第四章蛋白质的物理化学性质
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第四章
蛋白质的物理化学性质
重点与难点
热力学相关函数：熵、焓、热容量 蛋白质折叠相关作用力 蛋白质的折叠过程
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。
G=H-TS=E+pV-TS
其中，T为绝对温度；S为体系的熵
注意:吉布斯自由能是体系的性质，它的大小 只决定于体系的始态和终态，而与变化的途 径无关(即与可逆与否无关)。
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。 系统吸收的热量为正值，释放的热量为负值
能之差。蛋白质中有许多种氢键。
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
它描述的是体系的一个状态性质，焓的 变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热 量的度量。用符号H表示，即
H=E+pV
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，对应比较有秩序的状态 熵值大，对应比较无秩序的状态
氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电 吸引，即氢键。
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
键 （kj/mol） 氢 键 范德华力 疏水作用 盐 键 二 硫 键 键能/ 13～30 4 ～8 12～20 12～30 210
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。
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值也不同。
动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，而出现瞬时偶 极。瞬时偶极之间的相互作用力 。
3.氢键（Hydrogen Bonding）
由电负性原子与氢形成的基团如（N-H和O-H） 具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性 大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，
正电荷的氢核(质子)就在外侧裸露。这一正电荷
构象角: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。
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 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 。
残基pka值的移动很小，但蛋白质大分子可电离集团
相当多，小pka值移动的大量积累对蛋白质稳定性很重
要。
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）
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 。
以lnK的实验值对1/T作图，可以得到一条 直线，这条线上任何点上的斜率为 Van't Hoff焓（△H0）与R之比。
Van’t Hoff焓主要用于两态转变模型的分析
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。
范德华力组成：
取向力 :当极性分子相互接近时，它们的固有偶极将同
极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力
诱导力 :当极性分子与非极性分子相互接近时，非极性分子在
极性分子的固有偶极作用下，发生极化，产生诱导偶 极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间作
用力
色散力 :非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运
来自百度文库
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。
G=H-TS=E+pV-TS
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。
内能(E)和焓(H)是体系自身的性质，要 认识它们，需凭借体系和环境间热量和功 的交换从外界的变化来推断体系E和H的 变化值。 熵也是如此，体系在一定状态下有一定 的值，当体系发生变化时要用可逆变化过 程中的热温熵来衡量它的变化值。
•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：
使用微分扫描量热仪直接测定热容量变化
三、van’t Hoff 焓
•
Van’t Hoff 规则 ：荷兰科学家范特霍夫 提出, 温度每升高10 K, 反应速度增加2-4倍
当溶液中的活性状态N与失活状态U处于平衡时，平衡常 数K=[U]/[ N] 取决于两种自由能之差∆G=GU－GN 。 自有能差∆G也可以用焓差∆H=HU－HN和 熵差∆S=SU－ SN 表示为： ∆G = ∆H－T∆S 于是： －RT·lnK = ∆H0－T∆S0 由此看出，平衡常数对温度的依赖关系可以用来估计 ∆H的大小。H0和S0 分别表示标准状态下的焓和熵。 所以 lnK = －∆H0/ RT+∆S0/R 即 lnK =（－∆H0/ R）（1/T）+∆S0/R
蛋白质的物理化学性质
重点与难点
热力学相关函数：熵、焓、热容量 蛋白质折叠相关作用力 蛋白质的折叠过程
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。
G=H-TS=E+pV-TS
其中，T为绝对温度；S为体系的熵
注意:吉布斯自由能是体系的性质，它的大小 只决定于体系的始态和终态，而与变化的途 径无关(即与可逆与否无关)。
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。 系统吸收的热量为正值，释放的热量为负值
能之差。蛋白质中有许多种氢键。
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
它描述的是体系的一个状态性质，焓的 变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热 量的度量。用符号H表示，即
H=E+pV
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，对应比较有秩序的状态 熵值大，对应比较无秩序的状态
氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电 吸引，即氢键。
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
键 （kj/mol） 氢 键 范德华力 疏水作用 盐 键 二 硫 键 键能/ 13～30 4 ～8 12～20 12～30 210
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。
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值也不同。
动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，而出现瞬时偶 极。瞬时偶极之间的相互作用力 。
3.氢键（Hydrogen Bonding）
由电负性原子与氢形成的基团如（N-H和O-H） 具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性 大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，
正电荷的氢核(质子)就在外侧裸露。这一正电荷
构象角: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。
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 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 。
残基pka值的移动很小，但蛋白质大分子可电离集团
相当多，小pka值移动的大量积累对蛋白质稳定性很重
要。
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）
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 。
以lnK的实验值对1/T作图，可以得到一条 直线，这条线上任何点上的斜率为 Van't Hoff焓（△H0）与R之比。
Van’t Hoff焓主要用于两态转变模型的分析
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。
范德华力组成：
取向力 :当极性分子相互接近时，它们的固有偶极将同
极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力
诱导力 :当极性分子与非极性分子相互接近时，非极性分子在
极性分子的固有偶极作用下，发生极化，产生诱导偶 极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间作
用力
色散力 :非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运
来自百度文库
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。
G=H-TS=E+pV-TS
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。
内能(E)和焓(H)是体系自身的性质，要 认识它们，需凭借体系和环境间热量和功 的交换从外界的变化来推断体系E和H的 变化值。 熵也是如此，体系在一定状态下有一定 的值，当体系发生变化时要用可逆变化过 程中的热温熵来衡量它的变化值。
•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：
使用微分扫描量热仪直接测定热容量变化
三、van’t Hoff 焓
•
Van’t Hoff 规则 ：荷兰科学家范特霍夫 提出, 温度每升高10 K, 反应速度增加2-4倍
当溶液中的活性状态N与失活状态U处于平衡时，平衡常 数K=[U]/[ N] 取决于两种自由能之差∆G=GU－GN 。 自有能差∆G也可以用焓差∆H=HU－HN和 熵差∆S=SU－ SN 表示为： ∆G = ∆H－T∆S 于是： －RT·lnK = ∆H0－T∆S0 由此看出，平衡常数对温度的依赖关系可以用来估计 ∆H的大小。H0和S0 分别表示标准状态下的焓和熵。 所以 lnK = －∆H0/ RT+∆S0/R 即 lnK =（－∆H0/ R）（1/T）+∆S0/R