定性没有显著的影响。 蛋白质的可解离基团的电离情况和局部环境的 pH 有很大的关系，也和局部环境的介电 性质有关。部分埋藏在蛋白质内部的带电荷基团，由于处在比水的介电常数低的环境中，通 常能形成具有强相互作用能的盐桥。一般蛋白质的静电相互作用能与距离和环境的介电常数 有关，其值在±3．5 一+460kJ／mol 范围。 尽管静电相互作用不能作为蛋白质折叠的主要作用力，然而在水溶液介质中，带电荷 基团强烈地倾向于暴露在蛋白质的表面，因此它们也确实影响蛋白质的折叠模式。 (4)氢键相互作用 氢键键合：氢键键合是指具有孤电子对的电负性原子(如 N，O 和 s)与一个氢原子的 结合，氢原于本身同时又与另一个电负性原子共价结合。在蛋白质中，一个肽健的羰基和另 一个肽键的 N-H 的氢形成氢键。氢键距离 O.H 约 o．175 nm， 键能约为 8-40kJ／mol，其大小取决于参与氢键的电负性原干的性质和键角。 在蛋白质肽链骨架中存在着大量的羰基和亚胺基团，氨基酸残基的侧链中又有许多 带有极性的基团，这些基团中某些可以作为氢原子的供体，另一些则作为氢原子的接受体， 彼此相互作用形成氢键(图 5-11)。在具有α—螺旋和β—折叠结构的肽健中，其 N-H 和羰 基 C O 之间形成氢键的数量最多。 已证明，蛋白质分子中存在大量氢键，由于每一氢键均能降低蛋白质的吉布斯自由能 (约—18．8kJ／mol)，因此通常可以这样假定，氢键的作用不仅是作为蛋白质形成折叠结构 的驱动力，而且同时又对稳定蛋白质的天然结构起重要影响。但是研究证实，这并非一个可 靠的观点，因为生物体内存在着大量的水，而水分子可以与蛋白质分子中的 N 叫和羰基 c＝ O 竞争发生氢键键合。因此，这些基团之间不能自发地形成氢键，而且 N-H 和羰基 c＝O 之 间形成的氢键也不可能作为蛋白质形成。—螺旋和 9—折叠的驱动力。事实上 o—螺旋和 9— 折叠结构中氢键的相互作用，是另外一些有益的相互作用驱动这些次级氢键结构形成的结 果。 氢键的稳定与环境的介电常数有关。蛋白质分子中氨基酸残基的庞大侧链可阻止水与 N-H 和羰基 C＝O 接近形成氢键，致使非极性残基相互作用产生了有限的低介电常数环境， 从而使蛋白质二级结构的氢键得以稳定。 (5)疏水相互作用 从上面的论述可以清楚的了解到，在水溶液中多肽链上的各种极性基团之间的静电相互 作用和形成氢键，是不具有足够的能量驱动蛋白质折叠。蛋白质分子中的这些极性基团的相
定性没有显著的影响。 蛋白质的可解离基团的电离情况和局部环境的 pH 有很大的关系，也和局部环境的介电 性质有关。部分埋藏在蛋白质内部的带电荷基团，由于处在比水的介电常数低的环境中，通 常能形成具有强相互作用能的盐桥。一般蛋白质的静电相互作用能与距离和环境的介电常数 有关，其值在±3．5 一+460kJ／mol 范围。 尽管静电相互作用不能作为蛋白质折叠的主要作用力，然而在水溶液介质中，带电荷 基团强烈地倾向于暴露在蛋白质的表面，因此它们也确实影响蛋白质的折叠模式。 (4)氢键相互作用 氢键键合：氢键键合是指具有孤电子对的电负性原子(如 N，O 和 s)与一个氢原子的 结合，氢原于本身同时又与另一个电负性原子共价结合。在蛋白质中，一个肽健的羰基和另 一个肽键的 N-H 的氢形成氢键。氢键距离 O.H 约 o．175 nm， 键能约为 8-40kJ／mol，其大小取决于参与氢键的电负性原干的性质和键角。 在蛋白质肽链骨架中存在着大量的羰基和亚胺基团，氨基酸残基的侧链中又有许多 带有极性的基团，这些基团中某些可以作为氢原子的供体，另一些则作为氢原子的接受体， 彼此相互作用形成氢键(图 5-11)。在具有α—螺旋和β—折叠结构的肽健中，其 N-H 和羰 基 C O 之间形成氢键的数量最多。 已证明，蛋白质分子中存在大量氢键，由于每一氢键均能降低蛋白质的吉布斯自由能 (约—18．8kJ／mol)，因此通常可以这样假定，氢键的作用不仅是作为蛋白质形成折叠结构 的驱动力，而且同时又对稳定蛋白质的天然结构起重要影响。但是研究证实，这并非一个可 靠的观点，因为生物体内存在着大量的水，而水分子可以与蛋白质分子中的 N 叫和羰基 c＝ O 竞争发生氢键键合。因此，这些基团之间不能自发地形成氢键，而且 N-H 和羰基 c＝O 之 间形成的氢键也不可能作为蛋白质形成。—螺旋和 9—折叠的驱动力。事实上 o—螺旋和 9— 折叠结构中氢键的相互作用，是另外一些有益的相互作用驱动这些次级氢键结构形成的结 果。 氢键的稳定与环境的介电常数有关。蛋白质分子中氨基酸残基的庞大侧链可阻止水与 N-H 和羰基 C＝O 接近形成氢键，致使非极性残基相互作用产生了有限的低介电常数环境， 从而使蛋白质二级结构的氢键得以稳定。 (5)疏水相互作用 从上面的论述可以清楚的了解到，在水溶液中多肽链上的各种极性基团之间的静电相互 作用和形成氢键，是不具有足够的能量驱动蛋白质折叠。蛋白质分子中的这些极性基团的相
互作用是非常不稳定的，它们很容易和水作用，或是形成氢键，或是融合于水环境中。欲使 其稳定就必须维持一个非极性环境。因此，在非极性基团间的这种疏水相互作用才是导致蛋 白质折叠的主要驱动力。 在水溶液中，具有非极性侧链的氨基酸残基，不表现出和水或其他极性基团相互作用的 能力和倾向。它们在水溶液中，与在非极性环境中相比，在热力学上显然是不利的。因为当 非极性基团溶于水，吉布斯自由能的变化(△G)是正值，体积变化(△V)和焙(△H)为负值。 尽管△H 是负的，根据△G’=△H—T△S，则△S 应是一个大的负值才能使△G 为正值。可见 一个非极性基团溶于水，熵减小(△S 为负值)，这是一个热力学上不利的过程。由于熵减小 引起了水在非极性基团周围形成笼形结构。△G 为正值极大的限制了水同非极性基团问的相 互作用，因此，非极性基团在水溶液中倾向于聚集，使它们直接与水的接触面积降到最小(参 见本书第二章)，同时将非极性侧链周围多少有些规则的水分子变成可自由运动的游离的水 分子，这样一个过程的吉布斯自由能改变使△G<0。在水溶液中，这种由于水的结构引起的 非极性基团相互作用称之为疏水相互作用。 非极性基团的疏水相互作用，实际上是非极性基团溶于水的逆过程，△G<0，而△H 和 △S 为正值。因此，疏水相互作用的本质是一种熵驱动的自发过程。与其他非共价键相互作 用不同，疏水相互作用是一个吸热过程，在高温下作用很强， 低温下较弱。而且非极性残基侧链的聚集所产生的能量变化，比上述几种分子间 的相互作用大得多。为此，疏水相互作用对于稳定蛋白质主体结构是非常重要的。在蛋白质 二级结构的形成中，疏水相互作用不是至关重要的，但是在蛋白质三级结构的形成和稳定中， 疏水作用是位于诸多因素的首位。 (6)二硫键 半胱氨酸残基侧链之间的共价交联可形成二硫键，它不但限制可能呈现的蛋白质结构数 目，维持蛋白质结构的完整性，而且还有利于所形成的结构保持稳定。因此，对于大多数蛋 白质，特别是在引起不可逆变性的条件下(极端 pH 或高温)，凡每 100 个氨基酸中具有 5—7 个二硫交联键组成的蛋白质分子特别稳定。某些蛋白质含有半胱氨酸和胱氨酸残基，能够发 生硫醇—二硫化物交换反应。这些反应可以在分子内或分子问发生，即二硫键也有不同的构 型，因此形成二硫键的两个半胱氨酸残基所在的肽段的相对构象，也可因二硫键的构型不同 而改变。这从另一个方面突出了二硫键在蛋白质结构中的重要性。有利于稳定多肽链的二级 结构和三级结构的各种相互作用在图 5—12 说明。 (7)配位键
互作用是非常不稳定的，它们很容易和水作用，或是形成氢键，或是融合于水环境中。欲使 其稳定就必须维持一个非极性环境。因此，在非极性基团间的这种疏水相互作用才是导致蛋 白质折叠的主要驱动力。 在水溶液中，具有非极性侧链的氨基酸残基，不表现出和水或其他极性基团相互作用的 能力和倾向。它们在水溶液中，与在非极性环境中相比，在热力学上显然是不利的。因为当 非极性基团溶于水，吉布斯自由能的变化(△G)是正值，体积变化(△V)和焙(△H)为负值。 尽管△H 是负的，根据△G’=△H—T△S，则△S 应是一个大的负值才能使△G 为正值。可见 一个非极性基团溶于水，熵减小(△S 为负值)，这是一个热力学上不利的过程。由于熵减小 引起了水在非极性基团周围形成笼形结构。△G 为正值极大的限制了水同非极性基团问的相 互作用，因此，非极性基团在水溶液中倾向于聚集，使它们直接与水的接触面积降到最小(参 见本书第二章)，同时将非极性侧链周围多少有些规则的水分子变成可自由运动的游离的水 分子，这样一个过程的吉布斯自由能改变使△G<0。在水溶液中，这种由于水的结构引起的 非极性基团相互作用称之为疏水相互作用。 非极性基团的疏水相互作用，实际上是非极性基团溶于水的逆过程，△G<0，而△H 和 △S 为正值。因此，疏水相互作用的本质是一种熵驱动的自发过程。与其他非共价键相互作 用不同，疏水相互作用是一个吸热过程，在高温下作用很强， 低温下较弱。而且非极性残基侧链的聚集所产生的能量变化，比上述几种分子间 的相互作用大得多。为此，疏水相互作用对于稳定蛋白质主体结构是非常重要的。在蛋白质 二级结构的形成中，疏水相互作用不是至关重要的，但是在蛋白质三级结构的形成和稳定中， 疏水作用是位于诸多因素的首位。 (6)二硫键 半胱氨酸残基侧链之间的共价交联可形成二硫键，它不但限制可能呈现的蛋白质结构数 目，维持蛋白质结构的完整性，而且还有利于所形成的结构保持稳定。因此，对于大多数蛋 白质，特别是在引起不可逆变性的条件下(极端 pH 或高温)，凡每 100 个氨基酸中具有 5—7 个二硫交联键组成的蛋白质分子特别稳定。某些蛋白质含有半胱氨酸和胱氨酸残基，能够发 生硫醇—二硫化物交换反应。这些反应可以在分子内或分子问发生，即二硫键也有不同的构 型，因此形成二硫键的两个半胱氨酸残基所在的肽段的相对构象，也可因二硫键的构型不同 而改变。这从另一个方面突出了二硫键在蛋白质结构中的重要性。有利于稳定多肽链的二级 结构和三级结构的各种相互作用在图 5—12 说明。 (7)配位键
一些蛋白质中除了肽链以外还含有一些金属，在分类上可称为金属蛋白。在蛋白质中 已发现的金属有 Fe、ca、zn、Cu、Mn、Mo 等。这是因为组成蛋白质的氨基酸中，可参与氢 键的很多基团都能和一些金属形成配位键，如色氨酸，丝氨酸以及一些酸性氨基酸残基的侧 链。已知这些金属离子—蛋白质的相互作用有利于蛋白质四级结构的稳定。蛋白质—Ca2+— 蛋白质—型的静电相互作用对维持酪蛋白胶束的稳定性起着重要作用。在某些情况下，金属 —蛋白质复合物还可能产生生物活性，使它们具有一定的功能，像铁的运载或酶活性。通常、 金属离子在蛋白质分子一定的位点上结合，过渡金属高于(cI、Mn、h、Cu、Zn、Ue 等)可同 时通过部分离子键与几种氨基酸的咪唑基和巯基结合。 (8)蛋白质构象的稳定性和适应性 蛋白质分子中的天然状态和变性状态(或者是非折叠的)两者之间的吉布斯自由能之 差(△GD)可以用于判断天然蛋白质分子的稳定性。前面论述的非共价键相互作用，除静电排 斥作用外。都起着稳定天然蛋白质结构的作用。这些相互作用引起的吉布斯总自由能变化每 摩尔达到几百于焦，然而，大多数蛋白质的△GD 在 20-85kJ／mol 范围。多肽链的构象熵 (conformational entropγ)主要作用是使蛋白质的天然结构失去稳定性。当一个无规状态 的多肽链折叠成为紧密的状态时，蛋白质各个基团的平动、转动和振动将受到极大的限制， 结果降低了构象熵，使总的吉布斯净自由能减少。蛋白质分子天然和变性状态间的吉布斯自 由能之差可用公式(5—6)表示 在非折叠状态，蛋白质每个残基的构象墒在 8-42J／(mol·K)范围，其平均值为 21．7 J ／(mol·K)。一个具有 100 个残基的蛋白质在 310K 时的构象熵约为 672．7kJ／mol。可见， 这个不稳定的构象墒，将降低蛋白质天然结构的稳定性。△GD 是蛋白质解折叠时所需要的 能量，某些蛋白质的△GD 见表 5—10。从这些数值可以清楚地看到，尽管蛋白质分子内有许 多相互作用，但是蛋白质仍然只是刚好处于稳定状态。例如，大多数蛋白质的△GD 只相当 于 1—3 个氢键或 2～5 个疏水相互作用的能量，因此可以认为打断几个非共价键相互作用将 使许多蛋白质的天然结构不稳定。 蛋白质分子并非是刚性分子；相反，它们是高度柔顺性分子。如前文所述，蛋白质分子 的天然状态属于介稳定状态。蛋白质结构对于介质环境的适应性是十分必要的，因为这有利 于蛋白质执行某些关键的功能。例如，酶与底物或辅助配体的有效结合，涉及多肽链序列键 合部位的重排。对于只有催化功能的蛋白质，通过二硫键使蛋白质的结构保持高度的稳定性， 分子内的这些二硫键能够有效降低构象熵，减少多肽链伸长的倾向。 5．4 蛋白质分子的变性
一些蛋白质中除了肽链以外还含有一些金属，在分类上可称为金属蛋白。在蛋白质中 已发现的金属有 Fe、ca、zn、Cu、Mn、Mo 等。这是因为组成蛋白质的氨基酸中，可参与氢 键的很多基团都能和一些金属形成配位键，如色氨酸，丝氨酸以及一些酸性氨基酸残基的侧 链。已知这些金属离子—蛋白质的相互作用有利于蛋白质四级结构的稳定。蛋白质—Ca2+— 蛋白质—型的静电相互作用对维持酪蛋白胶束的稳定性起着重要作用。在某些情况下，金属 —蛋白质复合物还可能产生生物活性，使它们具有一定的功能，像铁的运载或酶活性。通常、 金属离子在蛋白质分子一定的位点上结合，过渡金属高于(cI、Mn、h、Cu、Zn、Ue 等)可同 时通过部分离子键与几种氨基酸的咪唑基和巯基结合。 (8)蛋白质构象的稳定性和适应性 蛋白质分子中的天然状态和变性状态(或者是非折叠的)两者之间的吉布斯自由能之 差(△GD)可以用于判断天然蛋白质分子的稳定性。前面论述的非共价键相互作用，除静电排 斥作用外。都起着稳定天然蛋白质结构的作用。这些相互作用引起的吉布斯总自由能变化每 摩尔达到几百于焦，然而，大多数蛋白质的△GD 在 20-85kJ／mol 范围。多肽链的构象熵 (conformational entropγ)主要作用是使蛋白质的天然结构失去稳定性。当一个无规状态 的多肽链折叠成为紧密的状态时，蛋白质各个基团的平动、转动和振动将受到极大的限制， 结果降低了构象熵，使总的吉布斯净自由能减少。蛋白质分子天然和变性状态间的吉布斯自 由能之差可用公式(5—6)表示 在非折叠状态，蛋白质每个残基的构象墒在 8-42J／(mol·K)范围，其平均值为 21．7 J ／(mol·K)。一个具有 100 个残基的蛋白质在 310K 时的构象熵约为 672．7kJ／mol。可见， 这个不稳定的构象墒，将降低蛋白质天然结构的稳定性。△GD 是蛋白质解折叠时所需要的 能量，某些蛋白质的△GD 见表 5—10。从这些数值可以清楚地看到，尽管蛋白质分子内有许 多相互作用，但是蛋白质仍然只是刚好处于稳定状态。例如，大多数蛋白质的△GD 只相当 于 1—3 个氢键或 2～5 个疏水相互作用的能量，因此可以认为打断几个非共价键相互作用将 使许多蛋白质的天然结构不稳定。 蛋白质分子并非是刚性分子；相反，它们是高度柔顺性分子。如前文所述，蛋白质分子 的天然状态属于介稳定状态。蛋白质结构对于介质环境的适应性是十分必要的，因为这有利 于蛋白质执行某些关键的功能。例如，酶与底物或辅助配体的有效结合，涉及多肽链序列键 合部位的重排。对于只有催化功能的蛋白质，通过二硫键使蛋白质的结构保持高度的稳定性， 分子内的这些二硫键能够有效降低构象熵，减少多肽链伸长的倾向。 5．4 蛋白质分子的变性
蛋白质的天然结构是各种吸引和排斥相互作用的净结果，由于生物大分子含有大量的 水，因此这些作用力包括分子内的相互作用和蛋白质分子与周围水分子的相互作用。然而， 蛋白质的天然结构主要取决于蛋白质所处的环境。蛋白质的天然状态在生理条件下是热力学 最稳定的状态，其吉布斯自由能最低。蛋白质环境，如 pH、离子强度、温度、溶剂组成等 的任何变化，都会使蛋白质分子产生一个新的平衡结构，其构构会发生不同程度的变化。当 这种变化仅是结构上的细微变化，而未能致使蛋白质分子结构发生剧烈改变，通常称为构象 的适应性。蛋白质变性实际上是指蛋白质构象的改变(即二级、三级或四级结构的较大变化)， 但并不伴随一级结构中的肽键断裂。变性是一个复杂的现象，在此过程中还可出现新的构象， 这些构象通常是中间状态且短暂存在的，蛋白质变性最终成为完全伸展的多肽结构(无规卷 曲)。有时天然蛋白质的构象即使只有一个次级键改变，或一个侧链基团的取向不同，也会 引起变性。对于那些天然状态为伸展结构的蛋白质(如酪蛋白单体)，则不易发生变性。从结 构观点来看，蛋白质分子的变性状态是很难定义的一个状态。结构上的较大变化意味着α— 螺旋和β—折叠结构的增加，以及随机结构的减少。然而在多数情况下，变性涉及有序结构 的丧失。蛋白质的变性程度与变性条件有关，各种变性状态之间的吉布斯自由能差别很小(图 5—13)。球蛋白完全变性时，成为无规卷曲的结构。 蛋白质变性可引起结构、功能和某些性质发生变化。许多具有生物活性的蛋白质在变 性后会使它们丧失或降低活性，但有时候，蛋白质适度变性后仍然可以保持甚至提高原有活 性，这是由于变性后某些活性基团暴露所致。食品蛋白质变性后通常引起溶解度降低或失去 溶解性，从而影响蛋白质的功能特性或加工特性。在某种情况下，变性又是需宜的。例如， 豆类中胰蛋白酶抑制剂的热变性，可能显著高动物食用豆类时的消化宰和生物有效性。部分 变性蛋白则比天然状态更易消化，或具有更好的乳化性、起泡性和胶凝性。 蛋白质变性对其结构和功能的影响有如下几个方面：①由于疏水基团暴露在分子表 面，引起溶解度降低；②改变对水结合的能力；③失去生物活性(如酶或免疫活性)；④由于 肽键的暴露，容易受到蛋白酶的攻击，使之增加了蛋白质对酶水解敏感性；⑤特征黏度增大； ⑥不能结晶。 蛋白质变性的鉴定方法很多，通常是采用测定蛋白质的超离心沉降特征、黏度、电场 中的迁移(电泳)、旋光性、圆二色性(m)、x 射线衍射、紫外差示光谱和红外光谱分析、热 力学性质、生物或免疫性质、酶活力及某些功能基团的反应特性等检查蛋白质变性。近期研 究表明，核磁共振波谱分析(1H 谱)和激光扫描共聚焦显微技术，能够清楚观察到蛋白质变 性时的结构和三维立体形貌变化
蛋白质的天然结构是各种吸引和排斥相互作用的净结果，由于生物大分子含有大量的 水，因此这些作用力包括分子内的相互作用和蛋白质分子与周围水分子的相互作用。然而， 蛋白质的天然结构主要取决于蛋白质所处的环境。蛋白质的天然状态在生理条件下是热力学 最稳定的状态，其吉布斯自由能最低。蛋白质环境，如 pH、离子强度、温度、溶剂组成等 的任何变化，都会使蛋白质分子产生一个新的平衡结构，其构构会发生不同程度的变化。当 这种变化仅是结构上的细微变化，而未能致使蛋白质分子结构发生剧烈改变，通常称为构象 的适应性。蛋白质变性实际上是指蛋白质构象的改变(即二级、三级或四级结构的较大变化)， 但并不伴随一级结构中的肽键断裂。变性是一个复杂的现象，在此过程中还可出现新的构象， 这些构象通常是中间状态且短暂存在的，蛋白质变性最终成为完全伸展的多肽结构(无规卷 曲)。有时天然蛋白质的构象即使只有一个次级键改变，或一个侧链基团的取向不同，也会 引起变性。对于那些天然状态为伸展结构的蛋白质(如酪蛋白单体)，则不易发生变性。从结 构观点来看，蛋白质分子的变性状态是很难定义的一个状态。结构上的较大变化意味着α— 螺旋和β—折叠结构的增加，以及随机结构的减少。然而在多数情况下，变性涉及有序结构 的丧失。蛋白质的变性程度与变性条件有关，各种变性状态之间的吉布斯自由能差别很小(图 5—13)。球蛋白完全变性时，成为无规卷曲的结构。 蛋白质变性可引起结构、功能和某些性质发生变化。许多具有生物活性的蛋白质在变 性后会使它们丧失或降低活性，但有时候，蛋白质适度变性后仍然可以保持甚至提高原有活 性，这是由于变性后某些活性基团暴露所致。食品蛋白质变性后通常引起溶解度降低或失去 溶解性，从而影响蛋白质的功能特性或加工特性。在某种情况下，变性又是需宜的。例如， 豆类中胰蛋白酶抑制剂的热变性，可能显著高动物食用豆类时的消化宰和生物有效性。部分 变性蛋白则比天然状态更易消化，或具有更好的乳化性、起泡性和胶凝性。 蛋白质变性对其结构和功能的影响有如下几个方面：①由于疏水基团暴露在分子表 面，引起溶解度降低；②改变对水结合的能力；③失去生物活性(如酶或免疫活性)；④由于 肽键的暴露，容易受到蛋白酶的攻击，使之增加了蛋白质对酶水解敏感性；⑤特征黏度增大； ⑥不能结晶。 蛋白质变性的鉴定方法很多，通常是采用测定蛋白质的超离心沉降特征、黏度、电场 中的迁移(电泳)、旋光性、圆二色性(m)、x 射线衍射、紫外差示光谱和红外光谱分析、热 力学性质、生物或免疫性质、酶活力及某些功能基团的反应特性等检查蛋白质变性。近期研 究表明，核磁共振波谱分析(1H 谱)和激光扫描共聚焦显微技术，能够清楚观察到蛋白质变 性时的结构和三维立体形貌变化
9．4．1 变性的热力学 蛋白质变性是生理条件下形成的折叠结构转变成为非生理条件下的伸展结构的现 象，可以通过上面介绍的方法测定蛋白质的变性。图 5—14 显示了典型的蛋白质变性曲线， 以物理或化学性质变化为纵坐标(γ 轴)，变性条件如变性剂浓度、温度或 pH 为横坐标(x 轴)作图。得到蛋白质变性程度与环境变化的相互关系。 大多数蛋白质在变性时，γ 在起始的某一阶段不随变性剂浓度(或温度)的升高而变化， 保持一个稳定值；当超过临界点后，随着变性条件的变化，Γv 将在一个较窄的变性浓度(或 温度)范围内，急剧的转变为 γ。对于大多数单体球状蛋白质，曲线的转变是陡峭的，这 表明蛋白质变性是一个协同过程。蛋白质分子一旦开始伸展或者是分子内的少数相互作用破 裂，只要略微增加变性剂的浓度或提高温度，整个蛋白质就会完全伸展。因此，可以认为球 状蛋白质变性不能存在中间状态，只可能以天然状态或变性状态存在。即所谓的“两种状态 转变”模型。 当蛋白质受到强变性剂处理改变蛋白质的摩尔质量很大时，蛋白质的变性是不可逆 的。但在某些情况下，变性蛋白质也可以不同程度地“复原”。虽然蛋白质变性的热力学过 程很复杂，但仍然可以用简化的公式来讨论 式中：—标准吉布斯自由能变化(即等摩尔反应物中天然蛋白质体系的吉市斯自由能 与变性后平衡时，同一体系的吉布斯自由能之差)； 同样，根据范特霍夫(Van't Hoff 方程，可以计算出变性热焓△HD 几种蛋白质的参数值见表 5—11，核糖核酸酶、胰凝乳蛋白酶原和肌红蛋白的△HD 和 △SD 是正值，△G 值相对较小。核糖校酸酶因伸展而焓增大，表明天然状态比变性状态的吉 布斯自由能低，墒增大相当于伴随伸展的无序状态。在变性时，△G 增大与脂肪族、芳香族 非极性基团向水溶液中转移以及缔合水的结构被破坏有关。 有的单体蛋白分子中含有两个或更多不同稳定性的结构域，在变性过程中通常是多步 转变。因此更确切地说变性是一个逐步变化的过程，由于蛋白质的天然状态和完全变性状态 之间有许多不同程度未伸展的中间状态存在，这些中间结构相当于在各个不同阶段蛋白质构 象的改变和水分子在蛋白质中的各种分布状态。如果各步转变能彼此分开，那么可以从两种 状态模型的转变图，得到各个结构域的稳定性。寡聚蛋白的变性，首先是亚基的解离，随后 才是亚基的变性。 与其他化学反应的活化能 Ea 相比，蛋白质变性的 Ea 值大，例如，胰蛋白酶、卵清蛋 白和过氧物酶的热变性活化能分别为 167 kJ／mol、552 kJ／mol、773 kJ／mol，虽然蛋白
9．4．1 变性的热力学 蛋白质变性是生理条件下形成的折叠结构转变成为非生理条件下的伸展结构的现 象，可以通过上面介绍的方法测定蛋白质的变性。图 5—14 显示了典型的蛋白质变性曲线， 以物理或化学性质变化为纵坐标(γ 轴)，变性条件如变性剂浓度、温度或 pH 为横坐标(x 轴)作图。得到蛋白质变性程度与环境变化的相互关系。 大多数蛋白质在变性时，γ 在起始的某一阶段不随变性剂浓度(或温度)的升高而变化， 保持一个稳定值；当超过临界点后，随着变性条件的变化，Γv 将在一个较窄的变性浓度(或 温度)范围内，急剧的转变为 γ。对于大多数单体球状蛋白质，曲线的转变是陡峭的，这 表明蛋白质变性是一个协同过程。蛋白质分子一旦开始伸展或者是分子内的少数相互作用破 裂，只要略微增加变性剂的浓度或提高温度，整个蛋白质就会完全伸展。因此，可以认为球 状蛋白质变性不能存在中间状态，只可能以天然状态或变性状态存在。即所谓的“两种状态 转变”模型。 当蛋白质受到强变性剂处理改变蛋白质的摩尔质量很大时，蛋白质的变性是不可逆 的。但在某些情况下，变性蛋白质也可以不同程度地“复原”。虽然蛋白质变性的热力学过 程很复杂，但仍然可以用简化的公式来讨论 式中：—标准吉布斯自由能变化(即等摩尔反应物中天然蛋白质体系的吉市斯自由能 与变性后平衡时，同一体系的吉布斯自由能之差)； 同样，根据范特霍夫(Van't Hoff 方程，可以计算出变性热焓△HD 几种蛋白质的参数值见表 5—11，核糖核酸酶、胰凝乳蛋白酶原和肌红蛋白的△HD 和 △SD 是正值，△G 值相对较小。核糖校酸酶因伸展而焓增大，表明天然状态比变性状态的吉 布斯自由能低，墒增大相当于伴随伸展的无序状态。在变性时，△G 增大与脂肪族、芳香族 非极性基团向水溶液中转移以及缔合水的结构被破坏有关。 有的单体蛋白分子中含有两个或更多不同稳定性的结构域，在变性过程中通常是多步 转变。因此更确切地说变性是一个逐步变化的过程，由于蛋白质的天然状态和完全变性状态 之间有许多不同程度未伸展的中间状态存在，这些中间结构相当于在各个不同阶段蛋白质构 象的改变和水分子在蛋白质中的各种分布状态。如果各步转变能彼此分开，那么可以从两种 状态模型的转变图，得到各个结构域的稳定性。寡聚蛋白的变性，首先是亚基的解离，随后 才是亚基的变性。 与其他化学反应的活化能 Ea 相比，蛋白质变性的 Ea 值大，例如，胰蛋白酶、卵清蛋 白和过氧物酶的热变性活化能分别为 167 kJ／mol、552 kJ／mol、773 kJ／mol，虽然蛋白