1、第四章 蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì),在國(guó)際上首先提出蛋白質(zhì)的變性理論 （1929年提出，1931年發(fā)表論文）,吳憲,每一種蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序，由這種氨基酸排列順序決定它的特定的空間結(jié)構(gòu)。,Anfinsen,-Anfinsen 原理,蛋白質(zhì)必需基團(tuán)的化學(xué)修飾和活性喪失的定量關(guān)系公式和作圖法，被稱為“鄒氏公式”和作圖法。,鄒承魯,一、熱力學(xué)函數(shù)與熱力學(xué)平衡,內(nèi)能：組成物體的所有分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子間相互作用的勢(shì)能之和。 焓(enthalpy)：是一個(gè)系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)。 它描述的是體系的一個(gè)狀態(tài)性質(zhì)，它的改變量?jī)H僅取決于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)，用符號(hào)H表示，即 H=E+pV

2、其中，E為系統(tǒng)內(nèi)能，p為其壓強(qiáng)，V則為體積 。,第一節(jié)、熱力學(xué)函數(shù)與蛋白質(zhì)構(gòu)象,熵（S）:是度量體系混亂度的熱力學(xué)函數(shù)。 從微觀的角度來(lái)看，熵具有統(tǒng)計(jì)意義，它是體系微觀狀態(tài)數(shù)(或無(wú)序程度)的一種量度。熵值小的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于比較有秩序的狀態(tài)，熵值大的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于比較無(wú)秩序的狀態(tài)。,內(nèi)能(E)和焓(H)是體系自身的性質(zhì)，要認(rèn)識(shí)它們，需憑借體系和環(huán)境間熱量和功的交換從外界的變化來(lái)推斷體系E和H的變化值。 熵也是如此，體系在一定狀態(tài)下有一定的值，當(dāng)體系發(fā)生變化時(shí)要用可逆變化過(guò)程中的熱溫熵來(lái)衡量它的變化值。,熱力學(xué)把宇宙中我們感興趣的部分定義為系統(tǒng)，諸如一個(gè)生物反應(yīng)器或一個(gè)細(xì)胞，而把其他部分叫做它的環(huán)境。

3、系統(tǒng)是開(kāi)放的還是封閉的、隔離的，取決于其是否可與環(huán)境交換物質(zhì)和能量。因?yàn)榛罴?xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、釋放代謝產(chǎn)物，并做功和放熱。因此它們是開(kāi)放系統(tǒng)。 系統(tǒng)狀態(tài)由一組狀態(tài)函數(shù)來(lái)定義。這些狀態(tài)函數(shù)包括內(nèi)能、焓、熵.,這些狀態(tài)函數(shù)可用來(lái)表示和解釋這兩個(gè)熱力學(xué)定律，經(jīng)典熱力學(xué)就是建立在這兩個(gè)定律的基礎(chǔ)上的。 熱力學(xué)第一定律：能量既不能創(chuàng)生也不能消滅。用數(shù)學(xué)方式表達(dá)為： U = 0， 其含義是，在任何隔離系統(tǒng)中系統(tǒng)儲(chǔ)藏的能量不變。 熱力學(xué)第二定律：自發(fā)過(guò)程向熵值（宇宙的總的混亂程度）增加的方向進(jìn)行。用數(shù)學(xué)方式表達(dá)為：S 0， 其含義是，在任何隔離系統(tǒng)中，不違背第一定律的過(guò)程得以進(jìn)行的最起碼的條件是該系統(tǒng)的熵值增

4、加。,熱力學(xué)第一定律闡明了任何過(guò)程都是能量守恒的， 也就是說(shuō)系統(tǒng)產(chǎn)生的能量必須由它的環(huán)境吸收。 第二定律闡明了過(guò)程的自發(fā)性取決于總的熵變，在這個(gè)重新劃定的隔離系統(tǒng)中，系統(tǒng)有序程度的增加，必須由它的環(huán)境混亂程度的更多的增加來(lái)彌補(bǔ)。,而且，過(guò)程的自發(fā)性不能單獨(dú)由所研究的系統(tǒng)的熵變來(lái)決定，因?yàn)榧词乖谙到y(tǒng)的熵減少 （ 即 S系統(tǒng)0 的情況下），放熱過(guò)程（ 即H系統(tǒng)0 ，也就是熱量從系統(tǒng)放出）也可能自發(fā)進(jìn)行。 譬如，變性的蛋白質(zhì)自發(fā)折疊成高度有序的天然構(gòu)象（系統(tǒng)的熵減少，S系統(tǒng)0 ）， 就是一例。當(dāng)然在這種情況下，宇宙的總熵還是增加的，因?yàn)榄h(huán)境的熵的增加足以抵消系統(tǒng)的熵的減少。 那么用什么量來(lái)判斷自發(fā)過(guò)

5、程好呢？,吉布斯自由能(Gibbs free energy， G):亦稱吉布斯函數(shù)，它是定溫定壓下系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)?？梢杂霉奖硎緸椋?G = H - TS其中，T為絕對(duì)溫度；S為體系的熵。 這個(gè)狀態(tài)函數(shù)是由 J. Willard Gibbs 于1878 年提出的。系統(tǒng)自由能的減少等于系統(tǒng)在恒溫、恒壓可逆過(guò)程中所做的最大有用功（不包括位移功）。在不可逆過(guò)程中系統(tǒng)所做的功必然小于體系自由能的減少。,由于活細(xì)胞中的所有生物化學(xué)過(guò)程幾乎都是在恒溫、恒壓條件下進(jìn)行的，在研究微生物的能量代謝時(shí)自然會(huì)對(duì)自由能的變化G 發(fā)生興趣。,在恒溫恒壓條件下，各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，取決于自由能的變化G 的值，但反應(yīng)

6、的G 與變化的途徑無(wú)關(guān)。當(dāng)G0 時(shí)，自發(fā)過(guò)程，被稱為是放能的（exoergic）過(guò)程，它們可以用來(lái)做功；當(dāng)G0 時(shí)，反應(yīng)已達(dá)到平衡，即其正向過(guò)程和逆向過(guò)程正好處于平衡；當(dāng)G0 時(shí)，非自發(fā)過(guò)程，被稱為吸能的（endergonic）過(guò)程，必須注入自由能才能驅(qū)動(dòng)此類(lèi)過(guò)程。,在細(xì)胞中，能直接驅(qū)動(dòng)吸能過(guò)程的自由能有兩類(lèi)供體：在細(xì)胞內(nèi)流通的能量貨幣（以ATP為代表）和能化了的生物膜（以p為代表）。 它們一般在代謝過(guò)程中形成，在代謝過(guò)程中使用，特別是它們作為細(xì)胞的組成成分，在細(xì)胞的代謝中再生和周轉(zhuǎn)。我們把這兩類(lèi)特殊能量形式叫做代謝能。,注意：雖然酶對(duì)于加速反應(yīng)非常重要，但它們并不改變反應(yīng)的 G，作為催化劑它

7、們只能加快熱力學(xué)平衡的達(dá)到，卻不能使G 0 的反應(yīng)進(jìn)行。反應(yīng)或過(guò)程的吉布斯自由能隨溫度等變化，其值可以推算。,二、熱容量,熱容量:指系統(tǒng)在某一過(guò)程中，溫度升高（或降低）1所吸收（或放出）的熱量。熱容量的單位是J/K。 系統(tǒng)的熱容量與狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程有關(guān)，與它所包含的物質(zhì)的質(zhì)量成正比，不同過(guò)程的熱容量不同。 通常規(guī)定，系統(tǒng)吸收的熱量為正值，而釋放的熱量為負(fù)值，故在系統(tǒng)吸收熱量引起溫度升高時(shí)，熱容量為正值。 量熱實(shí)驗(yàn)，特別是近幾十年發(fā)展起來(lái)的使用微分掃描量熱儀的實(shí)驗(yàn)，使得在蛋白質(zhì)的折疊或退折疊轉(zhuǎn)變過(guò)程中，直接測(cè)定熱容量的變化成為可能。,三、vant Hoff焓, Vant Hoff 規(guī)則 ：荷蘭科學(xué)

8、家范特霍夫 (Vant Hoff，1901年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者) 提出, 溫度每升高10 K, 反應(yīng)速度一般增加到原來(lái)的2-4倍，該規(guī)律被稱作 Vant Hoff 規(guī)則 。,Vant Hoff焓主要在兩態(tài)轉(zhuǎn)變模型的分析中做出了貢獻(xiàn)。,四、蛋白質(zhì)構(gòu)象與熱運(yùn)動(dòng),構(gòu)象:由于單鍵基本自由旋轉(zhuǎn)以及鍵角有一定的柔性，一種具有相同結(jié)構(gòu)和構(gòu)型的分子在空間里可采取多種形態(tài)，分子所采取的特定形態(tài)稱為構(gòu)象。 構(gòu)象角:分子的三維結(jié)構(gòu)由繞著雙原子共價(jià)鍵的旋轉(zhuǎn)來(lái)決定，圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱為構(gòu)象角,它決定了多肽鏈的一個(gè)結(jié)構(gòu) 。,熱運(yùn)動(dòng):是指蛋白質(zhì)溶液中所有分子的不停運(yùn)動(dòng)，包括了分子相對(duì)于容器的運(yùn)動(dòng)和分子內(nèi)部各部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

9、。 熱運(yùn)動(dòng)在溶液中和多肽鏈的各部分之間傳播，主要是通過(guò)多肽鏈各部分之間和多肽鏈與溶液分子之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 體系達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，在空間的一定范圍內(nèi)和在時(shí)間的一定間隔內(nèi)的平均熱運(yùn)動(dòng)能量不再發(fā)生變化，蛋白質(zhì)處于天然態(tài) 。,五、熱力學(xué)參數(shù)在分子水平上的解釋,從分子的相互作用來(lái)理解蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 為了使蛋白質(zhì)折疊起來(lái)，就需要通過(guò)多肽鏈各部分間相互作用所引起的內(nèi)能的減少來(lái)抵消構(gòu)象熵減少帶來(lái)的自由能增加。,弱的相互作用力對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的作用可以用水的性質(zhì)來(lái)理解。熵是水溶液中形成疏水基團(tuán)間結(jié)合的主要熱動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。,穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力：氫鍵、范德華力、疏水作用力和鹽鍵（離子鍵）及共

10、價(jià)二硫鍵。,1靜電相互作用,蛋白質(zhì)的折疊態(tài)與退折疊態(tài)的空間結(jié)構(gòu)不同，在水溶液中，表現(xiàn)為同一個(gè)可電離基團(tuán)附近環(huán)境的有效介電常數(shù)的變化，于是它們的pka值（酸度系數(shù)）也 不同。 靜電相互作用對(duì)折疊穩(wěn)定性潛在的重要性。,2范德華相互作用,范德華力（van der Waals interaction） ，又稱為分子間力 在物質(zhì)的聚集態(tài)中，分子間存在著一種較弱的吸引力，當(dāng)兩個(gè)不帶電荷的原子非?？拷鼤r(shí)，它們的電子云相互作用，核周?chē)娮游恢玫碾S機(jī)變化可能產(chǎn)生一個(gè)瞬間電偶。該電偶能夠誘導(dǎo)鄰近的原子產(chǎn)生一個(gè)短暫的反向電偶。這兩個(gè)電偶之間會(huì)產(chǎn)生微弱的引力,從而拉近兩個(gè)原子核。這種微弱的吸引力即為范德華力 。,范德

11、華力有三種來(lái)源： 取向力 :取向力是分子的固有偶極同極相互排斥異極相互吸引，定向排列，產(chǎn)生分子間作用力。 誘導(dǎo)力 :誘導(dǎo)力是分子的固有偶極與誘導(dǎo)偶極間的作用力，它的大小與分子的極性和變形性等有關(guān)。 色散力 :色散力是分子的瞬時(shí)偶極間的作用力，它的大小與分子的變形性等因素有關(guān)。一般分子量愈大，分子內(nèi)所含的電子數(shù)愈多，分子的變形性愈大，色散力亦愈大。 范德華力包括吸引力和斥力。,3.氫鍵（Hydrogen Bonding）,在生物相中最常見(jiàn)的氫鍵是羥基（-OH）和氨基（-NH）之間，其穩(wěn)定性遞減次序大約是OHNXONHN-NHO，這種鍵可以發(fā)生在分子間、分子內(nèi)或者二者的結(jié)合。,氫鍵對(duì)蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)

12、的穩(wěn)定作用只能來(lái)自于水-水氫鍵+鏈內(nèi)氫鍵，和水-肽鏈氫鍵兩種情況下的自由能之差。蛋白質(zhì)中有許多種氫鍵。,氫鍵在蛋白折疊過(guò)程中的作用,杜克大學(xué)的化學(xué)家們通過(guò)改變蛋白質(zhì)關(guān)鍵部位的單個(gè)原子，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)作用力較弱的氫鍵在使線形蛋白折疊成能發(fā)揮生物活性的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中有重要作用,4.疏水效應(yīng)（hydrophobic effect）,疏水效應(yīng):水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部。這一現(xiàn)象被稱為疏水作用或疏水效應(yīng). 蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增加（熵變化S為正值）是疏水作用的主要?jiǎng)恿Α?疏水作用是疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出自避開(kāi)水的需要而被迫接近。要使疏水氨基酸R基團(tuán)排除水而埋在內(nèi)部，至少需要兩層

13、二級(jí)結(jié)構(gòu)。兩種簡(jiǎn)單形式，-環(huán)（-loop）和-角（-corner）。,5.二硫鍵,二硫鍵又稱S-S鍵是共價(jià)鍵。是2個(gè)SH基被氧化而形成的-S-S-形式的硫原子間的鍵。在生物化學(xué)的領(lǐng)域中，通常系指在肽和蛋白質(zhì)分子中的半胱氨酸殘基中的鍵。 為了確定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，須在2-巰-乙醇、二硫蘇糖類(lèi)、巰基乙酸等的硫化合物與尿素等變性劑同時(shí)存在下將二硫鍵打開(kāi). 二硫鍵對(duì)肽鏈的正確折疊不是必要的，但它對(duì)穩(wěn)定折疊態(tài)結(jié)構(gòu)作出貢獻(xiàn)。RNA酶復(fù)性實(shí)驗(yàn)。,6.鹽橋或離子鍵,鹽橋或離子鍵又稱鹽鍵，它是正電荷與負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用。 鹽鍵的形成既是靜電相互作用的過(guò)程也是熵增的結(jié)果。,第二節(jié) 突變、穩(wěn)定性和折疊,一

14、、體外突變技術(shù) 概念:體外突變技術(shù)是用酶學(xué)方法和化學(xué)方法剪切或合成DNA ，將突變導(dǎo)入到克隆化的基因中，再將改變的基因重新克隆到生物體中分析該基因的功能變化的一項(xiàng)技術(shù)。 分類(lèi): 隨機(jī)突變 定點(diǎn)突變 3.應(yīng)用:研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能之間的復(fù)雜關(guān)系 。,4.具體事例： 改進(jìn)-抗胰蛋白酶 提高重組干擾素的專(zhuān)一活性 提高T4溶菌酶的熱穩(wěn)定性 磷酸丙糖異構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)改造提高其穩(wěn)定性,二、突變與熱穩(wěn)定性,1.定點(diǎn)突變對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響 氨基酸的插入和刪除、寡聚化和脯氨酸取代這三因素可以穩(wěn)定個(gè)別嗜熱蛋白。 2.導(dǎo)致熱穩(wěn)定性的因素 堆積、寡聚化、氨基酸插入和刪除、脯氨酸取代、螺旋含量、螺旋傾向、極性表面積、氫鍵

15、和鹽橋。 3.突變?cè)囼?yàn)增加蛋白質(zhì)的親鹽性 例如親鹽的蘋(píng)果酸脫氫酶中的唯一的谷氨酸替換為精氨酸。,三、蛋白質(zhì)折疊,1 . 蛋白質(zhì)折疊研究的概況 蛋白質(zhì)折疊:蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有生物活性，結(jié)構(gòu)決定功能，一維的線型氨基酸序列轉(zhuǎn)化為具有特征三維結(jié)構(gòu)的天然蛋白質(zhì)才具有生物活性，這種自我組裝的過(guò)程被稱為蛋白質(zhì)折疊。 追蹤蛋白質(zhì)重折疊的全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法： 快速核磁共振，快速光譜技術(shù)（熒光，遠(yuǎn)紫外和近紫外圓二色）等。,蛋白質(zhì)折疊技術(shù)的研究應(yīng)當(dāng)將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究與折疊過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究相結(jié)合以促進(jìn)對(duì)蛋白質(zhì)折疊機(jī)理的認(rèn)識(shí)。 “新生肽的折疊”問(wèn)題與中心法則,2蛋白質(zhì)折疊機(jī)制,Anfinsen經(jīng)典的“熱力學(xué)假說(shuō)” 認(rèn)為天

16、然蛋白質(zhì)多肽鏈采取的構(gòu)象是在一定環(huán)境條件下熱力學(xué)上最穩(wěn)定的結(jié)果，采取天然構(gòu)象的多肽鏈和它所處的一定環(huán)境條件整個(gè)系統(tǒng)的總自由能最低。蛋白質(zhì)多肽鏈折疊的過(guò)程，也就是從眾多可能的構(gòu)象中尋找系統(tǒng)自由能最低的狀態(tài)的過(guò)程。,Wolynes提出粗糙能量地形面的觀點(diǎn),即折疊是在一個(gè)折疊漏斗中進(jìn)行的。蛋白質(zhì)折疊的過(guò)程就象多溪流水從具有復(fù)雜地形結(jié)構(gòu)的山坡流下一樣，而不僅是一溪流水從一單個(gè)山谷中流下。 折疊的能量漏斗模型形象地描繪了折疊過(guò)程的多路徑性,圖 能量漏斗模型,目前對(duì)蛋白質(zhì)折疊過(guò)程的2 種假設(shè), 肽鏈中的局部肽段先形成一些構(gòu)象單元即螺旋、折疊和轉(zhuǎn)角等二級(jí)結(jié)構(gòu)，然后再是二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合、排列形成蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

17、。 首先是肽鏈內(nèi)部的疏水作用起作用，產(chǎn)生一個(gè)塌陷過(guò)程，然后經(jīng)調(diào)整，形成不同層次的結(jié)構(gòu)。 不同的假設(shè)，都有一個(gè)所謂“熔球態(tài)”的中間狀態(tài)。, 熔球體：在折疊中，第一個(gè)可觀測(cè)到的中間體是未折疊多肽卷折成局部有組織的球狀態(tài)。 分子伴侶與蛋白質(zhì)折疊 分子伴侶的功能 (1)可調(diào)節(jié)性地阻礙多肽鏈集聚 (2)具有折疊互補(bǔ)功能,即可使已形成的蛋白質(zhì)集 聚體重折疊和恢復(fù)其水溶性 (3)可以促進(jìn)折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)降解,3.蛋白質(zhì)折疊研究的最新進(jìn)展,來(lái)自巴西圣保羅州立大學(xué)，美國(guó)紐約州立石溪大學(xué),以及中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所電分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在之前研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)散(diffusion)在蛋白折疊動(dòng)力

18、學(xué)方面的重要作用。 擴(kuò)散系數(shù)隨著蛋白質(zhì)天然狀態(tài)折疊級(jí)數(shù)的增加而減小，這主要是由于構(gòu)造空間約束的一種緊密狀態(tài)的塌陷造成的。它改變折疊動(dòng)力學(xué)的比率和動(dòng)力學(xué)路徑。 這修改了經(jīng)典的轉(zhuǎn)換狀態(tài)理論，也為進(jìn)一步了解折疊機(jī)制，更加完善定量經(jīng)典轉(zhuǎn)換狀態(tài)理論提供了重要依據(jù)。,4.蛋白質(zhì)折疊研究意義及應(yīng)用前景,蛋白質(zhì)折疊研究意義 (1)最終闡明遺傳信息傳遞的全過(guò)程，完全建立了分子生物學(xué)的中心法則。 （2）蛋白質(zhì)折疊機(jī)制的闡明有助于揭示生命體內(nèi)第二套遺傳密碼的理論意義 . （3）更加完善定量經(jīng)典轉(zhuǎn)換狀態(tài)理論。,應(yīng)用前景,（1）對(duì)包涵體的復(fù)性會(huì)有重要幫助。 （2）DNA重組和多肽合成技術(shù)的發(fā)展使我們能夠按照自己的意愿設(shè)

19、計(jì)較長(zhǎng)的多肽鏈。 （3）深入了解蛋白質(zhì)折疊與錯(cuò)誤折疊的關(guān)系對(duì)于這些疾病的致病機(jī)制的闡明以及治療方法的尋找將大有幫助。 （4）蛋白質(zhì)折疊機(jī)制的闡明是我們對(duì)于蛋白質(zhì)相互作用、配體與蛋白質(zhì)的作用等結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究的基礎(chǔ)。 （5）提高蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的可靠性。,第三節(jié) 蛋白質(zhì)折疊熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué),蛋白質(zhì)折疊內(nèi)容： （1）變性的蛋白質(zhì)或多肽鏈的折疊 （2）通過(guò)三聯(lián)密碼翻譯成的氨基酸序列鏈(新生 肽鏈) 的折疊 蛋白質(zhì)折疊的研究方法 （1）X-射線晶體衍射 （2）同源模建方法 （3）從蛋白質(zhì)序列出發(fā)，直接預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)？,一、蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)研究,Anfinsen認(rèn)為,蛋白質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)在一定條件下是熱力

20、學(xué)最穩(wěn)定的,即通常的自由能極小的狀態(tài)。根據(jù)熱力學(xué)方法的特點(diǎn),熱力學(xué)只能解決某一變化的趨勢(shì)問(wèn)題,即變化的可能性問(wèn)題,而不能解決變化的現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題。 通過(guò)物理化學(xué)中學(xué)過(guò)的熵函數(shù)和吉布斯自由能,簡(jiǎn)要分析蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)中所蘊(yùn)涵的熱力學(xué)基本原理。,蛋白質(zhì)折疊研究的漏斗模型,1.熵效應(yīng),熵增加原理：在絕熱條件下，體系發(fā)生不可逆過(guò)程時(shí)，其熵值增大；而體系發(fā)生可逆過(guò)程時(shí)，其熵值不變；不可能發(fā)生熵值減小的過(guò)程。 疏水作用的主要?jiǎng)恿?lái)自于蛋白質(zhì)溶液體系的熵增效應(yīng)。 例如,疏水作用是肌紅蛋白支持其多肽鏈折疊的主要驅(qū)動(dòng)力,這種疏水作用使水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基隱藏在分子的內(nèi)部，其在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)

21、構(gòu)方面占有突出的地位。,2.吉布斯自由能變化, G總=H鏈+H溶劑- TS鏈- TS溶劑 折疊態(tài)蛋白質(zhì)與伸展態(tài)相比，是一種高度有序化的結(jié)構(gòu)，因此S鏈?zhǔn)秦?fù)數(shù)，則-TS鏈為正值。 折疊態(tài)蛋白質(zhì)中疏水側(cè)鏈主要是通過(guò)范德華力彼此相互作用。 對(duì)于典型的蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，對(duì)折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出單項(xiàng)最大貢獻(xiàn)的是疏水殘基引起的S溶劑。,3折疊/退折疊轉(zhuǎn)變,蛋白質(zhì)折疊歸根結(jié)底取決于在某溫度（T）下折疊態(tài)（F）和伸展態(tài)（U）之間的吉布斯（Gibbs）自由能差（G）： G=GFGU=HTS=（HFHU）T（SFSU） 在伸展態(tài)中多肽主鏈及其側(cè)鏈?zhǔn)桥c溶劑水（也稱介質(zhì)水或環(huán)境水）相互作用的，因此折疊時(shí)自由能變化（G）的任何測(cè)

22、量必須考慮多肽鏈和溶劑兩者對(duì)焓變化（H）和熵變化（S）的貢獻(xiàn)： G總=H鏈H溶劑TS鏈TS溶劑. 極性側(cè)鏈H鏈?zhǔn)钦?，而H溶劑是負(fù)值。對(duì)蛋白質(zhì)的極性側(cè)鏈來(lái)說(shuō)，G總接近于零，對(duì)蛋白質(zhì)折疊不作實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。,幾種蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)數(shù)據(jù), 在不同蛋白質(zhì)中總熵變化（S鏈+S溶劑）和總焓變化對(duì)折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性所做的貢獻(xiàn)的份額是不同的,折疊結(jié)構(gòu)在生理?xiàng)l件下是自由能最低的構(gòu)象，因此多肽鏈的折疊是自發(fā)過(guò)程。,4.量熱法與折疊過(guò)程熱力學(xué),量熱試驗(yàn)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種微分掃描量熱議，用它可以直接測(cè)定熱容量的變化，還可以測(cè)定焓變、熵變。,二、蛋白質(zhì)折疊的動(dòng)理學(xué)研究, 蛋白質(zhì)折疊 線性多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)最終形成具有三

23、維 結(jié)構(gòu)特征并表現(xiàn)其生物學(xué)功能的天然蛋白質(zhì)的 復(fù)雜過(guò)程。 蛋白質(zhì)折疊的步驟,1折疊動(dòng)理研究技術(shù)與方法,Levinthal puzzle：假定每個(gè)氨基酸殘基可能的構(gòu)象狀態(tài)數(shù)為j，一個(gè)有N+1個(gè)氨基酸殘基，N個(gè)肽單位的完全去折疊蛋白質(zhì)，其肽鏈可能獲得的構(gòu)象狀態(tài)數(shù)為j N。 例如j=8,一個(gè)有101個(gè)氨基酸殘基的較小的蛋白質(zhì)，其肽鏈的可能構(gòu)象狀態(tài)為8100（1089）。 如果構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)換速率為k，蛋白分子經(jīng)歷全部構(gòu)象的平均時(shí)間為： =（Nk）-1jN 例如：101個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)經(jīng)歷全部構(gòu)象的時(shí)間多于1066年。 蛋白質(zhì)的折疊不是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，而是通過(guò)特定的動(dòng)力學(xué)途徑達(dá)到天然構(gòu)象，即動(dòng)力學(xué)上最

24、容易達(dá)到的構(gòu)象。,蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的形成,蛋白質(zhì)多肽鏈正確折疊原因 某些因素在蛋白質(zhì)折疊的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中起控制作用 。 如：I型人類(lèi)胰島素生長(zhǎng)因子（IGF-I） 枯草桿菌蛋白酶(subtilisin) 蛋白質(zhì)折疊動(dòng)力學(xué)控制的研究基礎(chǔ)-熱力學(xué)假說(shuō) 蛋白質(zhì)構(gòu)象的研究方法 測(cè)定溶液中的蛋白質(zhì)分子構(gòu)象 測(cè)定晶體蛋白質(zhì)分子構(gòu)象,測(cè)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的各種方法,2.過(guò)渡態(tài),模擬的折疊過(guò)程,過(guò)渡態(tài)理論 是否適合于描述蛋白質(zhì)分子的折疊退折疊過(guò)程 ？,3折疊中間態(tài),（1）熔球態(tài)（molten globule） 主要特征: 天然態(tài)二級(jí)結(jié)構(gòu)，但三級(jí)結(jié)構(gòu)卻不完整； 它比天然態(tài)有較多的疏水區(qū)域暴露； 當(dāng)熔球態(tài)變性到伸展態(tài)時(shí)，溫度躍遷消失。 例如Goto等發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)酸導(dǎo)致肽鏈完全伸展 時(shí)，可以得到-乳球蛋白（-Lactoglobulin）、細(xì)胞色素c（cytochromec）及去輔基肌紅蛋白（apo-Mb）的熔球態(tài)。 蛋白質(zhì)折疊病,