第四章 蛋白质的物理化学性质

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三、van’t Hoff焓
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Van’t Hoff 规则 ：荷兰科学家范特霍夫 (Van’t Hoff，1901年诺贝尔奖获得者) 提出, 温度每升高10 K, 反应速度一般增加到原来 的2-4倍，该规律被称作 Van’t Hoff 规则 。
Van't Hoff焓主要在两态转变模型的分析中做出了贡献。
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•吉布斯自由能(Gibbs free energy， G):亦称吉布 斯函数，它是定温定压下系统的状态函数。可以用 公式表示为： G = H - TS 其中，T为绝对温度；S为体系的熵。 这个状态函数是由 J. Willard Gibbs 于1878 年提出 的。系统自由能的减少等于系统在恒温、恒压可逆过 程中所做的最大有用功（不包括位移功）。在不可逆 过程中系统所做的功必然小于体系自由能的减少。
• 由于活细胞中的所有生物化学过程几乎都 是在恒温、恒压条件下进行的，在研究微 生物的能量代谢时自然会对自由能的变化 ΔG 发生兴趣。
• 在恒温恒压条件下，各类化学反应能否自发进行，取决于 自由能的变化ΔG 的值，但反应的ΔG 与变化的途径无关。 当ΔG＜0 时，自发过程，被称为是放能的（exoergic） 过程，它们可以用来做功； 当ΔG＝0 时，反应已达到平衡，即其正向过程和逆向过 程正好处于平衡； 当ΔG＞0 时，非自发过程，被称为吸能的（endergonic） 过程，必须注入自由能才能驱动此类过程。
• 在细胞中，能直接驱动吸能过程的自由能有两类 供体：在细胞内流通的能量货币（以ATP为代表） 和能化了的生物膜（以Δp为代表）。 • 它们一般在代谢过程中形成，在代谢过程中使用， 特别是它们作为细胞的组成成分，在细胞的代谢 中再生和周转。我们把这两类特殊能量形式叫做 代谢能。
• 注意：
①虽然酶对于加速反应非常重要，但它们并不改 变反应的 ΔG，作为催化剂它们只能加快热力学 平衡的达到，却不能使ΔG ＞ 0 的反应进行。 ②反应或过程的吉布斯自由能随温度等变化，其 值可以推算。
6.盐桥或离子键
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盐桥或离子键又称盐键，它是正电荷与负电荷 之间的一种静电相互作用。 盐键的形成既是静电相互作用的过程也是熵增的 结果。
第二节 突变、稳定性和折叠
• 一、体外突变技术 1. 概念:体外突变技术是用酶学方法和化学方法剪切 或合成DNA ，将突变导入到克隆化的基因中，再 将改变的基因重新克隆到生物体中分析该基因的 功能变化的一项技术。 2. 分类: 随机突变 定点突变 3.应用:研究蛋白质结构和功能之间的复杂关系 。
序决定它的特定的空
间结构。
Anfinsen
• 蛋白质必需基团的 化学修饰和活性丧 失的定量关系公式 和作图法，被称为 “邹氏公式”和作 图法。
邹承鲁
第一节、热力学函数与蛋白质构象 一、热力学函数与热力学平衡
·内能：组成物体的所有分子的无规则运动的动能
与分子间相互作用的势能之和。
·焓(enthalpy)：是一个系统的热力学参数。
四、蛋白质构象与热运动
• 构象:由于单键基本自由旋转以及键角有一定的柔 性，一种具有相同结构和构型的分子在空间里可 采取多种形态，分子所采取的特定形态称为构象。
• 构象角:分子的三维结构由绕着双原子共价键的旋 转来决定，围绕单键旋转的角度称为构象角,它决 定了多肽链的一个结构 。
• 热运动:是指蛋白质溶液中所有分子的不停运动， 包括了分子相对于容器的运动和分子内部各部分之 间的相对运动。
退 折 叠
1．静电相互作用
•蛋白质的折叠态与退折叠态的空间结构不同，在水 溶液中，表现为同一个可电离基团附近环境的有效 介电常数的变化，于是它们的pka值（酸度系数）也 不同。 •静电相互作用对折叠稳定性潜在的重要性。
2．范德华相互作用
• 范德华力（van der Waals interaction） ，又称为 分子间力
• 这些状态函数可用来表示和解释这两个热力学定 律，经典热力学就是建立在这两个定律的基础上 的。
• ①热力学第一定律：能量既不能创生也不能消灭。用数学 方式表达为： ΔU = 0， 其含义是，在任何隔离系统中系 统储藏的能量不变。 • ②热力学第二定律：自发过程向熵值（宇宙的总的混乱程 度）增加的方向进行。用数学方式表达为：ΔS ＞ 0， 其 含义是，在任何隔离系统中，不违背第一定律的过程得以 进行的最起码的条件是该系统的熵值增加。
5.二硫键
• 二硫键又称S-S键是共价键。是2个SH基被氧化而 形成的-S-S-形式的硫原子间的键。在生物化学的 领域中，通常系指在肽和蛋白质分子中的半胱氨 酸残基中的键。
• 为了确定蛋白质的一级结构，须在2-巯-乙醇、二 硫苏糖类、巯基乙酸等的硫化合物与尿素等变性 剂同时存在下将二硫键打开. • 二硫键对肽链的正确折叠不是必要的，但它对 稳定折叠态结构作出贡献。RNA酶复性实验。
3.氢键（Hydrogen Bonding）
在生物相中最常见的氢键是羟基（-OH）和氨基（-NH）之 间，其稳定性递减次序大约是OHN>XON>HN-NHO，这种键 可以发生在分子间、分子内或者二者的结合。
氢键对蛋白质天然结构的稳定作用只能来自于水水氢键+链内氢键，和水-肽链氢键两种情况下的自由 能之差。蛋白质中有许多种氢键。
第四章
蛋白质的物理化学性质
★在国际上首先提出
蛋白质的变性理论 （1929年提出，1931 年发表论文）
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吴宪
---Anfinsen 原理
每一种蛋白质分子都 有自己特有的氨基酸 的组成和排列顺序， 由这种氨基酸排列顺
4.疏水效应（hydrophobic effect）
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疏水效应:水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向 于把疏水残基埋藏在分子的内部。这一现象被称 为疏水作用或疏水效应.
• 蛋白质溶液系统的熵增加（熵变化∆S为正值）是 疏水作用的主要动力。
疏水作用是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而 被迫接近。要使疏水氨基酸R基团排除水而埋在内部， 至少需要两层二级结构。两种简单形式，β-α-β环（βα-βloop）和α-α角（α-αcorner）。
它描述的是体系的一个状态性质，它的改变量仅 仅取决于系统的始态和终态，用符号H表示，即 H=E+pV 其中，E为系统内能，p为其压强，V则为体积 。
• 熵（S）:是度量体系混乱度的热力学函数。 从微观的角度来看，熵具有统计意义， 它是体系微观状态数(或无序程度)的一种量度。 熵值小的状态，对应于比较有秩序的状态， 熵值大的状态，对应于比较无秩序的状态。
二、热容量
• 热容量:指系统在某一过程中，温度升高（或降低）1℃所吸 收（或放出）的热量。热容量的单位是J/K。 • 系统的热容量与状态的转变过程有关，与它所包含的物质的 质量成正比，不同过程的热容量不同。 • 通常规定，系统吸收的热量为正值，而释放的热量为负值， 故在系统吸收热量引起温度升高时，热容量为正值。 量热实验，特别是近几十年发展起来的使用微分扫描量热 仪的实验，使得在蛋白质的折叠或退折叠转变过程中，直接 测定热容量的变化成为可能。
分
类
υ
OH/cm
-1
R（O…O）/nm >0.270 0.260~0.270
实
例
弱氢键 中强氢键
>3200 2800~3100
H2O(水、水合物) R—OH(醇、酚) R—COOH(羧酸)
强氢键
700~2700
0.240~0.260
MH(RCOO)2(酸盐)
氢键在蛋白折叠过程中的作用
杜克大学的化学家们通过改变蛋白质关键部位 的单个原子，发现了相对作用力较弱的氢键在 使线形蛋白折叠成能发挥生物活性的最稳定结 构中有重要作用
• 热运动在溶液中和多肽链的各部分之间传播，主要 是通过多肽链各部分之间和多肽链与溶液分子之间 的相互作用来实现的。
• 体系达到热力学平衡时，在空间的一定范围内和在 时间的一定间隔内的平均热运动能量不再发生变化， 蛋白质处于天然态 。
五、热力学参数在分子水平上的解释
• 从分子的相互作用来理解蛋白质天然结构 的稳定性。 为了使蛋白质折叠起来，就需要通过多肽 链各部分间相互作用所引起的内能的减少 来抵消构象熵减少带来的自由能增加。
稳定蛋白质三维结构的作用力：氢键、范德华 力、疏水作用力和盐键（离子键）及共价二硫键。
键 键能/（kj/mol）
氢 键 范德华力 疏水作用 盐 键 二 硫 键
13～30 4～8 12～20 12～30 210
弱的相互作用力对蛋白质稳定性的作用可以用 水的性质来理解。熵是水溶液中形成疏水基团间结 合的主要热动力学驱动力。
3.突变试验增加蛋白质的亲盐性 例如亲盐的苹果酸脱氢酶中的唯一的谷氨酸替换为 精氨酸。
三、蛋白质折叠
1 . 蛋白质折叠研究的概况 ※蛋白质折叠:蛋白质的一级结构并没有生物活性， 结构决定功能，一维的线型氨基酸序列转化为具 有特征三维结构的天然蛋白质才具有生物活性， 这种自我组装的过程被称为蛋白质折叠。
※追踪蛋白质重折叠的全过程的实验方法： 快速核磁共振，快速光谱技术（荧光，远紫外和 近紫外圆二色）等。
※蛋白质折叠技术的研究应当将蛋白质结构研究与 折叠过程动力学研究相结合以促进对蛋白质折叠 机理的认识。
※“新生肽的折叠”问题与中心法则
转录 翻译 折叠 polypeptide
DNA
逆转录
RNA
?
protein
在物质的聚集态中，分子间存在着一种较弱的 吸引力，当两个不带电荷的原子非常靠近时，它 们的电子云相互作用，核周围电子位置的随机变 化可能产生一个瞬间电偶。该电偶能够诱导邻近 的原子产生一个短暂的反向电偶。这两个电偶之 间会产生微弱的引力,从而拉近两个原子核。这种 微弱的吸引力即为范德华力 。