生物化學與分子生物學:第四節(jié)　蛋白質的理化性質

蛋白質是由氨基酸組成的大分子化合物，其理化性質一部分與氨基酸相似，如兩性電離、等電點、呈色反應、成鹽反應等，也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、膠體性、變性等。

一、蛋白質的膠體性質

蛋白質分子量頗大，介于一萬到百萬之間，故其分子的大小已達到膠粒1～100nm范圍之內。球狀蛋白質的表面多親水基團，具有強烈地吸引水分子作用，使蛋白質分子表面常為多層水分子所包圍，稱水化膜，從而阻止蛋白質顆粒的相互聚集。

與低分子物質比較，蛋白質分子擴散速度慢，不易透過半透膜，粘度大，在分離提純蛋白質過程中，我們可利用蛋白質的這一性質，將混有小分子雜質的蛋白質溶液放于半透膜制成的囊內，置于流動水或適宜的緩沖液中，小分子雜質皆易從囊中透出，保留了比較純化的囊內蛋白質，這種方法稱為透析(dialysis)。

蛋白質大分子溶液在一定溶劑中超速離心時可發(fā)生沉降。沉降速度與向心加速度之比值即為蛋白質的沉降系數S。校正溶劑為水，溫度20℃時的沉降系數S20·w可按下式計算：

式中X為沉降界面至轉軸中心的距離，W為轉子角速度，W2X為向心加速度，dX/dt為沉降速度。單位用S，即Svedberg單位，為1×1013秒，分子愈大，沉降系數愈高，故可根據沉降系數來分離和檢定蛋白質。

二、蛋白質的兩性電離和等電點

蛋白質是由氨基酸組成的，其分子中除兩端的游離氨基和羧基外，側鏈中尚有一些解離基，如谷氨酸、天門冬氨酸殘基中的γ和β-羧基，賴氨酸殘基中的ε-氨基，精氨酸殘基的胍基和組氨酸的咪唑基。作為帶電顆粒它可以在電場中移動，移動方向取決于蛋白質分子所帶的電荷。蛋白質顆粒在溶液中所帶的電荷，既取決于其分子組成中堿性和酸性氨基酸的含量，m.bhskgw.cn/jianyan/又受所處溶液的pH影響。當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質游離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子(zwitterion,凈電荷為O)，此時溶液的pH值稱為蛋白質的等電點(isoelectric point,簡寫pI)。處于等電點的蛋白質顆粒，在電場中并不移動。蛋白質溶液的pH大于等電點，該蛋白質顆粒帶負電荷，反之則帶正電荷。

各種蛋白質分子由于所含的堿性氨基酸和酸性氨基酸的數目不同，因而有各自的等電點。

凡堿性氨基酸含量較多的蛋白質，等電點就偏堿性，如組蛋白、精蛋白等。反之，凡酸性氨基酸含量較多的蛋白質，等電點就偏酸性，人體體液中許多蛋白質的等電點在pH5.0左右，所以在體液中以負離子形式存在。

三、蛋白質的變性

天然蛋白質的嚴密結構在某些物理或化學因素作用下，其特定的空間結構被破壞，從而導致理化性質改變和生物學活性的喪失，如酶失去催化活力，激素喪失活性稱之為蛋白質的變性作用(denaturation)。變性蛋白質只有空間構象的破壞，一般認為蛋白質變性本質是次級鍵，二硫鍵的破壞，并不涉及一級結構的變化。

變性蛋白質和天然蛋白質最明顯的區(qū)別是溶解度降低，同時蛋白質的粘度增加，結晶性破壞，生物學活性喪失，易被蛋白酶分解。

引起蛋白質變性的原因可分為物理和化學因素兩類。物理因素可以是加熱、加壓、脫水、攪拌、振蕩、紫外線照射、超聲波的作用等；化學因素有強酸、強堿、尿素、重金屬鹽、十二烷基磺酸鈉(SDS)等。在臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用于消毒及滅菌。反之，注意防止蛋白質變性就能有效地保存蛋白質制劑。

變性并非是不可逆的變化，當變性程度較輕時，如去除變性因素，有的蛋白質仍能恢復或部分恢復其原來的構象及功能，變性的可逆變化稱為復性。例如，前述的核糖核酸酶中四對二硫鍵及其氫鍵。在β�矌�基乙醇和8M尿素作用下，發(fā)生變性，失去生物學活性，變性后如經過透析去除尿素，β�矌�基乙醇，并設法使疏基氧化成二硫鍵，酶蛋白又可恢復其原來的構象，生物學活性也幾乎全部恢復，此稱變性核糖核酸酶的復性。

許多蛋白質變性時被破壞嚴重，不能恢復，稱為不可逆性變性。

四、蛋白質的沉淀

蛋白質分子凝聚從溶液中析出的現象稱為蛋白質沉淀(precipitation)，變性蛋白質一般易于沉淀，但也可不變性而使蛋白質沉淀，在一定條件下，變性的蛋白質也可不發(fā)生沉淀。

蛋白質所形成的親水膠體顆粒具有兩種穩(wěn)定因素，即顆粒表面的水化層和電荷。若無外加條件，不致互相凝集。然而除掉這兩個穩(wěn)定因素(如調節(jié)溶液pH至等電點和加入脫水劑)蛋白質便容易凝集析出。

圖1-20 蛋白質膠體顆粒的沉淀

從圖1-0可以看出，如將蛋白質溶液pH調節(jié)到等電點，蛋白質分子呈等電狀態(tài)，雖然分子間同性電荷相互排斥作用消失了。但是還有水化膜起保護作用，一般不致于發(fā)生凝聚作用，如果這時再加入某種脫水劑，除去蛋白質分子的水化膜，則蛋白質分子就會互相凝聚而析出沉淀；反之，若先使蛋白質脫水，然后再調節(jié)pH到等電點，也同樣可使蛋白質沉淀析出。

引起蛋白質沉淀的主要方法有下述幾種：

(一)鹽析(Salting Out)

在蛋白質溶液中加入大量的中性鹽以破壞蛋白質的膠體穩(wěn)定性而使其析出，這種方法稱為鹽析。常用的中性鹽有硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等。各種蛋白質鹽析時所需的鹽濃度及pH不同，故可用于對混和蛋白質組分的分離。例如用半飽和的硫酸銨來沉淀出血清中的球蛋白，飽和硫酸銨可以使血清中的白蛋白、球蛋白都沉淀出來，鹽析沉淀的蛋白質，經透析除鹽，仍保證蛋白質的活性。調節(jié)蛋白質溶液的pH至等電點后，再用鹽析法則蛋白質沉淀的效果更好。

(二)重金屬鹽沉淀蛋白質

蛋白質可以與重金屬離子如汞、鉛、銅、銀等結合成鹽沉淀，沉淀的條件以pH稍大于等電點為宜。因為此時蛋白質分子有較多的負離子易與重金屬離子結合成鹽。重金屬沉淀的蛋白質常是變性的，但若在低溫條件下，并控制重金屬離子濃度，也可用于分離制備不變性的蛋白質。

臨床上利用蛋白質能與重金屬鹽結合的這種性質，搶救誤服重金屬鹽中毒的病人，給病人口服大量蛋白質，然后用催吐劑將結合的重金屬鹽嘔吐出來解毒。

(三)生物堿試劑以及某些酸類沉淀蛋白質

蛋白質又可與生物堿試劑(如苦味酸、鎢酸、鞣酸)以及某些酸(如三氯醋酸、過氯酸、硝酸)結合成不溶性的鹽沉淀，沉淀的條件應當是pH小于等電點，這樣蛋白質帶正電荷易于與酸根負離子結合成鹽。

臨床血液化學分析時常利用此原理除去血液中的蛋白質，此類沉淀反應也可用于檢驗尿中蛋白質。

(四)有機溶劑沉淀蛋白質

可與水混合的有機溶劑，如酒精、甲醇、丙酮等，對水的親和力很大，能破壞蛋白質顆粒的水化膜，在等電點時使蛋白質沉淀。在常溫下，有機溶劑沉淀蛋白質往往引起變性。例如酒精消毒滅菌就是如此，但若在低溫條件下，則變性進行較緩慢，可用于分離制備各種血漿蛋白質。

(五)加熱凝固

將接近于等電點附近的蛋白質溶液加熱，可使蛋白質發(fā)生凝固(coagulation)而沉淀。加熱首先是加熱使蛋白質變性，有規(guī)則的肽鏈結構被打開呈松散狀不規(guī)則的結構，分子的不對稱性增加，疏水基團暴露，進而凝聚成凝膠狀的蛋白塊。如煮熟的雞蛋，蛋黃和蛋清都凝固。

蛋白質的變性、沉淀，凝固相互之間有很密切的關系。但蛋白質變性后并不一定沉淀，變性蛋白質只在等電點附近才沉淀，沉淀的變性蛋白質也不一定凝固。例如，蛋白質被強酸、強堿變性后由于蛋白質顆粒帶著大量電荷，故仍溶于強酸或強減之中。但若將強堿和強酸溶液的pH調節(jié)到等電點，則變性蛋白質凝集成絮狀沉淀物，若將此絮狀物加熱，則分子間相互盤纏而變成較為堅固的凝塊。

五、蛋白質的呈色反應

(一)茚三酮反應(Ninhydrin Reaction)

α－氨基酸與水化茚三酮(苯丙環(huán)三酮戊烴)作用時，m.bhskgw.cn/shiti/產生藍色反應，由于蛋白質是由許多α－氨基酸組成的，所以也呈此顏色反應。

(二)雙縮脲反應(Biuret Reaction)

蛋白質在堿性溶液中與硫酸銅作用呈現紫紅色，稱雙縮脲反應。凡分子中含有兩個以上－CO－NH－鍵的化合物都呈此反應，蛋白質分子中氨基酸是以肽鍵相連，因此，所有蛋白質都能與雙縮脲試劑發(fā)生反應。

(三)米倫反應(Millon Reaction)

蛋白質溶液中加入米倫試劑(亞硝酸汞、硝酸汞及硝酸的混和液)，蛋白質首先沉淀，加熱則變?yōu)榧t色沉淀，此為酪氨酸的酚核所特有的反應，因此含有酪氨酸的蛋白質均呈米倫反應。

此外，蛋白質溶液還可與酚試劑、乙醛酸試劑、濃硝酸等發(fā)生顏色反應。