結構生物化學/化學鍵/疏水相互作用/疏水性尺度

疏水性尺度是生物化學家用來研究氨基酸的系統，用於相對定義氨基酸殘基的疏水性。疏水性尺度通常在負數到正數範圍內。負數範圍內的值被定義為不太疏水，而正數範圍內的值被定義為有點疏水。疏水性尺度還提供了對細胞膜內脂質和蛋白質之間相互作用的熱力學的有力見解。

水分子之間的氫鍵。

疏水性

疏水性，也稱為疏水效應，是非極性分子（如脂質）在水溶液中相互締合，同時排斥水分子的趨勢和傾向。疏水效應是當脂質和其他非極性分子破壞水的氫鍵網路並迫使其自身重新形成圍繞非極性分子時產生的。由此產生的效果是水在該特定的疏水分子周圍形成一個籠子。疏水效應在蛋白質摺疊的調節以及脂質雙層的形成和膜蛋白插入非極性脂質環境中起著至關重要的作用。

不同的疏水性尺度

有許多不同型別的疏水性尺度。以下是 MacCallum 在其疏水性尺度文章中討論的五種不同的方法，用於訪問單個氨基酸殘基或多肽的單個氨基酸突變的疏水性水平。在 Radzicka–Wolfenden 實驗中，氨基酸精氨酸的側鏈被放置在水和環己烷溶劑中。氨基酸在每層中的濃度用於計算自由能。該疏水性尺度的缺點是，環己烷作為更非極性的溶劑，不能準確地代表細胞膜的脂質雙層。MacCallum 等人的疏水性尺度評估與 Radzicka 的非常相似。唯一的區別是，MacCallum 不是使用環己烷，而是使用 DOPC，這更準確地代表了實際的脂質雙層。問題在於該模型中沒有骨架。由於一些氨基酸穿過雙層，因此會看到“水缺陷”，因為它的電荷會吸引並拉動水。Wimley–White 使用 1-辛醇和水滴以及五肽 Ace-WLxLL 替代。他們每次更換一個氨基酸。這更現實地代表了細胞膜，因為它考慮了多肽骨架的影響。他們還測量了每種溶劑中五肽的比例。Moon–Fleming 使用蛋白質 OmpLA，該蛋白質可以在水中處於展開狀態或在插入膜內時處於摺疊狀態。透過突變 ompLA 來改變平衡。測量是從使用熒光光譜法獲得的。Hessa 等人使用蛋白質前導肽酶。他們在前導肽酶上連線了一個 H 段，這是一個 19 個殘基長的鏈，以及 H 段上的 2 個糖基化位點。透過分析糖基化位點，他們可以預測 H 段是否已插入膜內。這五個實驗都測量了氨基酸穿過膜時的自由能轉移。當歸一化後，這些疏水性尺度彼此之間具有很好的相關性。注意：應該記住，這些實驗並不完全代表生物系統內的疏水性，因為它們沒有考慮已經存在於細胞膜內的膜蛋白，這些蛋白可能與我們的氨基酸相互作用。 下面的影像顯示了五個提到的實驗的系統和環境。

檔案：Hydrophobicity1.jpg

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疏水性尺度的重要性

儘管所有蛋白質中有 20-30% 是膜蛋白，但在蛋白質資料庫中已知的結構中，只有不到 1% 是膜蛋白。瞭解疏水性尺度可以預測跨膜蛋白序列，並能更好地瞭解水-蛋白質-脂質相互作用。

典型的跨膜蛋白的組成成分的示例。

蛋白質-脂質相互作用

脂質-蛋白質相互作用的熱力學和微觀細節在許多重要的生物因素中非常重要。

其中一個生物因素涉及 KvAP，它是第一個電壓門控鉀離子通道的晶體結構。KvAP 的結構導致了生物化學界關於氨基酸精氨酸和脂質之間相互作用的許多討論。這是因為該結構表明門控機制，其中帶正電的精氨酸暴露於細胞膜的疏水脂質雙層的內部。

蛋白質-脂質相互作用中的另一個關鍵生物因素是抗菌肽和細胞穿透肽的作用。這是因為抗菌肽具有富含陽離子和芳香族殘基的特定氨基酸序列，而細胞穿透肽富含陽離子殘基。

最後一個主要進展是成功結晶和確定 Sec 轉運子系統的結構，該系統具有將膜蛋白插入膜中的基本任務，只要它們在核糖體合成完畢即可。Sec 轉運子系統的複雜性引發了關於膜插入熱力學的疑問。

蛋白質膜結構

膜雙層是一個高度異質的層，在奈米長度尺度上具有大的密度和極性梯度。膜脂質雙層可以分為四個主要區域。疏水性降低，親水性增加，沿每個區域移動。在第一個區域，即雙層的中心，非常疏水，並且明顯無序，其性質類似於癸烷。在第二個區域，脂質尾部更加有序，並且密度更高，具有與聚合物非常相似的特徵。在第三個區域，存在功能基團的混合物，大多數頭部基團密度以及水。在第四個也是最後一個區域，它非常親水，因為它被定義為主要由脂質層擾動的水。該層可以非常深，具體取決於細胞條件。

疏水性尺度的比較

生物化學界已開發出多種疏水性標度，用於研究膜蛋白處發生的脂質-蛋白質相互作用。每個疏水性標度都是獨立開發的，使用不同的技術來研究這些脂質-蛋白質相互作用。

Radzicka-Wolfenden 小分子分配標度

Radzicka 和 Wolfenden 開發了最早的疏水性標度之一，用於研究球狀蛋白的摺疊。該標度基於氨基酸側鏈小分子類似物在極性層（水）和親脂性層（環己烷）之間的分配。由於膜中心具有與大體積烴相似的理化性質，因此該特定標度與膜分配相關。

將氨基酸的側鏈類似物新增到水和環己烷的雙相系統中。系統達到平衡後，分別測量水和環己烷的濃度。水和環己烷濃度之比與轉移自由能成正比。

儘管 Radzicka-Wolfenden 疏水性標度很簡單，但該標度並不能準確反映真實的細胞條件，因為脂質雙層膜不類似於各向同性溶劑，並且側鏈本身忽略了蛋白質結構的重要方面。

MacCallum 等人的分子動力學平均力勢標度

MacCallum 等人的分子動力學平均力勢標度側重於分子動力學模擬，以計算 Radzicka-Wolfenden 側鏈類似物（如上所述）的分佈。該標度沒有使用環己烷作為親脂性層，而是使用了更真實的雙層膜，即 1,2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼雙層膜 (DOPC)。由於這些是計算機模擬，因此能夠在分子水平上了解區域性環境。

該特定模型最重要的方面之一是雙層膜中水缺陷的形成，即膜中的區域性變形，允許水滲透到雙層膜核心，並使極性和帶電基團在極性和帶電分子分配到脂質雙層膜中時保持水合。

Wimley-White 五肽型疏水性標度

Wimley 和 White 開發了一種基於肽的系統，以推匯出氨基酸側鏈殘基與脂質之間的熱力學標度。。Wimley 和 White 使用的五肽是 Ace-WLxLL，其中 x 可以是 20 種天然存在的氨基酸中的任何一種。使用水作為極性層，使用 1-辛醇作為親脂性層，並測量兩種層之間的分配。還透過平衡透析和反相高效液相色譜 (HPLC) 測量了水和 1-棕櫚醯基-2-油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼 (POPC) 之間的分配。

該特定標度的一個侷限性在於，它的重點是顯式介面，而不是像其他標度那樣是雙層膜核心。為了更好地理解該標度，需要深入研究微觀水平。但是，與其他小分子標度相比，該標度更加現實，但強調氨基酸側鏈殘基與水-脂質介面或具有疏水環境（針對賴氨酸等中性氨基酸）和更親水環境（針對精氨酸等帶電氨基酸）的非均相辛醇環境之間的相互作用。

Moon-Fleming OmpLA 摺疊/重摺疊標度

Moon 和 Fleming 開發了一種疏水性標度，該標度基於外膜磷脂酶 A (OmpLA) 的水溶性非摺疊態和膜插入摺疊態之間的可逆體外平衡。。透過對 OmpLA 進行突變，可以改變摺疊的膜插入態和溶液中的非摺疊態之間的平衡，並隨後透過熒光光譜法進行測量。

外膜磷脂酶 A (OmpLA) 的三維結構。

該實驗比較了明確定義的摺疊膜態和溶液中的非摺疊態，並測量了兩種狀態之間的熱力學平衡。其中一個複雜之處在於所使用的雙層膜，1,2-二月桂醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼 (DLPC)，相對較薄且不穩定。

Hessa 等人的 Sec 轉運子疏水性標度

Hessa 等人使用先前開發的膜蛋白插入測定法（使用小型膜蛋白引導肽酶）開發了一種疏水性標度。他們設計了兩個糖基化位點和一個 19 個氨基酸長的殘基，也稱為 H 段，該段可以根據其疏水性插入膜作為跨膜螺旋。透過分析兩個糖基化位點，可以確定 H 段的插入狀態。透過調節序列，可以實現 H 段的插入態和非插入態之間的表觀平衡。

H 段的插入涉及 Sec 轉運子，Sec 轉運子是一種細胞機器，它在核糖體合成給定 H 段時，將其插入膜或將其分泌到膜外。Hessa 等人利用這一點開發了一種跨膜預測方法，該方法依賴於單個殘基結果的線性組合，以預測氨基酸殘基的螺旋是否會插入細胞膜。

使用 Sec 轉運子的該方法的另一個有用應用是測試電壓門控鉀離子通道中的特定序列是否會插入膜，儘管它具有多個精氨酸和其他極性殘基。

疏水性標度之間的相似性

儘管使用了不同的環境和方法來測試疏水性，但上述五個推導的疏水性標度都表現出彼此之間有著明確的相關性。例如，Radzicka-Wolfenden 標度和 MacCallum 標度彼此之間高度相關，並且產生幾乎相同的絕對自由能差異。Wimley-White 標度測量了水和 1-辛醇的非均相環境中的相互作用，而 Moon-Fleming 標度和 Hessa 等人的標度測量了與膜蛋白插入和穩定性直接相關的特性。

Wimley-Hessa-Moon 標度和 MacCallum-Radzicka 標度的絕對值相差很大。儘管如此，這五個標度都指向了相同的結果。

差異

儘管已經進行的實驗在嘗試匹配脂質及其膜蛋白的反應方面取得了類似的結果，但這些實驗總體上非常簡單，不一定能複製真正的生理環境，因此沒有提供太多關於真正生理細胞膜的見解。這些實驗只是相關，不一定精確，因為生物膜包含多種脂質混合物，而不是所使用的單一組分雙層。膜蛋白在細胞膜中發揮著高達 25% 的作用，這些蛋白並未包含在實驗中。此外，帶電荷或極性分子通常會扭曲脂質-水介面。此外，上述實驗中使用的尺度只考慮了單個氨基酸殘基，而在真正的生物環境中，存在多個氨基酸殘基。用於確定每個實驗中尺度的自由能計算（自由能是從每個氨基酸在極性水環境和脂質雙層環境之間轉移所測量的能量量）也存在很大差異，這就是使用尺度因子來比較實驗的原因。總體而言，真實的生物系統涉及非常不同的環境，這些環境還沒有更緊密地匹配真實的設定。儘管疏水性尺度研究存在差異，但正如以下討論的那樣，繼續調查這個相當複雜且相對未知的主題有許多深刻的理由。

影響

研究疏水性並建立一個尺度在討論不同尺度的影響方面非常重要，以及在找到一個可以利用的單一尺度方面。這些尺度有助於預測膜蛋白-脂質相互作用以及膜蛋白結構，而我們對膜蛋白結構知之甚少。由於許多藥物嚴格地與膜蛋白相互作用，因此透過測量疏水性來了解蛋白質-脂質相互作用可以為如何透過尚未了解的更有效的新方法治癒或治療疾病提供很大的見解。這將最適用於抗菌肽和細胞穿透肽的機制。此外，疏水性揭示了側鏈-脂質相互作用。