蛋白质的变性及其原因

---

简介

蛋白质是我们身体系统中非常重要的基本单位之一，它通过牛奶、奶酪、坚果等不同的食物产品供应给我们的身体。变性涉及破坏蛋白质结构中许多弱键。这些弱键或键合（如氢键）为蛋白质分子提供了有序的结构。蛋白质结构在变性过程中发生的改变通常会导致功能特性、化学和物理特性等特性的改变。蛋白质变性过程发生在不同的化学条件下。pH 值、温度和其他化学活性的变化会扰乱蛋白质结构中存在的弱键，导致球状蛋白质结构展开，螺旋结构解旋。

什么是蛋白质的变性？

变性是一个生化过程，可以定义为蛋白质分子二级结构、三级结构或四级结构的任何变化，这些变化破坏了共价键。折叠的蛋白质由蛋白质中存在的弱分子内相互作用（即静电、疏水和范德华相互作用）以及蛋白质与溶剂之间的相互作用之间的平衡组成。当蛋白质结构变性时，通常只有二级和三级蛋白质结构发生改变，而相比之下，一级结构中存在的氨基酸之间形成的肽键保持完整。当正常蛋白质受到温度变化时，蛋白质结构会展开，导致形成氨基酸的单链结构。

蛋白质变性的原因

蛋白质的变性被定义为结构上的改变，通常会导致其永久失去生物学特性。不同的物理和化学条件会导致蛋白质变性。一些主要原因如下所示：

• 破坏诸如氢键之类的弱键——当我们试图改变温度、pH 值或其他化学活性时，蛋白质结构中存在的这种弱相互作用会受到干扰。这破坏了蛋白质的有序结构。

• 提供的高水平热能——当加热到其等电点时，这可以通过蛋白质的凝固来破坏氢键。

• pH 值的变化——这将由于结构的展开而改变蛋白质的电荷值，这又将改变蛋白质的溶解度。

• 添加有机溶剂——酒精或丙酮等有机溶剂充当变性剂，用于增加变性蛋白质的溶解性。

• 压力的影响——蛋白质的疏水相互作用在非常高的压力下开始减弱，这会导致蛋白质变性。

蛋白质变性过程

蛋白质的变性状态对于理解蛋白质的展开过程非常重要。任何化学或物理变化都会导致蛋白质变性。例如，如果我们煮鸡蛋，此处提供的热量会破坏蛋白质的分子结构。结果，存在的液体物质会转变为半固体物质。同样，当我们打鸡蛋时，由于动能的变化，蛋白质的分子结构再次受到破坏。通常，变性过程是不可逆的。但是，该过程仅在某些特殊情况下才能逆转，这就是蛋白质的复性。

蛋白质的结构

蛋白质的结构更加复杂。它们是大分子，具有四种不同的结构类型。它们是：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

• 一级结构——氨基酸由一个氨基和一个羧基组成。由于单个氨基酸中存在两个官能团，因此它们可以通过形成肽键来形成长链。此处形成的肽键是某个氨基酸的 -NH_2 基团与另一个氨基酸的 -COOH 之间的键。如果在蛋白质分子中的肽链末端我们有一个游离的羧基，则称为 C 端或羧基端蛋白质，如果我们有一个游离的氨基，则称为 N 端或氨基端蛋白质。总共 20 种不同的 α-氨基酸用于构建蛋白质结构。用于氨基酸的名称以缩写形式书写，这简化了蛋白质书写序列。因此，

  • 蛋白质的一级结构揭示了连接在一起形成肽链的氨基酸的精确排列。

  • 多个多肽链连接在一起形成蛋白质结构。这些多肽链中的氨基酸以特定序列组织，该序列对蛋白质是独一无二的。链中氨基酸序列的变化会改变整个蛋白质。

• 二级结构——蛋白质的二级结构不是简单的一条多肽链，有两种类型，α-螺旋和β-折叠结构。

  • α-螺旋结构——在这种螺旋链结构中，氨基酸侧链中存在的取代基延伸到外部。在这种情况下，当肽链扭曲成右手螺旋时会形成氢键，其中一个氨基酸的 -NH 基团与螺旋相邻部分的 -CO 基团形成氢键。

  • β-折叠结构——在这种情况下，多肽链彼此展开，然后通过氢键连接。在β-折叠结构中形成的氢键位于两条链之间。它是链间连接，而不是链内连接。此处，片层结构由彼此相邻的两条链组成。这一次，相邻链的氨基和一条链的羰基建立氢键。

• 三级结构——在这种排列中，为了获得最大的稳定性，蛋白质分子的结构会发生弯曲和扭曲。此处形成的氢键位于侧链中存在的基团之间。像二硫键一样，这些氢键可以连接在测序方面彼此分离的两条链段。氨基酸侧链上存在的负电荷和正电荷位点之间的离子相互作用以及二硫键的形成有助于稳定蛋白质的三级结构。

• 四级结构——蛋白质结构由多个称为蛋白质亚基的多肽链组成。在同二聚体中，亚基部分可能相同，而在异二聚体中，这些部分是不同的。四级结构处理蛋白质亚基彼此之间的相互作用及其排列，以形成大的聚集体和复杂的蛋白质结构。盐桥、二硫键和氢键共同作用以维持蛋白质的这种复杂结构。

结论

在天然状态下，蛋白质结构折叠成明确定义的并具有三维结构。蛋白质结构在变性过程中发生的改变通常会导致功能特性、化学和物理特性等特性的改变。只有某些蛋白质可以通过去除变性剂并重新建立有利于蛋白质天然状态的条件来恢复其原始结构。蛋白质有四个不同的结构层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

常见问题

1. 蛋白质变性过程对人类来说为什么重要？

在消化过程中，胃中的盐酸 HCl 有助于分解食物中的蛋白质成分，这有助于身体更容易地吸收营养。如果没有分解蛋白质的复杂二级和三级结构，消化将非常困难。

2. 蛋白质折叠的过程是什么？

蛋白质结构获取其有用形状的过程称为折叠。蛋白质只能盘绕和折叠成特定的形状来执行其生物学功能。

3. DNA 是蛋白质吗？

DNA 本身不是蛋白质，但在细胞核中包含一种称为组蛋白的蛋白质分子。

4. 蛋白质的类型有哪些？

蛋白质的七种类型是激素蛋白、结构蛋白、收缩蛋白、储存蛋白、转运蛋白、酶和抗生素。

5. 我们在哪里可以找到蛋白质？

在我们的日常生活中，我们以食物的形式摄入蛋白质，例如种子、坚果、肉类和鱼类、豆类和扁豆、乳制品、鸡蛋等。