蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)

1、會計學(xué)1蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)焓主要用于焓主要用于兩態(tài)轉(zhuǎn)變兩態(tài)轉(zhuǎn)變模型的分析模型的分析 鍵鍵 鍵能鍵能/ /（kj/molkj/mol）氫氫 鍵鍵 13133030范德華力范德華力 4 48 8疏水作用疏水作用 12122020鹽鹽 鍵鍵 12123030二二 硫硫 鍵鍵 210210熵熵是水溶液中形成疏水基團(tuán)間結(jié)合的主要熱動力學(xué)是水溶液中形成疏水基團(tuán)間結(jié)合的主要熱動力學(xué)驅(qū)動力。驅(qū)動力。 在生物相中最常見的氫鍵是在生物相中最常見的氫鍵是羥基（羥基（-OH-OH）和氨基（）和氨基（-NH-NH）之之間，其穩(wěn)定性遞減次序大約是間，其穩(wěn)定性遞減次序大約是OHNOHNXONXONHN

2、-NHOHN-NHO，這種鍵可，這種鍵可以發(fā)生在分子間、分子內(nèi)或者二者的結(jié)合。以發(fā)生在分子間、分子內(nèi)或者二者的結(jié)合。 氫鍵對蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用只能來自于水氫鍵對蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用只能來自于水- -水氫鍵水氫鍵+ +鏈內(nèi)氫鍵，和水鏈內(nèi)氫鍵，和水- -肽鏈肽鏈氫鍵兩種情況下的自由能之差。蛋白質(zhì)中有許多種氫鍵。氫鍵兩種情況下的自由能之差。蛋白質(zhì)中有許多種氫鍵。 分分 類類OHOH/cm/cm-1-1R R（O OO O）/nm/nm實實 例例弱氫鍵弱氫鍵320032000.2700.270H H2 2O(O(水、水合物水、水合物) )R ROH(OH(醇、酚醇、酚) )中強氫鍵中強氫鍵2

3、8002800310031000.2600.2600.2700.270R RCOOH(COOH(羧酸羧酸) )強氫鍵強氫鍵700700270027000.2400.2400.2600.260MH(RCOO)MH(RCOO)2 2( (酸鹽酸鹽) )氫鍵在蛋白折疊過程中的作用氫鍵在蛋白折疊過程中的作用 杜克大學(xué)（杜克大學(xué)（Duke University）的化學(xué)家們通的化學(xué)家們通過改變蛋白質(zhì)關(guān)鍵部位的單個原子，發(fā)現(xiàn)了過改變蛋白質(zhì)關(guān)鍵部位的單個原子，發(fā)現(xiàn)了相對作用力較弱的氫鍵在使線形蛋白折疊成相對作用力較弱的氫鍵在使線形蛋白折疊成能發(fā)揮生物活性的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中有重要作用能發(fā)揮生物活性的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中有重

4、要作用 PANS,2006疏水作用是疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出自避開水的需要而疏水作用是疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出自避開水的需要而被迫接近。要使疏水氨基酸被迫接近。要使疏水氨基酸R基團(tuán)排除水而埋在內(nèi)部，基團(tuán)排除水而埋在內(nèi)部，至少需要兩層二級結(jié)構(gòu)。兩種簡單形式，至少需要兩層二級結(jié)構(gòu)。兩種簡單形式，-環(huán)環(huán)（-loop）和）和-角（角（-corner）。）。A AB吲哚與苯環(huán)吲哚與苯環(huán)邊對面邊對面T T型接觸型接觸 惡唑環(huán)與苯環(huán)惡唑環(huán)與苯環(huán)面對面平行接觸面對面平行接觸 疏水作用的方向傾斜性實例圖疏水作用的方向傾斜性實例圖Met358 Val358 1.1.定點突變對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響定點突變對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響

5、 氨基酸的氨基酸的插入和刪除插入和刪除、寡聚化寡聚化和和脯氨酸取代脯氨酸取代這三因素可以穩(wěn)定這三因素可以穩(wěn)定個別嗜熱蛋白。個別嗜熱蛋白。2.2.導(dǎo)致熱穩(wěn)定性的因素導(dǎo)致熱穩(wěn)定性的因素 堆積、寡聚化、氨基酸插入和刪除、脯氨酸取代、螺旋含量、螺旋傾向、極性堆積、寡聚化、氨基酸插入和刪除、脯氨酸取代、螺旋含量、螺旋傾向、極性表面積、表面積、氫鍵氫鍵和和鹽橋鹽橋3.3.突變試驗增加蛋白質(zhì)的親鹽性突變試驗增加蛋白質(zhì)的親鹽性 例如親鹽的蘋果酸脫氫酶中的唯一的例如親鹽的蘋果酸脫氫酶中的唯一的GluGlu替換為替換為ArgArgproteinprotein polypeptide 翻譯翻譯折疊折疊退折疊退折疊失

6、活或變性失活或變性轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄? ?DNADNARNARNA 圖圖 能量漏斗模型能量漏斗模型http:/分子伴侶與與蛋白質(zhì)折疊PNAS 典型的蛋白質(zhì)的折疊漏斗典型的蛋白質(zhì)的折疊漏斗（引自（引自Patricia L. ClarkPatricia L. Clark）能 量未 折 疊 狀態(tài)中間狀態(tài)天然狀態(tài)蛋白質(zhì)折疊研究的漏斗模型 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)條條 件件 G/(kJG/(kJmolmol-1-1) )H/(kJH/(kJmolmol-1-1) )S/( JS/( Jk k-1-1molmol-1-1) )核糖核酸酶核糖核酸酶A ApH2.5pH2.5-7.3-7.3-238-238-774-7

7、74胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶pH3.0pH3.0-32-32-163-163-439-439肌紅蛋白肌紅蛋白pH9.0pH9.0-57-57-157-157-397-397-乳球蛋白乳球蛋白5mol/L5mol/L尿素尿素-1.7-1.7+88+88+301+301幾種蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)數(shù)據(jù)幾種蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)數(shù)據(jù)在不同蛋白質(zhì)中總熵變化（S鏈+S溶劑）和總焓變化對折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性所做的貢獻(xiàn)的份額是不同的S S溶劑溶劑S S鏈鏈H H溶劑溶劑H H鏈鏈G G總總能量能量 0 0 （a a）真空中的蛋白質(zhì)）真空中的蛋白質(zhì) 伸展態(tài)伸展態(tài)折疊態(tài)折疊態(tài)能量能量 0 0 （b b）水溶劑中的疏水側(cè)鏈）水

8、溶劑中的疏水側(cè)鏈 伸展態(tài)伸展態(tài)折疊態(tài)折疊態(tài)能量能量 0 0 （c c）水溶劑中的極性側(cè)鏈）水溶劑中的極性側(cè)鏈 伸展態(tài)伸展態(tài)折疊態(tài)折疊態(tài)決定球狀蛋白質(zhì)折疊自由能的各項的貢獻(xiàn)方式的圖解決定球狀蛋白質(zhì)折疊自由能的各項的貢獻(xiàn)方式的圖解 典型的球蛋白退折疊微分描述量熱曲線示意圖（參考王大成等）典型的球蛋白退折疊微分描述量熱曲線示意圖（參考王大成等）兩邊兩條虛線分別代表天然態(tài)和退折疊態(tài)的熱容量并已外推進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)；峰線下的面積即為轉(zhuǎn)變潛熱。兩邊兩條虛線分別代表天然態(tài)和退折疊態(tài)的熱容量并已外推進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)；峰線下的面積即為轉(zhuǎn)變潛熱。11510040557085T/0204060cp/kJmol-1NU蛋白質(zhì)折疊

9、蛋白質(zhì)折疊 線性多肽鏈的線性多肽鏈的一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)最終形成具有最終形成具有三維三維 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征并表現(xiàn)其特征并表現(xiàn)其生物學(xué)生物學(xué)功能的天然蛋白質(zhì)功能的天然蛋白質(zhì)的的 復(fù)雜過程。復(fù)雜過程。 成核成核變性蛋白變性蛋白二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域折疊的交互式蛋白折疊的交互式蛋白折疊的活性單體折疊的活性單體 組裝組裝 交互式寡聚蛋白交互式寡聚蛋白活性寡聚蛋白活性寡聚蛋白 吉布斯自由能吉布斯自由能構(gòu)構(gòu) 象象熱力學(xué)控制熱力學(xué)控制天然狀態(tài)天然狀態(tài) 吉布斯自由能吉布斯自由能構(gòu)構(gòu) 象象天然狀態(tài)天然狀態(tài)非天然狀態(tài)非天然狀態(tài)蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)控制和動力學(xué)控制蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)控制和動力學(xué)控制動力學(xué)控制動力學(xué)控制l

10、蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的形成蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的形成 測定蛋白質(zhì)構(gòu)象的各種方法方方 法法提供的結(jié)提供的結(jié)構(gòu)信息構(gòu)信息主要指標(biāo)主要指標(biāo)主要設(shè)備主要設(shè)備應(yīng)應(yīng) 用用核磁共振核磁共振溶液中蛋白質(zhì)分子構(gòu)象；溶液中蛋白質(zhì)分子構(gòu)象；構(gòu)象動力學(xué)構(gòu)象動力學(xué)化學(xué)位移，譜線強化學(xué)位移，譜線強度，自旋偶合常數(shù)度，自旋偶合常數(shù)脈沖傅里葉脈沖傅里葉NMR波譜儀波譜儀越來越多越來越多圓二色性光譜法圓二色性光譜法二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)及其變化及其變化橢圓度橢圓度圓二色性光譜儀圓二色性光譜儀很多很多熒光光譜熒光光譜Tyr或或Tyr微區(qū)；構(gòu)象變微區(qū)；構(gòu)象變化化發(fā)射光譜，發(fā)射光譜，量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率自動掃描熒光分光光度自動掃描熒光分光光度計計很多很多

11、紫外差示光譜法紫外差示光譜法Tyr或或Tyr微區(qū)；構(gòu)象變微區(qū)；構(gòu)象變化化不同波長不同波長OD雙光路紫外分光光度計雙光路紫外分光光度計很多很多激光拉曼光譜法激光拉曼光譜法二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)拉曼光譜峰拉曼光譜峰激光拉曼光譜儀激光拉曼光譜儀不夠成熟應(yīng)用不夠成熟應(yīng)用比較困難比較困難氫同位素交換氫同位素交換氫鍵數(shù)目，規(guī)則二級結(jié)氫鍵數(shù)目，規(guī)則二級結(jié)構(gòu)含量構(gòu)含量與環(huán)境水不可交換與環(huán)境水不可交換的肽鍵氫的個數(shù)的肽鍵氫的個數(shù)1.紅外分光光度計紅外分光光度計2分子篩分子篩+氚測定氚測定較少較少X射線衍射結(jié)構(gòu)分射線衍射結(jié)構(gòu)分析析多肽鏈上所有原子的空多肽鏈上所有原子的空間排布，但氫原子除外間排布，但氫原子除外衍射點的強

12、度和位衍射點的強度和位置置高分辨率高分辨率X射線衍射儀射線衍射儀很多很多小角中子衍射小角中子衍射多肽鏈上所有原子的多肽鏈上所有原子的空間排布空間排布散射強度的分布散射強度的分布中子源；小角相機中子源；小角相機剛起步剛起步 模擬的折疊過程模擬的折疊過程l過渡態(tài)理論 是否適合于描述蛋白質(zhì)分子的折疊退折疊過程是否適合于描述蛋白質(zhì)分子的折疊退折疊過程 ？朊病毒：正常蛋白的錯誤折疊形成的致病蛋白朊病毒：正常蛋白的錯誤折疊形成的致病蛋白-朊病毒蛋白朊病毒蛋白(PrP)在腦組織中累積而引在腦組織中累積而引起的起的 朊病毒蛋白錯誤折疊朊病毒蛋白錯誤折疊http:/ U UF F U US SN N 快快 U UM M N N proteinprotein polypeptide 翻譯翻譯折疊折疊退折疊退折疊失活或變性失活或變性轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄? ?DNADNARNARNA S S溶劑溶劑S S鏈鏈H H