蛋白质的等电点、水化层和双电层

蛋白质是两性电解质，分子中的可解离基团主要是侧链基团，也包括末端氨基和羧基。蛋白质也有等电点，即所带净电荷为零的pH值。多数蛋白等电点为中性偏酸，约5左右。偏酸的如山羊胃蛋白酶，等电点为3；偏碱的如鱼精蛋白，约为12。

关于胃蛋白酶的等电点，网上流传为1，是将等电点与稳定pH混淆了。胃蛋白酶的稳定pH范围在0.5-5，最适pH约1.8-4左右。天冬氨酸的等电点才2.77，一般蛋白质的等电点不会比这个值更低。

胃蛋白酶的等电点，引自BRENDA

蛋白质的等电点主要由肽链中的侧链基团决定。蛋白质种多数可解离基团分布在分子表面，但也可以有少量基团埋藏在分子内部，对等电点没有贡献。蛋白质中可解离基团的pK值与相应氨基酸接近，但并不完全相同。

蛋白质在等电点时净电荷为零，因此没有同种电荷的排斥，所以不稳定，溶解度最小，容易聚集沉淀。同时其粘度、渗透性、膨胀性以及导电能力均为最小。各种蛋白的等电点不同，在电场中移动的方向和速度也不同，所以可用电泳来分离提纯蛋白质。

蛋白质中的解离基团可以与溶液中离子结合，所以等电点其实与溶液的离子组成有关。在没有其它盐类存在时，蛋白质质子供体解离出的质子与质子受体结合的质子数相等时的pH称为等离子点。严格来说，蛋白质的等离子点才是常数。

蛋白质是大分子，在水溶液中的颗粒直径在1-100纳米之间，是一种分子胶体，具有胶体溶液的性质，如布朗运动、丁达尔现象、电泳、不能透过半透膜及吸附其它物质等。利用半透膜如玻璃纸、火胶棉等可将蛋白质与小分子物质分开，称为透析，在蛋白质纯化时经常采用。

多数球状蛋白表面有很多极性基团，易吸附水分子，形成水化层。它既使蛋白溶于水，又可隔离蛋白，使其不易沉淀。一般每克蛋白可吸附0.3到0.5克水。

水化层与蛋白质的生物功能密切相关。在没有水的情况下，几乎所有的生物大分子都是无活性的。水化层对于蛋白质结构的稳定和特定位点的功能特别重要。研究表明，水化层的水分子是有序的，也是动态变化的。刚性水分子阻碍蛋白质的功能，而移动的、刚性较小的水结构对其活性有利（PNAS, 2002）。

蛋白质的水化层，引自PNAS, 2002

蛋白分子表面的可解离基团带相同电荷时，可与周围的反离子构成稳定的双电层，增加蛋白质的稳定性。这也是蛋白质能形成稳定胶体的原因之一。所以沉淀蛋白时一般会将pH调到等电点，同时破坏其水化层和双电层。

蛋白质的双电层示意图