蛋白质热变性现象的研究

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1、第31卷第4期内蒙古师范大学学报自然科学(汉文)版Vol.31No.42002年12月JournalofInnerMongoliaNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Dec.2002蛋白质热变性现象的研究1,22萨楚尔夫,罗辽复(1.内蒙古师范大学物理系;2.内蒙古大学理工学院物理系,内蒙古呼和浩特010022)摘要:从构象渐变的观点,对蛋白质热变性现象进行了系统的分析,发现以前用二态模型无法解释的实验数据,可以用渐变的观点做出合理的解释.给出在实验中可以进一步验证热变性过程具有构象渐变特征的预测结果.关键词:蛋白质热变性;二态假说;

2、构象渐变中图分类号:Q61文献标识码:A文章编号:1001-8735(2002)04-0337-06由于蛋白质的生物活性是由其天然构象所决定的,长期以来人们对蛋白质分子结构特性的研究,主要集中在精确测定蛋白质天然态构象方面.随着实验技术的进步和研究领域的扩大,通过研究发现,蛋白质的非天然态构象在某些过程中起着非常重要的作用,主要表现在:①蛋白质折叠问题和蛋白质的稳定性.蛋白质折叠问题是研究蛋白质天然结构是如何形成的,即具有一定氨基酸序列的多肽链如何形成蛋白质所特有的空间构象.蛋白质分子易受外界因素(温度、变性剂)影响而发生构象变化,从而丧失生物学活性,引起物理化学性质的异常变

3、化,这一过程称为蛋白质变性.由于使不同蛋白质变性所对应的外界条件存在着很大的差异,所以不同蛋白质具有不同的稳定性;②蛋白质分子穿越生物膜的转运机制.为了能够穿越脂双层膜,某些蛋白质必须首先由天然态构象转变为部分变性态的构象,实验中观察发现,这一过程既可以在一定条件下自发进行,也可以在解折叠酶的协助下完成;③蛋白酶水解.研究工作显示,蛋白质变性后处于非天然构象态时,它将成为蛋白酶水解的目标,主要表现为蛋白质的水解速度加快,蛋白质的水解部位有较多增加.鉴于以上原因,有必要深入研究蛋白质处于非天然态的构象时,这些非天然构象态所具有的结构特性.为了研究这些特性,必须使蛋白质分子处于非

4、天然的构象态,即促使蛋白质变性.在实验中可以采用不同的方法使蛋白质变性,最常用的方法有两种:①用化学变性剂使蛋白质变性;②通过对蛋白质溶液加热使蛋白质变性.蛋白质变性的原因是由于蛋白质分子的空间结构的变化所导致的,蛋白质变性时维系其空间结构的次级键被破坏,原有的空间结构解体,整个分子的形状由天然蛋白紧密的球形结构伸展为松散的无特定空间结构的链状分子.长期以来,一般认为蛋白质的变性是一个全或无的变化过程,即分子直接由天然态转变为完全伸[1～3]展的变性态,这个变化过程称为二态过程,描述这种变化过程的模型称为二态模型假说.提出这一假说的实验根据是,在变性因素逐渐增加的情况下,用不

5、同的物理化学方法测定某些收稿日期:2002-03-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(39960023)作者简介:萨楚尔夫(1962-),男(蒙古族),内蒙古呼和浩特市人,内蒙古师范大学副教授,博士.·338·内蒙古师范大学学报自然科学(汉文)版第31卷蛋白质的伸展程度,所得到的实验数据落在同一条S型变性曲线上.由于不同物理化学方法反映不同的分子构象变化,这一结果似乎说明,在变性过程中蛋白质分子构象变化只有天然和完全变性两种状态.从二态假说出发,对已知其结构和功能的蛋白质,在平衡条件下利用化学热力学方法作为基本研究方法,研究蛋白质在变性过程中表现出的构象变化方面的信息.然

6、而,通过分析变性剂诱导的蛋白质变性实验的结果,发现真实蛋白质变性过程与二态模型描述的过程并不完全相符.在分析有关实验事实的基础上,我们提出了蛋白质变性过程的渐变模[4]型,即蛋白质变性是分子构象逐步变化的过程.蛋白质的热变性是蛋白质变性研究中非常重要的内容,而以往的研究成果均以二态假说加以解释,因此本文根据蛋白质变性是构象渐变过程的观点,对热变性过程进行了分析,并对以前二态模型所得的结果做了重新讨论和解释.1描述蛋白质热变性过程的二态模型蛋白质分子在一定温度的溶液中,经过一定时间后,将发生变性现象.热变性发生的原因在于温度升高使分子内的振动增强,从而破坏了蛋白质空间结构的次级

7、键,导致蛋白质三维结构的松散而产生热变性.蛋白质热变性的实验资料已积累很多,单结构域蛋白质的热变性过程常常表现为S型曲线.在研究中一般采用二态模型对S型热变性曲线进行分析,认为蛋白质在热变性过程中仅有两个状态,即天然蛋白质状态(N)和完全变性蛋白质状态(D).蛋白质在加温条件下,其中一部分蛋白质分子由天然态直接变到完全变性态,其余蛋白质分子仍处于天然态;随着温度的升高,将有更多的蛋白质分子从天然态转变到完全变性态;当温度达到较高值时,全部蛋白质分子都将处于完全变性态.核糖核酸酶(RNaseA酶)的热变性