蛋白质理化性质.ppt

第四章 蛋白质的理化性质 杨学习 一、热力学和动力学基础 热力学 研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用的学科。 动力学基础 研究作用于物体的力与物体运动的关系 世界处于永恒的运动变化之中： 地壳： 沧海桑田 人生： 生老病死 植物： 花开花落 气象： 风雨雷电 热力学第一定律即能量守恒定律 宇宙的能量是一个常数，能量可以不断被转化和转移，但不可能被创造，也不可能被消灭 2.热力学第二定律的经典表述 1.克劳修斯：不可能将热从低温物体转到高温物体，而不引起其它的变化。 2．开尔文：不可能从单一的热源取出热使之完全转化为功，而不发生其它的变化。 热力学将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，以S表示 宇宙或系统的各种过程总向着熵增大的方向进行 热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示 在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能量为自由能，以G表示 DG = DH-TDS (T为绝对温度) 因此，当熵增加时，系统的自由能便会下降 物理和化学过程达到平衡时， 即达到系统的自由能最小而熵最大 二、蛋白质折叠的热力学定律 熵判据和蛋白质折叠 自由能判据和蛋白质折叠 蛋白质折叠的热力学假说 1.熵判据和蛋白质折叠 未折叠的状态包含很多具有不同构象的分子。 疏水作用是熵驱动的自发过程 当疏水化合物或基团进入水中，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构，即形成所谓笼形结构，最常见的就是五角形十二面体笼形结构，这种结构比冰更为有序。 但当疏水作用发生时，笼型结构被破坏，这部分水分子被排入自由水中，使得体系的混乱度增加，即熵值增加。 同时，疏水基团的聚集是有序化的过程，熵值减少，但其变化值不大，一般对蛋白质折叠不起主要作用。 疏水作用是熵驱动的自发过程 疏水作用是多肽链折叠的主要驱动力，疏水作用的主要动力来自于蛋白质溶液体系的熵值的增加。 2.吉布斯自由能判据和蛋白质折叠 吉布斯自由能变化应同时考虑多肽链和溶剂两者对体系焓值变化和熵值变化的贡献 ΔG总=ΔH链+ΔH溶剂- TΔS链- TΔS溶剂 折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化的结构, 因此ΔS链是负数, 则-TΔS链为正值。 ΔH链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。 ΔH溶剂对疏水侧链是负值,有利于折叠态。这是因为蛋白质处于折叠态时,许多水分子之间的相互作用将代替水分子和疏水侧链的相互作用。 ΔH链与ΔH溶剂值都不大,一般对折叠不起主要作用。 蛋白质折叠过程中会打破水的有序化,则ΔS溶剂为较大的正值,因而有利于折叠态。 对于典型的蛋白质来说,对折叠结构的稳定性做出单项最大贡献的是疏水残基引起的ΔS溶剂。 在不同类型的蛋白质中,总熵变化和总焓变化所做的贡献是不同的,但结果一样,蛋白质折叠结构是生理条件下自由能最低的构象。因此,从吉布斯自由能的变化值来考虑,多肽链的折叠是热力学中的自发过程 3.“热力学假说” 天然蛋白质多肽采取的构象是在一定环境条件下热力学上最稳定的构象，采取天然构象的多肽链和它所处的一定环境条件（如溶液组分、pH、温度、离子强度等）整个系统的自由能最低，所以处于变性状态的多肽链在一定的环境条件下能够自发折叠成天然构象。 三、蛋白质折叠的动力学 The Levinthal Paradox 中间体 动力学假说 1.The Levinthal Paradox 当蛋白折叠是构象有哪些信誉好的足球投注网站时，将会有太多的构象需要尝试。 仅仅考虑蛋白的主链，每个残基在未折叠时假设只有3个构象，对一个有100AA的多肽来说将有 3100 构象。 如果构象有哪些信誉好的足球投注网站的速度是 1012 构象/s，需要5 x 1035 s (1.6 x 1028 y) 蛋白质折叠不是随机的，而是有捷径的。 2.中间体 在蛋白质从变性态折叠成天然态的过程中，通常要经历若干个中间的分子构象状态，即蛋白折叠中间体，也叫做部分折叠态。它们具通常具有部分天然蛋白的结构，相对分子量相同，是分子构象不同的同一种蛋白质。 熔球态 (melton globule) 熔球态是折叠的中间体，快速步骤，在折叠途径中第一个可观测的、柔性无序的未折叠多肽链卷折成局部有组织的球状态，称为熔球体。 熔球体的形成的驱动力：疏水侧链的包埋 分子伴侣和折叠酶帮助越过能障 折叠能量“地貌”原理图 未折叠的蛋白具有高的构象熵和高的能量。 折叠过程中漏斗变窄表示构象的种类下降。 两边的低洼处表示半稳定的中间体，这些中间体可以减慢折叠过程。 底部表示所有的中间体都到达了天然结构。 有人提出 若某一多肽链具有2种低能量状态：一种是天然构象，一种是非天然构象，而且处于这2种能量状态的多肽链的相互转变由于要克服较高的能垒而难以实现，那么在蛋白折叠过程中