发现，铂的粉末（称做铂黑）能够促使氢和氧结合成水，如果没有铂黑的帮助，这个反应只有在高温下才会发生。德贝赖纳甚至设计了一种能够自动点火的灯，在灯里面把氢气流喷到一个涂有铂黑的面上，灯就点着了。
