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相对定义氨基酸残基疏水性的系统。疏水性尺度通常在负到正的范围内。负范围内的值被定义为不太疏水，而正范围内的值被定义为比较疏水。疏水性尺度也提供了对细胞膜内脂质和蛋白质之间发生的相互作用的热力学有很大的洞察力。

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的趋势和倾向，同时排除水分子。当脂质和其他非极性分子破坏水的氢键网络并迫使它在非极性分子周围重新形成时，就会产生疏水效应。由此产生的效应是水在该特定的疏水分子周围形成一个笼子。疏水效应在调节蛋白质折叠以及脂质双层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。下面是五种不同的方法来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，正如 MacCallum 在他的疏水性尺度文章中所讨论的那样。在 Radzicka-Wolfenden 实验中，氨基酸精氨酸的侧链被置于水和环己烷溶剂中。每层中氨基酸的浓度用于计算自由能。这种疏水性尺度的问题是，环己烷作为非极性更大的物质，不能准确地代表细胞膜的脂质双层。MacCallum 等人对疏水性尺度的评估与 Radzicka 的评估非常相似。唯一的区别是，MacCallum 使用的是 DOPC 而不是环己烷，DOPC 更能准确地代表实际的脂质双层。问题在于这个模型中没有骨架。由于一些氨基酸穿过双层，它的电荷会吸引并拉动水，因此会看到“水缺陷”。Wimley-White 使用 1-辛醇和水滴以及五肽 Ace-WLxLL。他们每次替换一个氨基酸。这是对细胞膜更真实的描述，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，它可以在水中的展开状态或插入膜中的折叠状态。通过突变 ompLA，平衡被改变。测量是通过使用荧光光谱法进行的。Hessa 等人使用蛋白质前导肽酶。他们在前导肽酶上连接一个 H 段（一个 19 个残基长的链）和 2 个 H 段上的糖基化位点。通过分析糖基化位点，他们可以预测 H 段是否已插入膜中。这五个实验都测量了氨基酸穿过膜时的自由能转移。当这些疏水性尺度被归一化后，它们彼此之间具有很好的相关性。注意：应该记住，这些实验并没有完全代表生物系统内部的疏水性，因为它们没有考虑细胞膜内已存在的膜蛋白，这些蛋白可能会与我们的氨基酸相互作用。 下图显示了上述五个实验的系统和环境。

文件：Hydrophobicity1.jpg

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疏水性尺度的重要性

即使所有蛋白质中 20-30% 是膜蛋白，但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质序列，也有助于更好地理解水-蛋白质-脂质相互作用。

典型跨膜蛋白组成的示例。

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通道的晶体结构。KvAP 的结构在生物化学界引发了关于氨基酸精氨酸和脂质之间相互作用的许多讨论。这是因为该结构建议的门控机制，其中带正电荷的精氨酸暴露于细胞膜的疏水性脂质双层的内部。

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特定的氨基酸序列，富含阳离子和芳香族残基，而细胞穿透肽富含阳离子残基。

最后一个重大进展是 Sec 转运蛋白系统的成功结晶和结构测定，该系统具有将膜蛋白插入膜中的基本任务，只要它们被核糖体合成完毕。Sec 转运蛋白系统的复杂性引发了人们对膜插入的热力学的疑问。

蛋白质膜结构

膜双层是一个高度不均匀的层，在纳米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。沿每个区域移动，疏水性降低，亲水性增加。在第一个区域（双层的中心）是高度疏水的，并且是相当无序的，其特性类似于癸烷。在第二个区域，脂质尾部更有序，具有更高的密度，其特征非常类似于聚合物。在第三个区域，存在功能基团的多种混合物，大部分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，因为它被定义为大部分被脂质层扰动的水。取决于细胞条件，这一层可能非常深。

疏水性尺度的比较

生化界已经开发出多种疏水性标度来研究膜蛋白发生的脂质-蛋白质相互作用。每个疏水性标度都独立于彼此开发，使用不同的技术来研究这些脂质-蛋白质相互作用。^[1]

Radzicka-Wolfenden 小分子分配标度

最早的疏水性标度之一是由 Radzicka 和 Wolfenden 开发的，用于研究球状蛋白质的折叠。该标度基于氨基酸侧链的小分子类似物在极性层（水）和亲脂性层（环己烷）之间的分配。由于膜中心具有类似于块状烃的物理化学性质，因此该特定标度与膜分配相关。^[3]

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，测量水和环己烷的浓度。水和环己烷浓度之比与转移的自由能成正比。

虽然 Radzicka-Wolfenden 疏水性标度很简单，但该标度并未准确反映真实的细胞条件，因为脂质双层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。^[4]

MacCallum 等人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。他们没有使用环己烷作为亲脂性层，而是使用了一个更真实的双层，即 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱双层 (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中水缺陷的形成，这些缺陷是膜中的局部变形，允许水渗透到双层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。^[5]

Wimley-White 五肽基疏水性标度

Wimley 和 White 开发了一种基于肽的系统来推导出氨基酸侧链残基和脂质之间的热力学标度。^[6]. 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。水用作极性层，1-辛醇用作亲脂性层，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。

该特定标度的一个缺点是，它的重点是界面而不是像其他标度那样的双层核心。为了更好地理解该标度，需要深入微观层面。然而，与其他小分子标度相比，该标度更现实，但强调了氨基酸侧链残基与水脂界面或具有疏水环境的异质辛醇环境的相互作用，对于像赖氨酸这样的中性氨基酸，该环境更疏水，而对于像精氨酸这样的带电氨基酸，该环境更亲水。^[7][8]

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) 可溶性展开状态和膜插入折叠状态之间的可逆体外平衡。^[9]. 通过对 OmpLA 进行突变，可以改变折叠的、膜插入的状态和溶液中的展开状态之间的平衡，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。

该实验比较了定义明确的折叠膜状态和溶液中的展开状态，并测量了两种状态之间的热力学平衡。其中一个复杂之处是，所使用的双层 1,2-二月桂酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DLPC) 相对薄且不稳定。

Hessa 等人 Sec 转运子疏水性标度

Hessa 等人使用之前开发的膜蛋白插入测定法（使用小型膜蛋白前导肽酶）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，该残基可以根据其疏水性插入膜中作为跨膜螺旋。通过测定两个糖基化位点，可以确定 H 段的插入状态。^[10]. 通过调节序列可以实现 H 段插入状态和未插入状态之间的表观平衡。

H 段的插入涉及 Sec 转运子，Sec 转运子是一种细胞机制，它在核糖体合成给定的 H 段时，将其插入膜中或分泌到膜外。Hessa 等人利用此方法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来预测氨基酸残基的螺旋是否会插入细胞膜中。^[11].

使用 Sec 转运子的该方法的另一个有用应用是测试来自电压门控钾通道的特定序列是否会插入膜中，尽管它具有多个精氨酸和其他极性残基。^[12].

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明确的相关性。^[1]. 例如，Radzicka-Wolfenden 标度和 MacCallum 标度彼此之间高度相关，产生几乎相同的绝对自由能差异。Wimley-White 标度测量了水和 1-辛醇的异质环境中的相互作用，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性质。

Wimley-Hessa-Moon 标度和 MacCallum-Radzicka 标度的绝对大小存在显著差异。尽管如此，所有这五个标度都指向相同的结果。^[13].

差异

尽管已进行的实验在试图匹配脂质及其膜蛋白的反应方面取得了相似的结果，但总体而言，这些实验非常简单，并非真正生理环境的复制品，因此无法深入了解真实的生理细胞膜。这些实验只是相关性的，并非完全精确，因为生物膜包含多种脂质混合物，而并非所使用的单组分双层。膜蛋白在细胞膜中发挥着高达 25% 的作用，但这些实验中并未包括它们。此外，带电或极性分子通常会扭曲脂质-水界面。而且，上述实验中使用的尺度只考虑了单个氨基酸残基，而实际上在生物环境中，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（自由能指从将每个氨基酸从极性水环境转移到脂质双层环境中所测量的能量）也大不相同，这就是使用比例因子来比较实验的原因。总的来说，真实的生物系统涉及非常不同的环境，这些环境尚未与真实的设置更紧密地匹配。尽管疏水性尺度研究中存在差异，但正如以下讨论，还有许多充分的理由继续研究这个相当复杂且相对未知的主题。

意义

研究疏水性并建立尺度对于讨论不同尺度的意义以及寻找可使用的单一尺度非常重要。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，而这些方面目前所知甚少。由于许多药物与膜蛋白严格相互作用，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发现的更有效的新方法治愈或治疗疾病提供巨大的启示。这在抗菌肽和穿膜肽的机制中最为适用。此外，疏水性揭示了侧链-脂质相互作用。