蛋白质的理化性质

第四节蛋白质的理化性质一、两性离解和等电点蛋白质是由氨基酸组成的，在其分子表面带有很多可解离基团，如羧基、氨基、酚羟基、咪唑基、胍基等。此外，在肽链两端还有游离的α-氨基和α-羧基，因此蛋白质是两性电解质，可以与酸或碱相互作用。溶液中蛋白质的带电状况与其所处环境的pH有关。当溶液在某一特定的pH条件下，蛋白质分子所带的正电荷数与负电荷数相等，即净电荷数为零，此时蛋白质分子在电场中不移动，这时溶液的pH称为该蛋白质的等电点，此时蛋白质的溶解度最小。由于不同蛋白质的氨基酸组成不同，所以蛋白质都有其特定的等电点，在同一pH条件下所带净电荷数不同。如果蛋白质中碱性氨基酸较多，则等电点偏碱，如果酸性氨基酸较多，等电点偏酸。酸碱氨基酸比例相近的蛋白质其等电点大多为中性偏酸，约在5.0左右。1、两性解离蛋白质可以在酸性环境中与酸中和成盐，而游离成正离子，即蛋白质分子带正电，在电场中向阴极移动；在碱性环境中与碱中和成盐而游离成负离子，即蛋白质分子带负电，在电场中向阳极移动。以“P”代表蛋白质分子，以―NH2和―COOH分别代表其碱性和酸性解离基团，随pH变化，蛋白质的解离反应可简示如下：（pHpI）（pH=pI）（pHpI）移向阳极不移动移向阴极2、等电点沉淀和电泳①等电点沉淀蛋白质在等电点时，以两性离子的形式存在，其总电荷数为零，这样的蛋白质颗粒在溶液中因为没有相同电荷而相互排斥的影响，所以极易借静电引力迅速结合成较大的聚集体，因而易发生沉淀析出。这一性质常在蛋白质分离、提纯时应用。在等电点时，除了蛋白质的蛋白质的阴离子蛋白质的阳离子蛋白质的兼性离子（等电点）NH3+COO-PNH3+PCOOHNH2COO-P溶解度最小外，其导电性、粘度、渗透压以及膨胀性均为最小。②电泳蛋白质颗粒在溶液中解离成带电的颗粒，在直流电场中向其所带电荷相反的电极移动。这种大分子化合物在电场中定向移动的现象称为电泳。蛋白质电泳的方向、速度主要决定于其所带电荷的正负性，电荷数以及分子颗粒的大小。蛋白质混合液中，各种蛋白质的分子量不同，因而在电场中移动的方向和速度也各不相同。根据这一原理，就可以从混合液将各种蛋白质分离开来。因此电泳法通常用于实验室、生产或临床诊断来分析分离蛋白质混合物或作为蛋白质纯度鉴定的手段。如将蛋白质溶液点在浸了缓冲液的支持物上进行电泳，不同组分形成带状区域，称为区带电泳。其中用滤纸做支持物的称纸上电泳（如下图）。这种方法比较简便，为一般实验室所采用。近年来，用醋酸纤维薄膜作支持物进行电泳，速度快，分析效果好，定量比较准确，已逐渐取代纸上电泳。二、胶体性质由于蛋白质的分子量很大，又由于其分子表面有许多极性基团，亲水性极强，易溶于水成为稳定的亲水胶体溶液。故它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。(+)(-)原点清蛋白α1―α2―β―γ―球蛋白图我国正常人血清蛋白质纸上电泳图1、蛋白质胶体溶液的稳定性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。其主要决定因素如下：第一是水化膜，因为蛋白质分子颗粒表面带有很多亲水基，如―NH2、―COOH、―OH、―SH、―CONH2等。对水有较强的吸引力，水又是一种极性分子，当水与蛋白质相遇时，就很容易被蛋白质吸住，在蛋白质外面形成一层水膜。第二是表面电荷层，蛋白质是两性离子，颗粒表面带有电荷，在酸性溶液带正电荷，在碱性溶液中带负电荷，同性电荷互相排斥。由于水膜和电荷的存在，把蛋白质颗粒相互隔开，使颗粒之间不会因碰撞而聚成大颗粒，这样蛋白质的溶液就比较稳定，不易沉淀。如果改变溶液的条件，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。2、蛋白质的膜过滤分离纯化蛋白质在水中形成的胶体溶液，由于颗粒大，不能通过半透膜可用羊皮纸、火棉胶、玻璃纸等来分离纯化蛋白质，这个方法称透析法。具体的操作是将含有小分子杂质的蛋白质放入一个透析袋中，然后将此袋放入流动的清水中进行透析，此时小分子化合物不断地从透析袋中渗出，而大分子蛋白质留在袋内，经过一定时间后，就可达到纯化目的，这是实验室或工业生产上提纯蛋白质时广泛应用的方法。三、沉淀作用1、概念蛋白质胶体溶液的稳定性决定于其颗粒表面的水化膜和电荷，当这两个因素遭到破坏后，蛋白质溶液就失去稳定性，并发生凝聚作用，沉淀析出，这种作用称为蛋白质的沉淀作用。蛋白质的沉淀作用，在理论上和实际应用均有一定的意义，一般为达到两种不同的目的：第一，为了分离制备有活性的天然蛋白制品。第二，为了从制品中除去杂蛋白，或者制备失去活性的蛋白质制品。蛋白质的沉淀作用有两种类型：（1）可逆沉淀：蛋白质结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。一般是在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。（可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。）（2）不可逆沉淀：在蛋白质的沉淀过程中，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水，强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质。由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。2、生产上常用的几种沉淀蛋白质方法（1）用中性盐沉淀蛋白质分离提取蛋白质常用硫酸铵[（NH4）2SO4]、硫酸钠(Na2SO4)、氯化钠(NaCl)、硫酸镁(MgSO4)等中性盐来沉淀蛋白质，这种沉淀蛋白质的方法叫盐析法。有的蛋白质溶液中同时含有几类不同的蛋白质，由于不同类的蛋白质产生沉淀所需要的盐的浓度不一样，因而可以用不同的盐浓度把几类混合在一起的蛋白质分段沉淀析出而加以分离，这种方法称为分段盐析。实例分析：血清中加硫酸铵至50%饱和度，则球蛋白先沉淀析出；继续再加硫酸铵至饱和，则清蛋白（白蛋白）沉淀析出。盐析法在实践中得到广泛应用，微生物发酵生产酶制剂就是采用盐析法的作用原理，从发酵液中把目的酶分离提取出来的。（2）用水溶性有机溶剂沉淀蛋白质甲醇(CH3OH)、乙醇(CH3CH2OH)、丙酮(CH3COCH3)等有机溶剂是良好的蛋白质沉淀剂。因其与水的亲和力比蛋白质强，故能迅速而有效地破坏蛋白质胶体的水膜，从而使蛋白质溶液的稳定性大大降低。但一般都要与等电点法配合，即pH调至等电点，然后再加有机溶剂破坏水膜，则蛋白质沉淀效果更好。在对蛋白质的影响方面，与盐析法不同。有机溶剂长时间作用于蛋白质会引起变性。因此，用这种方法进行操作时需要注意：（1）低温操作。提取液和有机溶剂都需要事先冷却。向提取液中加入有机溶剂时，要边加边搅拌，防止局部过热，引起变性。（2）有机溶剂与蛋白质接触时间不能过长。在沉淀完全的前提下，时间越短越好，要及时分离沉淀，除去有机溶剂。有机溶剂沉淀蛋白质在生产实践和科学实验中应用很广，例如食品级的酶制剂的生产、中草药注射液和胰岛素的制备大都用有机溶剂分离沉淀蛋白质。下面讨论的几种方法，在发生沉淀的同时，蛋白质随之变性失活。因此，它们的使用场合与前述两种不同。（3）用重金属盐沉淀蛋白质重金属盐中的硝酸银（AgNO3）、氯化汞（HgCl2）、醋酸铅[Pb（CH3COO-）2]、三氯化铁（FeCl3）、是蛋白质的沉淀剂。其沉淀作用的反应式如下：实例分析：医疗工作中常用汞试剂的稀水溶液消毒灭菌。服用大量富含蛋白质的牛乳或鸡蛋清达到解毒。（4）用生物碱试剂沉淀蛋白质单宁酸、苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、鞣酸、三氯醋酸及水杨磺酸等，亦是蛋白质的沉淀剂。这是因为这些酸的带负电荷基团与蛋白质带正电荷基团结合而发生不可逆沉淀反应的缘故。生化检验工作中。常用此类试剂沉淀蛋白质。（5）热凝固沉淀蛋白质蛋白质受热变性后，在有少量盐类存在或将pH调至等电点，则很容易发生凝固沉淀。原因可能由于变性蛋白质的空间结构解体，疏水基团外露，水膜破坏，同时由于等电点破坏了带电状态等而发生絮结沉淀。四、蛋白质变性蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。1、概念天然蛋白质分子由于受各种物理和化学因素的影响，有序的空间结构被破坏，致使蛋白质的理化性质和生物学性质都有所改变，但并不导致蛋白质一级结构的破坏。这种现象称为蛋白质的变性作用。变性的蛋白质叫做变性蛋白质，变性蛋白质的分子量不变。2、变性因素金属―蛋白质复合物RNH3+COO-OH--H2OPNH2COO-Ag+RNH2COO-+Ag蛋白质复合盐PNH3+COO-H+PNH3+COOHCl3CCOO-PNH3+COOH·-OOCCCl3⑴物理因素。如：加热、紫外线照射、X射线照射、超声波、高压、剧烈摇荡、搅拌、表面起泡等。⑵化学因素。如：强酸、强碱、脲素、重金属盐、三氯醋酸、乙醇、胍、表面活性剂、生物碱试剂等，都可引起蛋白质的变性。3、变性的原因可概括如下：⑴蛋白质分子的副键破坏，致使其空间结构发生变化。⑵蛋白质的结构发生扭转，使疏水基团暴露在分子表面。⑶活泼基团，如-COOH、-OH、-NH2等与某些化学试剂发生反应。4、变性蛋白质的性质变性蛋白质与天然蛋白质有明显的不同，主要表现在：⑴理化性质发生了变化如旋光性改变，溶解度降低，粘度增加，光吸收性质增强，结晶性破坏，渗透压降低，易发生凝集、沉淀。由于侧链基团外露，颜色反应增强了。⑵生化性质发生了变化变性蛋白质比天然蛋白质易被蛋白酶水解。因此，蛋白质煮熟食用比生吃好消化。⑶生物活性丧失这是蛋白质变性的最重要的明显标志之一。例如酶变性失去催化作用，血红蛋白失去运输氧的功能，胰岛素失去调节血糖的生理功能，抗原失去免疫功能等等。5、变性的可逆性蛋白变性随其性质和程度的不同，有可逆的，有不可逆的，如胰蛋白酶加热及血红蛋白加酸等变性作用，在轻度时为可逆变性。一般变性后的蛋白质即凝固而沉淀，在凝固之前，常呈絮状而悬浮，称为絮结作用，只絮结而未凝固的蛋白质一般都有可逆性，但已凝固的蛋白质，则不易恢复其原来的性质，即发生不可逆变性。6、蛋白质变性作用的实践意义蛋白质变性作用不仅广泛应用于生产实践，而且在理论上对阐明蛋白质结构与功能的关系等问题具有重要意义。蛋白质变性作用有有利的一面，也有不利的一面。有利的方面可充分利用，不利的方面则需竭力阻止。五、蛋白质的紫外吸收大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。这三种氨基酸的在280nm附近有最大吸收值。因此，大多数蛋白质在280nm附近显示强的吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。六、蛋白质的颜色反应蛋白质的颜色反应，可以用来定性、定量测定蛋白质。1、双缩脲反应蛋白质溶液中加入NaOH或KOH及少量的硫酸铜溶液，会显现从浅红色到蓝紫色的一系列颜色反应。这是由于蛋白质分子中肽键结构的反应，肽键越多产生的颜色越红。所谓双缩脲是指二分子尿素加热到1800C脱氨缩合的产物，此化合物也具有同样的颜色反应，蛋白质分子中含有许多和双缩脲结构相似的肽键，所以称蛋白质的反应为双缩脲反应。通常可用此反应来定性鉴定蛋白质，也可根据反应产生的颜色在540nm处进行比色分析，定量测定蛋白质的含量。2、黄色反应加浓硝酸于蛋白质溶液中即有白色沉淀生成，再加热则变黄，遇碱则使颜色加深而呈橙黄，这是由于蛋白质中含有酪氨酸、苯丙氨酸及色氨酸，这些氨基酸具有苯基，而苯基与浓硝酸起硝化作用，产生黄色的硝基取代物，遇到碱又形成盐，后者呈橙黄色的缘故。皮肤接触到硝酸变成黄色，也是这个道理。3、乙醛酸反应蛋白质溶液中加入乙醛酸，混合后，缓慢地加入浓硫酸，硫酸沉在底部，液体分为两层，在两层界面处出现紫色环，这是蛋白质中的色氨酸与乙醛酸反应引起的颜色反应，故