1. 稳定蛋白质各级结构的作用力

• 一级结构： 肽键、二硫键、共价键

• 二级结构： 氢键（主要作用力）

• 超二级结构：疏水相互作用

• 结构域：范德华力（引力与斥力）

• 三级结构：离子键、疏水作用、范德华力

• 四级结构：配位键

在水相环境中，蛋白质倾向于折叠成球状，使其具有紧凑性、可溶性，行使复杂的功能。蛋白质在折叠过程中会把序列上相隔很远的残基拉到很近的距离，并因此能让其发生相互作用。在球状蛋白中，数以千计的残基之间相互作用，其中大部分是非极性的（即范德华力、静电、疏水相互作用），由于数量巨大，能使整个蛋白结构得以稳定，但是由于相对于共价键和氢键来说，每个非极性相互作用都很弱，因而整体结构依然是可变的，这对蛋白功能来说至关重要。

2. 抗原抗体特异性反应的作用力

• 静电引力

抗原与抗体分子带有相反电荷的氨基和羧基基团之间具有相互吸引力。例如，一方在赖氨酸电离后带阳离子的氨基残基，另一方在天门冬氨酸电离后带有阴离子化的羧基时，即可产生静电引力，两者相互吸引，可促进结合。这种引力和两电荷间的距离的平方成反比。两个电荷越接近，静电引力越强。反之，这种引力便很微弱。

• 范德华引力

这是原子与原子、分子与分子互相接近时发生的一种吸引力，实际上也是电荷引起的引力。由于抗原与抗体两个不同大分子外层轨道上电子之间相互作用，使得两者电子云中的偶极摆动而产生吸引力，促使抗原抗体相互结合。这种引力的能量小于静电引力。

• 氢键结合力

氢键是由分子中的氢原子和电负性大的原子如氮、氧等相互吸引而形成的。当具有亲水基团的抗体与相对应的抗原彼此接近时，可形成氢键桥梁，使抗原与抗体相互结合。氢键结合力较范登华引力强，并更具有特异性，因为它需要有供氢体和受氢体才能实现氢键结合。

• 疏水作用力

抗原抗体分子侧链上的非极性氨基酸(如亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸)在水溶液中与水分子间不形成氢键。当抗原表位与抗体结合点靠近时，相互间正、负极性消失，由于静电引力形成的亲水层也立即失去，排斥了两者之间的水分子，从而促进抗原与抗体间的相互吸引而结合。这种疏水结合对于抗原抗体的结合是很重要的，提供的作用力最大。

3. 弱相互作用在生物分子体系中的意义

生物分子系统中的弱相互作用力包括氢键、离子键、范德华力与疏水作用力。我们看到，单个的弱相互作用的键能是非常小的；然而，蛋白质与核酸等都是生物大分子，一个蛋白质中含有成百上千个氢键、疏水互作与范德华力，这些作用力的总和是非常可观的。所以，对于大分子来说，最稳定的(即天然的)结构通常是弱键可能性最大化的结构。

此外，生物分子体系中的各种互作是弱相互作用介导的。例如：

a. 抗原与抗体的结合是弱相互作用的累积效应。

b. 酶的大尺寸为弱相互作用提供了非常大的表面，酶与其底物的非共价结合可能涉及几个氢键和一个或多个离子相互作用，以及疏水和范德华相互作用，这些弱键的形成都有助于系统自由能的净减释放的能量是酶催化能力的主要来源。

c. 激素或神经递质与受体蛋白的结合是弱相互作用的结果。

d. 在分子水平上，相互作用的生物分子之间的互补性反映了分子表面极性、带电和疏水基团之间的互补和弱相互作用。

4. 蛋白间非特异性吸附的主要作用力

蛋白间的非特异性吸附作用力与抗原抗体之间的作用力是相同的，只不过强度不在一个数量级。

a. 静电吸引： 电荷之间的静电作用力可能导致非特异性结合。带电分子或基团可能会吸引或排斥彼此，导致结合或排斥。

抵消方法：控制实验条件，通过调整溶液的离子浓度或pH值来减小电荷之间的静电吸引。例如在系统中添加0.5M氯化钠可以显著减弱非特异性吸附。

b. 疏水作用：疏水作用是分子中非极性部分排斥水分子而趋向彼此的相互作用。这种作用力可能导致疏水区域相互靠近，促使非特异性结合。

抵消方法：引入表面修饰，例如抗粘附层，来减少疏水相互作用。例如添加非离子表面活性剂曲拉通X100、疏水性强的酪蛋白。

c. 氢键：氢键是一种特殊的非共价键，它可能在分子中带有氢的原子与带有电负性原子的分子之间形成。氢键可能在非特异性结合中发挥作用。

抵消方法：通过使用适当的氢键阻断剂，或选择对氢键结合更不敏感的试剂。例如尿素、盐酸胍、精氨酸都会破坏氢键，注意不能添加太多。

d. 范德华力： 范德华力是分子之间的一种吸引力，它是由于瞬时电荷引起的。即使在没有形成共价或离子键的情况下，分子之间也可能发生非特异性结合。

抵消方法：引入阻断剂，如合适的小分子化合物，可以与范德华力引起的非特异性结合相竞争，从而减少结合的可能性。

5. 蛋白质表面疏水性

疏水性是指非极性物质与极性环境(如水溶液)间的排斥力，热力学上，代表非极性物质溶解在水中所需的能量高低，或者该物质在水相中自聚集的趋势大小。水溶液中广泛存在着氢键，若水分子间不形成氢键，则会处于高能量状态。根据热力学理论，自然界物质会寻求最低能量的状态。因此，若在水中加入蛋白质，单个蛋白质分子表面疏水基团周围的水分子被排斥，这一部分水分子会进行重排，以减少氢键的损失。水分子在疏水表面形成的与水相主体不同的独特形态-“水笼”或“溶剂化层”,这种作用被称为“疏水水合作用”。因此当大量蛋白质分子存在于水中时，它们趋向于相互聚集，表面的疏水基团自发靠近，使周围规则排列的水分子进入水相主体，从而导致熵增加， 自由能变化为负值，即由熵驱动的过程自聚集的趋势越大，说明疏水性越强 。

对于蛋白质，表面疏水性比整体疏水性对其功能具有更大的影响，包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与其他分子间的相互作用，如抗体与抗原反应、酶与底物结合等。

蛋白质作为具有复杂空间结构的生物大分子，其构象受到所处环境的强烈影响。蛋白构象的变化必然影响分子表面氨基酸残基的分布、密度以及疏水空穴的数量，从而使表面疏水性发生变化。环境条件包括温度、溶液条件（如盐浓度、盐种类、变性剂和特殊添加剂等）都极大地影响蛋白质的表面疏水性。

温度对蛋白质的影响：维持蛋白质的空间构象需要多种作用，如氢键、范德华力、静电相互作用、疏水相互作用、二硫键等。其中前三种作用是由驱动，这些作用力随着温度升高而减弱，即在高温下是去稳定作用，而低温下起到稳定作用，另外分子中的大量肽氢键几乎都是埋藏在分子内部，因此能在较宽的温度范围内保持稳定[4]。当温度到达一定值，如50°℃以上，氢键、范德华力和静电相互作用将遭到破坏，使得蛋白质的三级和二级结构难以维系，继续升温将使二硫键断裂，引起二级结构的进一步破坏，温度超过90°C，则会导致蛋白的聚集和侧链间的化学反应，具体如下图。三级空间构象的变化必然改变蛋白质分子表面疏水区域的分布，升温引起的二级结构-α-螺旋结构、β-折叠结构等含量的变化也会影响表面疏水性。

来源：IVD二十载

声明：本网站注明来源的稿件均为转载，仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！