蛋白质的重要理化性质

蛋白质的重要理化性质_生物化学

第三节　蛋白质的重要理化性质

一、蛋白质的两性解离和等电点

蛋白质分子除了两端的氨基和羧基可以解离外，侧链中的某些基团，如谷氨酸、天冬氨酸残基中的γ－羧基和β－羧基，赖氨酸残基中的ε－氨基，精氨酸残基的胍基和组氨酸的咪唑基，在一定的pH值溶液中都可以解离形成正离子或负离子。这种性质与氨基酸类似，会出现两性解离。当蛋白质溶液处于某一pH值时，蛋白质解离所带的正、负电荷数量相等，成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。很明显，体内各蛋白质的氨基酸组成不同，其等电点也各异，但大多接近于5．0。当蛋白质溶液的pH值大于等电点时，蛋白质颗粒带负电；反之，蛋白质颗粒带正电。所以在人体体液pH值为7．4的环境下，多数蛋白质带负电。

带电颗粒在电场中定向移动的现象，称为电泳。在一定的pH值条件下，分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率各异，故可通过电泳分开。

二、蛋白质的高分子性质

蛋白质是高分子化合物，相对分子质量多在1万到100万之间，分子颗粒的大小通常在1～100nm之间，所以蛋白质溶液是胶体溶液，具有胶体的性质。蛋白质溶液是一种亲水胶体，分子表面有亲水基团，如—NH2、—COOH、—OH等，在水溶液中能与水分子起水化作用，使蛋白质分子表面形成一层水分子保护膜，即水化膜。蛋白质表面亲水基团的解离使得蛋白质带同种电荷，并与周围的相反电荷离子形成双电层，双电层的存在，使得蛋白质颗粒之间有了静电排斥力。正是由于水化膜和表面的电荷，使得蛋白质颗粒不易聚集而沉淀，从而成为亲水的胶体溶液。

胶体溶液的一个很重要的特性是不能通过半透膜。所谓半透膜是指这种膜上的小孔只允许水分子和某些小分子通过，像蛋白质这样的大分子不能通过。因此可以用透析的方法分离、纯化蛋白质。所谓透析就是将混有小分子的蛋白质溶液装在半透膜做的容器内，再将该容器置于蒸馏水或适当的缓冲溶液中，则小分子可以溢出半透膜，而蛋白质则被留下来，从而达到分离并纯化蛋白质的目的。人体的细胞膜、线粒体膜、毛细血管壁等都具有半透膜的性质。

三、蛋白质的沉淀

蛋白质溶液是胶体体系，胶体体系是个不稳定体系，所以蛋白质溶液的稳定是暂时的、相对的、有条件的。如果稳定蛋白质溶液的条件发生改变，蛋白质就会从溶液中沉淀析出。这种由于受到某些因素的影响，蛋白质从溶液中析出的现象称为蛋白质的沉淀作用。通常使蛋白质沉淀的方法有以下几种：一是盐析法，该法是向蛋白质溶液中加入大量的中性盐（如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等），以破坏水化膜和双电层而使蛋白质析出；二是有机溶剂沉淀法，该法是加入极性的有机溶剂（如丙酮、乙醇等），以破坏蛋白质水化膜而使蛋白质沉淀；三是重金属沉淀法，该法是在pH值大于等电点时，蛋白质因与重金属离子结合成不溶盐而沉淀；四是生物碱试剂沉淀法，该法是在pH值小于等电点时，生物碱试剂因与蛋白质形成不溶盐使蛋白质而沉淀；五是加热沉淀法，该法能使蛋白质变性而沉淀，一般使用得较多。

四、蛋白质的变性

天然蛋白质在某些物理因素或化学因素的作用下，其疏水基团暴露，肽链以高度折叠的状态展开，蛋白质分子的空间结构被破坏（但不涉及其一级结构），致使蛋白质的理化性质改变、生物活性丧失的过程，称为蛋白质的变性。常见的变性因素有加热、有机溶剂、强酸、强碱等。蛋白质变性后理化性质及生物学性质主要改变为生物学活性的丧失，溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散，易被蛋白酶消化等。

若变性破坏较轻，则蛋白质的变性作用是可逆的，经适当处理后，可重新恢复天然蛋白质的功能，这个过程称为复性。变性蛋白质能否复性，和变性因素、变性程度、蛋白质种类有关。医学上常利用蛋白质的变性性质来消毒和灭菌，而在保存蛋白质制剂时应防止其变性。

变性蛋白质易沉淀，但沉淀蛋白质不一定变性。变性的本质是使蛋白质的疏水基团暴露，肽链以高度折叠的状态展开，肽链相互缠绕聚集而沉淀。用盐析法沉淀的蛋白质只是破坏了蛋白质胶体的稳定因素，而并未破坏其高级结构，故对生物学功能没有影响。蛋白质经过强酸、强碱变性后，仍能溶解于强酸、强碱，若将pH值调到等电点，蛋白质立即产生絮状沉淀，再将该沉淀加热就变成比较坚固的凝块，此凝块不再溶解于强酸、强碱，这种作用称为蛋白质的凝固。

五、蛋白质的紫外吸收和呈色反应

（一）蛋白质的紫外吸收

大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，这些氨基酸侧链具有共轭的双键，故而有紫外光吸收，最大吸收波长为280nm，实践中常用此性质来定量测定蛋白质。

（二）蛋白质的呈色反应

由于蛋白质分子中的肽键和分子中的氨基酸残基的某些基团可与一些试剂发生反应，呈现颜色反应，这些颜色反应常被用于蛋白质的定性和定量分析。

1．双缩脲反应

含有多个肽键的化合物在碱性溶液中可与Cu^2＋作用，生成紫红色络合物。由于氨基酸无此反应，故可用此反应对蛋白质进行定量测定，还可以检测蛋白质的水解程度。

2．茚三酮反应

蛋白质分子中有游离的氨基，能与茚三酮发生反应生成蓝紫色化合物，此反应可用于蛋白质的定性和定量分析。

3．酚试剂反应

蛋白质分子的酪氨酸、色氨酸残基在碱性条件下可与酚试剂反应生成蓝色化合物，此反应也可用于蛋白质的定性和定量分析，且检测灵敏度比双缩脲高100倍。

本章小结

蛋白质是生物大分子，主要有C、H、O、N、S及少量其他元素组成。各种蛋白质中氮元素含量平均为16%。蛋白质的基本组成单位是氨基酸。构成蛋白质的氨基酸有20种，结构上都是L－α－氨基酸（甘氨酸除外）；分为非极性、疏水性氨基酸，极性、中性氨基酸，酸性氨基酸和碱性氨基酸。氨基酸借助肽键连接成多肽链。氨基酸由于有氨基和羧基，故有两性解离和等电点。多肽链是蛋白质分子的最基本结构形式。多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质分子中的多肽链经折叠盘曲而具有一定的构象称为蛋白质的空间结构，蛋白质的空间结构又分为二级结构、三级结构、四级结构。二级结构是指局部或某一段多肽链的空间结构，也就是多肽链某一区段中主链骨架原子的相对空间位置，包括α－螺旋、β－折叠、β－回折和无规则卷曲。三级结构是指整条多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条多肽链的三维结构。四级结构是由两条或两条以上的多肽链借助次级键连接而成的结构。维持蛋白质空间结构的次级键有氢键、离子键、疏水作用力及范德华力。

蛋白质的功能与结构有紧密的联系，一级结构改变导致功能改变，由此引发的疾病称为分子病。高级结构发生改变，其功能也改变，构象病是由空间构象发生改变引起的。

蛋白质分子与氨基酸分子类似，有游离氨基和羧基，故有两性解离和等电点。由于蛋白质是高分子化合物，具有胶体的性质。破坏胶体稳定的因素可以使之沉淀。蛋白质在某些理化因素的作用下，其空间结构会发生改变，从而使其理化性质发生改变，生物学活性丧失，这称为蛋白质的变性作用。蛋白质从溶液中析出的现象称为沉淀。变性蛋白质易沉淀，沉淀蛋白质不一定变性。

由于蛋白质分子中的肽键和分子中的氨基酸残基的某些基团可与一些试剂发生反应，呈现颜色反应，这些颜色反应常被用于蛋白质的定性和定量分析，如双缩脲反应、茚三酮反应、酚试剂反应等。

能力检测

一、案例引导题

患者，男，51岁，因步态笨拙、震颤、构音困难、肌阵挛及精神异常半年入院，经查患库鲁病。

分析思考：

（1）从分子水平的角度分析患库鲁病的原因？

（2）查找资料应怎样防范库鲁病？

二、单项选择题

1．蛋白质分子的元素组成特点是（）。

A．含大量的碳B．含大量的糖C．含少量的硫

D．含少量的铜E．含氮量约为16%

2．一个血清标本的含氮量为5g/L，则该标本的蛋白质浓度是（　　）。

A．15g/L　B．20g/L　C．31g/L　D．45g/L　E．55g/L

3．含有两个羧基的氨基酸是（　　）。

A．丝氨酸B．苏氨酸C．酪氨酸D．谷氨酸E．赖氨酸

4．构成蛋白质的氨基酸有多少种？（　　）

A．8种　B．15种　C．20种　D．25种　E．30种

5．下列关于蛋白质分子中肽键的描述正确的是（　　）。

A．氨基酸的各种氨基和各种羧基均可形成肽键

B．由某一个氨基酸的γ－羧基与另一个氨基酸的α－氨基脱水形成

C．由一个氨基酸的α－羧基与另一个氨基酸的α－氨基脱水形成

D．肽键无双键性质

E．以上均不是

6．维持蛋白质分子一级结构的化学键是（　　）。

A．离子键　B．二硫键　C．疏水键　D．肽键E．氢键

7．蛋白质分子中α－螺旋和β－片层都属于（　　）。

A．一级结构　B．二级结构　C．三级结构　D．四级结构　E．高级结构

8．维持蛋白质分子二级结构的化学键是（　　）。

A．肽键　B．离子键　C．氢键　D．二硫键　E．疏水键

9．下列有关蛋白质分子中α－螺旋的描述正确的是（　　）。

A．一般为左手螺旋　　　　　B．螺距为5．4nm

C．每圈包含十个氨基酸残基　D．稳定键为二硫键

E．氨基酸侧链的形状大小及所带电荷可影响α－螺旋的形成

10．主链骨架以180°返回折叠，在连续的四个氨基酸残基中第一个与第四个形成氢键的是下列哪种结构类型？（　　）

A．β－回折　B．β－片层　C．α－螺旋

D．无规则卷曲E．以上都不是

11．下列关于蛋白质分子三级结构的描述，其中错误的是（　　）。

A．天然蛋白质分子均有这种结构

B．具有三级结构的多肽链都具有生物学活性

C．三级结构的稳定性主要是由次级键维持的

D．亲水基团聚集在三级结构的表面

E．决定盘曲折叠的因素是氨基酸残基

12．具有四级结构的蛋白质特征是（　　）。

A．分子中必定含有辅基

B．每条多肽链都具有独立的生物学活性

C．在两条或两条以上具有三级结构的多肽链的基础上，多肽链进一步折叠、盘曲形成

D．依赖肽键维系四级结构的稳定性

E．由两条或两条以上具有三级结构的多肽链组成

13．将蛋白质溶液的pH值调节到其等电点时（　　）。

A．可使蛋白质表面的净电荷不变

B．可使蛋白质表面的净电荷增加

C．可使蛋白质稳定性增加

D．可使蛋白质稳定性降低，易沉淀析出

E．对蛋白质表面水化膜无影响

14．蛋白质变性是由于（　　）。

A．蛋白质空间构象破坏　B．蛋白质水解　　C．肽键断裂

D．氨基酸组成改变　　　E．氨基酸排列顺序改变

15．蛋白质所形成的胶体颗粒在下列哪种条件下不稳定？（　　）

A．溶液pH值大于pI　　B．溶液pH值小于pI　C．溶液pH值等于pI

D．溶液pH值等于7．4　E．在水溶液中

16．变性蛋白质的主要特点是（　　）。

A．黏度下降　　　　　B．溶解度增加

C．不易被蛋白酶水解　D．生物学活性丧失

E．容易被盐析出沉淀

17．盐析法沉淀蛋白质的原理是（　　）。

A．中和电荷　　　B．去掉水化膜　　C．蛋白质变性

D．中和电荷和去掉水化膜　　E．蛋白质凝固

18．从组织提取液沉淀活性蛋白而又不使之变性的方法是加入（　　）。

A．高浓度盐酸　　B．硫酸铵　　C．三氯醋酸

D．氯化汞　　　　E．钨酸

19．镰刀形红细胞贫血症是由于HbA的结构变化引起的，其变化的特点是（　　）。

A．HbA的α链的N－末端第6位谷氨酸残基被缬氨酸所取代

B．HbA的α链的C－末端第6位谷氨酸残基被缬氨酸所取代

C．HbA的β链的N－末端第6位谷氨酸残基被缬氨酸所取代

D．HbA的β链的C－末端第6位谷氨酸残基被缬氨酸所取代

E．以上都不是

三、拓展题

1．查阅相关资料，总结临床上有哪些常用的消毒方法？并应用所学知识说明消毒的原理。

（田树高）