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1、第45卷第9期2000年5月简报蛋白质变性中的熵-焓互补现象*刘磊杨超郭庆祥(中国科学技术大学化学系,合肥230026.*联系人,Email:qxguo@ustc.edu.cn)摘要根据3000多组热力学实验数据发现,在蛋白质变性过程中普遍存在熵-焓互补现象.研究表明,伴随蛋白质变性发生的水分子重组是这种熵-焓互补现象的根源.熵-焓互补使蛋白质变性只发生小范围的自由能变化,既满足了生理过程的要求,又不必牺牲蛋白质的生物多样性.此外,熵-焓互补理论对于理解蛋白质变性的Privalov熵-焓收敛之迷具有重要意义.关键词熵-焓互补蛋白质变性水分子重组作为在分子水平上理解生命现象的中心问题之
2、一,蛋白质变性一直吸引着科学家的研究[1]兴趣.蛋白质变性在医药科学食品科学生物技术乃至人们日常生活中都占有重要地位.尽[2]管该领域的研究已取得很大进展,但人们对于诸如天然蛋白质稳定性的驱动力以及Privalov[3]熵-焓收敛之迷等一些问题仍然知之甚少.[4]物理化学研究为蛋白质变性提供了基本数据.迄今为止,对于各种蛋白质在不同条件下[57]的变性,已经积累了大量精确的热力学数据,并对这些数据开展了系统的研究.本文报道蛋白质变性中的熵-焓互补现象及其理论解释.我们共收集了3089组有关蛋白质变性的热力学数据,每组数据包括焓变(DHT)熵变(DST)自由能变化(DGT)以及热容变化
3、(DCP).这些数据全部按照(1)(3)式转化成298K时的数值,其中假设DCP不随温度变化.DH298K=DHT+DCP(T298K-T),(1)T298KDS298K=DST+DCPln,(2)TDG298K=DH298K-298DS298K.(3)DH298K与T298KDS298K之间,以及DH298K与DG298K之间线性回归给出了如下结果(图1):T298KDS298K=0.910DH298K-12.76(r=0.991,sd=15.75,n=3089,P<0.0001),(4)DG298K=0.090DH298K+12.76(r=0.595,sd=15.75,n=308
4、9,P<0.0001).(5)在DH298K-TDS298K回归方程(4)中,对于如此庞大的样本(n=3089),相关系数达到了0.991,的确十分惊人.其中,0.910的斜率表明DH298K的变化中有91%被相应DS298K的变化所抵消,结果只有9%贡献于DG298K.相比之下,在DH298K-DG298K回归方程(5)中,相关系数只有0.595.有趣的是,0.090的直线斜率表明只有9%的焓变对自由能变化作出贡献,与(4)式对应,其余91%的焓变被熵变抵消(或互补).线性回归结果显示蛋白质变性中熵变和焓变发生了互补.在化学[812]和生物学中熵-焓互补是一个十分有趣的研究课题.目
5、前,对于蛋白质变性中熵-焓互补的本质还缺乏理论解释.这里,我们提出了一种描述蛋白质变性中熵-焓互补现象的模型.考虑一个含有一定量蛋白质的水溶液体系,溶液中有5[13]种可分辨的物种达到了平衡,即W/w,N/w,W/n,U/w和W/u.其中,大写字母表示某一物种的化学本质,如水(W)天然蛋白质(N)和变性蛋白质(U);之后的小写字母描述某一物种所感受到的环境约束.例如,W/w表示了一个在水溶液本体中的水分子,它仅被其他水分子所包918简报第45卷第9期2000年5月围.然而,W/u表示一个处于变性蛋白质分子的水合壳层中的水分子,它与该蛋白质分子直接接触.这样,该溶液体系在常温(T)常压
6、(P)下的焓值(H)为H=hN/wnN/w+hU/wnU/w+hW/nnW/n+hW/unW/u+hW/wnW/w,(6)其中,h表示偏摩尔焓,n表示某一物种的量.考虑到蛋白质的变性由一系列准静态过程构成.其中每一微元过程的焓变(dH)对应着微元量(dnN/w)的天然蛋白质发生了变性.根据Gibbs-Duhem方程,整个蛋白质变性的焓变(DH)可以表达为DH=òdH=ò(hN/wdnN/w+hU/wdnU/w+hW/ndnW/n+hW/udnW/u+hW/wdnW/w)=ò[(hN/w-hU/w)dnN/w+hW/ndnW/n+hW/udnW/u+hW/wdnW/w].(7)类似地,
7、熵变(DS)和自由能变化(DG)分别为DS=ò[(sN/w-sU/w)dnN/w+sW/ndnW/n+sW/udnW/u+sW/wdnW/w](8)和DG=ò[(mN/w-mU/w)dnN/w+mW/ndnW/n+mW/udnW/u+mW/wdnW/w]=ò(mN/w-mU/w)dnN/w,(9)这里,s和m分别代表了偏摩尔熵和化学势.有趣的是,自由能变化中的末3项可以被消去.这[14]是由于整个系统在准静态过程的每一步中处于热力学平衡,因此,下列化学势始
