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相對定義氨基酸殘基疏水性的系統。疏水性尺度通常在負到正的範圍內。負範圍內的值被定義為不太疏水，而正範圍內的值被定義為比較疏水。疏水性尺度也提供了對細胞膜內脂質和蛋白質之間發生的相互作用的熱力學有很大的洞察力。
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的趨勢和傾向，同時排除水分子。當脂質和其他非極性分子破壞水的氫鍵網路並迫使它在非極性分子周圍重新形成時，就會產生疏水效應。由此產生的效應是水在該特定的疏水分子周圍形成一個籠子。疏水效應在調節蛋白質摺疊以及脂質雙層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。
有許多不同型別的疏水性尺度。下面是五種不同的方法來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，正如 MacCallum 在他的疏水性尺度文章中所討論的那樣。在 Radzicka-Wolfenden 實驗中，氨基酸精氨酸的側鏈被置於水和環己烷溶劑中。每層中氨基酸的濃度用於計算自由能。這種疏水性尺度的問題是，環己烷作為非極性更大的物質，不能準確地代表細胞膜的脂質雙層。MacCallum 等人對疏水性尺度的評估與 Radzicka 的評估非常相似。唯一的區別是，MacCallum 使用的是 DOPC 而不是環己烷，DOPC 更能準確地代表實際的脂質雙層。問題在於這個模型中沒有骨架。由於一些氨基酸穿過雙層，它的電荷會吸引並拉動水，因此會看到“水缺陷”。Wimley-White 使用 1-辛醇和水滴以及五肽 Ace-WLxLL。他們每次替換一個氨基酸。這是對細胞膜更真實的描述，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，它可以在水中的展開狀態或插入膜中的摺疊狀態。透過突變 ompLA，平衡被改變。測量是透過使用熒光光譜法進行的。Hessa 等人使用蛋白質前導肽酶。他們在前導肽酶上連線一個 H 段（一個 19 個殘基長的鏈）和 2 個 H 段上的糖基化位點。透過分析糖基化位點，他們可以預測 H 段是否已插入膜中。這五個實驗都測量了氨基酸穿過膜時的自由能轉移。當這些疏水性尺度被歸一化後，它們彼此之間具有很好的相關性。注意：應該記住，這些實驗並沒有完全代表生物系統內部的疏水性，因為它們沒有考慮細胞膜內已存在的膜蛋白，這些蛋白可能會與我們的氨基酸相互作用。[1] 下圖顯示了上述五個實驗的系統和環境。
即使所有蛋白質中 20-30% 是膜蛋白，但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質序列，也有助於更好地理解水-蛋白質-脂質相互作用。[1]
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通道的晶體結構。KvAP 的結構在生物化學界引發了關於氨基酸精氨酸和脂質之間相互作用的許多討論。這是因為該結構建議的門控機制，其中帶正電荷的精氨酸暴露於細胞膜的疏水性脂質雙層的內部。
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特定的氨基酸序列，富含陽離子和芳香族殘基，而細胞穿透肽富含陽離子殘基。
最後一個重大進展是 Sec 轉運蛋白系統的成功結晶和結構測定，該系統具有將膜蛋白插入膜中的基本任務，只要它們被核糖體合成完畢。Sec 轉運蛋白系統的複雜性引發了人們對膜插入的熱力學的疑問。
膜雙層是一個高度不均勻的層，在奈米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。沿每個區域移動，疏水性降低，親水性增加。在第一個區域（雙層的中心）是高度疏水的，並且是相當無序的，其特性類似於癸烷。在第二個區域，脂質尾部更有序，具有更高的密度，其特徵非常類似於聚合物。在第三個區域，存在功能基團的多種混合物，大部分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，因為它被定義為大部分被脂質層擾動的水。取決於細胞條件，這一層可能非常深。[2]
生化界已經開發出多種疏水性標度來研究膜蛋白髮生的脂質-蛋白質相互作用。每個疏水性標度都獨立於彼此開發，使用不同的技術來研究這些脂質-蛋白質相互作用。[1]
最早的疏水性標度之一是由 Radzicka 和 Wolfenden 開發的，用於研究球狀蛋白質的摺疊。該標度基於氨基酸側鏈的小分子類似物在極性層（水）和親脂性層（環己烷）之間的分配。由於膜中心具有類似於塊狀烴的物理化學性質，因此該特定標度與膜分配相關。[3]
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，測量水和環己烷的濃度。水和環己烷濃度之比與轉移的自由能成正比。
雖然 Radzicka-Wolfenden 疏水性標度很簡單，但該標度並未準確反映真實的細胞條件，因為脂質雙層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。[4]
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。他們沒有使用環己烷作為親脂性層，而是使用了一個更真實的雙層，即 1,2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼雙層 (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中水缺陷的形成，這些缺陷是膜中的區域性變形，允許水滲透到雙層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。[5]
Wimley 和 White 開發了一種基於肽的系統來推匯出氨基酸側鏈殘基和脂質之間的熱力學標度。[6]. 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。水用作極性層，1-辛醇用作親脂性層，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。
該特定標度的一個缺點是，它的重點是介面而不是像其他標度那樣的雙層核心。為了更好地理解該標度，需要深入微觀層面。然而，與其他小分子標度相比，該標度更現實，但強調了氨基酸側鏈殘基與水脂介面或具有疏水環境的異質辛醇環境的相互作用，對於像賴氨酸這樣的中性氨基酸，該環境更疏水，而對於像精氨酸這樣的帶電氨基酸，該環境更親水。[7][8]
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) 可溶性展開狀態和膜插入摺疊狀態之間的可逆體外平衡。[9]. 透過對 OmpLA 進行突變，可以改變摺疊的、膜插入的狀態和溶液中的展開狀態之間的平衡，並隨後透過熒光光譜法進行測量。
該實驗比較了定義明確的摺疊膜狀態和溶液中的展開狀態，並測量了兩種狀態之間的熱力學平衡。其中一個複雜之處是，所使用的雙層 1,2-二月桂醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼 (DLPC) 相對薄且不穩定。
Hessa 等人使用之前開發的膜蛋白插入測定法（使用小型膜蛋白前導肽酶）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，該殘基可以根據其疏水性插入膜中作為跨膜螺旋。透過測定兩個糖基化位點，可以確定 H 段的插入狀態。[10]. 透過調節序列可以實現 H 段插入狀態和未插入狀態之間的表觀平衡。
H 段的插入涉及 Sec 轉運子，Sec 轉運子是一種細胞機制，它在核糖體合成給定的 H 段時，將其插入膜中或分泌到膜外。Hessa 等人利用此方法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來預測氨基酸殘基的螺旋是否會插入細胞膜中。[11].
使用 Sec 轉運子的該方法的另一個有用應用是測試來自電壓門控鉀通道的特定序列是否會插入膜中，儘管它具有多個精氨酸和其他極性殘基。[12].
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明確的相關性。[1]. 例如，Radzicka-Wolfenden 標度和 MacCallum 標度彼此之間高度相關，產生幾乎相同的絕對自由能差異。Wimley-White 標度測量了水和 1-辛醇的異質環境中的相互作用，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性質。
Wimley-Hessa-Moon 標度和 MacCallum-Radzicka 標度的絕對大小存在顯著差異。儘管如此，所有這五個標度都指向相同的結果。[13].
儘管已進行的實驗在試圖匹配脂質及其膜蛋白的反應方面取得了相似的結果，但總體而言，這些實驗非常簡單，並非真正生理環境的複製品，因此無法深入瞭解真實的生理細胞膜。這些實驗只是相關性的，並非完全精確，因為生物膜包含多種脂質混合物，而並非所使用的單組分雙層。膜蛋白在細胞膜中發揮著高達 25% 的作用，但這些實驗中並未包括它們。此外，帶電或極性分子通常會扭曲脂質-水介面。而且，上述實驗中使用的尺度只考慮了單個氨基酸殘基，而實際上在生物環境中，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（自由能指從將每個氨基酸從極性水環境轉移到脂質雙層環境中所測量的能量）也大不相同，這就是使用比例因子來比較實驗的原因。總的來說，真實的生物系統涉及非常不同的環境，這些環境尚未與真實的設定更緊密地匹配。儘管疏水性尺度研究中存在差異，但正如以下討論，還有許多充分的理由繼續研究這個相當複雜且相對未知的主題。
研究疏水性並建立尺度對於討論不同尺度的意義以及尋找可使用的單一尺度非常重要。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，而這些方面目前所知甚少。由於許多藥物與膜蛋白嚴格相互作用，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發現的更有效的新方法治癒或治療疾病提供巨大的啟示。這在抗菌肽和穿膜肽的機制中最為適用。此外，疏水性揭示了側鏈-脂質相互作用。
- ↑ a b c d MacCallum, J.L. 和 Tieleman, D.P. (2011) 疏水性尺度：一個熱力學透鏡觀察脂質-蛋白質相互作用。生物化學趨勢。 12, 653-661
- ↑ Engleman, D.M. 等 (1986) 在膜蛋白氨基酸序列中識別非極性跨膜螺旋。生物物理學和生物物理化學年鑑。 15, 321-353
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- ↑ Radzicka, A. 和 Wolfenden, R. (1988) 比較氨基酸的極性 - 側鏈在氣相、環己烷、1-辛醇和中性水溶液之間的分配係數。生物化學. 27, 1664-1670
- ↑ MacCallum, J.L. 等 (2008) 脂質雙層中氨基酸的分佈，來自計算機模擬。生物物理學雜誌。 94, 3393-3404
- ↑ Wimley, W.C. 和 White, S.H. (1996) 實驗確定的膜介面蛋白質的氨基酸疏水性尺度自然結構生物學。 3. 842-848
- ↑ Franks, N.P. 等 (1993) 液態正辛醇的分子組織：X射線衍射分析。藥物科學雜誌。 82, 466-470.
- ↑ Wimley, W.C. 等 (1996) 一系列宿主-客體五肽中氨基酸側鏈和骨架的溶劑化能。生物化學。 35, 5109-5124
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- ↑ Hessa, T. 等 (2007) Sec61 轉運蛋白識別跨膜螺旋的分子程式碼。自然 450, 1026-1030
- ↑ Hessa, T. 等 (2005) 鉀通道電壓感測器的膜插入。科學 307, 1427
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