结构生物化学/化学键/疏水相互作用/疏水性尺度

疏水性尺度是生物化学家用来研究氨基酸的系统，用于相对定义氨基酸残基的疏水性。疏水性尺度通常在负数到正数范围内。负数范围内的值被定义为不太疏水，而正数范围内的值被定义为有点疏水。疏水性尺度还提供了对细胞膜内脂质和蛋白质之间相互作用的热力学的有力见解。

水分子之间的氢键。

疏水性

疏水性，也称为疏水效应，是非极性分子（如脂质）在水溶液中相互缔合，同时排斥水分子的趋势和倾向。疏水效应是当脂质和其他非极性分子破坏水的氢键网络并迫使其自身重新形成围绕非极性分子时产生的。由此产生的效果是水在该特定的疏水分子周围形成一个笼子。疏水效应在蛋白质折叠的调节以及脂质双层的形成和膜蛋白插入非极性脂质环境中起着至关重要的作用。

不同的疏水性尺度

有许多不同类型的疏水性尺度。以下是 MacCallum 在其疏水性尺度文章中讨论的五种不同的方法，用于访问单个氨基酸残基或多肽的单个氨基酸突变的疏水性水平。在 Radzicka–Wolfenden 实验中，氨基酸精氨酸的侧链被放置在水和环己烷溶剂中。氨基酸在每层中的浓度用于计算自由能。该疏水性尺度的缺点是，环己烷作为更非极性的溶剂，不能准确地代表细胞膜的脂质双层。MacCallum 等人的疏水性尺度评估与 Radzicka 的非常相似。唯一的区别是，MacCallum 不是使用环己烷，而是使用 DOPC，这更准确地代表了实际的脂质双层。问题在于该模型中没有骨架。由于一些氨基酸穿过双层，因此会看到“水缺陷”，因为它的电荷会吸引并拉动水。Wimley–White 使用 1-辛醇和水滴以及五肽 Ace-WLxLL 替代。他们每次更换一个氨基酸。这更现实地代表了细胞膜，因为它考虑了多肽骨架的影响。他们还测量了每种溶剂中五肽的比例。Moon–Fleming 使用蛋白质 OmpLA，该蛋白质可以在水中处于展开状态或在插入膜内时处于折叠状态。通过突变 ompLA 来改变平衡。测量是从使用荧光光谱法获得的。Hessa 等人使用蛋白质前导肽酶。他们在前导肽酶上连接了一个 H 段，这是一个 19 个残基长的链，以及 H 段上的 2 个糖基化位点。通过分析糖基化位点，他们可以预测 H 段是否已插入膜内。这五个实验都测量了氨基酸穿过膜时的自由能转移。当归一化后，这些疏水性尺度彼此之间具有很好的相关性。注意：应该记住，这些实验并不完全代表生物系统内的疏水性，因为它们没有考虑已经存在于细胞膜内的膜蛋白，这些蛋白可能与我们的氨基酸相互作用。 下面的图像显示了五个提到的实验的系统和环境。

文件：Hydrophobicity1.jpg

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疏水性尺度的重要性

尽管所有蛋白质中有 20-30% 是膜蛋白，但在蛋白质数据库中已知的结构中，只有不到 1% 是膜蛋白。了解疏水性尺度可以预测跨膜蛋白序列，并能更好地了解水-蛋白质-脂质相互作用。

典型的跨膜蛋白的组成成分的示例。

蛋白质-脂质相互作用

脂质-蛋白质相互作用的热力学和微观细节在许多重要的生物因素中非常重要。

其中一个生物因素涉及 KvAP，它是第一个电压门控钾离子通道的晶体结构。KvAP 的结构导致了生物化学界关于氨基酸精氨酸和脂质之间相互作用的许多讨论。这是因为该结构表明门控机制，其中带正电的精氨酸暴露于细胞膜的疏水脂质双层的内部。

蛋白质-脂质相互作用中的另一个关键生物因素是抗菌肽和细胞穿透肽的作用。这是因为抗菌肽具有富含阳离子和芳香族残基的特定氨基酸序列，而细胞穿透肽富含阳离子残基。

最后一个主要进展是成功结晶和确定 Sec 转运子系统的结构，该系统具有将膜蛋白插入膜中的基本任务，只要它们在核糖体合成完毕即可。Sec 转运子系统的复杂性引发了关于膜插入热力学的疑问。

蛋白质膜结构

膜双层是一个高度异质的层，在纳米长度尺度上具有大的密度和极性梯度。膜脂质双层可以分为四个主要区域。疏水性降低，亲水性增加，沿每个区域移动。在第一个区域，即双层的中心，非常疏水，并且明显无序，其性质类似于癸烷。在第二个区域，脂质尾部更加有序，并且密度更高，具有与聚合物非常相似的特征。在第三个区域，存在功能基团的混合物，大多数头部基团密度以及水。在第四个也是最后一个区域，它非常亲水，因为它被定义为主要由脂质层扰动的水。该层可以非常深，具体取决于细胞条件。

疏水性尺度的比较

生物化学界已开发出多种疏水性标度，用于研究膜蛋白处发生的脂质-蛋白质相互作用。每个疏水性标度都是独立开发的，使用不同的技术来研究这些脂质-蛋白质相互作用。

Radzicka-Wolfenden 小分子分配标度

Radzicka 和 Wolfenden 开发了最早的疏水性标度之一，用于研究球状蛋白的折叠。该标度基于氨基酸侧链小分子类似物在极性层（水）和亲脂性层（环己烷）之间的分配。由于膜中心具有与大体积烃相似的理化性质，因此该特定标度与膜分配相关。

将氨基酸的侧链类似物添加到水和环己烷的双相系统中。系统达到平衡后，分别测量水和环己烷的浓度。水和环己烷浓度之比与转移自由能成正比。

尽管 Radzicka-Wolfenden 疏水性标度很简单，但该标度并不能准确反映真实的细胞条件，因为脂质双层膜不类似于各向同性溶剂，并且侧链本身忽略了蛋白质结构的重要方面。

MacCallum 等人的分子动力学平均力势标度

MacCallum 等人的分子动力学平均力势标度侧重于分子动力学模拟，以计算 Radzicka-Wolfenden 侧链类似物（如上所述）的分布。该标度没有使用环己烷作为亲脂性层，而是使用了更真实的双层膜，即 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱双层膜 (DOPC)。由于这些是计算机模拟，因此能够在分子水平上了解局部环境。

该特定模型最重要的方面之一是双层膜中水缺陷的形成，即膜中的局部变形，允许水渗透到双层膜核心，并使极性和带电基团在极性和带电分子分配到脂质双层膜中时保持水合。

Wimley-White 五肽型疏水性标度

Wimley 和 White 开发了一种基于肽的系统，以推导出氨基酸侧链残基与脂质之间的热力学标度。。Wimley 和 White 使用的五肽是 Ace-WLxLL，其中 x 可以是 20 种天然存在的氨基酸中的任何一种。使用水作为极性层，使用 1-辛醇作为亲脂性层，并测量两种层之间的分配。还通过平衡透析和反相高效液相色谱 (HPLC) 测量了水和 1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (POPC) 之间的分配。

该特定标度的一个局限性在于，它的重点是显式界面，而不是像其他标度那样是双层膜核心。为了更好地理解该标度，需要深入研究微观水平。但是，与其他小分子标度相比，该标度更加现实，但强调氨基酸侧链残基与水-脂质界面或具有疏水环境（针对赖氨酸等中性氨基酸）和更亲水环境（针对精氨酸等带电氨基酸）的非均相辛醇环境之间的相互作用。

Moon-Fleming OmpLA 折叠/重折叠标度

Moon 和 Fleming 开发了一种疏水性标度，该标度基于外膜磷脂酶 A (OmpLA) 的水溶性非折叠态和膜插入折叠态之间的可逆体外平衡。。通过对 OmpLA 进行突变，可以改变折叠的膜插入态和溶液中的非折叠态之间的平衡，并随后通过荧光光谱法进行测量。

外膜磷脂酶 A (OmpLA) 的三维结构。

该实验比较了明确定义的折叠膜态和溶液中的非折叠态，并测量了两种状态之间的热力学平衡。其中一个复杂之处在于所使用的双层膜，1,2-二月桂酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DLPC)，相对较薄且不稳定。

Hessa 等人的 Sec 转运子疏水性标度

Hessa 等人使用先前开发的膜蛋白插入测定法（使用小型膜蛋白引导肽酶）开发了一种疏水性标度。他们设计了两个糖基化位点和一个 19 个氨基酸长的残基，也称为 H 段，该段可以根据其疏水性插入膜作为跨膜螺旋。通过分析两个糖基化位点，可以确定 H 段的插入状态。通过调节序列，可以实现 H 段的插入态和非插入态之间的表观平衡。

H 段的插入涉及 Sec 转运子，Sec 转运子是一种细胞机器，它在核糖体合成给定 H 段时，将其插入膜或将其分泌到膜外。Hessa 等人利用这一点开发了一种跨膜预测方法，该方法依赖于单个残基结果的线性组合，以预测氨基酸残基的螺旋是否会插入细胞膜。

使用 Sec 转运子的该方法的另一个有用应用是测试电压门控钾离子通道中的特定序列是否会插入膜，尽管它具有多个精氨酸和其他极性残基。

疏水性标度之间的相似性

尽管使用了不同的环境和方法来测试疏水性，但上述五个推导的疏水性标度都表现出彼此之间有着明确的相关性。例如，Radzicka-Wolfenden 标度和 MacCallum 标度彼此之间高度相关，并且产生几乎相同的绝对自由能差异。Wimley-White 标度测量了水和 1-辛醇的非均相环境中的相互作用，而 Moon-Fleming 标度和 Hessa 等人的标度测量了与膜蛋白插入和稳定性直接相关的特性。

Wimley-Hessa-Moon 标度和 MacCallum-Radzicka 标度的绝对值相差很大。尽管如此，这五个标度都指向了相同的结果。

差异

尽管已经进行的实验在尝试匹配脂质及其膜蛋白的反应方面取得了类似的结果，但这些实验总体上非常简单，不一定能复制真正的生理环境，因此没有提供太多关于真正生理细胞膜的见解。这些实验只是相关，不一定精确，因为生物膜包含多种脂质混合物，而不是所使用的单一组分双层。膜蛋白在细胞膜中发挥着高达 25% 的作用，这些蛋白并未包含在实验中。此外，带电荷或极性分子通常会扭曲脂质-水界面。此外，上述实验中使用的尺度只考虑了单个氨基酸残基，而在真正的生物环境中，存在多个氨基酸残基。用于确定每个实验中尺度的自由能计算（自由能是从每个氨基酸在极性水环境和脂质双层环境之间转移所测量的能量量）也存在很大差异，这就是使用尺度因子来比较实验的原因。总体而言，真实的生物系统涉及非常不同的环境，这些环境还没有更紧密地匹配真实的设置。尽管疏水性尺度研究存在差异，但正如以下讨论的那样，继续调查这个相当复杂且相对未知的主题有许多深刻的理由。

影响

研究疏水性并建立一个尺度在讨论不同尺度的影响方面非常重要，以及在找到一个可以利用的单一尺度方面。这些尺度有助于预测膜蛋白-脂质相互作用以及膜蛋白结构，而我们对膜蛋白结构知之甚少。由于许多药物严格地与膜蛋白相互作用，因此通过测量疏水性来了解蛋白质-脂质相互作用可以为如何通过尚未了解的更有效的新方法治愈或治疗疾病提供很大的见解。这将最适用于抗菌肽和细胞穿透肽的机制。此外，疏水性揭示了侧链-脂质相互作用。