疏水作用（生物术语）

疏水作用

生物术语

疏水作用是指水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子内部的现象。疏水作用及疏水和亲水的平衡在蛋白质结构与功能的方方面面都起着重要的作用。疏水作用的本质来源于熵力，一个孤立系统出现平衡态是熵和能量两方面达到最佳折衷的产物。疏水作用比起其他3个次级键，目前还未找到比较有效的计算方法，主要是模拟水和有机溶剂中的溶质，通过转移自由能ΔG来计算分配系数LogP。疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。

引言

疏水作用及疏水和亲水的平衡在蛋白质结构与功能的方方面面都起着重要的作用。

概念

提出

1959年，Kauzmann在《蛋白质化学进展》上发表了一篇题为“影响蛋白质变性的一些因素”的文章，首次明确提出“疏水作用”这一概念。在当时，生物化学家已经知晓蛋白质中含有α螺旋和β折叠；一些蛋白质和多肽的序列已经测定；但是蛋白质的立体结构还正在测定中。

实验描述

与此同时，Tanford等为疏水作用的存在提供了实验数据。从此以后，疏水作用的概念被蛋白质化学家所接受。目前，不同实验室对20种氨基酸的疏水特性分别提出了不同的参数。对一个蛋白质肽链中的每个氨基酸残基也通常使用亲/疏水作图法(hydropathy)描述。通过亲/疏水作图法可以了解整条肽链中不同肽段的亲/疏水性，进而可以对一些处于蛋白质分子表面的抗原决定簇及一些膜蛋白中穿越膜的肽段进行预测。

结构

蛋白质结构

随着越来越多的蛋白质的晶体结构被解析，对蛋白质立体结构的一般规律也日益清楚。

就一个球状蛋白质而言，它们的表面常被一层亲水残基包围，带有疏水侧链的残基原则上处于分子内部，但并不是绝对的。严格地说，整个蛋白质分子由里到外，疏水残基是逐渐减少，亲水残基则不断增多。比较而言，亲水残基出现在分子内部的几率大于疏水残基出现在分子表面的几率。因为很多带有电荷的残基通过正负电荷的相互作用而形成盐键，或者是一些残基的侧链参与氢键的形成，结果削弱了残基的亲水性，使某些侧链的疏水性质更为突出。

又例如肽链骨架中肽键内的羰基和亚胺基都有亲水和形成氢键的特性。球状蛋白质表面也存在着一些疏水残基，从能量上看，是处于不稳定状态，它们有变得更为稳定的倾向。这些残基的侧链往往成为蛋白质的活性位点，参与和其它分子的相互作用；或是参与亚基和亚基的相互作用，形成蛋白质的四级结构，或是自身、或是和其它分子缔合。

作用机理

就膜蛋白而言，其肽链中穿越膜的肽段经常是形成两亲性α螺旋或β折叠。它们一个侧面集中了较多的疏水性残基，相对的另一侧面存在着不少亲水性残基。有些膜蛋白具有多个穿越膜的肽段，这些肽段形成的两亲螺旋的疏水面向着膜脂质中的脂肪链，亲水面则背对脂肪链，并且还以特定的方式排列，尽可能地避免和疏水环境接触，同时相互协同形成某种亲水的微环境。有些一次穿越膜的蛋白质也往往表现出有形成二聚或多聚化的倾向，其结果也是使穿越膜的肽段在能量上更为稳定。

综上所述，蛋白质结构的特征是疏水/亲水间的平衡，其结构的稳定在很大程度上有赖于分子内的疏水作用。当然，稳定蛋白质结构的因素不仅是疏水作用，还有氢键、盐键和范德华力以及肽链内的二硫键、肽链和所含金属元素间的配位键等。但是从各种因素的贡献看，疏水作用是最重要的。

本质

疏水作用的本质来源于熵力，一个孤立系统出现平衡态是熵和能量两方面达到最佳折衷的产物。考兹曼（W.Kauzmann）1959年指出为了减少暴露在水中的非极性表面积，任何两个在水中的非极性表面积将倾向于结合在一起。疏水溶剂化的代价大部分源于熵，疏水效应显着的熵特性，这暗示着随温度增高疏水效应的增强（前提是温度不得破坏水中氢键的情况下，氢键破坏越多疏水表面对氢键形成干扰越小，疏水效应减弱）。与排空效应是类似的疏水效应能够利用熵呈现出分子的自组装。

非极性溶剂、去污剂可以破坏疏水相互作用，而高盐溶液增大疏水作用力，使蛋白溶解度下降出现盐析，常用于蛋白质沉淀。另外生物分子不同的疏水基团作用力不同，利用这个性质通过改变洗脱液的盐-水比例（改变离子强度）而改变其极性，使极性不同的组分根据疏水性的差异先后被解析下来达到分离的目的，这又被称为疏水层析法。简单的说就是“高盐吸附、低盐洗脱”，这是一种常用的蛋白质分离提纯方法。尿素、盐酸胍既能破坏氢键又能破坏疏水作用因此是蛋白质的强变性剂。

排空效应

排空效应：当大颗粒被半径为R的小颗粒包围时，小颗粒能把大颗粒推到一起，以使小颗粒自身的熵最大。如果两个表面精确匹配，则相应的单位接触面积上的自由能减少为：ΔF/A=ckBT×2R，ckBT是平衡渗透压的范特霍夫关系，c=N/V是溶质分子数密度，kB为玻尔兹曼常数，T为温度。疏水作用比起其他3个次级键，目前还未找到比较有效的计算方法，主要是模拟水和有机溶剂中的溶质，通过转移自由能ΔG来计算分配系数LogP。

ΔG液体→水溶液=－RTln（Xaq/Xliq），Xaq、Xliq是水溶液和与之接触非极性液体平衡浓度。

折叠

蛋白质立体结构的形成

在对蛋白质立体结构有所了解的基础上，蛋白质化学家很自然地希望阐明蛋白质立体结构是如何形成的，即肽链是如何折叠的。

从Anfinsen经典的核糖核酸酶的还原和重氧化实验，得出蛋白质肽链折叠的基本原则：蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的立体结构，即肽链的折叠方式。肽链折叠的本质，可以简单地理解为将肽链中绝大多数的疏水残基包裹到分子内部。这种包裹或是说折叠，却不是任意的。一条肽链可以有无数种可能的折叠方式——空间构象，但最终形成的是有活性的特定构象。

引起蛋白质变性的原因可分为物理和化学因素两类。

1．物理因素可以是加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线照射、超声波的作用等；化学因素有强酸、强碱、尿素、重金属盐、十二烷基硫酸钠(SDS)等。

2．重金属盐使蛋白质变性，是因为重金属阳离子可以和蛋白质中游离的羧基形成不溶性的盐，在变性过程中有化学键的断裂和生成，因此是一个化学变化。

3．强酸、强碱使蛋白质变性，是因为强酸、强碱可以使蛋白质中的氢键断裂。也可以和游离的氨基或羧基形成盐，在变化过程中也有化学键的断裂和生成，因此，可以看作是一个化学变化。

4．尿素、乙醇、丙酮等，它们可以提供自己的羟基或羰基上的氢或氧去形成氢键，从而破坏了蛋白质中原有的氢键，使蛋白质变性。但氢键不是化学键，因此在变化过程中没有化学键的断裂和生成，所以是一个物理变化。

5．加热、紫外线照射、剧烈振荡等物理方法使蛋白质变性，主要是破坏蛋白质分子中的氢键，在变化过程中也没有化学键的断裂和生成，没有新物质生成，因此是物理变化。否则，鸡蛋煮熟后就不是蛋白质了。而我们知道，熟鸡蛋依然有营养价值，其中的蛋白质反而更易为人体消化系统所分解吸收。

从蛋白质变性研究了解到，肽链松散是一个快速过程，变性后肽链在合适条件下的再折叠基本上是变性的逆过程，同样也是十分快速的。目前对折叠过程，基本上有2种不同的假设。一种假设认为，肽链中的局部肽段先形成一些构象单元即α螺旋、β折叠和β转角等二级结构，然后再是二级结构的组合、排列形成蛋白质的三级结构；另一种假设认为，首先是肽链内部的疏水作用起作用，产生一个塌陷过程，然后经调整，形成不同层次的结构。

尽管是不同的假设，但是很多学者都认为有一个所谓“熔球态”的中间状态。在熔球态中，蛋白质的二级结构已基本形成，蛋白质的整体空间结构也初具规模。在熔球态时，分子立体的结构再作一些局部调整，最后形成正确的立体结构。这些局部调整可以理解为内部一些残基之间的疏水/亲水平衡的“完善”。就糖蛋白而言，整个蛋白质立体结构的形成和糖基化也有一定关系。糖残基或糖链是亲水性较强的基团，加到肽链上明显地改变了分子的疏水/亲水平衡。

蛋白质的新生肽链的折叠

近年来，对蛋白质的新生肽链在体内的折叠研究已成为一个热点，发现了许多帮助肽链折叠的蛋白质，其中有些有利于二硫键的交换和配对(二硫键异构酶)与脯氨酰参与的肽键的异构化(肽基脯氨酰异构酶)，还有一大类被称为蛋白质伴侣。后者的主要特点是能和疏水性的肽段结合，一方面避免肽链因疏水作用而聚集，另一方面帮助新生肽链形成正确的空间构象。对一些具有四级结构的蛋白质，蛋白质伴侣还帮助了亚基间的装配。在胞质中有些蛋白质伴侣是由2种亚基构成的多聚体，其外形犹如带有盖的圆桶，其效果如有魔法的桶，松散的新生肽链进入，出来的便是有特定空间构象的蛋白质。

传送及定位

蛋白质的传送

在细胞质中合成的新生肽链，有相当一部分被传送并定位到细胞内的不同细胞器上，或被分泌到细胞外。折叠成为特定空间构象的肽链，表面带有大量的亲水基团，虽然在细胞质中很容易被传送，但是不能通过脂质构成的细胞器膜。因此，定位在一些细胞器(例如线粒体)上的蛋白质，其新生肽链合成后，往往是和某种蛋白质伴侣结合，以屏蔽新生肽链表面的疏水残基，便于传送，一旦到达其定位的细胞器表面，肽链和蛋白质伴侣解离，依靠前导的信号肽以及其它一些蛋白质复合体的帮助，或是定位在一些细胞器的膜中，或是通过细胞器膜，进入细胞器的腔内。

进入内质网的新生肽链，在内质网内的一些(可溶性的或膜结合的)蛋白质伴侣的“质量”监控下，折叠和组装为成熟的蛋白质。折叠不正确的肽链和组装不正确的寡聚蛋白都不能进入高尔基体，因而不能被正确定位到其它细胞器或被分泌到细胞外。最近发现某些脂质分子也可以帮助膜蛋白肽链的折叠，起到蛋白质伴侣的作用。这更说明，只要能降低肽链间的疏水作用而使它们不能聚集的分子，不论是蛋白质还是脂质，都有可能帮助肽链折叠形成正确的构象，都可成为蛋白质伴侣。

蛋白质的定位

在体液中，一些疏水的分子输送非常困难。所幸的是，在体液中存在着多种这些疏水分子的运载蛋白。不仅有各种不同的载脂蛋白以专一性较广的方式运输着不同的脂质类分子(包括脂肪、胆固醇等)，而且还有一些非常专一的运载蛋白负责着一些特殊疏水分子的运输，如维生素B12结合蛋白、视黄醇/甲状腺素运载蛋白(transthyretin)等。

同样，亲水分子通过质膜，一定要越过能障。可欣慰的是，质膜中存在着不同类型的离子和分子通道。它们是通过膜蛋白的肽段在质膜中以特定方式排列而成的。如一些神经递质受体蛋白，多数由几个亚基组成，每个亚基又分别有螺旋穿越质膜，同时排列成中间亲水的通道。最近还发现了水通道蛋白。

介质中球状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部，这一现象称为疏水作用，它在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。

蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构即所谓笼形结构(clathrate structure)。与此相反的过程（疏水作用），排列有序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。

构象病

朊病毒

目前，和疯牛病有关的蛋白质PrP被一些学者称为“朊病毒”。疯牛病的发生，从分子水平看，是蛋白质分子形态的改变，由原来的单个球状分子变成了纤维状的聚集态。此外有2个和早老性痴呆有关的蛋白质，在病变时也发生聚集，它们是β淀粉样蛋白(Aβ)和Tau蛋白。这些蛋白质在病变时的一个共同特点是，分子中β折叠增加，进而导致分子聚集，对蛋白水解酶的抗性增大。

疯牛病的发生，既没有也不需要有DNA复制，也没有作为病原体的蛋白质增加，因此，将PrP称为“朊病毒”并不确切。将疯牛病等有关的疾病称为蛋白质“构象病”更合适。发生疯牛病时，PrP中一些α螺旋如何转变为β折叠?目前还不太清楚。

有人假设很可能存在一种起着去折叠作用的未知的X蛋白质。最近研究表明，PrP蛋白质中特定肽键的断裂是引起变构的原因。另一方面，关于病变时Aβ和Tau蛋白的聚集的分子机制则有所报道。Aβ是一个前体大分子蛋白质N-端约50个氨基酸残基构成的肽段，经酶解断裂后很容易聚集。可能在前体分子中，这段肽和分子内的其它肽段存在着相互作用，故不发生该肽段间的相互作用，一旦从完整分子中游离出来，就可能和同样的碎片肽段聚集。

“构象病”

在正常情况下，Tau蛋白分子中有很多丝氨酸和苏氨酸被单个N-乙酰氨基葡萄糖基化(O-GlcNAc化)，但是病变时，同样的位点不再O-GlcNAc化，而是被磷酸化。表面看来，这2类基团都是亲水的，但O-GlcNAc是中性的，而被磷酸修饰后则变为酸性。相邻的成簇的磷酸基团间的排斥力，可能会导致Tau蛋白的构象改变，致使分子内的相互作用变成分子间的相互作用，最终同样会形成长的纤维。

因此，蛋白质“构象病”在蛋白质的研究中，绝对不是孤立的现象，完全应该也可能，从疏水作用、亲水/疏水平衡的角度，与蛋白质的折叠、蛋白质的装配、蛋白质的别构现象联系起来进行研究。

参考资料

1.影响蛋白质变性的因素·正保医学教育网