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蛋白结合与吸附 | 上篇

2022-07-14

在生物材料的相容性研究中,蛋白质与材料表面的相互作用极其关键,一直是研究的重点之一。此篇文章由月旭科技S席科学家王国斌博士执笔,对蛋白质的结合与吸附进行了较为系统的讲述。

蛋白质吸附原理

蛋白质是由氨基酸亚基组成的生物分子。每个氨基酸都有一个侧链,该侧链根据周围环境的 pH 值以及其自身的极性/非极性性质而增减电荷。

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带电区域可以极大地促进蛋白质与其他分子和表面的相互作用,以及其自身的三级结构(蛋白质折叠)。由于其亲水性,带电荷的氨基酸往往位于蛋白质的外部,在此处它们可以与表面相互作用。在表面化学方面,蛋白质吸附是描述这些分子在材料外部聚集的一种关键现象。蛋白质保持附着在表面上的能力在很大程度上取决于材料特性,例如表面能、质地和相对电荷分布。由于氨基酸和材料表面之间的接触点数量更多,因此较大的蛋白质更可能吸附并保持附着在表面上。在目标蛋白和杂质蛋白共存时,蛋白与表面的吸附/结合,就分为特异性结合和非特异性结合(nonspecific binding,简称NSB)。

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蛋白质吸附的能量

蛋白质自发吸附的基本思想是,当释放的能量大于根据吉布斯自由能定律获得的能量时,就会发生吸附。

在等式中可以看出:

ΔG=ΔH−TΔS

• ∆是参数的净变化

• G 是吉布斯自由能

• T 是温度(SI 单位:开尔文)

• S 是熵(SI 单位:焦耳每开尔文)

• H 是焓(SI 单位:焦耳)

为了使蛋白质吸附自发发生,ΔG 必须是一个负数。

吸附率

为了使蛋白质吸附,它们必须首先通过以下一种或多种主要的运输机制与表面接触:扩散、热对流、整体流动或其组合。当考虑蛋白质的运输时,很明显浓度梯度、温度、蛋白质大小和流速将影响蛋白质到达固体表面。在低流量和最小温度梯度的条件下,可以根据扩散速率方程对吸附速率进行建立模型。

扩散率方程

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• D 是扩散系数

• n 是蛋白质的表面浓度

• Co 是蛋白质的最大浓度

• t 是时间

较高的堆积浓度和/或较高的扩散系数(与分子大小成反比)会导致大量分子到达表面。随之而来的蛋白质表面相互作用导致被吸附蛋白质的局部浓度很高。

蛋白质相互作用力

蛋白质相互作用力分为四种:离子或静电相互作用、疏水相互作用、氢键作用力以及电荷转移或粒子电子供体/受体相互作用。前两种较为常见。

离子或静电相互作用

(Ionic or Electrostatic Interactions)

蛋白质的电荷由其氨基酸侧链的酸解离常数pKa以及末端氨基酸和羧酸决定。等电点(pI)高于所用缓冲液 pH 值的蛋白质带正电荷,而等电点(pI)低于所用缓冲液 pH 值的蛋白质带负电荷。蛋白质的净电荷由其成分的总电荷确定,可在生理电场中导致电泳迁移。由于水的高介电常数,这些作用是短距离的,但是,一旦蛋白质接近带电的表面,静电偶合便成为主要的作用力,因而产生吸附。

带正电的氨基酸包括: 赖氨酸(Lysine)、精氨酸(arginine)、组氨酸(histidine)。

带负电的氨基酸包括: 天冬氨酸(Aspartic acid),谷氨酸(Glutamic acid)。

疏水相互作用

(Hydrophobic Interactions)

蛋白对于疏水性材料表面的吸附作用可以通过两个疏水分子之间与水分子的相互作用来理解。疏水分子也是非极性分子,通常具有不溶于水的长碳链、苯环或者杂环。脂肪和水的混合是这种相互作用的一个很好的例子,通常的理解是水和脂肪不会混合,因为作用在水和脂肪分子上的范德华力太弱了。脂肪滴在水中的行为与其分子间作用力相比,更多地与反应的焓和熵有关。

蛋白溶液对于疏水性材料表面的吸附作用是相似的。疏水的氨基酸包括:缬氨酸(Valine), 亮氨酸(Leucine), 异亮氨酸(Isoleucine), 蛋氨酸(Methionine), 苯丙氨酸(Phenylalanine)。疏水的氨基酸,尤其是苯丙氨酸,对于疏水性材料表面有强烈的吸附作用。疏水相互作用比其他弱分子间作用力(即范德华相互作用或氢键)相对更强。例如聚苯乙烯的表面。ELISA 就是利用疏水相互作用,把蛋白均匀地,牢固地吸附于96孔板表面,来进行蛋白的定量检测。

氢键

与形成多肽中的任何基团一样,水具有形成氢键的能力。在折叠和缔合过程中,肽和氨基酸基团与水交换氢键。因此,氢键对在水性介质中的蛋白质吸附没有强烈的稳定作用。

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电荷转移相互作用

电荷转移相互作用在蛋白质稳定化和表面相互作用中。带电和极性基团通过形成离子对、氢键和其他不太具体的静电相互作用,赋予蛋白质重要的特性。具有可电离侧链的氨基酸,例如 Asp、Glu、His、Lys 和 Arg,赋予蛋白质重要的特性。Ser、Thr和Tyr的磷酸化和去磷酸化引起的电荷改变是诱导性蛋白质-蛋白质,蛋白质-极性表面相互作用,这会导致蛋白在表面吸附的变化。

作者

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王国斌,美籍华人博士,在生命科学和表面化学领域有着20多年的产品研发经验。曾就职于SRU Biosystems,开发了 BIND™生物传感器,现就职于BMT Biosystems,任副总裁,管理生物医学和诊断产品中特殊材料及表面应用的开发和生产。

王国斌博士凭借在高分子化学、表面科学、蛋白质兼容表面等方面的丰富经验,在加入月旭科技后,主持研制了“续净一号"银离子消毒液,并对月旭科技的蛋白纯化系列产品的研发提供了极大的技术支持。为今后月旭科技在生命科学领域的发展注入一剂强心针。