蛋白質的變性及其原因

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簡介

蛋白質是我們身體系統中非常重要的基本單位之一，它透過牛奶、乳酪、堅果等不同的食物產品供應給我們的身體。變性涉及破壞蛋白質結構中許多弱鍵。這些弱鍵或鍵合（如氫鍵）為蛋白質分子提供了有序的結構。蛋白質結構在變性過程中發生的改變通常會導致功能特性、化學和物理特性等特性的改變。蛋白質變性過程發生在不同的化學條件下。pH 值、溫度和其他化學活性的變化會擾亂蛋白質結構中存在的弱鍵，導致球狀蛋白質結構展開，螺旋結構解旋。

什麼是蛋白質的變性？

變性是一個生化過程，可以定義為蛋白質分子二級結構、三級結構或四級結構的任何變化，這些變化破壞了共價鍵。摺疊的蛋白質由蛋白質中存在的弱分子內相互作用（即靜電、疏水和範德華相互作用）以及蛋白質與溶劑之間的相互作用之間的平衡組成。當蛋白質結構變性時，通常只有二級和三級蛋白質結構發生改變，而相比之下，一級結構中存在的氨基酸之間形成的肽鍵保持完整。當正常蛋白質受到溫度變化時，蛋白質結構會展開，導致形成氨基酸的單鏈結構。

蛋白質變性的原因

蛋白質的變性被定義為結構上的改變，通常會導致其永久失去生物學特性。不同的物理和化學條件會導致蛋白質變性。一些主要原因如下所示：

• 破壞諸如氫鍵之類的弱鍵——當我們試圖改變溫度、pH 值或其他化學活性時，蛋白質結構中存在的這種弱相互作用會受到干擾。這破壞了蛋白質的有序結構。

• 提供的高水平熱能——當加熱到其等電點時，這可以透過蛋白質的凝固來破壞氫鍵。

• pH 值的變化——這將由於結構的展開而改變蛋白質的電荷值，這又將改變蛋白質的溶解度。

• 新增有機溶劑——酒精或丙酮等有機溶劑充當變性劑，用於增加變性蛋白質的溶解性。

• 壓力的影響——蛋白質的疏水相互作用在非常高的壓力下開始減弱，這會導致蛋白質變性。

蛋白質變性過程

蛋白質的變性狀態對於理解蛋白質的展開過程非常重要。任何化學或物理變化都會導致蛋白質變性。例如，如果我們煮雞蛋，此處提供的熱量會破壞蛋白質的分子結構。結果，存在的液體物質會轉變為半固體物質。同樣，當我們打雞蛋時，由於動能的變化，蛋白質的分子結構再次受到破壞。通常，變性過程是不可逆的。但是，該過程僅在某些特殊情況下才能逆轉，這就是蛋白質的復性。

蛋白質的結構

蛋白質的結構更加複雜。它們是大分子，具有四種不同的結構型別。它們是：一級結構、二級結構、三級結構和四級結構。

• 一級結構——氨基酸由一個氨基和一個羧基組成。由於單個氨基酸中存在兩個官能團，因此它們可以透過形成肽鍵來形成長鏈。此處形成的肽鍵是某個氨基酸的 -NH_2 基團與另一個氨基酸的 -COOH 之間的鍵。如果在蛋白質分子中的肽鏈末端我們有一個遊離的羧基，則稱為 C 端或羧基端蛋白質，如果我們有一個遊離的氨基，則稱為 N 端或氨基端蛋白質。總共 20 種不同的 α-氨基酸用於構建蛋白質結構。用於氨基酸的名稱以縮寫形式書寫，這簡化了蛋白質書寫序列。因此，

  • 蛋白質的一級結構揭示了連線在一起形成肽鏈的氨基酸的精確排列。

  • 多個多肽鏈連線在一起形成蛋白質結構。這些多肽鏈中的氨基酸以特定序列組織，該序列對蛋白質是獨一無二的。鏈中氨基酸序列的變化會改變整個蛋白質。

• 二級結構——蛋白質的二級結構不是簡單的一條多肽鏈，有兩種型別，α-螺旋和β-摺疊結構。

  • α-螺旋結構——在這種螺旋鏈結構中，氨基酸側鏈中存在的取代基延伸到外部。在這種情況下，當肽鏈扭曲成右手螺旋時會形成氫鍵，其中一個氨基酸的 -NH 基團與螺旋相鄰部分的 -CO 基團形成氫鍵。

  • β-摺疊結構——在這種情況下，多肽鏈彼此展開，然後透過氫鍵連線。在β-摺疊結構中形成的氫鍵位於兩條鏈之間。它是鏈間連線，而不是鏈內連線。此處，片層結構由彼此相鄰的兩條鏈組成。這一次，相鄰鏈的氨基和一條鏈的羰基建立氫鍵。

• 三級結構——在這種排列中，為了獲得最大的穩定性，蛋白質分子的結構會發生彎曲和扭曲。此處形成的氫鍵位於側鏈中存在的基團之間。像二硫鍵一樣，這些氫鍵可以連線在測序方面彼此分離的兩條鏈段。氨基酸側鏈上存在的負電荷和正電荷位點之間的離子相互作用以及二硫鍵的形成有助於穩定蛋白質的三級結構。

• 四級結構——蛋白質結構由多個稱為蛋白質亞基的多肽鏈組成。在同二聚體中，亞基部分可能相同，而在異二聚體中，這些部分是不同的。四級結構處理蛋白質亞基彼此之間的相互作用及其排列，以形成大的聚集體和複雜的蛋白質結構。鹽橋、二硫鍵和氫鍵共同作用以維持蛋白質的這種複雜結構。

結論

在天然狀態下，蛋白質結構摺疊成明確定義的並具有三維結構。蛋白質結構在變性過程中發生的改變通常會導致功能特性、化學和物理特性等特性的改變。只有某些蛋白質可以透過去除變性劑並重新建立有利於蛋白質天然狀態的條件來恢復其原始結構。蛋白質有四個不同的結構層次：一級結構、二級結構、三級結構和四級結構。

常見問題

1. 蛋白質變性過程對人類來說為什麼重要？

在消化過程中，胃中的鹽酸 HCl 有助於分解食物中的蛋白質成分，這有助於身體更容易地吸收營養。如果沒有分解蛋白質的複雜二級和三級結構，消化將非常困難。

2. 蛋白質摺疊的過程是什麼？

蛋白質結構獲取其有用形狀的過程稱為摺疊。蛋白質只能盤繞和摺疊成特定的形狀來執行其生物學功能。

3. DNA 是蛋白質嗎？

DNA 本身不是蛋白質，但在細胞核中包含一種稱為組蛋白的蛋白質分子。

4. 蛋白質的型別有哪些？

蛋白質的七種型別是激素蛋白、結構蛋白、收縮蛋白、儲存蛋白、轉運蛋白、酶和抗生素。

5. 我們在哪裡可以找到蛋白質？

在我們的日常生活中，我們以食物的形式攝入蛋白質，例如種子、堅果、肉類和魚類、豆類和扁豆、乳製品、雞蛋等。