第三節(jié)　蛋白質的重要理化性質

一、蛋白質的兩性解離和等電點

蛋白質分子除了兩端的氨基和羧基可以解離外，側鏈中的某些基團，如谷氨酸、天冬氨酸殘基中的γ－羧基和β－羧基，賴氨酸殘基中的ε－氨基，精氨酸殘基的胍基和組氨酸的咪唑基，在一定的pH值溶液中都可以解離形成正離子或負離子。這種性質與氨基酸類似，會出現(xiàn)兩性解離。當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH值時，蛋白質解離所帶的正、負電荷數(shù)量相等，成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH值稱為該蛋白質的等電點。很明顯，體內各蛋白質的氨基酸組成不同，其等電點也各異，但大多接近于5．0。當?shù)鞍踪|溶液的pH值大于等電點時，蛋白質顆粒帶負電；反之，蛋白質顆粒帶正電。所以在人體體液pH值為7．4的環(huán)境下，多數(shù)蛋白質帶負電。

帶電顆粒在電場中定向移動的現(xiàn)象，稱為電泳。在一定的pH值條件下，分子大小不同的蛋白質所帶凈電荷密度不同，遷移率各異，故可通過電泳分開。

二、蛋白質的高分子性質

蛋白質是高分子化合物，相對分子質量多在1萬到100萬之間，分子顆粒的大小通常在1～100nm之間，所以蛋白質溶液是膠體溶液，具有膠體的性質。蛋白質溶液是一種親水膠體，分子表面有親水基團，如—NH2、—COOH、—OH等，在水溶液中能與水分子起水化作用，使蛋白質分子表面形成一層水分子保護膜，即水化膜。蛋白質表面親水基團的解離使得蛋白質帶同種電荷，并與周圍的相反電荷離子形成雙電層，雙電層的存在，使得蛋白質顆粒之間有了靜電排斥力。正是由于水化膜和表面的電荷，使得蛋白質顆粒不易聚集而沉淀，從而成為親水的膠體溶液。

膠體溶液的一個很重要的特性是不能通過半透膜。所謂半透膜是指這種膜上的小孔只允許水分子和某些小分子通過，像蛋白質這樣的大分子不能通過。因此可以用透析的方法分離、純化蛋白質。所謂透析就是將混有小分子的蛋白質溶液裝在半透膜做的容器內，再將該容器置于蒸餾水或適當?shù)木彌_溶液中，則小分子可以溢出半透膜，而蛋白質則被留下來，從而達到分離并純化蛋白質的目的。人體的細胞膜、線粒體膜、毛細血管壁等都具有半透膜的性質。

三、蛋白質的沉淀

蛋白質溶液是膠體體系，膠體體系是個不穩(wěn)定體系，所以蛋白質溶液的穩(wěn)定是暫時的、相對的、有條件的。如果穩(wěn)定蛋白質溶液的條件發(fā)生改變，蛋白質就會從溶液中沉淀析出。這種由于受到某些因素的影響，蛋白質從溶液中析出的現(xiàn)象稱為蛋白質的沉淀作用。通常使蛋白質沉淀的方法有以下幾種：一是鹽析法，該法是向蛋白質溶液中加入大量的中性鹽（如硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等），以破壞水化膜和雙電層而使蛋白質析出；二是有機溶劑沉淀法，該法是加入極性的有機溶劑（如丙酮、乙醇等），以破壞蛋白質水化膜而使蛋白質沉淀；三是重金屬沉淀法，該法是在pH值大于等電點時，蛋白質因與重金屬離子結合成不溶鹽而沉淀；四是生物堿試劑沉淀法，該法是在pH值小于等電點時，生物堿試劑因與蛋白質形成不溶鹽使蛋白質而沉淀；五是加熱沉淀法，該法能使蛋白質變性而沉淀，一般使用得較多。

四、蛋白質的變性

天然蛋白質在某些物理因素或化學因素的作用下，其疏水基團暴露，肽鏈以高度折疊的狀態(tài)展開，蛋白質分子的空間結構被破壞（但不涉及其一級結構），致使蛋白質的理化性質改變、生物活性喪失的過程，稱為蛋白質的變性。常見的變性因素有加熱、有機溶劑、強酸、強堿等。蛋白質變性后理化性質及生物學性質主要改變?yōu)樯飳W活性的喪失，溶解度降低，易形成沉淀析出，結晶能力喪失，分子形狀改變，肽鏈松散，易被蛋白酶消化等。

若變性破壞較輕，則蛋白質的變性作用是可逆的，經(jīng)適當處理后，可重新恢復天然蛋白質的功能，這個過程稱為復性。變性蛋白質能否復性，和變性因素、變性程度、蛋白質種類有關。醫(yī)學上常利用蛋白質的變性性質來消毒和滅菌，而在保存蛋白質制劑時應防止其變性。

變性蛋白質易沉淀，但沉淀蛋白質不一定變性。變性的本質是使蛋白質的疏水基團暴露，肽鏈以高度折疊的狀態(tài)展開，肽鏈相互纏繞聚集而沉淀。用鹽析法沉淀的蛋白質只是破壞了蛋白質膠體的穩(wěn)定因素，而并未破壞其高級結構，故對生物學功能沒有影響。蛋白質經(jīng)過強酸、強堿變性后，仍能溶解于強酸、強堿，若將pH值調到等電點，蛋白質立即產(chǎn)生絮狀沉淀，再將該沉淀加熱就變成比較堅固的凝塊，此凝塊不再溶解于強酸、強堿，這種作用稱為蛋白質的凝固。

五、蛋白質的紫外吸收和呈色反應

（一）蛋白質的紫外吸收

大多數(shù)蛋白質含有酪氨酸和色氨酸殘基，這些氨基酸側鏈具有共軛的雙鍵，故而有紫外光吸收，最大吸收波長為280nm，實踐中常用此性質來定量測定蛋白質。

（二）蛋白質的呈色反應

由于蛋白質分子中的肽鍵和分子中的氨基酸殘基的某些基團可與一些試劑發(fā)生反應，呈現(xiàn)顏色反應，這些顏色反應常被用于蛋白質的定性和定量分析。

1．雙縮脲反應

含有多個肽鍵的化合物在堿性溶液中可與Cu^2＋作用，生成紫紅色絡合物。由于氨基酸無此反應，故可用此反應對蛋白質進行定量測定，還可以檢測蛋白質的水解程度。

2．茚三酮反應

蛋白質分子中有游離的氨基，能與茚三酮發(fā)生反應生成藍紫色化合物，此反應可用于蛋白質的定性和定量分析。

3．酚試劑反應

蛋白質分子的酪氨酸、色氨酸殘基在堿性條件下可與酚試劑反應生成藍色化合物，此反應也可用于蛋白質的定性和定量分析，且檢測靈敏度比雙縮脲高100倍。

本章小結

蛋白質是生物大分子，主要有C、H、O、N、S及少量其他元素組成。各種蛋白質中氮元素含量平均為16%。蛋白質的基本組成單位是氨基酸。構成蛋白質的氨基酸有20種，結構上都是L－α－氨基酸（甘氨酸除外）；分為非極性、疏水性氨基酸，極性、中性氨基酸，酸性氨基酸和堿性氨基酸。氨基酸借助肽鍵連接成多肽鏈。氨基酸由于有氨基和羧基，故有兩性解離和等電點。多肽鏈是蛋白質分子的最基本結構形式。多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序稱為蛋白質的一級結構。蛋白質分子中的多肽鏈經(jīng)折疊盤曲而具有一定的構象稱為蛋白質的空間結構，蛋白質的空間結構又分為二級結構、三級結構、四級結構。二級結構是指局部或某一段多肽鏈的空間結構，也就是多肽鏈某一區(qū)段中主鏈骨架原子的相對空間位置，包括α－螺旋、β－折疊、β－回折和無規(guī)則卷曲。三級結構是指整條多肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，也就是整條多肽鏈的三維結構。四級結構是由兩條或兩條以上的多肽鏈借助次級鍵連接而成的結構。維持蛋白質空間結構的次級鍵有氫鍵、離子鍵、疏水作用力及范德華力。

蛋白質的功能與結構有緊密的聯(lián)系，一級結構改變導致功能改變，由此引發(fā)的疾病稱為分子病。高級結構發(fā)生改變，其功能也改變，構象病是由空間構象發(fā)生改變引起的。

蛋白質分子與氨基酸分子類似，有游離氨基和羧基，故有兩性解離和等電點。由于蛋白質是高分子化合物，具有膠體的性質。破壞膠體穩(wěn)定的因素可以使之沉淀。蛋白質在某些理化因素的作用下，其空間結構會發(fā)生改變，從而使其理化性質發(fā)生改變，生物學活性喪失，這稱為蛋白質的變性作用。蛋白質從溶液中析出的現(xiàn)象稱為沉淀。變性蛋白質易沉淀，沉淀蛋白質不一定變性。

由于蛋白質分子中的肽鍵和分子中的氨基酸殘基的某些基團可與一些試劑發(fā)生反應，呈現(xiàn)顏色反應，這些顏色反應常被用于蛋白質的定性和定量分析，如雙縮脲反應、茚三酮反應、酚試劑反應等。

能力檢測

一、案例引導題

患者，男，51歲，因步態(tài)笨拙、震顫、構音困難、肌陣攣及精神異常半年入院，經(jīng)查患庫魯病。

分析思考：

（1）從分子水平的角度分析患庫魯病的原因？

（2）查找資料應怎樣防范庫魯??？

二、單項選擇題

1．蛋白質分子的元素組成特點是（）。

A．含大量的碳B．含大量的糖C．含少量的硫

D．含少量的銅E．含氮量約為16%

2．一個血清標本的含氮量為5g/L，則該標本的蛋白質濃度是（　?。?。

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

3．含有兩個羧基的氨基酸是（　?。?。

A．絲氨酸B．蘇氨酸C．酪氨酸D．谷氨酸E．賴氨酸

4．構成蛋白質的氨基酸有多少種？（　　）

A．8種　B．15種　C．20種　D．25種　E．30種

5．下列關于蛋白質分子中肽鍵的描述正確的是（　　）。

A．氨基酸的各種氨基和各種羧基均可形成肽鍵

B．由某一個氨基酸的γ－羧基與另一個氨基酸的α－氨基脫水形成

C．由一個氨基酸的α－羧基與另一個氨基酸的α－氨基脫水形成

D．肽鍵無雙鍵性質

E．以上均不是

6．維持蛋白質分子一級結構的化學鍵是（　?。?/p>

A．離子鍵　B．二硫鍵　C．疏水鍵　D．肽鍵E．氫鍵

7．蛋白質分子中α－螺旋和β－片層都屬于（　?。?/p>

A．一級結構　B．二級結構　C．三級結構　D．四級結構　E．高級結構

8．維持蛋白質分子二級結構的化學鍵是（　?。?。

A．肽鍵　B．離子鍵　C．氫鍵　D．二硫鍵　E．疏水鍵

9．下列有關蛋白質分子中α－螺旋的描述正確的是（　?。?。

A．一般為左手螺旋　　　　　B．螺距為5．4nm

C．每圈包含十個氨基酸殘基　D．穩(wěn)定鍵為二硫鍵

E．氨基酸側鏈的形狀大小及所帶電荷可影響α－螺旋的形成

10．主鏈骨架以180°返回折疊，在連續(xù)的四個氨基酸殘基中第一個與第四個形成氫鍵的是下列哪種結構類型？（　?。?/p>

A．β－回折　B．β－片層　C．α－螺旋

D．無規(guī)則卷曲E．以上都不是

11．下列關于蛋白質分子三級結構的描述，其中錯誤的是（　　）。

A．天然蛋白質分子均有這種結構

B．具有三級結構的多肽鏈都具有生物學活性

C．三級結構的穩(wěn)定性主要是由次級鍵維持的

D．親水基團聚集在三級結構的表面

E．決定盤曲折疊的因素是氨基酸殘基

12．具有四級結構的蛋白質特征是（　　）。

A．分子中必定含有輔基

B．每條多肽鏈都具有獨立的生物學活性

C．在兩條或兩條以上具有三級結構的多肽鏈的基礎上，多肽鏈進一步折疊、盤曲形成

D．依賴肽鍵維系四級結構的穩(wěn)定性

E．由兩條或兩條以上具有三級結構的多肽鏈組成

13．將蛋白質溶液的pH值調節(jié)到其等電點時（　　）。

A．可使蛋白質表面的凈電荷不變

B．可使蛋白質表面的凈電荷增加

C．可使蛋白質穩(wěn)定性增加

D．可使蛋白質穩(wěn)定性降低，易沉淀析出

E．對蛋白質表面水化膜無影響

14．蛋白質變性是由于（　?。?/p>

A．蛋白質空間構象破壞　B．蛋白質水解　　C．肽鍵斷裂

D．氨基酸組成改變　　　E．氨基酸排列順序改變

15．蛋白質所形成的膠體顆粒在下列哪種條件下不穩(wěn)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．變性蛋白質的主要特點是（　?。?。

A．黏度下降　　　　　B．溶解度增加

C．不易被蛋白酶水解　D．生物學活性喪失

E．容易被鹽析出沉淀

17．鹽析法沉淀蛋白質的原理是（　?。?。

A．中和電荷　　　B．去掉水化膜　　C．蛋白質變性

D．中和電荷和去掉水化膜　　E．蛋白質凝固

18．從組織提取液沉淀活性蛋白而又不使之變性的方法是加入（　?。?。

A．高濃度鹽酸　　B．硫酸銨　　C．三氯醋酸

D．氯化汞　　　　E．鎢酸

19．鐮刀形紅細胞貧血癥是由于HbA的結構變化引起的，其變化的特點是（　　）。

A．HbA的α鏈的N－末端第6位谷氨酸殘基被纈氨酸所取代

B．HbA的α鏈的C－末端第6位谷氨酸殘基被纈氨酸所取代

C．HbA的β鏈的N－末端第6位谷氨酸殘基被纈氨酸所取代

D．HbA的β鏈的C－末端第6位谷氨酸殘基被纈氨酸所取代

E．以上都不是

三、拓展題

1．查閱相關資料，總結臨床上有哪些常用的消毒方法？并應用所學知識說明消毒的原理。

（田樹高）