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蛋白质的电性质

http://www.jk21.com 蛋白质  2005年9月15日编缉

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  蛋白质是典型的两性高分子物质。它是数百个(或更多个)的许多种类的氨基酸(以及其他成份)按照严格的组成和排列方式缩合而成的,缩合反应的通式为:

  H2N-CHRa-COOH + H2N-CHRb-COOH -→ H2N-CHR-CO-NH-CHR’-COOH

  上式中的Ra和Rb分别代表第一种和第二种氨基酸中除了H2N-CH-和-COOH的其余部分。缩合反应生成的 -CONH- 键称为肽键(上式右端的中间部分)。两个氨基酸分子的缩合物称为二肽,多个氨基酸分子按此缩合的产物为多肽。分子量再大的是胨,更大的就成为蛋白质。

  肽键受酸、碱或酶的作用会水解而断裂,恢复原来的羧基和氨基,即是上面的逆反应。从蛋白质水解产物的成分可得知蛋白质的组成。

  蛋白质是许多个氨基酸分子的缩合物,常见的蛋白质,每分子是由数百个多种氨基酸分子缩合而成。每个蛋白质分子中都含有多个未产生缩合反应的自由的羧基、氨基和其他化学活性基团(分子量为10万的蛋白质, 分子中约含100个正电基和100个负电基)。这使蛋白质的化学性质十分活泼。和氨基酸相似,蛋白质的羧基和氨基使它的分子在不同位置上分别带负电与正电,成为两性分子。这是蛋白质的一个重要特点,其他大分子物质很少有这种性质。

  蛋白质分子中两种电荷的数量随溶液pH而变。在高pH下的负电荷较强而正电荷较弱,有剩余负电;但在低pH下则相反,正电荷超过负电荷,有剩余正电。

  胶体物质的电荷可用电泳法直接测定。将样品置于直流电场中,带电的粒子就向相反电荷的电极移动,在显微镜下可以看到。根据移动的方向可判断它的电荷为正或负,根据它的移动速度和所用的电压可算出它的表面电动电位(ζ电位)。

  捷克Vasatko院士最早研究了甜菜汁中蛋白质的电性质。在pH3时电泳速度为零,即等电点为3。在pH3以下带正电,pH1时的电泳速度为0.6×10-5cm/s。在pH3以上带负电,电泳速度随pH升高而增大,如pH5时为0.6×10-5cm/s,pH7时为1.4×10-5cm/s。苏联西林教授的研究亦说明,甜菜糖汁中蛋白质的等电点在pH3~4之间。

  著名英国专家Bennett测定了多种甘蔗汁中蛋白质的电动电位(mV)和pH的关系,典型的结果如下图。

  可见,蔗汁中的蛋白质在pH低于3.5时带正电,pH越低正电越强;在pH高于3.5时带负电,pH越高负电越强。这和上述氨基与羧基的离解性质完全一致。在pH3.5时,电位为零,即它的正电与负电相等,处于等电状态。这说明蔗汁蛋白质的等电点为pH3.5。他测出的几种蔗汁的结果和此接近。我们在60年代曾以广东当时的主要品种甘蔗的蔗汁进行类似测定,结果大致相同,蛋白质的等电点在3~4之间。

  不同蛋白质的等电点是不一样的,它主要决定于蛋白质分子的组成和其中活性基团的数量。含酸性基多者,负电荷较强,等电点就较低。一些常见的蛋白质的等电点如下:鸡卵清蛋白4.6,牛乳球蛋白5.1,酪蛋白4.6,白明胶4.9。甘蔗与甜菜汁中蛋白质的等电点都在3~4之间,这是由于它们含有较多的含两个羧基的氨基酸 -- 天冬氨酸和谷氨酸,以及这些蛋白质时常和酸性的多糖体相结合。

  过去,有人根据蔗汁在pH6~7开始产生凝聚作用,提出蛋白质或胶体的等电点为6或者7。其实在这些pH下,蔗汁中的蛋白质和多种胶体物质都是带负电的,它们的凝聚是与阳离子(主要是钙镁离子)结合产生、并通过磷酸钙沉淀而强化的,如果没有钙离子,就不会发生凝聚作用。

  蛋白质分子含大量的正、负电基团,善于和溶液中的阴离子和阳离子结合,最常见的是和Ca2+、Mg2+、HPO42-、HCO3ˉ等的结合。这些结合比较稳固。蛋白质与相反电荷离子结合后,原有的电荷减弱(被结合的离子在电场中亦随蛋白质分子一起运动)。这些作用类似一般的化学反应,服从质量作用定律。结合离子的数量随溶液中该种离子浓度的升高而增加,反应有一定的平衡常数。这种作用对蛋白质的性质有很大影响。

  蛋白质与钙离子相结合的作用在生物液体中是很普遍的。Bennett曾详细研究了蔗汁中蛋白质和钙的作用,测出蛋白质结合的钙量。它随汁中钙离子浓度升高而增大,并随pH升高而增大(后者是因为pH高时蛋白质带负电较多)。在pH5时蛋白质结合的钙量为每1mg蛋白氮(约6.25mg蛋白质)结合0.1~0.5mg钙离子,相当于1g蛋白质结合钙0.02~0.8g。结合物的离解常数K随pH值而变,在pH5时为1.4×10-2。


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