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1、山东大学 硕士学位论文 蛋白质模型分子水溶液中溶质-溶质相互作用的热力学研究 姓名：庞现红 申请学位级别：硕士 专业：物理化学 指导教师：于丽 20080922 山东大学硕：J ：学位论义 摘要 蛋白质是许多生物现象的重要物质基础。氨基酸是重要的生物活性物质， 是组成蛋白质的基本结构单位，被认为是理论研究中最重要的生物模型化合物： 酰胺因为含有一些多肽链单元，多肽链单元含有酰基和非极性残基，已成为研 究水溶液里肽链性质的模型化合物。糖类和羟基化合物能够稳定球形蛋白质的 天然构象，而有机溶剂对蛋白质的溶解性、变性行为、折叠和解折叠及酶的活性 等都有很大影响。通过研究水溶液中氨基酸、酰胺与有机溶剂
2、化合物的热力学性 质，既可以获得水溶液中溶剂化的溶质分子间的相互作用方面的信息，又有助于 了解有机溶剂化合物对蛋白质的稳定机理及氨基酸、酰胺在蛋白质中的构象稳定 性和解折叠过程中所担当的角色。 本论文主要由以下几部分组成： 第一部分：概述了蛋白质模型分子体系溶液热力学的研究状况。 第二部分：选择六种典型氨基酸一甘氨酸、L 丙氨酸、L 丝氨酸、L 缬氨 酸、L 脯氨酸、L 苏氨酸为研究对象，用L K B 2 2 7 7 热活性检测仪的流动混合测 量系统测定了2 9 8 1 5K 、3 0 3 1 5K 和3 1 0 1 5K 时它们与2 ，2 ，2 三氟乙醇( T E F ) 在 水溶液中的混合
3、焓及各自的稀释焓，根据M c M i l l a n - M a y e r 理论关联得到各级异 系焓相互作用系数，从溶质一溶质相互作用角度，研究了氨基酸与2 ，2 ，2 一三氟乙 醇分子间的相互作用机制，并探讨了温度的影响。 结果表明：( 1 ) 氨基酸与2 ，2 ，2 三氟乙醇分子间的k 均为正值，说明两种溶 质分子混合过程中吸热效应占优势，不同氨基酸与2 ，2 ，2 三氟乙醇分子间的b 值的不同主要取决于不同氨基酸分予侧链结构的差异。( 2 ) - - - 个温度下氨基酸与 2 ，2 ，2 三氟乙醇分子间的k 值有较大的差异。3 1 0 1 5K 时氨基酸与2 ，2 ，2 - 三氟乙 醇
4、分子间的焓对相互作用系数均大于2 9 8 1 5K 和3 0 3 1 5K 时的数值。说明当温 度升高时，由于氢键的协同作用加大了分子间的疏水相互作用，增强了羟基的部 分去水化作用，且温度越高，氢键的协同作用越明显，所以3 1 0 1 5K 时氨基酸 与2 , 2 ，2 三氟乙醇的k 出现较大的正值，这可能是2 ，2 ，2 三氟乙醇可以作为可逆 变性剂的一个主要原因。( 3 ) 脯氨酸具有独特的n 比咯环结构，它们在确定多肽性 质方面具有特殊的重要性。结果表明吡咯环具有较大的疏水作用，而且脯氨酸与 山东大学硕士学位论文 2 ，2 ，2 三氟乙醇分子作用的k 值是随着温度的递增而递增的。 第三部
5、分：研究氨基酸2 9 8 1 5K ( 甘氨酸、L 丙氨酸、L - 丝氨酸、L 缬氨酸、 L 脯氨酸、L 苏氨酸) 和N ，N 二甲基乙酰胺( D M A C ) 分别与二甲亚砜分子间 的异系焓相互作用，根据得到的焓对相互作用系数讨论了氨基酸和N ，N 二甲基 乙酰胺分别与二甲亚砜分子的作用机制，得到结论如下： ( 1 ) 水溶液中上述六种氨基酸、D M A C 与二甲亚砜的相互作用均为吸热过 程，焓对作用系数表现为正值。在2 9 8 1 5K 时，模型化合物与二甲亚砜异系焓 对相互作用系数出现了以下顺序：h o ( G l y ) 0 ) ，但自由能会因分子聚集而损失掉( 厶G O 亲水-
6、亲水作用 g ( x x ) 取X X ) O 根据这种定性的分类方法，C a s t r o n u o v o ! t t - 1 4 3 0 1 等提出了一个用于定性描述溶 液中两个溶剂化溶质分子间相互作用方式的模型，即优先构型模型，认为分子最 可取的构型是使有利相互作用最大，例如亲水亲水、疏水疏水作用，而使不利相 互作用最小，例如亲水疏水作用，从而使得对水结构具有相似作用的基团处于 并列状态，而具有非相似作用的基团趋于远离。这一模型成功地用于解释水溶液 中的手性识别( C h i r a lR e c o g n i t i o n ) 1 3 1 】。 1 2 2 1 酰胺分子间的同
7、系和异系相互作用 为避免氨基酸双电荷带来的复杂性，无电荷的氨基酸衍生物或酰胺常用于肽 肽，肽尿素作用的模型，因此这里主要以酰胺为例讨论生物模型体系中溶质 溶质相互作用。有关这种作用类型的对作用系数研究很多【1 1 1 4 1 ，常利用基团加合 法P 2 1 将这些数据转化成基团相互作用参数，两种溶质A 和B 的自由能对作用系 数为： g A B = 蝴州q ( 1 - 5 ) 其中，n a 是溶质A 中基团i 的数目，G t - 是溶剂化基团i 与溶剂化基团j 之间的 自由能相互作用系数。研究发现：酰胺分子中亚甲基亚甲基，一级肽基一级肽 基及二级肽基二级肽基之间的相互作用是吸引的，而亚甲基与一
8、级肽基和二级 肽基之间的相互作用是排斥的。最明显的结果是二级肽基之间的吸引力作用要比 l O 山东大学硕士学位论文 一级肽基之间的吸引力大得多。 1 2 3 溶剂化与溶质溶质相互作用的关系 溶剂化与溶质溶质相互作用作为生物模型体系溶液热力学性质研究的两个 方面一直都是人们感兴趣的课题。L i l l e y 等人通过大量的研究发现两者之间存在 一种潜在的联系：溶质溶剂化作用越强，则溶质溶质相互作用越弱【2 。 1 3 氨基酸溶液的焓性质研究现状 1 3 1 溶液中稀释焓 在氨基酸稀释焓方面，有许多关于非极性侧链氨基酸的研究1 3 3 3 4 1 。 H u m p h r e y l 3 5
9、1 等用流动量热法测定了L 丙氨酸、L 精氨酸、L 半胱氨酸、甘氨酸、 L 丝氨酸、L 缬氨酸水溶液的稀释焓，计算了溶液组分的偏摩尔焓，引用文献中 水的活度数据1 1 3 J 计算了水的偏摩尔熵。结果表明在具有非极性侧链氨基酸的水溶 液中偏摩尔焓是负值，而在具有极性侧链氨基酸和甘氨酸水溶液中为正值。对此 作者认为在氨基酸水溶液中存在两种不同的而且截然相反的水和溶质的相互作 用，对于不同的氨基酸其影响程度不同，极性基团有利于一种作用，而非极性基 团有利于另外一种作用。 G a l l a r d 等【1 8 1 研究了侧链上具有官能团的氨基酸，用超函数的概念处理，得 到了同系列相互作用系数。结果
10、表明随着氨基酸非极性侧链的扩展，自由能系数 向正的方向增大，这反映了氨基酸之间净斥力的增大；- - O H 对同系列焓相互作 用系数有很大影响，- - O H 存在增强了亲水性，增强了溶质分子间的吸引力，对 同系列焓相互作用系数产生负的贡献。 C a s t r o n u o v o 领导的科研小组用量热法汇合体积性质对不同手性仅一氨基酸 的同系和交叉焓相互作用进行了系统的研究【1 1 1 4 3 们，得到了一些氨基酸的同系和 交叉焓对作用系数玩c ，h o o ，H D L ，从相互作用焓的角度对“手性识别”( c h i r a l r e c o g n i t i o n ) 提出了
11、热力学依据。 一些二肽【6 , 1 8 J 、三肽【3 0 州在水中的稀释焓也有报导。 1 3 2 混合溶剂中稀释焓 由于蛋白质的天然环境是含有许多有机物质的复杂水溶液环境。混合溶剂对 山东大学硕士学位论文 蛋白质、氨基酸性质有很大影响，蛋白质、氨基酸在混合溶液中与在水中的热力 学行为有较大差异。目前就氨基酸在水溶液的一些稀释焓研究报道较多，而氨基 酸在水混合溶液中的稀释焓研究报道很少。C a s t r o n u o v o 等人研究了L 和D 型的 亮氨酸分别在乙醇、多元醇和尿素水溶液中的稀释焓，讨论了溶剂的组成和结构 对亮氨酸分子的焓对作用系数的影响及亮氨酸分子不同的立体异构反映在焓对
12、 作用系数上的差劓】。浙江大学的任小玲博士、邵爽博士和李淑琴博士等分别研 究了甘氨酸、L 丝氨酸、L 丙氨酸在乙醇水溶液、D M F 水溶液、葡萄糖水溶液、 蔗糖水溶液等混合溶剂中的稀释焓，获得有意义的结果o 佩3 7 】可见对不同的混 合水溶液中氨基酸的稀释行为加以研究是很有必要的也是很有意义的o 1 3 3 混合溶剂中的焓相互作用 从氨基酸混合溶剂中k 与溶剂结构的关系，探讨的是溶剂介入后溶质一溶 质分子相互作用的规律。而异系焓作用系数k 可以直接反映出溶液中两个溶剂 化的溶质分子靠近时相互作用的热效应。用流动量热法，通过测得的稀释焓和二 者混合焓实验结果，利用过量焓理论可以关联得到两种溶
13、质分子间的交叉焓对作 用系数k 。利用此焓作用系数可以探讨溶质与溶质分子直接作用的情况。邵爽 和刘华姬等人研究了含有不同侧链的几种典型氨基酸在乙醇水溶液、D M F 水溶 液、葡萄糖水溶液、蔗糖水溶液、尿素、甲脲、卤化钠、杂环化合物等混合溶剂 中的稀释焓和异系焓，获得了令人满意的结果3 。 1 4 选题思路及研究内容 氨基酸是重要的生物活性物质，是组成蛋白质的基本结构单位。在蛋白质中 存在的2 0 种天然氨基酸中，甘氨酸是最简单的氨基酸，丙氨酸是带有非极性侧 链C H 3 的氨基酸，缬氨酸是带有更长非极性侧链C ( C H 3 ) 2 的氨基酸，丝氨酸是带 有极性侧链C H 2 0 H 的氨基
14、酸，苏氨酸侧链( 一C H ( C C H s ) O H ) 同时含有极性羟基和 菲极性烷基，而脯氨酸带有五元毗咯环。这几种氨基酸是最具有代表性的氨基酸， 在研究氨基酸低聚物( 二肽、三肽、四肽等) 的热力学性质时，往往也是从这几 种氨基酸中选择几种，组成小肽加以研究。 对于一切生命过程，水起着极为主要的作用，它维持着生物系统的平衡。综 上所述，通过对水溶液中氨基酸的各种热力学性质研究，可以获得各种氨基酸在 水中的作用及对生命系统功能控制的机制。然而大多数蛋白质的天然环境并不是 单纯的水溶液，而是含有许多有机物质的复杂环境。有机溶剂对蛋白质的溶解度、 1 2 山东大学硕：L 学位论文 变性行
15、为、解缔成次一级结构和酶的活性等都有很大影响。然而有关蛋白质、氨 基酸在具有一定生物功能分子与水组成的混合溶剂中的热力学性质研究目前还 很不够。 2 ，2 ，2 三氟乙醇( 英文名称为2 ，2 ，2 - T r i f l u o r o e t h a n o l ，简称T E F 或T F E A ) 简称三氟乙醇，是一种重要的脂肪族含氟中间体，由于其独特的物理化学性质以 及特殊的分子结构，使得其具有与其他醇类不同的性能，可以参与多种有机化学 反应，在医药、农药、染料、能源、有机合成等方面具有广泛的用途。除此之外， 近几年研究表明，T E F 对蛋白质和酶的作用比较引人注目1 4 2 -
16、4 5 1 。 二甲亚砜( d i m e t h y I f o x i d e 简称D M S O ) 是一种非质子极性溶剂。由于它对化 学反应具有特殊溶媒效应和对许多物质的溶解特性，一向被称为“ 万能溶媒“ 。 它具有消炎、止痛、利尿、镇静和促进伤口愈合的功能，对肌体具有很强的渗透 能力和对其他药物的携带、增效作用。因此，D M S O 在石油、化工、医药、电 子、合成纤维、塑料、印染等行业中广泛用作溶剂 4 6 。目前，二甲亚砜在医疗 作用方面的研究取得了很大的进展，经过多年的动物实验和临床试验证明二甲皿 砜的毒性很低，未见有损伤性的生理作用。近些年来，由于国外第三代喹诺酮类 抗菌药物的发展，使之D M S O 的应用领域不断扩展。 非电解质水溶液对于研究生物体系中弱的非键相互作用具有重要意义。尤其 是单糖和肽的模型分子的水溶液可以帮助解释糖蛋白和肽基团之问的分子内相 互作用及糖蛋白中的糖类部位和蛋白水解酶之
