7蛋白质水合作用

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被埋于蛋白质内部的水一般被3-4个配位数所饱和,而且,和
邻接原子保持同等程度的结合并处于低频率震动状态。表明
水被固定成准固体状态。 水常位于含有代谢的活性中心的口袋位置,参与循环功能。 特别是与存在于触酶部位深处的亲水氨基酸相结合。 由于高分子内部水的结合引起了氢键断裂和再结合,其结果
带来了大量的能量消费。被结合的水分子实际上被看作蛋白
亲水性残基能够构成疏水性领域 1、显示具有氢键结合的
水和极性残基和通过静电 作用水和解离基的2个多 肽。 2、极性残基排出水和水 分子,具有电荷残基竞争 性地相互逐出水和水而接 近,使得2条链通过氢键 和离子键结合,如果成为 这种结构,对水就完全无 亲和性。
各种球状蛋白质的水和程度
Fischer是研究蛋白质结合水量和蛋白质分子量及 极性程度关系的第一人。 当蛋白质为球形,半径为r,亲水残基所占表面体 积: Ve=4/3 π( r3-(r-d)3) ····1 疏水残基所占内部体积: Vi=4/3 π(r-d)3 ····2 全体积:Vt=Ve+Vi Fischer极性系数或亲水性系数定义为: p=r3/(r-d)3 -1 ·····3
蛋白质水和作用研究进展
郭顺堂
结合水、结构水及水和层的概念
众所周知,生物高分子可使溶解高分子的水分子 层结构化,蛋白质含25-70%,核酸为80%。 引起盐析的试剂可从高分子中夺取部分水和层使 高分子沉淀。如同酒精脱水效果。 将这部分固定化在分子表面的水称为结合水( Bound water)
-△H0 kcal.mole-1
16.6 13.9-16.5 14.5-17 15 15 15 15-18.1
包接物水的结合作用
水与各种疏水残基接触、配置,参与蛋白质立体 结构的稳定性作用。 包接物中强烈结构化的水形成某种“幕”,隐蔽 了其下面氨基酸的化学性质。 包接物中水分子间的结合作用强于纯水,焓变也 比较小:
质的一部份,与其功能和结构相关。
水和高分子的形状
高分子占有三维的空间结构,但结构水实际上在高分子的 周围形成了二维的膜。
因此,和高分子接触并强烈受到影响的水分反过来能够影
响控制高分子形状和活性。 氢键因其特性有时会表现为制约,有时会产生各种现象。 所以,生物高分子的各种形态和功能是由高分子本来结 构与水的各种作用的结果。
与冰的六角形结构不同, 包接物中水形成边长为 0.5nm的五角形多面体。 多面体各顶点被水分子的 氧原子占据,各边由氢键 结合而成。 形成网状结构将无极性分 子包围其中。化学上非常 不同的物质但有时显现同 一性质,主要是受表面水 的影响。
无极性分子
氩(argon) 氪(crypton) 甲烷(methane) 乙炔(acetylene) 乙烯(ethylene) 乙烷(ethane) 氯仿(chloroform)
多聚阴离子性高分子和水的集合
电荷分布对粘液 质的机械性 质发挥了决 定作用。 非常大的弹性, 或“拉丝性 ”状态 高分子各层因相 同或相反电 荷呈现复原 力或相互滑 动。
2、葡萄糖胺聚糖的水和
由结合蛋白质的酸性多糖组成。具有分支的分 子,分支部分因相同电荷的相斥性扩展成相当 大的容积。
水和的分子约300nm,远大于平均直径3-4nm的 球状蛋白。 同粘液质一样,钠是主要的对离子。
有时也有特例发现,与单体接触的表层中隐藏着亲水残基。 Fischer计算虽然不正确,但是很好的近似法。特别是推测出了 不存在分子量5000以下的蛋白质。!! (Clegg认为应当有,但未发现!)
表示亲水性残基比率的极性系数p与蛋白 质的形状和大小的变化
1、若多肽链过短,分子内部就没有存疏水性残基的场所,
4、无极性分子进一步增大,水分子呈液状集结,成球状液滴。
水和苯环间的氢键结合(Benzene forms hydrogen bonds with water, Science.1992,257,942-945)
具有苯环和双键结合 的芳香族化合物能够 结合1分子的水, 水分子1个氢原子能 与围绕苯环的π电子 云之间形成氢键。
疏水性水和
疏水性是无极性分子对水的不溶性,无极性分子不是对水 的斥力,而是避开水的作用。 分子周围不能存在水和层的无极性分子因相互十分接近而 存在,通过较强的范德华力相吸引,因热运动2个分子接 触后难以分离。 这种力随分子质量而增大。无极性分子疏水性按分子量增 大。无极性基CH3﹤C2H5 ﹤ … ﹤ CnH2n+1 为了保持状态,亲水基占据高分子表面的大部分,包围了 分子内一定体积中的疏水残基,提高了疏水残基间的范德 华力,形成类似于薄板型β结构。
无极性物质含有的水分能达到90%,化合物的水合能也
比较高。无论化学性质怎样,水和能几乎一样为,
15kcal.mole-1. 表明:水合物的稳定性不依存于特定性质,而依存水的 性质。
包接化合物的构成要素
与疏水分子接触通过氢键作用集合的水,形成 1边约0.5nm的五角形结构而构成的多面体。
各种无极性物质的水和热
包接物的水相和无极性分子相的分离过程
1、水分子过剩时,水分子在无极性分子周围配置成“筐状”,形成包接化
合物,水可达到90%。 2、3、无极性分子增加时,水分子之间为了尽可能保证氢键,同时避开2个 无极性分子夹持,其结果水分子向外滑出,成为一个包有数个无极性分 子的“筐”,而两个无极性分子间接近通过范德华力结合而稳定化(疏 水作用)。
高分子周围水:结构水 (Structural water);极化水( Polarized water);束缚水( strained water);邻接水( vicinal water)。
亲水性水和
水分子在高分子的亲水部分通过解离基水和、极 性基氢键作用被结构化。 一般水分子对羟基的氧原子提供质子、或对胺基 (氨基和亚胺基)接受质子, (水)O-H…O, (水)O…H-N
糖胺与金属离子结合模型
结合在高分子上的Na+,K+并不一定表现为单纯一价离子的行为 。 图中Na直接或介于水分子与4个链结合,其中Na通过配位键与6 个氧结合,其中4个结合在糖链上,其他2个结合在水分子上, 这2个水分子通过氢键结合在糖链上。 这种错体化合物几乎不水和,离子对通常的反应物处于封闭状 态。
水分子的氢原子露出阳性核,被围绕苯环分子的π电子云吸 引,氢键不是朝向碳原子而是朝向本环中心。 苯环的该性质说明,具有疏水侧链的酪氨酸、苯丙氨酸、色 氨酸并不一定埋在蛋白质内部,苯环也有理由常朝向外侧。
4、分子内的水
结合在高分子上的水并不专一地位于其分子周边, 而是有不
可忽视的量被封入高分子内部。
原因:形成包接物水分子的可能配向数少,因为形成 氢键比其它结合作用有利于节省能量,各水分子不是面 向浪费结合可能性的溶质方向,而是采取4个结合方向, 象乘马的方式配置在疏水分子上。
与无极性溶质接触的 水分子配置
水分子象乘马样在 溶质分子上,同时确 保能与其他水分子结 合4个源自文库置,这样水 分子在溶质表面的切
高分子与水的结构化
一般高分子的表面被亲水残基占据。亲水残基的水 分子结合:离子基团的水和作用;极性基团的氢键 结合。
实际上有大量疏水性残基露到水介质中,大量亲水 基团埋在高分子的内部。 水和高分子表面残基间的作用:水在疏水域的强烈 结构化;芳香环上的氢键结合。
水和高分子古典模式
沿高分子作用力同心方向配置,第 一层结合水,越远离高分子,结构 化的水越少。高分子周围的水形成 了与自由水(bulk water)不同的 环境。 结构水形成高分子的水和层( hydration shell),厚度:0.650nm。
线方向能形成2个或3
个氢键。
疏水分子浓度与包接物形成
增加疏水分子浓度就加强了疏水作用,如果2个分子接触
各自的包接物水就会重新构成。 最终,封闭在包接物中的疏水物质变大,分离成水相和 无极性相。 在结晶蛋白质中,包接物结构的氢键朝向一定方向,可 用x射线衍射来分析(胰岛素、细胞色素等),这些结晶 含有30%水,水合率过高会失去结晶结构而不能分析。
1、粘多糖类水和作用
粘多糖是由含有硫酸基的二糖类结合而成,通过 糖的负解离基和羟基吸引水。 粘多糖凝胶按杜南平衡原理彭润。 粘多糖分子有秩序地占有空间,通过负电荷吸引 周边的阳离子。而阳离子再吸引其他离子,在多 糖的周围的一定空间内形成了阴阳离子交互层。
在两个被离子包围的高分子交界处因富含质子层 ,pH较低,且有水通过双极子强烈排列。
是完全不溶性的,水合层中是没有的。
同样的原则,多糖类和核酸、糖蛋白等的亲水性残基的排列
也受支配。因亲水性残基,这些分子呈纤维状展开,不存在
折叠结构。
但是,蛋白质分子表面和内部的氨基酸分配问题非常复杂:
亲水性残基处于与水环境的接触面,疏水残基被埋入α 螺旋和β 折叠中,这一观点过于简单。 在蛋白质分子内部含有不可忽视比例的亲水性氨基酸, 在其表面有突出状无极性残基。 即使在蛋白质分子内部,羟基、氨基、巯基等亲水残基 ,或电荷分布在产生氢键、双硫键和离子键时,水分子 被排除,能够形成疏水性结构。 因此,疏水残基绝不被水湿润的观点是错误的,即高分 子内部有水这一现象也绝不少见。
水和蛋白质分子的能量关系
因此,相对于全体积Vt,在可能的范围给与最小的p价。 如果分子是扁长椭圆体,亲水性程度会更大; 如果分子量变小,r-d减少(假设层厚d一定),p的比率变大。 因此,这就存在“分子量最小界限”,Fischer认为大约为7000 ,分子内仅存亲水性残基。分子量为16000Da(150残基)的值 对于极性表面和疏水中心部平衡是最适价。 根据Fischer 对各种氨基酸组成不同蛋白p的计算,计算值常常 大于完全球形;若分子量相同,越细长越是亲水性的。
氢键结合能是共价键的1/20,原子及介质中各种 结合力,3-6kcal.mol-1.弯曲角度130o,长0.270.31nm,故,处于控制介质热运动影响的亲水部 分成了高分子各种立体结构振动场。
亲水性水和举例
结合组织中的葡萄糖胺类的粘多糖、果胶酸等都 数多聚负离子性高分子。 由于存在大量的同符号电荷的相斥作用,不能形 成球蛋白那样的结构,分子成纤维状支链结构, 接触介质的表面积达到最大。 高分子表面的负离子基团在介质中吸引Na+,形成 高分子-离子-水复杂的结构。
尽管有上述特性,在某种条件下,特别是稀释倍率大时
,“疏水分子和水会合”,形成完全特别的结构,因水
分形成“小筐”结构,进一步地集合成水化物 (hydrate)或包接化合物(clathrates)。
Clathrates(包接化合物)
无极性物质使处于分子周边的水结构化,形成能结晶化
的非常稳定的结构物。该结构物的融点远高于冰;
分子量小的蛋白质成为更亲水性的;2、更大的分子链随 着p的增大则呈细长型;3、 p值比计算预测值小时,实 际上是隐蔽了部分亲水残基的多聚体。Ve和Vi分别表示 亲水残基及疏水残基所占的分子内体积。
各种蛋白质的水和程度:几乎相等
根据上式1-3,Ve=p/p+1· Vt 此处,Ve几乎等于表面积A与厚度d的积;d用0.4nm置换, 则 A=p/p+1· Vt/0.4(nm2) 根据上式,Fischer用极性程度p计算了所有蛋白质的水和度 Ht (分子体积Vt与分子量成比例) 结果:与实验得到的值一致,Ht变异非常地小,其平均值: 0.28±8%。 即:若蛋白质的水和程度和分子量没有关系的话,就意味着 能显著变动的是蛋白质的形,即表面积/体积的比率随p 而变化。
高分子立体结构与水和层
60年代,蛋白质的三维结构概念:认为
亲水氨基酸位于蛋白质分子表面,疏水性残基在分子内部。
疏水残基的相互作用而收缩,对蛋白质分子折叠被认为是重 要的稳定化因素。 Fischer定义:具有极性或电荷的残基,具有某种溶解性, 但球状蛋白内部几乎不存在溶解性残基。相反,无极性残基
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