化学生物学第六章化学物质与蛋白质相互作用要点.ppt

第一节 概 述 在生物体内，蛋白质（包括酶）占细胞干重的70%以上，种类繁多，在生命活动过程中发挥着各种各样的作用。随着人们对环境保护和生活质量要求的提高，蛋白质在食品、医药（生化药物、临床检验、药物筛选等）、环保（环境分析）、农业、日用化工（化妆品）、精细化工（酶催化合成）等领域的应用日益广泛。 在蛋白质体外的应用中，一般涉及到分离纯化、储存、含量检测等过程，其中常常发生化学物质与蛋白质非专一性的相互作用，如沉淀作用、变性作用、稳定作用以及化学修饰作用等。 球状蛋白三级结构的主要特征 绝大多数蛋白质折叠成为近乎球状的结构。球状蛋白质一旦具有三级结构后，蛋白质内部变得更为紧密，内部的空间约有75％被原子所充满。这样的密集程度远远超过在液体中的小分子，可以与某些晶体相比。 蛋白质可认为是带有极性外套的油滴，也就是“非极性在内，极性在外”。大量蛋白质的X射线晶体衍射分析统计结果充分证明了这一规律。 存在于蛋白质内部的主要是一些非极性残基侧链，约有63％是丙氨酸、甘氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸等；带电的残基，如天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和精氨酸只有4％。约95％的带电侧链分布在蛋白质表面；约14％的亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸在蛋白质分子表面。 蛋白质内部存在极少量的亲水残基，表面也常见到一些疏水残基。这些“异常”分布的残基，致使肽链的局部结构发生“扭曲”，一些键的张角与一般正常的值有偏离，蛋白质中这些局部的构象具有相对偏高的能量，相对处于较不稳定状态，在外界很小的扰动作用下，就能发生变化。 原则上，一些相对规则的?-螺旋和?-折叠分布在球状蛋白内部，且压积得很紧密，致使球状蛋白具有致密的结构；那些?-螺旋和?-折叠叠规整性相对差一些的二级结构，转角和环状以及特定的“无规”卷曲，则更多地分布在球状蛋白外周。 值得指出的是在很多蛋白质分子内部还存在着数量不同的水分子，这些水分子也和一些极性基因或负电性原子形成氢键。其中一些也参与蛋白质功能的行使过程。 球状蛋白表面并不是非常光滑的，而是具有很多沟渠，多数球状蛋白可及表面的面积约为同样大小球表面积的两倍。 球状蛋白质分子的立体结构具有高度特异性和高度灵敏性。每种蛋白质分子都有特定的高级结构。这种构象特异性，使它区别于其他蛋白质；但这种高度特异性结构，并非固定不变，在执行生物学功能时，常常发生一系列的构象变化，表现出高度灵敏性。 在生物体内，构象变化，往往是该蛋白质分子与配基相互作用引起的，配基包括酶的小分子底物、受体的小分子激素和神经介质、血红蛋白O2等。因此，生物体内的蛋白质总是处于一种可以相互转变的多种构象平衡态。 球状蛋白质分子表面并不光滑，常出现一些“裂隙”或“洞穴”，“裂隙”或“洞穴’’周围常具有疏水性，这些“裂隙”或“洞穴”可能是蛋白质(酶)的活性部位。 硫氧还蛋白的结构 第二节 化学物质对蛋白质的沉淀作用 由于蛋白质分子量很大，在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。 根据蛋白质的亲水胶体性质，当其环境发生改变时，蛋白质会发生沉淀作用。 蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质。在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。 一、无机物沉淀 当向蛋白质溶液中逐渐加入无机盐时，开始蛋白质的溶解度增大，是由于蛋白质的活度系数降低的缘故，这种现象称为盐溶。 但当继续加入电解质时，另一种因素起作用，使蛋白质的溶解度减小，称为盐析。这是由于电解质的离子在水中发生水化，当电解质的浓度增加时，水分子就离开蛋白质的周围，暴露出疏水区域，疏水区域间的相互作用，使蛋白质聚集而沉淀，疏水区域越多，就越易产生沉淀。 含高价阴离子的盐，效果比1价的盐好。阴离子的盐析效果有下列次序： 柠檬酸盐PO43-＞SO42-＞CH3COO-＞Cl-＞NO3-＞SCN-。 但高价阳离子的效果不如低价阳离子，例如硫酸镁的效果不如硫酸铵。对于1价阳离子则有下列次序：NH4+＞K+＞Na+。 （2）金属离子沉淀法 一些高价金属离子对沉淀蛋白质很有效。它们可以分为三类： 第一类为Mn2+，Fe2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+和Cd2+能和蛋白质分子表面的羧基，氨基、咪唑基、胍基等侧链结合。 第二类为Ca2+，Ba2+，Mg2+和Pb2+能和蛋白质分子表面的羧基结合，但不和含氮化合物相结合。 第三类为Ag+，Hg2+和Pb2+能和蛋白质分子表面的巯基相结合。 金属离子沉淀法的优点是它们在稀溶液中对蛋白质有效强的沉淀能力。处理后残余的金属离子可用离子交换树脂或螯合剂除去。 在这些离子中，应用较广的是Zn2