蛋白結合與吸附 | 上篇

在生物材料的相容性研究中，蛋白質與(yu) 材料表麵的相互作用極其關(guan) 鍵，一直是研究的重點之一。此篇文章由月旭科技S席科學家王國斌博士執筆，對蛋白質的結合與(yu) 吸附進行了較為(wei) 係統的講述。

蛋白質吸附原理

蛋白質是由氨基酸亞(ya) 基組成的生物分子。每個(ge) 氨基酸都有一個(ge) 側(ce) 鏈，該側(ce) 鏈根據周圍環境的 pH 值以及其自身的極性/非極性性質而增減電荷。

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帶電區域可以極大地促進蛋白質與(yu) 其他分子和表麵的相互作用，以及其自身的三級結構（蛋白質折疊）。由於(yu) 其親(qin) 水性，帶電荷的氨基酸往往位於(yu) 蛋白質的外部，在此處它們(men) 可以與(yu) 表麵相互作用。在表麵化學方麵，蛋白質吸附是描述這些分子在材料外部聚集的一種關(guan) 鍵現象。蛋白質保持附著在表麵上的能力在很大程度上取決(jue) 於(yu) 材料特性，例如表麵能、質地和相對電荷分布。由於(yu) 氨基酸和材料表麵之間的接觸點數量更多，因此較大的蛋白質更可能吸附並保持附著在表麵上。在目標蛋白和雜質蛋白共存時，蛋白與(yu) 表麵的吸附/結合，就分為(wei) 特異性結合和非特異性結合（nonspecific binding，簡稱NSB）。

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蛋白質吸附的能量

蛋白質自發吸附的基本思想是，當釋放的能量大於(yu) 根據吉布斯自由能定律獲得的能量時，就會(hui) 發生吸附。

在等式中可以看出：

ΔG=ΔH−TΔS

• ∆是參數的淨變化

• G 是吉布斯自由能

• T 是溫度（SI 單位：開爾文）

• S 是熵（SI 單位：焦耳每開爾文）

• H 是焓（SI 單位：焦耳）

為(wei) 了使蛋白質吸附自發發生，ΔG 必須是一個(ge) 負數。

吸附率

為(wei) 了使蛋白質吸附，它們(men) 必須首先通過以下一種或多種主要的運輸機製與(yu) 表麵接觸：擴散、熱對流、整體(ti) 流動或其組合。當考慮蛋白質的運輸時，很明顯濃度梯度、溫度、蛋白質大小和流速將影響蛋白質到達固體(ti) 表麵。在低流量和最小溫度梯度的條件下，可以根據擴散速率方程對吸附速率進行建立模型。

擴散率方程

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• D 是擴散係數

• n 是蛋白質的表麵濃度

• Co 是蛋白質的最大濃度

• t 是時間

較高的堆積濃度和/或較高的擴散係數（與(yu) 分子大小成反比）會(hui) 導致大量分子到達表麵。隨之而來的蛋白質表麵相互作用導致被吸附蛋白質的局部濃度很高。

蛋白質相互作用力

蛋白質相互作用力分為(wei) 四種：離子或靜電相互作用、疏水相互作用、氫鍵作用力以及電荷轉移或粒子電子供體(ti) /受體(ti) 相互作用。前兩(liang) 種較為(wei) 常見。

離子或靜電相互作用

(Ionic or Electrostatic Interactions)

蛋白質的電荷由其氨基酸側(ce) 鏈的酸解離常數pKa以及末端氨基酸和羧酸決(jue) 定。等電點（pI）高於(yu) 所用緩衝(chong) 液 pH 值的蛋白質帶正電荷，而等電點（pI）低於(yu) 所用緩衝(chong) 液 pH 值的蛋白質帶負電荷。蛋白質的淨電荷由其成分的總電荷確定，可在生理電場中導致電泳遷移。由於(yu) 水的高介電常數，這些作用是短距離的，但是，一旦蛋白質接近帶電的表麵，靜電偶合便成為(wei) 主要的作用力，因而產(chan) 生吸附。

帶正電的氨基酸包括: 賴氨酸(Lysine)、精氨酸(arginine)、組氨酸(histidine)。

帶負電的氨基酸包括: 天冬氨酸(Aspartic acid)，穀氨酸(Glutamic acid)。

疏水相互作用

(Hydrophobic Interactions)

蛋白對於(yu) 疏水性材料表麵的吸附作用可以通過兩(liang) 個(ge) 疏水分子之間與(yu) 水分子的相互作用來理解。疏水分子也是非極性分子，通常具有不溶於(yu) 水的長碳鏈、苯環或者雜環。脂肪和水的混合是這種相互作用的一個(ge) 很好的例子，通常的理解是水和脂肪不會(hui) 混合，因為(wei) 作用在水和脂肪分子上的範德華力太弱了。脂肪滴在水中的行為(wei) 與(yu) 其分子間作用力相比，更多地與(yu) 反應的焓和熵有關(guan) 。

蛋白溶液對於(yu) 疏水性材料表麵的吸附作用是相似的。疏水的氨基酸包括：纈氨酸（Valine）, 亮氨酸（Leucine）, 異亮氨酸（Isoleucine）, 蛋氨酸（Methionine）, 苯丙氨酸（Phenylalanine）。疏水的氨基酸，尤其是苯丙氨酸，對於(yu) 疏水性材料表麵有強烈的吸附作用。疏水相互作用比其他弱分子間作用力（即範德華相互作用或氫鍵）相對更強。例如聚苯乙烯的表麵。ELISA 就是利用疏水相互作用，把蛋白均勻地，牢固地吸附於(yu) 96孔板表麵，來進行蛋白的定量檢測。

氫鍵

與(yu) 形成多肽中的任何基團一樣，水具有形成氫鍵的能力。在折疊和締合過程中，肽和氨基酸基團與(yu) 水交換氫鍵。因此，氫鍵對在水性介質中的蛋白質吸附沒有強烈的穩定作用。

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電荷轉移相互作用

電荷轉移相互作用在蛋白質穩定化和表麵相互作用中。帶電和極性基團通過形成離子對、氫鍵和其他不太具體(ti) 的靜電相互作用，賦予蛋白質重要的特性。具有可電離側(ce) 鏈的氨基酸，例如 Asp、Glu、His、Lys 和 Arg，賦予蛋白質重要的特性。Ser、Thr和Tyr的磷酸化和去磷酸化引起的電荷改變是誘導性蛋白質-蛋白質，蛋白質-極性表麵相互作用，這會(hui) 導致蛋白在表麵吸附的變化。

作者

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王國斌，美籍華人博士，在生命科學和表麵化學領域有著20多年的產(chan) 品研發經驗。曾就職於(yu) SRU Biosesystems，開發了 BIND™生物傳(chuan) 感器，現就職於(yu) BMT Biosesystems，任副總裁，管理生物醫學和診斷產(chan) 品中特殊材料及表麵應用的開發和生產(chan) 。

王國斌博士憑借在高分子化學、表麵科學、蛋白質兼容表麵等方麵的豐(feng) 富經驗，在加入月旭科技後，主持研製了“續淨一號"銀離子消毒液，並對月旭科技的蛋白純化係列產(chan) 品的研發提供了極大的技術支持。為(wei) 今後月旭科技在生命科學領域的發展注入一劑強心針。