第五章 氨基酸肽和蛋白质.docx
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第五章氨基酸肽和蛋白质
第三节蛋白质的结构
（３）静电相互作用
蛋白质可看成是多聚电解质，因为氨基酸的侧链（例如天冬氨酸、谷氨酸、
酪氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸）以及碳和氮末端氨基酸的可解离基团均参与酸碱平衡，肽键中的α氨基和α羧基在蛋白质的离子性中只占很小的一部分。
由于蛋白质氨基酸中可解离侧链基团很多（占残基总数的30％～50％）。
在中性pH，天冬氨酸和甘氨酸残基带负电荷，而赖氨酸、精氨酸和组氨酸带正电荷；在碱性pH，半胱氨酸和酪氨酸残基带负电荷。
在中性pH，蛋白质带净负电荷或净正电荷，取决于蛋白质分子中所带负电荷和正电荷残基的相对数目。
蛋白质分子净电荷为零时的pH值定义为蛋白质的等电点pI。
等电点pH不同于等离子点（isoionicpoint），等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH值。
蛋白质分子中大部分可解离基团，也就是说，除少数例外，几乎所有带电荷的基团都是位于蛋白质分子表面。
在中性pH，蛋白质分子带有净正电荷或净负电荷，因此可以预料，蛋白质分子中带有同种电荷的基团,会因静电排斥作用而导致蛋白质结构的不稳定性。
同样也有理由认为，蛋白质分子中在某一特定关键部位上，带异种电荷的基团之间，由于相互的静电吸引作用，将对蛋白质结构的稳定性有着重要的贡献。
事实上，在水溶液中，由于水有很高的介电常数，蛋白质的排斥力和吸引力强度已降低到了最小值，其静电相互作用能仅为±5.8～±
3.5KJ/mol。
因此，处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳定性没有显著的影响。
蛋白质的可解离基团的电离情况和局部环境的pH值有很大的关系，也和局部环境的介电性质有关。
部分埋藏在蛋白质内部的带电荷基团，由于处在比水的介电常数低的环境中，通常能形成具有强相互作用能的盐桥。
一般蛋白质的静电相互作用能在±3.5～±460KJ/mol范围。
尽管静电相互作用不能作为蛋白质折叠的主要作用力，然而在水溶液介质中,带电荷基团仍然是暴露在蛋白质的表面,因此它们也确实影响蛋白质的折叠模式。
（４）氢键相互作用
氢键键合：
氢键键合是指具有孤电子对的电负性原子（如N、O和S）与一个氢原子的结合,氢原子本身同时又与另一个电负性原子共价结合。
在蛋白质中，
一个肽键的羰基和另一个肽键的N－H的氢形成氢键。
氢键距离O…H约1.75?
，
键能约为8～40KJ/mol,其大小取决于参与氢键的电负性原子的性质和键角。
在蛋白质肽链骨架中存在着大量的羰基和亚胺基团,氨基酸残基的侧链中又有许多带有极性的基团,这些基团中某些可以作为氢原子的供体,另一些则作为氢原子的接受体，彼此相互作用形成氢键（图5－11）。
在具有α－螺旋和β－
折叠结构的肽健中，其N－H和羰基C=O之间形成氢键的数量最多。
肽基团之间的氢健
C
O
O
CH
2
C
O
H
2
N
NH
2
O
C
CH
2
C
OOH
OH
C
O
HO
OH
O
C
NHOC
非离子化羧基之间的氢健
酚或羟基于羧基之间的氢键
酚或羟基与肽的羧基之间的氢键
侧链酰胺基之间的氢键
图5－11蛋白质形成氢键的基团
业已证明,蛋白质分子中存在大量氢键,由于每一氢键均能降低蛋白质的自由能（约-18.8KJ/mol）,因此通常可以这样假定,氢键的作用不仅是作为蛋白质形成折叠结构的驱动力,而且同时又对稳定蛋白质的天然结构起重要影响。
但是研究证实,这并非一个可靠的观点,因为生物体内存在着大量的水,而水分子可以与蛋白质分子中的N－H和羰基C=O竞争发生氢键键合。
因此，这些基团之间不能自发地形成氢键，而且N－H和羰基C=O之间形成的氢键也不可能作为蛋白质形成α-螺旋和β-折叠的驱动力。
事实上α-螺旋和β-折叠结构中氢键的相互作用，是另外一些有益的相互作用驱动这些次级氢键结构形成的结果。
氢键的稳定与环境的介电常数有关。
蛋白质分子中氨基酸残基的庞大侧链可阻止水与N－H和羰基C=O接近形成氢键，致使非极性残基相互作用产生了有限的低介电常数环境，从而使蛋白质二级结构的氢键得以稳定。
（５）疏水相互作用
从上面的论述可以清楚的了解到,在水溶液中多肽链上的各种极性基团之间的静电相互作用和形成氢键,是不具有足够的能量驱动蛋白质折叠。
蛋白质分子中的这些极性基团的相互作用是非常不稳定的,它们很容易和水作用,或是形成氢键,或是融合于水环境中。
欲使其稳定就必须维持一个非极性环境。
因此,在非极性基团间的这种疏水相互作用才是导致蛋白质折叠的主要驱动力。
在水溶液中,具有非极性侧链的氨基酸残基,不表现出和水或其他极性基团相互作用的能力和倾向。
它们在水溶液中,与在非极性环境中相比,在热力学上显然是不利的。
因为当非极性基团溶于水，自由能的变化（ΔG）是正值，体积变化（ΔV）和焓（ΔH）为负值。
尽管ΔH是负的，根据ΔG＝ΔH－TΔS，则ΔS
应是一个大的负值才能使ΔＧ为正值。
可见一个非极性基团溶于水,熵减小（Δ
S为负值）,这是一个热力学上不利的过程。
由于熵减小引起了水在非极性基团周围形成笼形结构。
ΔG为正值极大的限制了水同非极性基团间的相互作用,因此,非极性基团在水溶液中倾向于聚集,使它们直接与水的接触面积降到最小（参见第二章）,同时，将非极性侧链周围多少有些规则的水分子变成可自由运动的游离的水分子,这样一个过程的自由能改变使△G＜0。
在水溶液中,这种由于水的结构引起的非极性基团相互作用称之为疏水相互作用。
非极性基团的疏水相互作用,实际上是非极性基团溶于水的逆过程,ΔG<0，
而ΔH和ΔS为正值。
因此，疏水相互作用的本质是一种熵驱动的自发过程。
与其他共价键相互作用不同，疏水相互作用是一个吸热过程，在高温下作用很强，
低温下较弱。
而且非极性残基侧链的聚集所产生的能量变化,比上述几种分子间的相互作用大得多。
为此,疏水相互作用对于稳定蛋白质主体结构是非常重要的。
在蛋白质二级结构的形成中,疏水相互作用不是至关重要的,但是在蛋白质三级结构的形成和稳定中，疏水作用是位于诸多因素的首位。
（６）二硫键
半胱氨酸残基侧链之间的共价交联可形成二硫键,它不但限制可能呈现的蛋白质结构数目,维持蛋白质结构的完整性,而且还有利于所形成的结构保持稳定。
因此,对于大多数蛋白质,特别是在引起不可逆变性的条件下（极端pH或高温）,
凡每100个氨基酸中具有5～7个二硫交联键组成的蛋白质分子特别稳定。
某些蛋白质含有半胱氨酸和胱氨酸残基，能够发生硫醇－二硫化物交换反应，这些反应可以在分子内或分子间发生。
CySSSCyS+CySS
-
CySSS
CyS+CySS
-
1
2
313
2
二硫键也有不同的构型,因此形成二硫键的两个半胱氨酸残基所在的肽段的相对构象,也可因二硫键的构型不同而改变。
这从另一个方面突出了二硫键在蛋白质结构中的重要性。
有利于稳定多肽链的二级结构和三级结构的各种相互作用在图5-12中说明。
图5—12决定蛋白质二级、三级结构的键和相互作用
A氢键；B偶极相互作用；C疏水相互作用；
D二硫键；E离子相互作用
（7）配位键
一些蛋白质中除了肽链以外还含有一些金属,在分类上可称为金属蛋白。
在蛋白质中已发现的金属有Fe,Ca,Zn,Cu,Mn,Mo等等。
这是因为组成蛋白质的氨基酸中,可参与氢键的很多基团都能和一些金属形成配位键,例如色氨酸,丝氨酸以及一些酸性氨基酸残基的侧链。
已知这些金属离子-蛋白质的相互作用有利于蛋白质四级结构的稳定。
蛋白质
－
-Ca
2+
-蛋白质
－
型的静电相互作用对维持酪蛋白胶束的稳定性起着重要作用。
在某些情况下，金属-蛋白质复合物还可能产生生物活性,使它们具有一定的功能,像铁的运载或酶活性。
通常,金属离子在蛋白质分子一定的位点上结合,过渡金属离子（Cr,Mn,Fe,Cu,Zn,Hg等）可同时通过部分离子键与几种氨基酸的咪唑基和巯基结合。
（8）蛋白质构象的稳定性和适应性
蛋白质分子中的天然状态和变性状态（或者是非折叠的）两者之间的自由能之差（ΔG
D
）可以用于判断天然蛋白质分子的稳定性。
前面论述的非共价键相互作用,除静电排斥作用外,都起着稳定天然蛋白质结构的作用。
这些相互作用引起的总自由能变化达到几百KJ/mol,然而,大多数蛋白质的ΔG
D
在20～85KJ/mol
范围。
多肽链的构象熵（conformationalentropy）主要作用是使蛋白质的天然结构失去稳定性。
当一个无规状态的多肽链折叠成为紧密的状态时,蛋白质各个基团的平动,转动和振动将受到极大的限制,结果降低了构象熵,使总的净自由能减少。
蛋白质分子天然和变性状态间的自由能之差可用下面公式表示,
confvdwHelebondHND
STGGGGG+?
+?
+?
=?
→φ
（5-6）
式中,,,
bondH
G
ele
G?
φH
G?
vdw
G?
分别表示氢键、静电、疏水和范德华相互作用的自由能变化。
conf
S?
－蛋白质多肽链构象熵的变化。
在非折叠状态，蛋白质每个残基的构象熵在8～42J·mol
-1
·K
-1
范围，其平均值为21.7J·mol
-1
·K
-1
。
一个具有100个残基的蛋白质在310Ｋ时的构象熵约为672.7KJ/mol。
可见,这个不稳定的构象熵,将降低蛋白质天然结构的稳定性。
ΔG
D
是蛋白质解折叠时所需要的能量,某些蛋白质的ΔG
D
见表5－10。
从这些数值可以清楚地看到,尽管蛋白质分子内有许多相互作用,但是蛋白质仍然只是刚好处于稳定状态。
例如,大多数蛋白质的ΔG
D
只相当于1～3个氢键或大约2～
5个疏水相互作用的能量,因此可以认为打断几个非共价键相互作用将使许多蛋白质的天然结构不稳定。
表5－10某些蛋白质的ΔGD
蛋白质pHT（℃）ΔGD（KJ/mol）
α-乳清蛋白72518.0
牛β-乳球蛋白A3.152542.2
牛β-乳球蛋白B3.152548.9
牛β-乳球蛋白A+B7.22531.3
T4溶菌酶3.03719.2
鸡蛋清溶菌酶7.03750.2
脂酶（来自曲酶）7.0－46.0
肌钙蛋白7.03719.6
卵清蛋白7.02524.6
细胞色素Ｃ5.03732.6
核糖核酸酶7.03733.4
α-胰凝乳蛋白酶4.03733.4
胰蛋白酶－3754.3
胃蛋白酶6.52545.1
胰岛素3.02026.7
碱性磷酸酶7.53083.6
注,ΔGD=Gu-GN。
式中，Gu和GN分别表示蛋白质分子变性和天然状态的自由能
蛋白质分子并非是刚性分子，相反，它们是高度柔顺性分子。
如前文所述,
蛋白质分子的天然状态属于介稳定状态.蛋白质结构对于介质环境的适应性是十分必要的,因为这有利于蛋白质执行某些关键的功能。
例如,酶与底物或辅助配体的有效结合,涉及到多肽链序列键合部位的重排。
对于只有催化功能的蛋白质，
通过二硫键使蛋白质的结构保持高度的稳定性,分子内的这些二硫键能够有效降低构象熵，减少多肽链伸长的倾向。
第三节蛋白质分子的变性
蛋白质的天然结构是各种吸引和排斥相互作用的净结果,由于生物大分子含有大量的水,因此这些作用力包括分子内的相互作用和蛋白质分子与周围水分子的相互作用。
然而,蛋白质的天然结构主要取决于蛋白质所处的环境。
蛋白质的天然状态在生理条件下是热力学最稳定的状态,其自由能最低。
蛋白质环境,
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