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基本信息
| 中文名 | 疏水作用 |
| 外文名 | Hydrophobic interaction |
| 拼音 | shu shui zuo yong |
| 出處 | 《蛋白質化學進展》 |
| 類型 | 化學術語 |
| 提出者 | Kauzmann |
收起
概念
結構
蛋白質結構
隨著越來越多的蛋白質的晶體結構被解析，對蛋白質立體結構的一般規(guī)律也日益清楚。
就一個球狀蛋白質而言，它們的表面常被一層親水殘基包圍，帶有疏水側鏈的殘基原則上處于分子內部，但并不是絕對的。嚴格地說，整個蛋白質分子由里到外，疏水殘基是逐漸減少，親水殘基則不斷增多。比較而言，親水殘基出現(xiàn)在分子內部的幾率大于疏水殘基出現(xiàn)在分子表面的幾率。因為很多帶有電荷的殘基通過正負電荷的相互作用而形成鹽鍵，或者是一些殘基的側鏈參與氫鍵的形成，結果削弱了殘基的親水性，使某些側鏈的疏水性質更為突出。又例如肽鏈骨架中肽鍵內的羰基和亞胺基都有親水和形成氫鍵的特性。球狀蛋白質表面也存在著一些疏水殘基，從能量上看，是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它們有變得更為穩(wěn)定的傾向。這些殘基的側鏈往往成為蛋白質的活性位點，參與和其它分子的相互作用；或是參與亞基和亞基的相互作用，形成蛋白質的四級結構，或是自身、或是和其它分子締合。
作用機理
就膜蛋白而言，其肽鏈中穿越膜的肽段經常是形成兩親性α螺旋或β折疊。它們一個側面集中了較多的疏水性殘基，相對的另一側面存在著不少親水性殘基。有些膜蛋白具有多個穿越膜的肽段，這些肽段形成的兩親螺旋的疏水面向著膜脂質中的脂肪鏈，親水面則背對脂肪鏈，并且還以特定的方式排列，盡可能地避免和疏水環(huán)境接觸，同時相互協(xié)同形成某種親水的微環(huán)境。有些一次穿越膜的蛋白質也往往表現(xiàn)出有形成二聚或多聚化的傾向，其結果也是使穿越膜的肽段在能量上更為穩(wěn)定。
本質
疏水作用的本質來源于熵力，一個孤立系統(tǒng)出現(xiàn)平衡態(tài)是熵和能量兩方面達到最佳折衷的產物。考茲曼（W.Kauzmann）1959年指出為了減少暴露在水中的非極性表面積，任何兩個在水中的非極性表面積將傾向于結合在一起。疏水溶劑化的代價大部分源于熵，疏水效應顯著的熵特性，這暗示著隨溫度增高疏水效應的增強（前提是溫度不得破壞水中氫鍵的情況下，氫鍵破壞越多疏水表面對氫鍵形成干擾越小，疏水效應減弱）。與排空效應是類似的疏水效應能夠利用熵呈現(xiàn)出分子的自組裝。
排空效應
排空效應：當大顆粒被半徑為R的小顆粒包圍時，小顆粒能把大顆粒推到一起，以使小顆粒自身的熵最大。如果兩個表面精確匹配，則相應的單位接觸面積上的自由能減少為：
，ckBT是平衡滲透壓的范特霍夫關系，
是溶質分子數(shù)密度，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。疏水作用比起其他3個次級鍵，目前還未找到比較有效的計算方法，主要是模擬水和有機溶劑中的溶質，通過轉移自由能ΔG來計算分配系數(shù)LogP。
折疊
結構的形成
在對蛋白質立體結構有所了解的基礎上，蛋白質化學家很自然地希望闡明蛋白質立體結構是如何形成的，即肽鏈是如何折疊的。
從Anfinsen經典的核糖核酸酶的還原和重氧化實驗，得出蛋白質肽鏈折疊的基本原則：蛋白質的氨基酸序列決定了蛋白質的立體結構，即肽鏈的折疊方式。肽鏈折疊的本質，可以簡單地理解為將肽鏈中絕大多數(shù)的疏水殘基包裹到分子內部。這種包裹或是說折疊，卻不是任意的。一條肽鏈可以有無數(shù)種可能的折疊方式——空間構象，但最終形成的是有活性的特定構象。
從蛋白質變性研究了解到，肽鏈松散是一個快速過程，變性后肽鏈在合適條件下的再折疊基本上是變性的逆過程，同樣也是十分快速的。目前對折疊過程，基本上有2種不同的假設。一種假設認為，肽鏈中的局部肽段先形成一些構象單元即α螺旋、β折疊和β轉角等二級結構，然后再是二級結構的組合、排列形成蛋白質的三級結構；另一種假設認為，首先是肽鏈內部的疏水作用起作用，產生一個塌陷過程，然后經調整，形成不同層次的結構。盡管是不同的假設，但是很多學者都認為有一個所謂“熔球態(tài)”的中間狀態(tài)。在熔球態(tài)中，蛋白質的二級結構已基本形成，蛋白質的整體空間結構也初具規(guī)模。在熔球態(tài)時，分子立體的結構再作一些局部調整，最后形成正確的立體結構。這些局部調整可以理解為內部一些殘基之間的疏水/親水平衡的“完善”。就糖蛋白而言，整個蛋白質立體結構的形成和糖基化也有一定關系。糖殘基或糖鏈是親水性較強的基團，加到肽鏈上明顯地改變了分子的疏水/親水平衡。
傳送及定位
蛋白質的傳送
在細胞質中合成的新生肽鏈，有相當一部分被傳送并定位到細胞內的不同細胞器上，或被分泌到細胞外。折疊成為特定空間構象的肽鏈，表面帶有大量的親水基團，雖然在細胞質中很容易被傳送，但是不能通過脂質構成的細胞器膜。因此，定位在一些細胞器（例如線粒體）上的蛋白質，其新生肽鏈合成后，往往是和某種蛋白質伴侶結合，以屏蔽新生肽鏈表面的疏水殘基，便于傳送，一旦到達其定位的細胞器表面，肽鏈和蛋白質伴侶解離，依靠前導的信號肽以及其它一些蛋白質復合體的幫助，或是定位在一些細胞器的膜中，或是通過細胞器膜，進入細胞器的腔內。進入內質網的新生肽鏈，在內質網內的一些（可溶性的或膜結合的）蛋白質伴侶的“質量”監(jiān)控下，折疊和組裝為成熟的蛋白質。折疊不正確的肽鏈和組裝不正確的寡聚蛋白都不能進入高爾基體，因而不能被正確定位到其它細胞器或被分泌到細胞外。最近發(fā)現(xiàn)某些脂質分子也可以幫助膜蛋白肽鏈的折疊，起到蛋白質伴侶的作用。這更說明，只要能降低肽鏈間的疏水作用而使它們不能聚集的分子，不論是蛋白質還是脂質，都有可能幫助肽鏈折疊形成正確的構象，都可成為蛋白質伴侶。
蛋白質的定位
在體液中，一些疏水的分子輸送非常困難。所幸的是，在體液中存在著多種這些疏水分子的運載蛋白。不僅有各種不同的載脂蛋白以專一性較廣的方式運輸著不同的脂質類分子（包括脂肪、膽固醇等），而且還有一些非常專一的運載蛋白負責著一些特殊疏水分子的運輸，如維生素B12結合蛋白、視黃醇/甲狀腺素運載蛋白（transthyretin）等。同樣，親水分子通過質膜，一定要越過能障。可欣慰的是，質膜中存在著不同類型的離子和分子通道。它們是通過膜蛋白的肽段在質膜中以特定方式排列而成的。如一些神經遞質受體蛋白，多數(shù)由幾個亞基組成，每個亞基又分別有螺旋穿越質膜，同時排列成中間親水的通道。最近還發(fā)現(xiàn)了水通道蛋白。
介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向與把疏水殘基埋藏在分子的內部，這一現(xiàn)象稱為疏水作用，它在穩(wěn)定蛋白質的三維結構方面占有突出地位。疏水作用其實并不是疏水基團之間有什么吸引力的緣故，而是疏水基團或疏水側鏈出自避開水的需要而被迫接近。
蛋白質溶液系統(tǒng)的熵增加是疏水作用的主要動力。當疏水化合物或基團進入水中時，它周圍的水分子將排列成剛性的有序結構即所謂籠形結構（clathrate structure）。與此相反的過程（疏水作用），排列有序的水分子（籠形結構）將被破壞，這部分水分子被排入自由水中，這樣水的混亂度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驅動的自發(fā)過程。
構象病
朊病毒
目前，和瘋牛病有關的蛋白質PrP被一些學者稱為“朊病毒”。瘋牛病的發(fā)生，從分子水平看，是蛋白質分子形態(tài)的改變，由原來的單個球狀分子變成了纖維狀的聚集態(tài)。此外有2個和早老性癡呆有關的蛋白質，在病變時也發(fā)生聚集，它們是β淀粉樣蛋白（Aβ）和Tau蛋白。這些蛋白質在病變時的一個共同特點是，分子中β折疊增加，進而導致分子聚集，對蛋白水解酶的抗性增大。瘋牛病的發(fā)生，既沒有也不需要有DNA復制，也沒有作為病原體的蛋白質增加，因此，將PrP稱為“朊病毒”并不確切。將瘋牛病等有關的疾病稱為蛋白質“構象病”更合適。發(fā)生瘋牛病時，PrP中一些α螺旋如何轉變?yōu)棣抡郫B？目前還不太清楚。有人假設很可能存在一種起著去折疊作用的未知的X蛋白質。最近研究表明，PrP蛋白質中特定肽鍵的斷裂是引起變構的原因。另一方面，關于病變時Aβ和Tau蛋白的聚集的分子機制則有所報道。Aβ是一個前體大分子蛋白質N-端約50個氨基酸殘基構成的肽段，經酶解斷裂后很容易聚集。可能在前體分子中，這段肽和分子內的其它肽段存在著相互作用，故不發(fā)生該肽段間的相互作用，一旦從完整分子中游離出來，就可能和同樣的碎片肽段聚集。
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